加速度傳感器的原理及使用方法

1. 什么是加速度？

在您用微控制器創(chuàng)建作品的時候，是不是經常遇到希望作品根據(jù)“運動”而執(zhí)行相應動作的情況？例如，當搖動它時顏色會發(fā)生變化，當傾斜它時會發(fā)出聲音……在這種情況下，通?？梢允褂盟^的“加速度傳感器”來實現(xiàn)。加速度傳感器也分為不同的類型。

那么，加速度傳感器可以測量的“加速度”到底是什么樣的物理量呢？可能很多人會理解為“運動”或“沖擊強度”，下面讓我們先來了解一下加速度。當您打開物理教科書時，上面通常會這樣寫著：

物體位置隨時間的變化（時間微分）就是速度（單位：［m/s］）

物體速度隨時間的變化（時間微分），即位移對時間的二階微分就是加速度（單位： ［m/s2］）

用公式來表達時是這樣的（不擅長公式的可以忽略。準確地說，x、v、a通常是三維向量）：

相對于位置x，速度v=dx/dt，加速度a=d2 x/dt2

另外，該加速度a與施加在物體上的力F成正比。也就是說，如果物體的質量是m，那么F=ma（稱為“運動方程”）。

換句話說，只要能檢測出加速度，就可以求得施加在物體上的力。

重力加速度

順便提一下，由于重力也是作用在物體上的力，因此也會產生加速度（重力加速度：9.8［m/s2］）。換言之，通過測量靜止（準確地說是加速度為零=勻速運動）物體的三維加速度，可以知道該物體相對于水平面的傾斜度（方向）。

此外，微分和積分是互逆運算的關系，因此，如果對位置進行微分計算，將得到速度值；如果對速度進行積分計算，則得到位置值。另外，對加速度進行兩次積分可以獲得位置值。也就是說，只要能測量出加速度，就可以求得物體的速度和位置。

獲取物體位置的方法有多種，例如，如果是在戶外，可以使用GPS進行測量，不過也有通過加速度求位置的方法。這種方法稱為“航位推測（Dead Reckoning）法”，但實際上精度不是太高（因為這是通過數(shù)值計算來進行時間積分的，所以誤差會累積），而且用很長時間求位置并不方便實際應用（多通過其他方法定期校正來使用）。

2. 與陀螺儀和羅盤配套使用

陀螺儀

經常與加速度傳感器配套使用的傳感器有“陀螺儀”和“羅盤”。

陀螺儀用來測量旋轉物體的轉速（角速度），在測量物體的方向和運動時，通常與加速度傳感器結合使用。另外，羅盤通過檢測地磁來測量方向（方位），其原理與指南針相同。與其他傳感器不同，它的一個主要特點是可以測量相對于北方或南方的朝向（朝向的絕對值），而使用加速度傳感器和陀螺儀，只能得到從開始測量時的變化量=相對值。

順便提一下，加速度傳感器與陀螺儀相結合的傳感器通常稱為“六軸傳感器”，再配上羅盤的傳感器通常稱為“九軸傳感器”。加速度、陀螺儀（角速度）和羅盤（方位）都是在三維空間中具有x、y、z三個分量的產品，都是三軸傳感器。

3. 加速度傳感器的使用方法

抱歉，基礎知識類的內容有點長了。我想大家已經知道可以用加速度傳感器測量哪些物理量了，下面我們來了解一下實際使用方法。例如，在Switch Science網(wǎng)站可以買到Grove標準的模塊，與Arduino和Raspberry Pi等配合使用很方便。

與微控制器配合使用時的使用方法與其他傳感器大致相同，例如，與Arduino配合使用時，流程通常是先安裝庫，然后打開示例草圖并運行。

Arduino的加速度傳感器示例草圖例

順便提一下，過去根據(jù)加速度的大小輸出電壓的產品類型（模擬輸出）很多，這類產品必須使用x、y、z軸三個軸的A/D轉換器（模擬輸入端口）。然而，最近大部分產品都可以像其他傳感器一樣直接連接I2C總線使用了。

4. 加速度傳感器的原理

直到最近，加速度傳感器才變得更易于使用。這是因為微細加工技術的進步在其中發(fā)揮了重要作用。

加速度傳感器的原理

加速度傳感器的測量需要使用上圖所示的結構。當施加加速度時，就會被施加因加速度產生的力（慣性力），從而產生變形。這樣，圖中虛線包圍部分的距離會發(fā)生變化。這部分可以看成是兩個導體相對的結構，也就是一個電容器，其距離的改變意味著電容器的電容量發(fā)生了變化?？赡苡行┤诉€記得在高中物理中學過的平行板電容器C的公式C=ε S/d。

測量電容器容量變化的方法有很多。其中包括測量振蕩電路頻率變化的方法，以及測量恒流充電時電壓變化的方法。電容器的電壓V可以根據(jù)與存儲的電荷Q的關系，通過V=Q/C求得。

在半導體芯片內部形成這種結構的技術稱為“MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）”，隨著半導體加工和制造技術的進步，在1990年左右達到了投入實際應用的水平。使用這種技術可以制作約10μm的非常小的結構。這使得在半導體芯片上不僅可以創(chuàng)建電氣電路和電子電路，還可以創(chuàng)建處理力等物理量的結構。

第一款采用這種MEMS結構的加速度傳感器產品是ADI公司于1993年推出的ADXL50。

ADI公司ADXL50的傳感器部分

一旦能夠將MEMS集成到半導體芯片中，處理從中獲得的信號就是電子電路的擅長領域了。隨著半導體芯片中集成的功能越來越多，比如放大、降噪、A/D轉換，甚至與I2C等數(shù)字控制信號的接口，最近的產品已經能夠很輕松地進行高精度測量了。

順便提一下，前面介紹的角速度傳感器陀螺儀也采用了MEMS結構。角速度是通過角速度產生的“科里奧利力”引起的結構變形來測量的。

5. 擴展到氣壓計和麥克風

具有MEMS結構的傳感器還有其他產品。例如，測量大氣壓的氣壓傳感器也測量壓力帶來的結構變形。如今，這些氣壓傳感器也變得越來越易于使用。

另外，最近越來越多拾取空氣中振動（即音源）的麥克風也開始采用MEMS結構。MEMS結構的麥克風比以前常用的動圈式和電容式麥克風更小型、更便宜。其中，模擬電壓輸出和脈沖密度根據(jù)音量而變化的PDM（Pulse Density Modulation=脈沖密度調制）輸出的產品比較多。