第一篇：双轴加速度传感器ADXL202及其应用设计
双轴加速度传感器ADXL202及其应用设计
2009年03月29日 15:08 不详 作者：北京交通大学 翟飞 用户评论（0）关键字：
引言
ADXL202是ADI公司出品的一款双轴加速度测量系统，模拟输入，可测量动态加速度和静态加速度，测量范围为±（2～10）g，输出为周期可调的脉宽调制信号，可以直接与单片机或计数器连接。LPC2103为飞利浦公司的一款ARM7系列微控制器，主要用于工业控制、医疗系统、访问控制、POS机、通信网关等领域。本文使用LPC2103实现对ADXL202加速度数据的采集与处理。1 ADXL202加速度传感器
1.1 ADXL202的引脚定义及基本特性
ADXL202为单片集成电路，集成度高、结构简单，内部包含多晶硅表面微处理传感器和信号控制电路，以实现开环加速度测量结构。与其他加速度计相比，ADXL202可在很大程度上提高工作带宽，降低噪声影响，零重力偏差和温度漂移也相对较低。图1所示为ADXL202传感器的引脚定义。
图1 引脚定义
ST： 自检，用于控制芯片自检功能。接VDD时，输出占空比为10%的波形，说明芯片正常工作。
COM： 引脚4、7。使用时需将2个COM端接在一起并接地。
T2： 经电阻RSET接地，调节输出信号周期。输出信号周期T2=RSET/（125 MΩs-1）。
VDD： 电源。工作电压范围为+3.0～+5.25 V，可经过100 Ω的去耦电阻接电源。
XFILT、YFILT： 经电容接地，用于改变带宽、滤除噪声和抑制零点漂移。
Xout、Yout: 输出。
图2为ADXL202传感器的内部结构原理图。ADXL202传感器由振荡器，X、Y方向传感器，相位检波电路以及占空比调制器组成，具有数字输出接口和模拟电压信号输出接口。X、Y方向传感器是2个相互正交的加速度传感器，它们同时工作，可以测量动态变化的加速度和恒定的加速度。传感器之后级连相位检波器，主要是用来修正信号，并对信号的方向做出判断。检波器输出的信号，通过一个32 kΩ 的电阻来驱动占空比调制器，通过在XFILT和YFILT 引脚外接电容CX和CY来改变带宽。
图2 传感器内部结构原理图
1.2 测量数据的计算及处理
(1)信号带宽的计算通
过CX和CY来设定带宽，在XFILT和YFILT引脚接上电容，通过低通滤波器来减少噪声。3 dB带宽的公式为：f=5 μF/C(x,y)(电容最小值为1 000 pF)(2)加速度的计算
输出信号周期T2=RSET /(125 MΩs-1)，如图3所示。
图3 占空比信号
信号通过低通滤波器之后，占空比调制器把信号转换为数字信号输出。通过T2引脚的外接电阻可以改变T2的周期（0.5～10 ms），这很适于在精度要求不同的场合下使用。输出的占空比信号通过计数器可以计算出占空比。加速度的计算可以通过下式得到：
a=(T1/T2-0.5)/（12.5%）
例如，当加速度为0g时，信号宽度T1与空闲宽度（T2－T1）相同，输出信号的占空比为50％；当加速度为1g时，信号宽度T1与空闲宽度（T2－T1）的比值为5∶3，输出信号的占空比为62.5％。1.3 ADXL202的典型应用
ADXL202传感器最重要的应用之一是倾斜度的测量。在进行倾斜度测量时，需要让传感器的敏感轴（x轴）与重力方向垂直。如果与重力方向平行，物体倾斜对于加速度数据的影响可以忽略不计。图4所示为加速度测量的原理图。
图4 加速度测量
当ADXL202与重力矢量垂直时，其输出随倾斜度的变化大约为每度17.5 mg，当两者呈45°时，输出变化值仅为每度12.2 mg，分辨率降低。表1为倾斜角度与加速度变化的关系。
表1 倾斜角度与加速度变化的关系 应用电路设计 2.1 硬件接口设计
LPC2103是一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMIS CPU，并带有8 KB片内SRAM和32 KB嵌入的高速片内Flash内存。LPC2103具有LQFP48的较小封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2个外部中断、最多可达32个GPIO。通过可编程的片内PLL（可能的输入频率范围：10～25 MHz）可实现最高70 MHz 的CPU 时钟频率。ADXL202传感器与LPC2103的接口电路如图5所示。
图5 ADXL应用电路图
ADXL202加速度传感器的T2经125 kΩ电阻接地，可以得到信号输出的周期为1 ms。
13、14引脚接+5 V电源，XFILT和YFILT经0.1 μF电容接地，用于设置50 Hz带宽。两路输出分别与LPC2103的P0.0和P0.2引脚相接，作为数据传输线。数据传输有两种方法，分别为普通GPIO口方式和定时器捕获中断方式。
2.2 普通GPIO口方式
由于传感器输出均为DCM信号，无论采用什么方式进行数据接收，都需要定时器/计数器工作，对DCM信号进行计时处理。因此，程序首先要对定时器进行初始化。然后分别对DCM信号的高电平和低电平持续时间进行计时，得到T1、T2的值，再进行加速度计算。由于默认情况下GPIO均为普通I/O方式，所以开始不用设置PINSEL寄存器。普通GPIO口方式程序如下： #define KEY 0x00000001//X轴加速度P0.0,前向加速度 T1PR=0;//预分频为0，使得T1TC即为pclk个数 while((IOPIN&KEY)!=0);//下降沿或低电平跳出 while((IOPIN&KEY)==0);//上升沿或高电平跳出 T1TCR=0x03;//启动并复位T1TC T1TCR=0x01;while((IOPIN&KEY)!=0);//下降沿跳出,等下降沿来临 t1=T1TC;//取此时计数器的值 T1TC=0x00;//复位计数器
while((IOPIN&KEY)==0);//上升沿跳出，等待上升沿的来临 t2=T1TC;T1TCR=0x00;//关闭定时/计数器T1 a1=(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))-0.5)*8;//计算加速度
普通GPIO口方式的程序比较简单，虽然程序的执行需要时间，但由于LPC2103的主频可以达到40 MHz，执行几条指令只需几微秒，所以产生的误差会很小。但普通GPIO方式程序执行时，CPU一直在等待上升沿或下降沿的到来，大大降低了CPU的使用效率。可以使用图5所示Xout与LPC2103的接口方式。2.3 定时器捕获中断方式
如图5所示，Yout与LPC2103的P0.2引脚相接，利用P0.2的功能复用，可以实现定时器捕获中断方式接收传感器数据。主要程序段如下： #define ya 0x00000004//引脚功能初始化
PINSEL0=0x00000020;//设置引脚连接为定时器0的捕获通道0 PINSEL1=0x00000000;//向量中断设置
VICIntSelect=0x00000000;//设置所有中断为IRQ中断 VICVectCntl0=0x24;//定时器0中断为最高优先级
VICIntEnable=0x0010;//使能定时器0中断定时器0初始化 T0PR=0;//预分频为0，使T0TC即为pclk的个数
T0CCR=0x07;//置TIMER0的CAP0为上升、下降沿捕获，触发中断 T0MR0=0xFFFFFFFF;//设置匹配值 T0TCR=0x03;//启动并复位T0TC T0TCR=0x01;//中断服务程序 void __irq time0(void){ T0IR = 0x10;//复位定时器中断标志 if((IOPIN&ya)==0){ t1=T0CR0;//读取T0TC T0TC=0x00;//复位T0TC } else if((IOPIN&ya)!=0){ t2=TOCR0;//读取TOTC T0TC=0x00;//复位T0TC } VICVectAddr =0x00;//中断处理结束 }
中断处理程序运行之后，得到的信号周期应为T2=t1+t2。故加速度为(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))-0.5)*8。使用中断服务程序大大提高了CPU的使用效率，但程序较为复杂，并且占用了一个中断向量通道。结语
ADXL202传感器的应用方法经过验证完全可行，并且能够达到较高的测量精度。由于集成度高，由ADXL202和ARM系列微控制器组成的系统完全可以用于汽车、火车等交通工具的安全控制系统。ADXL202在惯性导航、倾斜感应、地震监控及汽车保险等领域都有着广泛的应用，精度高、集成度高、功耗低等特点使之完全可以取代传统的加速度传感器。
参考文献
[1] 周立功.ARM微控制器基础与实战 [M].北京:北京航空航天大学出版社 ,2003.[2] ADI.Low Cost ±2g/10g Dual Axis iMEMS Accelerometers with Digital Output ADXL202/ADXL210 Technical Note,1999.
第二篇：三轴加速度传感器的步态识别系统==
三轴加速度传感器的步态识别系统
近年来随着微机电系统的发展，加速度传感器已经广泛应用于各个领域并拥有良好的发展前景。例如在智能家居、手势识别、步态识别、跌倒检测等领域，都可以通过加速度传感器实时获得行为数据从而判断出用户的行为情况。
目前许多智能手机都内置多种传感器，通过预装软件就能够获得较精确的原始数据。本文提出一种基于三轴加速度传感器，用智能手机采集用户数据，对数据进行处理及特征提取获得特征矩阵并分类识别的方法，有效地识别了站立、走、跑、跳四种动作。
人体动作识别处理过程主要包含数据采集、预处理、特征提取和分类器识别数据采集数据采集和发送模块安装在用户端，另一个数据接收模块接在电脑终端上。
由于我们制作的采集模块很轻、很小，所以方便佩戴。当用户运动时，三轴加速度传感器会将据采集并通过无线方式发送给电脑接收模块，再通过电脑上的软件部分对采集到的数据进行分析处理，将结果输出，显示用户的实时状态。
本文使用的加速度传感器数据来自于共计６０个样本。传感器统一佩戴于腰间。本文选取了其中一位采集者的数据用于主要分析研究，其余两位采集者的数据则用于验证由第一位采集者数据研究所得的结论，这样的做法既减小了数据处理的繁杂又能保证最终结果的准确性。预处理应用程序设置的采集时间间隔为０．１ｓ，对每一个动作的采集时间为２５ｓ。考虑到用户在采集数据一开始与将要结束时的动作不平稳可能对数据带来较大影响，前２ｓ２ｓ采集的数据将被舍弃不予分析。因原始加速度信号一般都含有噪声，为了提高数据分析结果的准确性，通常在原始加速度信号进行特征提取前对其进行去躁、归一化、加窗等预处理。通过加窗处理，不仅规整了加速度信号的长度，而且方便研究人员按照需要选择适宜的信号长度，这样有利于后续的特征提取。
许多研究人员使所示。研究人员采集的加速度传感器信号由于采集者的动作力度不同造成加速度信号的幅度差异较大，这会对之后的分类识别造成负面影响，归一化技术可以调整加速度信号的幅度，按照一定的归一化算法可以使加速度信号的幅度限定在某一数值范围内，文献[２]在识别跑、站立、跳和走路这四种动作时对四种动作的加速度信号进行了归一化；文献[３]在进行手势识别时对手势动作的加速度信号进行了归一化处理。特征提取特征提取和选择模块的作用在于从加速度信号中提取出那些表征人体行为的特征向量，处于预处理模块和分类器模块之间，是人体行为识别过程中的一个重要环节，直接影响分类识别的效果。特征的提取方法具有多样性，对于不同的识别目的，研究人员会提取不同的特征，例如为了识别分类站立和跑步，研究人员通常会选取方差和标准差这类能够反映加速度信号变化大小的特征，而为了识别分类走路和跑步，研究人员通常会选取能量和均值这类能够反映加速度信号大小的特征。使用不同的特征表征行为会对分类识别效果产生不同的影响，因此寻找更加有效的特征一直是研宄人员关注的一个课题。通过查阅大量的文献，大致可以把加速度信号的特征概括为时域特征、频域特征和时频特征这三类本文选取了加速度的阈值作为识别不同动作的主要特征。每个加速度包含了轴的加速度信号，分别代表了前后、左右、上下这三位的加速度信号。我们都知道，人体日常行为的不同动作的剧烈程度是不相同的，动作的幅度自然不一样。因此本文主要选取加速度的阈值作为识别不同动作的主要特征。种动作数据的其中一个窗格，每个窗格时间跨度为３ｓ。由图个轴的加速度大小都不一样，而每个轴的加速度大小与方向又与加速度传感器佩戴在采集者身上的方向位置有关，因此不容易定性分析。而以合加速度的阈值作为用于主要分析的特征，则不用考虑个轴加速度的分量大小与方向，又可以使各个动作的幅值差异基于三轴加速度传感器的人体动作识别研究（广东第二师范学院物理系，广东广州５１０３０３）ＨｕｍａｎＡｃｔｉｖｉｔｙＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＢａｓｅｄＴｈｒｅｅ－ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＡｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ
摘要：提出一种基于三轴加速度传感器的人体动作识别方法，通过对采集到的数据进行预处理，提取多种统计特征包括标准差、阈值、偏度、峰度等进行分类识别。能够有效地识别站立、行走、跑、跳这四种人体基本日常行为动作。
关键词：人体动作识别，阈值，加速度传感器，特征提取
Abstract：Ｉｎｐａｐｅｒ,ａｍｅｔｈｏｄａｃｔｉｖｉｔｙｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｂａｓｅｄ３Ｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｆｔｅｒｓｅｎｓｏｒｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｅｄ,ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ,ｍａｎｙｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｆｅａｔｕｒｅｓｓｔａｎｄａｒｄｄｅｖｉａｔｉｏｎ,ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ,ｓｋｅｗｎｅｓｓｋｕｒｔｏ-ｓｉｓｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｒｅｃｏｇｎｉｚｅｆｏｕｒｈｕｍａｎｄａｉｌｙａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ：ｓｔａｙｉｎｇ,ｗａｌｋｉｎｇ,ｒｕｎｎｉｎｇｊｕｍｐｉｎｇ．Keywords：ｈｕｍａｎａｃｔｉｖｉｔｙｒｅｃｏｇｎｉｚｅ,ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ,ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｄａｔａ,ｆｅａｔｕｒｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ*２０１５国家级大学生创新创业训练计划项目“基于三轴加速度传感器的人体动作识别研究资助（１４２７８１５０３７）加速度信号的加窗３１基于三轴加速度传感器的人体动作识别研究（上接第３０参考文献〔１〕张铎．自动识别技术应用案例分析〔Ｍ〕．武汉：武汉大学出版社，２０１０：５６－６７〔２〕范书瑞，李琦，赵燕飞．Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３嵌入式处理器原理与应用〔Ｍ〕．北京：电子工业出版社，２０１１：３４－３６〔３〕汪浩．物联网的触点：ＲＦＩＤ技术及专利的案例应用〔Ｍ〕．北京：科学出版社，２０１０：３３－３９〔４〕Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ＧｓｍＳｔａｎｄａｒｄ：ＧＳＭ,Ｓｈｏｒｔｍｅｓｓａｇｅｐｅｅｒ－ｐｅｅｒｐｒｏｔｏｃｏｌ,ＥｎｈａｎｃｅｄＤａｔａＲａｔｅｓＧＳＭＥｖｏｌｕｔｉｏｎ,ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＮｅｔｗｏｒｋ[Ｍ]．ＧｅｎｅｒａｌＢｏｏｋｓＬＬＣ,２０１１：１２１－１２３〔收稿日期：２０１５．９．１〕一目了然。合加速度：ａ＝（ａ识别分类每个合加速度值以１ｇ作归一化处理后，合加速度都是９．８的相对值，没有了量纲。各动作的的阈值设定如图可以清楚地看出，站立动作的阈值都低于１．２，走的动作阈值则介乎１．２１．９之间，跑的动作阈值介乎１．９２．６之间，跳的阈值则是高于２．６。基于这种动作的阈值差异与设定值，可以设定如图的基本算法。每３ｓ导入一次数据，每次数据的时间跨度设定为一个窗格（即３ｓ）。支持向量机ＳＶＭ（ＳｕｐｐｏｒｔＶｅｃｔｏｒＭａｃｈｉｎｅ）是Ｃｏｒｔｅｓ１９９５年首先提出的，它在解决小样本、非线性及高维模式识别中表现出许多特有的优势，并能够推广应用到函数拟合等其它机器学习问题中。它是建立在统计学习理论的ＶＣ维理论和结构分险最小原理基础上的，根据有限的样本信息在模型的复杂性和学习能力之间寻求最佳折衷，以期获得最好的推广能。支持向量机对于线性不可分的情况，通过使用非线性映射算法，将低维输入空间特性不可分的样本转化为高维特征空间使其线性可分，从而使得高维特征空间采用线性算法对样本的非线性特征进行线性分析成为可能。特别在解决小样本、非线性及高维模式识别中表现出许多特有的优势结束语本文提出了一种基于三轴加速度传感器的人体动作识别研究方法，通过对数据进行归一化、加窗等预处理，提取合加速度的阈值特征，利用支持向量机进行分类识别，有效地识别了站种动作，平均识别率能达到９５％，证明了此方法的有效性。本文未来的研究工作还可以对数据的预处理进行优化，引用更多更全面的方法对数据去躁；此外，本文对数据的特征提取仍过于单一，未来可考虑引入四分位差、偏度、峰度等特征，把走再细分为上楼与下楼，设计更严谨的算法，充分考虑算法的实时性与准确性，提高对各种动作的识别分类。参考文献〔１〕ＹａｎｇＰ．Ｕｓｉｎｇａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅ-ｍｅｎｔｓａｃｔｉｖｉｔｙｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ：Ａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｅａｒｎｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｎｅｕｒａｌｃｌａｓｓｉｆｉｅｒｓ[Ｊ]．Ｐａｔｔｅｒｎｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｌｅｔｔｅｒｓ,２００８,２９(１６)：６４２２１３－２２２０〔２〕ＨｅＡｃｔｉｖｉｔｙｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｆｒｏｍａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｄａｔａｕｓｉｎｇＡＲｍｏｄｅｌｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄＳＶＭＭａｃｈｉｎｅＬｅａｒｎ-ｉｎｇＣｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ,２００８ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＩＥＥＥ,２００８,４：２２４５－２２５０〔３〕刘蓉，刘明．基于三轴加速度传感器的手势识别〔Ｊ〕．计算机工程，２０１１，３７（２４）：１４１－１４３〔４〕ＨｓｕＣｈｉｈ－Ｗｅｉ,ＣｈａｎｇＣｈｉｈ－Ｃｈｕｎｇ,ＬｉｎＣｈｉｈ－Ｊｅｎ．ｐｒａｃｔｉ-ｃａｌｇｕｉｄｅｓｕｐｐｏｒｔｖｅｃｔｏｒｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎＢｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ,２０１０,１(１)：１－１６〔５〕吴青，赵雄．一类新样条光滑支持向量机〔Ｊ〕．西安邮电大学学报，２０１３，１８（６）：６８－７４〔６〕徐川龙，顾勤龙，姚明海．一种基于三维加速度传感器的人体行为识别方法〔Ｊ〕．计算机系统应用，２０１３，２２（６）：１３２－１３５〔７〕衡霞，王忠民．基于手机加速度传感器的人体行为识别〔Ｊ〕．西安邮电大学学报，２０１４．０６．０１５〔收稿日期：２０１５．８．４〕
第三篇：三轴加速度传感器的技术原理与市场前景分析
三轴加速度传感器的技术原理与市场前景分析
技术分类： 测试与测量| 2008-06-17
意法半导体公司模拟、功率与微机电组件产品市场经理 郁正德: EDN China
目前，随着iPod、iPhone、Sony PS3，以及Wii等游戏和娱乐类系列消费类产品的成功和热销，业界普遍预测微机电系统（MEMS，Micro Electro-Mechanical System）类产品将成为半导体行业的下一个高速增长点。MEMS带来的的操作、功耗，和尺寸上的革命性变革是其成功进入消费类电子市场的关键。其使更具创新性的电子产品设计成为可能，而且能给用户带来全新的使用体验。
以上提到的产品中都应用了加速度传感器作为动作操控和UI操作的接收装置。在Wii和PS3中，加速度传感器可以灵敏地感测游戏者的动作，并将其转换为游戏中的虚拟人物、物品或交通工具的动作和状态等并显示在画面中。iPod和iPhone中的加速度传感器则可以根据用户的动作而相应地对菜单进行操作，例如调整页宽和改变内容显示方向等。
目前3轴加速度传感器的单位售价已降至1.5美元以下，相信在更大的需求量条件下有望突破1美元。较低的成本在以价格为主导的消费电子市场必将成为优势之一。车身安全、控制及导航系统中的应用
加速度传感器在进入消费电子市场之前，实际上已被广泛应用于汽车电子领域，主要集中在车身操控、安全系统和导航，典型的应用如汽车安全气囊（Airbag）、ABS防抱死刹车系统、电子稳定程序（ESP）、电控悬挂系统等。
目前车身安全越来越得到人们的重视，汽车中安全气囊的数量越来越多，相应对传感器的要求也越来越严格。整个气囊控制系统包括车身外的冲击传感器（Satellite Sensor）、安置于车门、车顶，和前后座等位置的加速度传感器（G-Sensor）、电子控制器，以及安全气囊等。电子控制器通常为16位或32位MCU，当车身受到撞击时，冲击传感器会在几微秒内将信号发送至该电子控制器。随后电子控制器会立即根据碰撞的强度、乘客数量及座椅/安全带的位置等参数，配合分布在整个车厢的传感器传回的数据进行计算和做出相应评估，并在最短的时间内通过电爆驱动器（Squib Driver）启动安全气囊保证乘客的生命安全。除了车身安全系统这类重要应用以外，目前加速度传感器在导航系统中的也在扮演重要角色。专家预测便携式导航设备（PND）将成为中国市场的热点，其主要利于GPS卫星信号实现定位。而当PND进入卫星信号接收不良的区域或环境中就会因失去信号而丧失导航功能。基于MEMS技术的3轴加速度传感器配合陀螺仪或电子罗盘等元件一起可创建方位推算系统（DR, Dead Reckoning），对GPS系统实现互补性应用。
硬盘抗冲击防护
目前由于海量数据对存储方面的需求，硬盘和光驱等元器件被广泛应用到笔记本电脑、手机、数码相机/摄相机、便携式DVD机、PMP等设备中。便携式设备由于其应用场合的原因，经常会意外跌落或受到碰撞，而造成对内部元器件的巨大冲击。
为了使设备以及其中数据免受损伤，越来越多的用户对便携式设备的抗冲击能力提出要求。一般便携式产品的跌落高度为1.2~1.3米，其在撞击大理石质地面时会受到约50KG的冲击力。虽然良好的缓冲设计可由设备外壳或PCB板来分解大部分冲击力，但硬盘等高速旋转的器件却在此类冲击下显得十分脆弱。如果在硬盘中内置3轴加速度传感器，当跌落发生时，系统会检测到加速的突然变化，并执行相应的自我保护操作，如关闭抗震性能差的电子或机械器件，从而避免其受损，或发生硬盘磁头损坏或刮伤盘片等可能造成数据永久丢失的情况。
消费产品中的创新应用
3轴加速度传感器为传统消费及手持电子设备实现了革命性的创新空间。其可被安装在游戏机手柄上，作为用户动作采集器来感知其手臂前后、左右，和上下等的移动动作，并在游戏中转化为虚拟的场景动作如挥拳、挥球拍、跳跃、甩鱼竿等，把过去单纯的手指运动变成真正的肢体和身体的运动,实现比以往按键操作所不能实现的临场游戏感和参与感。此外，3轴加速度传感器还可用于电子计步器，为电子罗盘（3D Compass）提供补偿功能，也可用于数码相机的防抖。以上提到的种种创新应用使其成为下一代产品设计中必不可少的元件。
1．姿态与动作识别
3轴加速度传感器的应用范围很广，除了文中提到的游戏动作操控外，还能用于手持设备的姿态识别和UI操作。例如借助3轴加速度传感器，手持设备可实现画面自动转向。iPod Touch就内建了此功能，设备显示的画面和信息会根据用户的动作而自动旋转。其通过内部传感器对重力向量的方向检测来确定设备处于水平或垂直状态，并自动调整显示状态，给用户带来方便。
传感器对震动的感知性能也可将以前传统的按键动作变化为震动，用户可通过单次或多次震动来进行功能的选择，如曲目的选择、音量控制等。此外，该功能还可扩展至对用户界面元素的操控。如屏幕显示内容的上下左右等方向的浏览可通过倾斜手持设备来完成。
2．趣味性扩展功能
3轴加速度传感器对用户操控动作的转变还可转化为许多趣味性的扩展功能上，如虚拟乐器、虚拟骰子游戏，以及“闪讯”（Wave Message）等。虚拟乐器内置的加速度传感器可检测用户对手持设备的挥动来控制乐器的节奏和音量等；骰子游戏也采用类似的原理，通过
对挥动等动作的感知来控制虚拟骰子的旋转速度，并借助内部数学模型抽象的物理定律决定其停止的时间。
“闪讯”是一个更富有想象力的应用，用户可利用此功能在空中进行文字编辑。“闪讯”即让手持设备通过加速度传感器捕捉用户在空中模拟写字的快速动作，主要适合较暗的环境下使用。手持设备上会安装发光的LED，由于人眼视网膜的视觉暂留现象，其在空中挥动的动作会在其眼中留下短暂的连续画面，完成写字的所有动作笔顺。
3．功耗控制
功耗一直是便携设备设计中要考虑的重要因素，内置3轴加速度传感器则使设备可通过检测设备的使用状况来对其用电模式加以控制，从而有效延长电池的使用时间。Thelma制程技术
成熟的制程技术是3轴加速度传感器和其他MEMS产品在消费电子产品市场成功的关键之一。目前，为了达到产量及质量控制的严格要求，充分利用全球半导体产业界的制造和材料资源，以及生产流程控制经验，MEMS类元器件大多采用标准的CMOS半导体制造技术，这样不但能使其生产制造从规模经济中受惠，还能让MEMS元器件随光照制程的微型化先进制程不断演进和发展，产品体积更小。
然而在制程技术上，MEMS类组件的生产与其它一般芯片有所差异。早期的MEMS产品制造中多采用单晶硅为材料，和比较简单且稳定的体型微加工（Bulk Micro-Machining）技术，缺点是制造成本较高。目前的制造技术比较接近集成电路半导体的制程，多采用多晶硅表面微加工（SuRFace Micro-Machining）科技，使成本有效降低，而且加工的精度和分辨率均更加出色。
各厂家的MEMS类元件制程技术虽然在工艺和加工设备上较类似，大都采用文中提到的CMOS制程与表面微加工技术，但为了与自身的生产制造特点相符，制造商往往会根据自己的经验开发出其特有的生产加工平台及相应的流程，以实现缩短生产周期、提高产品质量和降低加工成本的目的。
Thelma制程技术，即厚磊晶层（Thick Epitaxial Layer for Micro-Gyroscopes and Accelerometer）技术，是ST发展出的专有表面为加工制程，主要针对高灵敏度、高探测范围的加速度传感器和陀螺仪等MEMS元器件的生产加工。其通过运用深度蚀刻技术及牺牲层（Sacrificial-Layer）等理论，可在微型装置中加工出能实现各种动作的精密机械机构。Thelma制程技术主要包含六个主要步骤：基底热氧化、水平互连的沉积与表面图样化
(Patterning)、牺牲层的沉积与表面图样化、结构层的磊晶生长、用通道蚀刻将结构层图样化、以及牺牲层的氧化物去除，与接触金属化沉积。
多晶硅材料具有良好的耐疲劳性及抗冲击性，且采用CMOS制程除了能带来较低的成本、更稳定的加工流程，芯片与传感器的功能相独立还保证了设计上的灵活性。独特的Thelma技术还可提供完整的铸模封装，使生产出的元器件具有极可靠的物理性质，能制造出最佳的制止器（Stopper），降低电极之间的静电摩擦等风险。与传统工艺相比较，Thelma技术可以减少芯片面积，因而克服体型微加工过程中常见的设计局限。此外，其会生长出一块厚度约15微米（um）的多晶硅磊晶层。该硅结构在增加厚度的同时也增加了垂直表面积，因而增大平行于基底的静电启动器的总电容值。
加速度传感器技术原理
MEMS换能器（Transducer）可分为传感器（Sensor）和致动器（Actuator）两类。其中传感器会接受外界的传递的物理性输入，通过感测器转换为电子信号，再最终转换为可用的信息，如加速度传感器、陀螺仪、压力传感器等。其主要感应方式是对一些微小的物理量的变化进行测量，如电阻值、电容值、应力、形变、位移等，再通过电压信号来表示这些变化量。致动器则接受来自控制器的电子信号指令，做出其要求的反应动作，如光敏开关、MEMS显示器等。
目前的加速度传感器有多种实现方式，主要可分为压电式、电容式及热感应式三种，这三种技术各有其优缺点。以电容式3轴加速度计的技术原理为例。电容式加速度计能够感测不同方向的加速度或振动等运动状况。其主要为利用硅的机械性质设计出的可移动机构，机构中主要包括两组硅梳齿（Silicon Fingers），一组固定，另一组随即运动物体移动；前者相当于固定的电极，后者的功能则是可移动电极。当可移动的梳齿产生了位移，就会随之产生与位移成比例电容值的改变。
如图结构中，当运动物体出现变速运动而产生加速度时，其内部的电极位置发生变化，就会反映到电容值的变化（ΔC），该电容差值会传送给一颗接口芯片（InteRFace Chip）并由其输出电压值。因此3轴加速度传感器必然包含一个单纯的机械性MEMS传感器和一枚ASIC接口芯片两部分，前者内部有成群移动的电子，主要测量XY及Z轴的区域，后者则将电容值的变化转换为电压输出。
文中所述的传感器和ASIC接口芯片两部分都可以采用CMOS制程来生产，而在目前的实际生产制造中，由于二者实现技术上的差异，这两部分大都会通过不同的加工流程来生产，再最终封装整合到一起成为系统单封装芯片（SiP）。封装形式可采用堆叠（Stacked）或并排（Side-by-Side）。
手持设备设计的关键之一是尺寸的小巧。目前ST采用先进LGA封装的加速度传感器的尺寸仅有3 X 5 X 1mm，十分适合便携式移动设备的应用。但考虑到用户对尺寸可能提出的进一步需求，加速度传感器的设计要实现更小的尺寸、更高的性能和更低的成本；其检测与混合讯号单元也会朝向晶圆级封装（WLP）发展。
下一代产品的设计永远是ST关注的要点。就加速度传感器的发展而言，单芯片结构自然是必然的趋势之一。目前将MEMS传感器与CMOS接口芯片整合的过程是最耗费成本的加工环节，如果能实现单芯片的设计，其优点不言而喻，封装与测试的成本必然会大幅度降低。加速度传感器选用要点
加速度传感器针对不同的应用场景，也在特性上体现为不同的规格。用户需根据自身的具体需要选取最适合的产品。如上文提到的汽车车身冲击传感器或洗衣机等家电的振动传感器等来说，需选用高频（50~100Hz）的加速度传感器；对于硬盘的跌落和振动保护，需要中频（20~50Hz）以上的加速度传感器；而手持设备的姿态识别和动作检测只需低频（0~20Hz）产品即可。
线形加速度传感器的选取还需要考虑满量程（Full Scale，FS）、灵敏度及解析度等元件的特性。满量程表示传感器可测量的最大值和最小值间的范围；灵敏度与ADC等级有关，是产生测量输出值的最小输入值；解析度则表示了输入参数最小增量。
除此之外，加速度传感器按输出的不同还可分为模拟式和数字式两种。其中模拟式加速度传感器输出值为电压，还需要在系统中添加模数转换（ADC）；数字式加速度传感器的接口芯片中已经集成了ADC电路，可直接以SPI或I2C等实现数字传输。数字式产品在成本上也有一定优势，因为高质量ADC通常比较昂贵，价格甚至可超过传感器部分的单独售价。结论
Wii凭借加速度传感器为市场带来前所未有的革命性的操控方式。3轴加速度传感器为消费电子类产品，尤其是手持设备的各方面设计都带来更多的创新性，在短期内必然会获得市场的成功。而在未来的电子产品中，多传感器将是一个重要的发展趋势，其会让电子产品在使用上更加人性化；此外，为了缩小产品尺寸和提高产品的应用价值，混合式感测器（Hybrid Sensor），如加速度传感器与陀螺仪的集成，也必然是一个发展方向，多功能混合式传感器必将以其较高的附加价值和用户操控体验占领高端市场；同时随着技术的进步，单一功能结构的传感器也将向低端市场推广和普及。
第四篇：传感器的应用和设计
传感器的设计与应用
王皓 信息114 32311416 摘要：随着科学技术的发展，电子技术特别是微电子技术的发展，促进了传感与检测技术的迅速发展，其应用领域也在迅速扩大，从人们日常生活的衣食住行到各种复杂的工程系统随处都可以看到传感与检测技术的实际应用压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用
关键词:传感器;设计;应用
The design and application of the
transducer
Wanghao Information 114 32311416 Abstract：With the development of science and technology, the development of electronic technology, microelectronics technology in particular, promoted the rapid development of the sensor and detection technology, its application fields are also expanding rapidly, from the daily life of People's Daily life to all kinds of complicated engineering system everywhere can see sensing and detection technology in the practical application of pressure sensor is a industrial practice is most commonly used one kind of sensor, its widely used in various industrial control environment, involved in water conservancy and hydropower, railway transportation, intelligent buildings, production control, aerospace, military industry, petrochemical, oil, electric power, ships, machine tools, pipe, and many other industries, the following is a brief introduction some commonly used sensor principle and its application Key words: Sensor;Design;Application
一、应变片压力传感器原理与应用
力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。
在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是 A/D转换和CPU）显示或执行机构。它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。1.1电阻应变片的工作原理
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：
式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）S——导体的截面积（cm2）L——导体的长度（m）
我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。
二、电阻应变式传感器---称重传感器
原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。称重传感器可以采用两种不同的输入、输出接线方法：一种是四线制接法，另一种是六线制接法(如图1所示).四线制接法的称重传感器对二次仪表无特殊要求,使用起来比较方便,但当电缆线较长时,容易受环境温度波动等因素的影响;六线制接法的称重传感器要求与之配套使用的二次仪表具备反馈输入接口,使用范围有一定的局限性,但不容易受环境温度波动等因素的影响,在精密测量及长距离测量时具有一定的优势。
在称重设备中，四线的传感器用的比较多，如果要将六线传感器接到四线传感器的设备上时，可以把反馈正和激励正接到一起，反馈负和激励负，接到一起。信号线要注意一点就是，红色和白色在两种类型的传感器上对应的输出信号是不一样的。
三、陶瓷压力传感器原理及应用
抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。
陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度 >2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。
四、电容式传感器---液位传感器
原理：电容式液位传感器系统;它利用被测体的导电率, 通过传感器测量电路将液位高度变化转换成相应的电压脉冲宽度变化, 再由单片机进行测量并转换成相应的液位高度进行显示,该系统对液位深度具有测量、显示与设定功能, 并具有结构简单、成本低廉、性能稳定等优点。
五、扩散硅压力传感器原理及应用 工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
六、电感式传感器---压力传感器
原理：电感式压力传感器的工作原理是由于磁性材料和磁导率不同，当压力作用于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出，从而达到测量压力的目的。该种压力传感器按磁路变化可以分为两种:变磁阻和变磁导。电感式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大；缺点就是不能应用于高频动态环境。变磁阻式压力传感器主要部件是铁芯跟膜片。它们跟之间的气隙形成了一个磁路。当有压力作用时，气隙大小改变，即磁阻发生了变化。如果在铁芯线圈上加一定的电压，电流会随着气隙的变化而变化，从而测出压力。在磁通密度高的场合，铁磁材料的导磁率不稳定，这种情况下可以采用变磁导式压力传感器测量。变磁导式压力传感器用一个可移动的磁性元件代替铁芯，压力的变化导致磁性元件的移动，从而磁导率发生改变，由此得出压力值。
七、压电式传感器---薄膜传感器
原理：压电薄膜（PVDF）是一种独特的高分子传感材料，能相对于压力或拉伸力的变化输出电压信号，因此是一种理想的动态应变片，可加工成为高效可靠、低成本的振动传感器、加速度计或动态开关，也可作为高音频(>1kHz)至超声波(可高达100MHz)的高保真传感器。
八、蓝宝石压力传感器原理与应用
利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。
九、热电式传感器---红外测温仪
原理：是利用红外辐射的热效应，通过温差电效应、热释电效应和热敏电阻等来测量所吸收的红外辐射，间接地测量辐射红外光物体的温度。
十、压电压力传感器原理与应用
压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。
现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。
十一、光导纤维传感器---分布式温度光纤传感器
原理：单片机接收（数据采集卡ＤＳＰ）的信号，确认需要输出的载波信号频率，然后向直接数字合成器（ＤＤＳ）发送指令，直接数字合成器接收该指令后，输出对应频率的正弦波信号，信号经过ＬＤ激光器后得到调制激光，该激光信号分为两路，一路直接输入雪崩二极管ＡＤＤ２，另一路经耦合器后进入传感光纤，即为激光沿测温光纤向前传播的通道。同时耦合器还有一路回波，即反斯托克斯喇曼背向散射光回波通道。
十二、激光传感器原理
激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。
激光与普通光不同，需要用激光器产生。激光器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级E1，在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸收光子能量激发而跃迁到高能级E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h 为普朗克常数，v 为光子频率。反之，在频率为v 的光的诱发下，处于能级E2 的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级（即粒子数反转分布),就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v 的诱发光得到增强，并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生大的受激辐射光，简称激光。激光具有3 个重要特性。
高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米。
高单色性，激光的频率宽度比普通光小10 倍以上。高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度
十三、智能传感器---智能温度传感器
原理：各检测单元能独立完成各自功能，并根据主控机的指令对温湿度进行实时采集。主控机负责控制指令的发送，并控制各个检测单元进行温度采集，收集测量数据，同时对测量结果进行整理和显示。其中包括单片机、复位电路、温度检测、报警电路、键盘及显示、报警电路等部分。
低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
下面详细介绍下BP01型压力传感器及其在便携式电子血压计中的应用
概述
BP01型压力传感器是为监测血压而专门设计的,主要用于便携式电子血压计。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龙塑料封装,具有高线性、低噪声和外界应力小的特点;采用内部标定和温度补偿方式,从而提高了测量的精度、稳定性以及可重复性,在全量程范围内,精度为±1%,零点失调不大于±300μV。BP01的主要性能参数
BP01的内部等效电路和外形封装如图1所示;表1所列为BP01在电源电压Vs为5.0V、环境温度TA为25℃时的主要性能参数。
BP01的极限参数如下： ·最大工作电压：20VDC;·最大耐压：1500 mmHg;·工作温度范围：0～70℃;·引脚焊接温度（最大值）：250℃（2～4秒）。基于BP01的电子血压计
3.1工作原理
用BP01构成的便携式电子血压计的原理电路如图2所示,它由偏置电源电路（A1、A2）、前置处理电路（A3～A6）、显示电路（A7）和压力传感器（BP01）组成,该血压计的血压测量范围为0～200mmHg,分辨率为0.1mmHg,工作电源为一节9V迭层电池。现将血压计中各主要电路的工作原理分述如下： a.偏置电源电路
电源电路由带有内置参考电压的双运放LM10组成,A1构成同相放大器,A2构成跟随器,它们的作用是将内置的参考电压放大后用作压力传感器BP01的偏置电压Vs,其Vs的值由下式决定：Vs=Vref（1+R2/R3）
式中：Vref为LM10的内置参考电压。其值为200mV,将此值连同电路中的R2和R3的值代入上式即可求得偏置电压Vs的值为5V。
b.前置处理电路
前置处理电路由A3～A6四个运算放大器组成,其中A3构成失调偏置电路以对电路失调进行补偿;A5构成跟随器,用于对压力传感器BP01的输出信号进行隔离缓冲;A4、A6构成放大电路,其增益AV由下式决定： AV=1+（R1/RT）
若忽略失调,前置处理电路的输出电压Vout为：Vout=2（1+R1/RT）VIN 式中：VIN为压力传感器BP01的输出电压。c.显示电路
显示电路选用三位半的显示驱动器。工作时,压力传感器BP01的输出经前置处理电路放大后,由显示驱动电路来驱动LCD,以读出测量的血压值。3.2调试方法
a.零压输出调整
在零压输出时,调整失调电位器RP1,在血压计的显示值为000.0时,即可认为完成了零压输出调整。
b.前置电路增益的调整
压力传感器BP01的满量程输出与偏置电压有一定的关系,当5V偏置时,在200mmHg压力下的输出为10mV,其对应的显示驱动电路的输入为200mV,因此前置电路的增益AV为200mV/10mV,这样,利用前面Av的计算公式即可反推出增益电阻RT的值。若选取电阻R1为10kΩ,则增益电阻RT应为1.1kΩ。调试时可先用电位器调整输出值,再用万用表测出该电位器的阻值,最后再换成固定电阻。
c.满量程调整
满量程调整时,先在显示电路的输入端加上200mV电压,然后调整电位器RP2,使其读数为199.9mmHg即可。
上调整完成之后,一般应多重复几次,以使显示值可靠地符合精度要求。3.3元器件的选择
为保证测量精度,上述电路的外围元器件的选择也是一个不容忽视的重要环节。一般情况下,电位器RP1、RP2应选用1%精度的金属膜多圈电位器;电阻应选用1%精度的金属膜电阻器;电容一般选用聚脂薄膜或者云母电容。
致谢
传感器的种类和作用多种多样，也有不同的形式，上面介绍的只是冰山一角现在的传感器多的让人数不过来，有些看到后还会让人大吃一惊，感觉相当奇妙，一个好的传感器，关键是要有好的电路设计和思路，这样才能设计出好的传感器，才会有更好的应用。参考文献
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第五篇：MEMS加速度传感器简介(最终版)
MEMS电容式加速度传感器
学校：哈尔滨工业大学（威海）
学院：信息与电气工程学院
专业：电子科学与技术
作者：胡诣哲090260207
纪鹏飞090260208
摘
要
本文从MEMS电容式加速度传感器的基本原理切入，主要介绍了该类型传感器的原理和三种主要结构：三明治式、扭摆式、梳齿式及其各自结构方面优点。同时介绍目前应用较为广泛的集成式的基于电容原理的芯片MMA7455，主要分析了该集成传感器的内部结构和应用。
关键字：MEMS，电容式，加速度传感器，MMA7455
Abstract In this paper, we discussed the MEMS capacitive accelerometer from its fundamental principle and its three main structure which are sandwich, twist, and comb.Different structures have their own advantages.We also give the introduction to a popular IC accelerometer MM7455, putting an emphasis on its internal structure and some applications.Key words:MEMS, capacitive, accelerometer, MMA745
5一、引言
1.1 MEMS加速度传感器简介
MEMS(Micro-Machined Electro Mechanical Sensor)是微机电机械传感器的简称，它是一种微米级的类似集成电路的装置和工具。MEMS技术是一项有着广泛应用前景的基础技术。以半导体技术和微机电加工工艺设计、制造的MEMS传感器，集成度高，并可与信号处理电路集成在一起，大大降低了生产成本，已在汽车、消费电子和通信电子领域取得极大发展。
MEMS加速度传感器按敏感原理的不同可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式、热对流式等。本文主要介绍MEMS电容加速度传感器。
二、传感器工作原理与常见结构
2.1 MEMS电容式加速度传感器工作原理
电容式微加速度传感器的基本结构是质量块与固定电极构成的电容。当加速度使质量块产生位移时改变电容的重叠面积或间距。检测到的电容信号经过前置放大、信号调理后，以直流电压方式输出，从而间接实现对加速度的检测。
如图1所示，电容式加速度传感器由两块固定电极夹着一块活动电极。在静止的情况下，活动电极与两块固定电极的距离均为d0形成两个大小为C0的串联的电容。
当加速度传感器检测加速度时，活动电极受加速度力产生位移，两个电容的d发生变化。根据平行板电容的计算公式：
SCr0d
可知两个电容的大小将发生变化。由于此时电容值和极板间隙不是线性关系，常常采用差动电容检测方式以解决线性问题：
C
r0Sd0dr0Sd0d2r0Sd2d0
上式在dd时成立。
图2-1 MEMS电容式加速度传感器工作示意图
2.2 MEMS电容加速度传感器的常见结构
2.2.1三明治式
所谓“三明治”结构，就是指检测质量夹在两块玻璃片之间的结构形式，如图3-1所示。固定电极分布在活动电极两边，敏感质量块的上下两面均作为动极板。当有加速度作用时，敏感质量块发生摆动，一对电容极板间的间距变大，而另一对电容极板闭的问距变小，从而形成差动检测电容。这种结构需要双面光刻，加工工艺设备较多．器件加工制造难度较大：井因为悬臂支撑梁所能承受的应力有限，这种传感器所能测量的最大加速度值较小。
图2-2三明治式电容加速度计结构示意图
2.2.2 扭摆式
扭摆式是基于三明治式，扭摆式微加速度计的两个固定电容极板设计在活动极板的同一侧形成的。由图3—2扭摆式微加速度计的结构可以看出，位于支承弹性粱两边的敏感质量和惯性矩不相等，当有垂直于基片的外界加速度作用时，敏感质量片将围绕支承弹性粱扭转，结构电容大小发生变化，一对结构电容增大，一对结构电容减小．从而形成结构差动电容，测量此差动电容值即可得到外界输入的加速度载荷大小。这种传感器结构比较简单，不需要双面光刻．且能进行较大加速度值的测量。
图2-3 扭摆式电容加速度计结构示意图
图2-4 跷跷板式扭摆式电容加速度计结构示意图
2.2.3疏齿式
梳齿式电容加速度计利用若干对梳齿形状的电极形成检测电容和加力电容，它的一个明显优点就是利用增加电极数的方式来增大检测电容。梳齿有定齿和动齿两种，定齿固定在基片上，动齿则附着在检测质量上。检测质量由弹簧支撑于基片上。当有外部加速度输入时，动齿随同检测质量一起运动，并产生微位移，引起动齿与定齿之间电容的变化，电容的变化量可以通过检测电路检测出来，进而检测出微位移和输入加速度的值。其键台强度高、面积大、难度低，键台接触电阻小、均匀且成品率高，提高了加速度计的分辨率和精度。但是结构相对比较复杂，加工起来难度较大。
图2-5 疏齿式电容加速度计结构示意图
三、MMA7455三轴加速度传感器
3.1 MMA7455内部结构
MEMS加速度传感器主要有两部分：微电子技术加工的电容性机械系统（Micro Electro Mechanical System）和带有闭环反馈的信号转换控制系统ASIC（Application System Integrated Circuit）。MMA7455内部由三轴加速度传感器、多路开关、C—V转换器、放大电路、AD转换、以及控制电路与输出
驱动电路，如图3-1所示。
图3-1 MMA7455内部结构
3.2 MMA7455应用
3.2.1 MMA7455加速度测量
MMA7455可以设置三种模式2g、4g和8g，不同模式下测量精度不同输出也不同。根据三轴检测数据的输出与芯片工作模式可以计算出不同轴方向加速度分量大小，最后求出加速度方向与大小。图3-2为2g模式下芯片不同放置X、Y、Z的输出。
图3-2
由图可以看出芯片纵向为X轴方向，横向为Y轴方向，垂直方向为Z轴。对于传感器模式的选择及g值的选择强调不同的应用环境。一般来说1.5g适合自由落体与精确的倾斜补偿的应用，2g适合手持运动检测与游戏控制器，4g适合低振动监控、运输与处理，8g适合高震动监控与较高震动的读取。合适选取模式可以获得较高的精确度。
3.2.2 MMA7455倾角测量
加速度传感器可以用于多种场合的检测与监控，如倾斜度的侦测、运动检测、定位侦测、震动侦测、振动侦测以及自由落体等。利用三轴加速度传感器计算单轴倾角。图3-3是倾角测量图解。这时加速度输出与倾角的关系
所以γ可以用反正切方程求的
图3-3倾角测量图解
四 总结
本文介绍了电容式微机械加速度传感器工作原理，结构组成以及飞思卡尔半导体公司的MMA7455三轴加速度传感器芯片内部组成、测量应用等。电容式加速度微传感器具有灵敏度高、直流响应和噪声特性好、温漂低、低温灵敏度好、功耗低等优点。
参 考 文 献
[1] 刘晓宁《半导体传感器》 哈尔滨工业大学（威海）2011
[2] 孙以材编著 《微电子机械加工系统(MEMS)技术基础》 冶金工业出版社 2009 [3] Sadra/Smith 《Microelectronics Circuits》电子工业出版社2006
[4] 王巍等 基于微机械传感器的倾角传感器 2010
[5] Freescale Semiconductor, Inc.MMA7455 Device User Guide.
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