第一篇：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：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.
第四篇：传感器原理及检测技术
传感器原理及检测技术
（工程硕士）考试题
1、简要说明非电量电测法的基本思想。
2、简要说明传感元件与敏感元件的作用及区别。
3、简述现代测量系统由那几部分组成及各部分的功能与特点。
4、何为传感器静态特性？静态特性主要技术指标有哪些？何为传感器动态特性？动态特性主要技术指标有哪些？
5、系统误差，随机误差及粗大误差产生的原因是什么？对测量结果有何影响？从提高测量精度来看，应如何处理这些误差？
6、说明误差的分类，以及各类误差的性质，特点及对测量结果的影响？
7、某测量系统的频率响应曲线H(j)1，若输入周期信号10.05j
x(t)2cos10t0.8cos(100t300)，试求其响应y(t)。
8、有一个传感器，其微分方程为30dy其中y为输出电压(mV),x3y0.15x。
为输入温度(0C)，试求传感器的时间常数和静态灵敏度S。
9、根据磁电式传感器工作原理，设计一传感器测量转轴的转速。要求画出原理结构简图并说明原理。
10、谈谈你对传感器原理及检测技术这门课程学习的体会及建议，你认为检测技术将来的发展方向是什么？
要求：每道题必须认真完成。
第五篇：传感器原理与检测技术考试题B
一、单项选择题(每小题2分，共40分)
1．固体半导体摄像元件CCD是一种（）
A．PN结光电二极管电路B．PNP型晶体管集成电路
C．MOS型晶体管开关集成电路D．NPN型晶体管集成电路
2．差动螺线管式电感传感器配用的测量电路有（）。
A．直流电桥B．变压器式交流电桥
C．差动相敏检波电路D．运算放大电路
3、在以下几种传感器当中（）属于自发电型传感器。
A、电容式B、电阻式C、热电偶D、电感式
4、（）的数值越大,热电偶的输出热电势就越大。
A、热端直径B、热电极的电导率
C、热端和冷端的温度D、热端和冷端的温差
5、热电阻测量转换电路采用三线制是为了（）
A、提高测量灵敏度B、减小引线电阻的影响
C、减小非线性误差D、提高电磁兼容性
6．按照工作原理分类，固体图象式传感器属于（）
A．光电式传感器B．电容式传感器
C．压电式传感器D．磁电式传感器
7．测量范围大的电容式位移传感器的类型为（）
A．变极板面积型B．变极距型
C．变介质型D．容栅型
8．利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小（）
A．两个桥臂都应当用大电阻值工作应变片
B．两个桥臂都应当用两个工作应变片串联
C．两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片
D．两个桥臂应当分别用应变量变化相同的工作应变片
9．影响压电式加速度传感器低频响应能力的是（）
A．电缆的安装与固定方式B．电缆的长度
C．前置放大器的输出阻抗D．前置放大器的输入阻抗
10、汽车衡所用的测力弹性敏感元件是（）。
A、实心轴B、弹簧管C、悬臂梁D、圆环
11、在热电偶测温回路中经常使用补偿导线的最主要的目的是（）。
A、补偿热电偶冷端热电势的损失B、起冷端温度补偿作用
C、将热电偶冷端延长到远离高温区的地方D、提高灵敏度
12、以下四种传感器中，属于四端元件的是）。
A、霍尔元件B、压电晶体C、应变片D、热敏电阻
13、下列（）不能用做加速度检测传感器。
A、电容式B、压电式C、电感式D、热电偶
14、将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的（）。
A、应变效应B、电涡流效应C、压电效应D、逆压电效应
15、在实验室中测量金属的熔点时,冷端温度补偿采用（）。
A、冰浴法B、仪表机械零点调整法C、计算修正法D、电桥法
16.属于传感器动态特性指标的是()
A.迟滞B.过冲量C.稳定性D.线性度
17.传感器能感知的输入变化量越小，表示传感器的()
A.线性度越好B.迟滞越小
C.重复性越好D.分辨力越高
18.下列测力传感器中，属于发电型测力传感器的是()
A.自感式传感器B.磁电感应式传感器
C.电容式传感器D.应变式传感器
19．下列被测物理量适合于使用红外传感器进行测量的是（）
A．压力B．力矩C．温度D．厚度
20．属于传感器动态特性指标的是（）
A．重复性B．线性度C．灵敏度D．固有频率
二、填空（每题2分，共20分）
1、已知某铜热电阻在0℃时的阻值为5 0Ω，则其分度号是CU50，对于镍铬-镍硅热电偶其正极是镍铬。
2．空气介质变隙式电容传感器中，提高灵敏度和减少非线性误差是矛盾的，为此实际中大都采用差动式电容传感器
3、在压电晶片的机械轴上施加力,其电荷产生在电轴。
4、霍尔元件采用恒流源激励是为了克服霍尔片输入电阻随温度的变化。
5．由光电管的光谱特性看出，检测不同颜色的光需要选用阴极材料不同的光电管，以便利用光谱特性的灵敏的区段。
6．传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，输出的变化量与输入的变化量的比值。对线性传感器来说，其灵敏度是 输出比输入。
7．用弹性元件和电阻应变片及一些附件可以组成应变片传感器，按用途划分用应变式 测力传感器、应变式加速度传感器等（任填两个）。
8．采用热电阻作为测量温度的元件是将温度的测量转换为电阻的测量。
9．电容式压力传感器是变极板间距离型的。
10、传感器由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成。
三、问答题（本大题共4小题，每小题2.5分，共10分）
1.色谱分析仪由那几部分够成？
2.测量误差按规律可分为那三种误差？
3.简述电磁流量仪组成及特点？
4.简述传感器定义。
四、根据你所学的传感器相关知识，请分别列出下列物理量可以使用什么传感器来测量？（本题10分）
1、加速度；
2、温度；
3、工件尺寸；
4、压力；
5、流量
五、推导差压式流量计的流量公式，并解释每一项的意义。（10分）
六、已知对某一温度的10次测量值分别为（单位℃）:
75.0175.0475.0775.0075.03
75.0975.0675.0675.0275.08
求测量列的算术平均值、均方根误差及算术平均值的标准偏差。（10分）
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