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  • 你知道mems传感器的工作原理以及它的应用场景吗?

    在生活中,你可能接触过各种各样的电子产品,那么你可能并不知道它的一些组成部分,比如它可能含有的mems传感器,那么接下来让小编带领大家一起学习mems传感器。 mems传感器原理 MEMS传感器,或称微机电系统,是在微电子技术基础上发展起来的多学科前沿研究领域。经过40多年的发展,已成为举世瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理、化学、生物、医学等学科和技术,具有广阔的应用前景。截至2010年,全球约有600家单位从事MEMS的研发和生产,已开发出微压力传感器、加速度传感器、微型喷墨打印头、数字微镜显示器等数百种产品。其中,MEMS传感器占了相当大的比重。MEMS传感器是一种利用微电子和微加工技术制造的新型传感器。与传统传感器相比,具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适合批量生产、易于集成和实现智能化等特点。同时,微米量级的特征尺寸使其能够执行一些传统机械传感器无法实现的功能。 mems传感器应用 1、应用于医疗 MEMS传感器用于非侵入性胎心检测。检测胎心率是一项非常技术性的任务。由于胎心率非常快,在每分钟120-160次之间,所以使用传统的听诊器甚至只有放大的超声多普勒。使用人工计数难以准确测量。具有数显功能的超声多普勒胎心监护仪价格昂贵,仅在少数大医院使用,无法在中小医院和大农村推广。另外,超声波振动波作用于胎儿,会对胎儿产生很大的不良影响。虽然检测剂量很低,但也属于破坏性检测范畴,不适合频繁重复检查和家庭使用。 2、应用在汽车电子 MEMS压力传感器主要用于测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管压力和轮胎压力。该传感器以单晶硅为材料,利用MEMS技术在材料中间制作了力敏隔膜。然后将杂质扩散到膜片上形成四个应变电阻,再通过惠斯通电桥连接应变电阻。电路获得高灵敏度。汽车用MEMS压力传感器有几种常见形式,如电容式、压阻式、差动变压器和表面声波。 3、应用于运动追踪系统 在运动员的日常训练中,MEMS传感器可用于测量3D人体动作并记录每一个动作。教练分析结果并反复比较,以提高运动员的表现。随着MEMS技术的进一步发展,MEMS传感器的价格也将下降,也可以广泛应用于公共体育馆。 在滑雪方面,3D运动追踪中的压力传感器、加速度传感器、陀螺仪和GPS让用户获得了极其精确的观察能力。除了提供滑雪板运动数据外,它还可以记录用户的位置和距离。冲浪也是如此。安装在冲浪板上的3D运动追踪可以记录波浪高度、速度、冲浪时间、桨板距离、水温和消耗的卡路里等信息。 4、应用在手机拍照领域 在MEMS Drive出现之前,手机摄像头采用音圈电机移动镜头组来实现防抖(简称镜头防抖技术),受到严重限制。而市场上的另一种高端防抖技术:多轴防抖使用移动图像传感器(Image Sensor)来补偿抖动。但由于该技术体积大,功耗超过手机负载,一直无法在手机上使用。 随着MEMS在体积和功耗上的突破,最新技术MEMS Drive类似于一个平面电机,贴在图像传感器的背面,驱动图像传感器在三个旋转轴上移动。MEMS Drive的防抖技术利用陀螺仪感知拍照过程中的瞬时抖动,并依靠精密算法计算出电机运动的幅度并进行快速补偿。这一系列动作必须在百分之一秒内完成,这样你得到的图像才不会因为抖动而模糊。 相信通过阅读上面的内容,大家对mems传感器有了初步的了解,同时也希望大家在学习过程中,做好总结,这样才能不断提升自己的设计水平。

    时间:2021-07-20 关键词: mems传感器 压力 加速度

  • 加速度传感器的工作方法

    智能产品的发展,不断推动加速度计的不断革新,如今传感器的应用无数不在,已经成为我们生活中一部分。本文将为大家阐述加速度传感器是如何完成自己工作的~ 加速度传感器的应用 加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山?还是在走下坡,摔倒了没有?或者对于飞行类的机器人来说,对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是,你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。 通过测量由于重力引起的加速度,你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度,你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候,你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是,现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。 有些笔记本电脑里就内置了加速度传感器,能够动态的监测出笔记本在使用中的振动,并根据这些振动数据,系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行,这样可以最大程度的保护由于振动,比如颠簸的工作环境,或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害,最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里,也有加速度传感器,用来检测拍摄时候的手部的振动,并根据这些振动,自动调节相机的聚焦。 加速度传感器可应用在控制,手柄振动和摇晃,仪器仪表,汽车制动启动检测,地震检测,报警系统,玩具,结构物、环境监视,工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析;鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。 加速度传感器工作原理 线加速度计的原理是惯性原理,也就是力的平衡,A(加速度)=F(惯性力)/M(质量)我们只需要测量F就可以了。怎么测量F?用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到 F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。 现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。在诸如军工、空间系统、科学测量等领域,需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。而且,由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产,它的性能价格比很高。可以预见在不久的将来,它将在加速度传感器市场中占主导地位。 微加速度传感器有压阻式、压电式、电容式等形式。 压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力,压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点,是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单,商业化使用历史也很长,但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关,因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比,其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。 传感器整个组件装在一个原基座上,并用金属壳体加以封罩。为了隔离试件的任何应变 传递到压电元件上去,基座尺寸较大。测试时传感器的基座与测试件刚性连接。当测试件的振动频率远低于传感器的谐振频率时,传感器输出电荷(或电压)与测试件的加速度成正比,经 电荷放大器或电压放大器即可测出加速度。 应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥,其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面,从低灵敏度高量程的冲击测量,到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高,测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性,但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大,实用的传感器一般都需要进行温度补偿。在价格方面,大批量使用的压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力,但对特殊使用的敏感芯体制造成本将远高于压电型加速度传感器。 电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点,尤其是受温度的影响比较小;但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性,量程有限,受电缆的电容影响,以及电容传感器本身是高阻抗信号源,因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量,其通用性不如压电式加速度传感器,且成本也比压电式加速度传感器高得多。 加速度传感器可应用在控制,手柄振动和摇晃,仪器仪表,汽车制动启动检测,地震检测,报警系统,玩具,结构物、环境监视,工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析;鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。目前,大部分设备都提供了可以检测各个方向的加速度传感器。以iOS设备为例,我们利用了其三轴加速度传感器(x,y,z轴代表方向如图)的特性来分析。分别用以检测人步行中三个方向的加速度变化。 计步的合理算法 因为用户在运动中可能用手平持设备,或者将设备置于口袋中。所以,设备的放置方向不定。为此,通过计算三个加速度的矢量长度,我们可以获得一条步行运动的正弦曲线轨迹。第二步是峰值检测,我们记录了上次矢量长度和运动方向,通过矢量长度的变化,可以判断目前加速度的方向,并和上一次保存的加速度方向进行比较。如果是相反的,即是刚过峰值状态,则进入计步逻辑进行计步,否则舍弃。通过对峰值的次数累加,可得到用户步行的步伐。 最后,就是去干扰。手持设备会有一些低幅度和快速的抽动状态,或是我们俗称的手抖,或者某个恶作剧用户想通过短时快速反复摇动设备来模拟人走路,这些干扰数据如果不剔除,会影响记步的准确值,对于这种干扰,我们可以通过给检测加上阀值和步频判断来过滤。以上就是加速度计的工作原理,不同的厂家的设计生产可能有所不同。

    时间:2020-03-27 关键词: 传感器 重力引力 加速度

  • MMA7260Q三轴向高灵敏度加速度传感器

    作者:飞思卡尔半导体公司 便携式电子产品功能的增加推动了对数据驱动器存储的需求,设计人员正在寻找占用较小板卡空间的改进保护系统。飞思卡尔半导体率先推出业界第一款三轴向高灵敏度加速度传感器——mma7260q。mma7260q能在xyz三个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆,它是同类产品中的第一个单芯片三轴向加速器。 1 小巧的巨人 飞思卡尔自1980年第一个传感器问世以来,销售的传感器数量在去年已经突破了具有里程碑意义的4.5亿大关。飞思卡尔帮助客户开发产品,用以监控身边的大量产品和技术。 mems传感器是面向加速和压力传感器市场的支持技术。飞思卡尔将非常小的电子和机械组件包含在一个封装中,做成了mems传感器。这个封装还整合了集成电路(ic)。当mems感应、处理或控制周围环境时,它使系统的一部分能够进行信息处理。传感器适用于需要测量因倾斜、移动、定位、震动或摆动而产生的各种力,或者测量压力、高度、重量和水位的最终产品以及嵌入式系统。 飞思卡尔基于mems的压力传感器和加速传感器是汽车电子、保健监控设备、智能便携电子设备(如蜂窝电话、pda、硬盘驱盘器、计算机外围设备和无线设备)等应用中的关键组件。使用mems传感器,您能够拥有更准确的血压监控设备;更精确的气象站气象测量;功能更高的呼吸器和反应更快、更强的游戏设备。 汽车设计人员和厂商在每辆汽车内的不同地方都要应用mems传感器。在加强汽车安全的应用中,加速传感器提供碰撞检测功能,并对前/侧气囊及其他汽车安全设备进行有效部署。在特殊的保健监控应用中,压力传感器为病人提供重要诊断。在蜂窝电话中,mems产品能用自然的手部运动(而不是推动按钮的方法)激活各种功能。 飞思卡尔开发的基于微机电系统(mems)的三轴向低重力加速计mma7260q,专门面向便携式消者电子产品。mma7260q的可选灵敏度允许在1.5 g、2 g、4 g和6 g的不同范围内进行设计。它的3μa睡眠模式、500μa低运行电流、1.0 ms的快速启动响应时间以及6 minx6 mm×1.45 mm的qfn小巧包装等其他特性,使围绕mma7260q的设计活动轻松方便、经济高效。 mma7260q是一款单芯片设备,具有三轴向检测功能,使便携式设备能够智能地响应位置、方位和移动的变化。它的封装尺寸很小,只需较小的板卡空间,另外还提供快速启动和休眠模式。这些特性使mma7260q成为采用电池供电电子产品的理想之选,包括pda、手机、3d游戏和数码相机等。 飞思卡尔能提供1.5~250 g的一系列加速传感器产品,使用在从高度敏感的地震监测到强劲的碰撞检测等应用中。 在三星电子最近发布的两款最新数字音频播放器(yh_j70和yp_t8)中,采用了这种传感器。yh_j70采用这种传感器,实现了通过倾斜和自由下落检测来滚动菜单的功能。在yp_t8闪存式多媒体播放器中,通过传感器的倾斜检测实现了游戏功能。 2 全方位感知 由于mma7260q传感器能在三个轴向上灵敏地准确测量到低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆,各个行业的设计工程师都能得以致用。 3 典型应用◇坠落检测◇坠落日志◇电子罗盘◇人类环境学工具◇游戏◇图像稳定性◇hdd保护◇便携电子产品,mp3播放器◇用于担保的记录◇车/人导航,gps导航推测◇黑匣子/时间记录器◇装运/处理监控器◇物理疗法◇文本滚动◇3维动态拨打◇计

    时间:2019-04-10 关键词: 传感器 嵌入式开发 高灵敏度 轴向 加速度

  • 美国Kionix推出多款加速度传感器与陀螺仪等新产品

      以智能手机和平板电脑为首的移动设备越来越多功能化,安装空间更加紧凑,在这种背景下,更节省空间更低功耗的的开发需求日益凸显。另外,在等领域,对感应更加复杂运动的高性能、高稳定性的的要求不断高涨。  罗姆集团旗下的美国Kionix Inc.(以下简称Kionix)此次面向智能手机和平板设备终端,开发出了以行业最小最薄的为首的5种新产品。  此次发布的5种产品,搭载了准确应对各种客户需求的功能、算法和应用软件,不仅满足技术上的高要求,而且为减轻客户的设计负担、扩大生产能力等多种需求提供了很大帮助。  【新产品介绍】 ● KXTJ2 (2mmx2mm)  【用途】 智能手机、平板/、数码相机、及小型民生设备  【产品的功能】 倾斜检测、运动检测等  【开发背景/需求】  随着智能手机等的普及,要求设备具备更高的功能和可设计性,在这种情况下,对组件的高度集成化和小型化的需求强劲。另外,高性能化导致的消耗增加,因此,对于搭载在设备上的各种元器件,要求具备更低的功耗。  【主要特点】  - 业界最小尺寸 2mm×2mm×0.9mm (体积减少5%)  - 最高达14bit的高分辨率  - 低功耗(待机2μA、低分辨率10μA、高分辨率135μA)  - 可编程的待机唤醒功能  - 耐冲击性提高(与我公司现在已有产品相比) ● KXCJ9 (高性能、低功耗、低成本、低噪音的)  【用途】 智能手机、平板/、数码相机、及小型民生设备  【产品功能】 高精度倾斜检测、运动检测等  【开发背景/需求】  随着智能手机等的普及,要求设备具备更高的功能和可设计性,在这种情况下,对组件的高度集成化和小型化的需求强劲。另外,高性能化导致的消耗增加,因此,对于搭载在设备上的各种元器件,要求具备更低的功耗。  【主要特点】  - 高温度稳定性  - 最高达4bit的高分辨率  - 低功耗(待机2μA、低分辨率10μA、高分辨率135μA)  - 可编程的待机唤醒功能  - 耐冲击性提高(与我公司现在已有产品相比)  ● KGY23 (4mm × 4mm陀螺仪)  【用途】 智能手机、平板电脑、游戏机、、PND及小型民生设备  【产品功能】 旋转运动检测  【开发背景/需求】  智能手机和游戏机等具有更多感官性运动的设备操作需求高涨,另外,出现了智能电视用的运动遥控等新需求。在这些运动检测中,使用了历来使用的加速度传感器,还增加了陀螺仪,提高了操作感受。  【主要特点】  - 业界顶级的低耗电量,仅为3.75mA  - 小型封装 4mm×4mm×0.9mm  - (减少来自微控制器的访问频率) 缓冲区 1024byte  ● KXG02 (3轴加速度传感器和3轴陀螺仪的复合传感器)  【用途】 智能手机、平板电脑、游戏机、、PND及其他小型民生设备  【产品功能】 运动检测等  【开发背景/需求】  加速度传感器、陀螺仪进一步普及,同时在小型设备中使用案例日益增加。在这种情况下,单芯片化以及在1个系统的通信接口一起使用2个传感器的需求不断增加。  【主要特点】  - 业界领先的低耗电量,仅为4mA  - 小型封装 4mm×4mm×0.9mm  - (减少来自微控制器的访问频率) 缓冲区 1024byte  ● 传感器融合软件  【产品功能?用途】  融合加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器的传感信息软件堆栈  【开发背景/需求】  随着运动传感器的多样化、高性能化,移动设备中的手势识别、行为分析等运动识别技术日益普及。而实现这些运动识别,需要高速处理来自多个运动传感器的庞大的传感信息,对于系统开发者来说,需要解决高难度的安装作业。本传感器融合软件是可适用于Android、iOS、Windows8等各种OS平台的软件堆栈产品,使系统设计者的运动识别功能的安装更加简易。  【主要特点】  - 通过统一的软件平台的可扩展结构,可用单一的平台扩展多个产品系列  - 支持自动偏差校正、异常状态纠正  - 电源管理实现低功耗驱动  - 支持传感器间的防干涉功能  - 适用于Android、iOS、Windows8等主要OS  - 支持从实时处理到高精度浮点运算处理的更宽处理范围,  根据不同的用途配置  - 可追加自定义算法  - 可提供适用于嵌入式MCU、应用CPU、×86平台、内置RF平台等多种平台的BSP  - 可仅向认证客户公开源代码  罗姆集团的未来发展战略中有4个业务领域,其中之一是“传感器相关事业”。罗姆很早以前便开发出了接近传感器、照度传感器、、温度传感器、触摸传感器、CIGS、UV传感器、脉搏传感器等多种领域的传感器。LAPIS Co., Ltd.和Kionix纳入罗姆集团后,罗姆在元器件厂家中,具备了引以为豪的丰富的顶级传感器阵容。如今,其作为发展战略之一将会进一步强化,融合集团公司的技术和技巧推进开发。  其中,传感器的领军企业Kionix,新产品相继投产,众多产品系列不断拓展。今后,罗姆的目标是将这些传感器与LAPIS Co., Ltd.的低功耗微控制器配套供应等,进一步融合罗姆集团的其他技术,提供附加价值更高的产品和,成为传感器市场的“整体供应商”。

    时间:2019-04-05 关键词: 美国 陀螺仪 嵌入式开发 多款 加速度

  • MEMS加速度传感器的自动校准平台

    摘要:介绍了一种基于MEMS加速度传感器的自动校准平台的设计方案。从数学模型入手,推导了倾角测量算法并设计了调平控制方案。在电机控制环节加入改进后的PID算法,解决了输出突变导致系统性能下降的问题。快慢档的设定使系统在缩短调平时间的同时兼顾精度的要求。实验结果表明,该系统工作稳定,可用于一般调平场合。关键词:MXC62025G;自动调平;PID控制;抗干扰引言 现代测控系统在正常工作时往往需要一个基准平台,在这样的客观需求下调平技术应运而生。目前该技术已广泛应用于各种工业领域,如起重机支架、钻井平台、火炮底座、卫星天线基座、导弹发射平台等。传统的手动调平方式费时费力,严重影响了平台上设备机动性能的发挥。自动校准平台的研制弥补了手动方式的不足,并且在效率、精度、可靠性等方面都优于手动校准平台。本文介绍了一种能够实时监控平台状况并通过步进电机进行相应调节的自动校准平台。1 倾角测量原理 MXC62025G是美新(Memsic)公司推出的一款基于MEMS技术的双轴加速度传感器,集成了片上信号处理和I2C总线模块,无需外接A/D转换器便可以与微处理器通信。该传感器可以同时测量恒定和变化的加速度,测量范围为-2~+2 g,在25℃室温、3 V工作电压的条件下,其灵敏度可达512计数点/g。其内部结构如图1所示,硅片中心有一个热源,四周等间距地放置了4个热电堆。当硅片水平静止时,热源周围的温度梯度是均匀的,所以4个热电堆的温度相同,输出电压相同。当硅片倾斜或在某一方向上有加速度时,热源周围的温度梯度发生扰动,因而输出电压发生变化。 由于传感器的输出不能为负,因而需要减去一个偏移量来区分正负,此处取输出值的中值,即最大值与最小值之和的一半。另外,传感器的输出是加载在两个测量轴上的重力加速度的分量,要输出倾角值还需进行数据处理。假设X轴向的倾角为α,Y轴向的倾角为β,则输出值与倾角大小存在以下关系: 即 当倾角较小时,轴向加速度与倾角之间近似为线性关系,故有:,K值选取与倾角误差之间的关系如表1所列。 不难看出,测量范围与测量精度是一对矛盾。为了提高系统的精度,应当尽量减小平台调节的幅度,所以自动校准平台应当先大致摆放到水平位置再按启动开关。2 平台调平原理 目前工程上4支点或更多支点的调平系统应用广泛,这主要是从稳定性角度考虑的,但超过3根支脚后必然要面临超定位的问题。由于虚腿的出现,平台上的设备工作时不能保证每根支脚上的受力具有重复性,从而导致支架形变,影响调平精度。而在3点调平结构中,各支脚受力均匀,只要支脚设计得当就可以保证较高的稳定性,调平控制模型如图2所示。 图中的3个顶点O、A、B分别代表3个支撑轴,为了使基座能够适用于不同的环境,设定支脚O的高度为手动可调。传感器在安装时需保证其X轴与OA边平行,Y轴与OA上的高BH平行。当固定了O点的高度后,调节A、B两处,使平台达到水平。为了便于实验,将模型进一步理想化,使点H与O重合。平台调平的实质是将两条相交的直线分别调到水平。 假设平台为刚性结构,加速度传感器的精度为常数,且在X与Y两个方向上的倾角分别为α和β,两轴之间的夹角为θ,则整个平台的水平度γ可表示为: 根据上面的公式,只有当两轴的夹角为90°时,系统在调平过程中才没有耦合,水平度θ才有最小值。 若两轴上的控制精度为±δ,则系统调平的水平误差。由于选择的是双轴加速度传感器,它的两个测量轴相互垂直,即θ=90°,故水平调节误差。即如果整个平台的水平度要求为0.1°,则X轴、Y轴上的控制精度就是。3%20系统硬件设计3.1%20传感器硬件连接%20加速度传感器以I2C总线标准输出数据,由于本身即为数字量,因而节省了模/数转换所需的硬件,但I2C接口为开漏输出结构,必须接上拉电阻后才能输出高电平。其硬件连接如图3所示,8脚上的电源电压需稳定在2.7~3.6%20V,5脚上的I2C辅助电压标称值为1.8%20V,但只要低于8脚上的电压值亦可正常工作,电源与地之间通过一个0.1μF电容滤波。由于采用的单片机STC10F08没有I2C接口,故将其通用I/0接口P1.0和P1.1模拟成I2C接口的SDA和SCL。3.2 支脚的设计 当前广泛使用的支脚类型包括液压式和机械式两种。液压型的支脚虽然输出功率较大,但是也存在明显的缺点:液压油本身可压缩,液压油粘滞系数随温度变化,液体容易泄漏,液压油可燃,设备不能自锁,检修困难等。机械支脚虽然惯性较大,但适应性强并可以实现机械锁紧。考虑到现场环境可能比较恶劣,本文采用了机械式调平方法,系统结构示意图如图4所示。 将电机轴设计为中空的螺母式结构,支脚就是旋人其中的螺杆。平台的支撑架由两部分组成:电机和台面构成的整体、旋在电机轴内的螺杆。螺母及其相连的内筒固定不动而螺杆旋转,带动电机以及上面的平台一起作直线运动。这种螺旋传动的方式将旋转运动转化为直线运动,从而实现平台的升降,并且能在任何高度自锁。 如图4所示,单片机收到加速度传感器送来的倾角信息后,在实时显示的同时按照预先设定的控制算法,控制步进电机的转动。电机轴的正反转动转化为支撑轴的上升和下降,从而实现对倾斜平面的调平。3.3 系统软件设计 自动校准平台的程序流程如图5所示,其中最主要的部分是角度信号的采集、数据的进一步处理以及电机的自动控制。信号采集环节主要是完成传感器与单片机之间的I2C串口通信;数据处理环节包括正负角度值修正、传感器输出的线性化处理以及软件滤波;电机控制环节包括快慢档调节、零点锁定和PID控制。 其中,电机控制与平台调平直接相关。系统根据检测到的倾角大小,在不同的倾角范围采取不同的调平速度和调平精度。倾角较大时调平精度较粗,电机一次转动的步数较多,支撑轴的伸出速度越快,调平速度就越快;倾角小于低速阈值时,电机转动频率降低,支撑轴的伸出速度变慢,使平台形变和支腿伸出速度过快所带来的不良影响得以减小,从而在整体上兼顾了调平速度和调平精度。 从实际应用出发,考虑到当基座调平完成后,平台上的设备便开始工作,如果该设备在运行过程中产生振动,则必然导致基座不稳定。若不加任何防范措施,其结果就是平台上设备工作的同时基座继续调平,这对于设备的正常运行是非常不利的。特别当其应用于吊车、火炮等有较高稳定性要求的调平场合时,上述情况是非常危险的。因此,在原先的基础上增设了调平完成后的自锁定功能,以及手动解锁按钮。 整个调平过程是一个离散化的动态趋近过程。在系统跟踪倾角状态的每个周期,平台都逐步逼近水平位置,直至与水平面的差别小于停机阈值。此时电机停转,平台锁定,系统默认一次校准任务完成。在下一次基座调平任务来临之前,需要手动操作解锁按钮,以唤醒系统工作。从系统动态调平的思想中可以看出,两台电机的摆放位置并不是固定的,只要3个支撑点不共线,平台就可以实现自动调平。 为使系统更加稳定、准确的完成调平工作,采用了基于PID的反馈控制算法。传统的PID控制结构如图6所示,虚线框内是PID控制器,R(s)为输入量,C(s)表示复杂系统输出,B(s)是反馈量,控制偏差信号E(s)=R(s)-B(s),G。(s)表示被控过程,D(s)为外界干扰,N(s)是传感器噪声。 其中,Kp、Tp、Td分别为比例、积分、微分环节的系数,uo为初始状态。 但是,系统输入环节中存在大量的脉冲信号,取一小段时间片来看,可以认为有大量阶跃信号。由于在PID控制环节存在导数项,使得输出信号中包含冲击函数,而输出突变对于系统控制性能的影响是不容忽视的。为了解决输出突变导致系统控制性能下降的问题,在前向通路中仅保留积分环节,而把比例和微分环节移入反馈通路中,其结构框图如图7所示。由于输入信号仅出现在积分控制环节中,PID控制器的输出突变问题得以解决。 图7中的控制器输出信号U(s)可表示为: 为了便于计算机采样,对上式进行离散化处理,采样周期为T,采样序列编号从0到N,积分变成求和,微分变为增量,从而有以下PID控制模型: 4 抗干扰设计 考虑到现场电器设备的启动和关闭而产生的电磁干扰、热源的影响以及平台的振动,必须对校准平台进行抗干扰设计。4.1 硬件抗干扰 如图3所示,在电源与地之间并联0.1μF的滤波电容,以抑制开关电源的噪声。传感器金属外壳接地,同时其下方的电路板作覆铜处理,以抑制电磁干扰。为了避免外界对传感器内部热场的扰动,电机、驱动器、电源电路等可能的热源都设计安放在距离传感器较远的区域。支承轴下端安装减震垫来削弱调平过程中平台振动对传感器的影响。4.2 软件抗干扰 对信号进行低通滤波,降低系统带宽,能够降低传感器输出噪声,提高系统的信噪比。同时采用冒泡法对一次性接收到的11组数据进行排序,取中间的5组数据再做滑动平均,可以有效抑制随机噪声。针对平台振动对传感器的干扰,电机在单次基座调整后延时一段时间再进行下一次转动。5 实验与分析 通过模拟各种倾斜姿态,对校准平台的性能进行了测试。当平台倾角较大时,根据先前设定的控制算法,为使基座尽快达到水平,电机快速转动,系统开始粗调,此时平台出现短时间颤动。特别是当电机每次转动超过30步时,现象较为明显,导致显示器中的倾角读数小幅跳变。修改电机控制程序使其每次最大转动的步数不超过10步,并且间隔时间略微延长,振动现象得以缓解。当倾角小于5°后,系统自动切换到细调模式,电机转速下降,平台稳定无振动,直至到达水平位置后系统锁定。表2中列举了不同倾角下的调平时间,可以看出,当平台倾角小于20°时,系统调平时间不超过40 s。结语 针对多点调平系统的不足,设计了电机式3点自动校准平台,简化了控制模型。在分析了调平过程中可能遇到的干扰因素后,采用相应的软硬件抑制方法,提高了系统适应复杂工况的能力。在电机控制程序中加入改进后的PID算法,将比例和微分环节移人反馈通路,解决了输出突变导致系统控制性能下降的问题。粗调与细调模式的自动切换,兼顾了速度和精度两方面的要求。本方案调平精度约0.1°,调平时间不超过40 s,具有结构简单、稳定性高等优点,可以作为一般基座调平场合的技术参考。

    时间:2019-04-03 关键词: mems 传感器 平台 嵌入式开发 加速度

  • 智能车加速度检测电路模块设计

      加速度检测电路  MMA7260是Freescale公司设计生产的采用MEMS工艺制作的低价格低功耗单芯片集成三轴加速度传感器.2.2~3.6V单电源供电,工作电流小于500UA(睡眠模式仅有3μA),可测量0~350Hz±69范围内动态或静态加速度,±1.5g量程时分辨率为800mV/g,以模拟电压信号形式输出,体积仅为6mm×6mm×1.45mm;可对车体微小振动和整车倾斜角度同时进行监测。其电路图如下图所示。

    时间:2019-01-04 关键词: 模块设计 电源技术解析 检测电路 智能车 加速度

  • STM32开发指南--第三十四章 ADXL345三轴加速度传感器实验

    第三十四章 三轴加速度传感器实验 自从有了Iphone,各种新技术的普及程度越来越快,人们喜欢的不再是摔不坏的诺基亚,而是用户体验极佳的Iphone。本章,我们介绍一种当今智能手机普遍具有的传感器:加速度传感器。在手机上,这个功能可以用来:自动切换横竖屏、玩游戏和切歌等。ALIENTEK战舰STM32开发板自带了加速度传感器:ADXL345。本章我们将使用STM32来驱动ADXL345,读取3个方向的重力加速度值,并转换为角度,显示在TFTLCD模块上。本章分为如下几个部分:34.1 ADXL345简介34.2 硬件设计34.3 软件设计34.4 下载验证

    时间:2018-12-18 关键词: 传感器 嵌入式开发 指南 三十四章 加速度

  • 基于DSP的数字式MEMS加速度传感器ADXL203的系统设计与应用

    引言加速度传感器一直是振动测试中的重要元件。ADXL203加速度计是美国模拟器件(AD)公司的新型单芯片双轴传感器,测量范围是±1.7g.可以承受3500g振动冲击。相对于传统的加速度计,他的成本比较低,性能好,功耗低。此外,该加速度计可以同时测量两个垂直方向的加速度,适用于静态和动态的加速度测量。测量原理ADXL203采用先进的MEMS技术,由一个利用表面微机械加工的多晶体硅机构和一个差动电容器组成。在加速度的作用下,多晶体硅结构会产生偏移,于是就会拉动电容的运动极板滑动是电容值发生变化,最终导致输出方波的变化,利用这个原理,就可以通过查动电容检测到加速度的变化,加速度与输出方波成正比。应用要点ADXL203可以测量静态加速度,也可以测量动态加速度,其最小带宽为0.5Hz,最大带宽可以达到2500Hz。 在设计时,首先要确定北侧加速度频率范围,然后再设定滤波器的参数。尽量使滤波器的带宽略高于被测频率,这样做不仅有利于滤除高频干扰,也有利于降低系统噪声干扰。因此要选择合适的带宽,如果一味提高通频带宽将会给测量带来更多的噪音,降低测量精度。 实际应用在加速度测量研究中,我们采用了TI公司生产的TMS320LF2407 DSP信号处理器来进行处理。这里首先介绍一下2407的特点与性能。1 TMS320LF2407的硬件特点。 采用了采用高性能静态CMOS技术,使得供电电压降为3.3V,减少了功耗;基于TMS320C2xx DSP的CPU核,保证与TMS320系列DSP代码兼容;片内有高达32K字的单口RAM(SARAM);两个事件管理器模块EVA和EVB,适用于控制各类电机;看门狗定时模块(WDT);控制局域网络(CAN)2.0B模块;串行通信接口(SCI)模块;16位的串行外设接口(SPI)模块;JTAG接口,使得在系统编程(ISP)很容易实现;10位A/D转换器最小的转换时间为500ns,可选择由两个事件管理器来触发2个8通道输入A/D转换器或1个16通道输入A/D转换器,而每次要转换的通道都可通过编程来选择。需要说明的是,TMS320LF2407 DSP是丁点16位芯片,存储数据的最小单位是16位的字,每个地址(包括程序地址,数据地址及I/O地址)所存的数据都是16位。2 软件环境。TMS320C2407 DSP提供两种编程语言:汇编语言和C语言。两种语言各有所长:用C语言开发DSP芯片,开发速度快,可读性好,可移植性强;而用汇编语言开发DSP芯片,则能充分利用DSP芯片的软硬件资源,程序代码的执行效率高。在开发过程中几乎不可避免的要使用C语言和汇编语言的混合编程。如果源程序为C语言,需调用TMS320C2xx DSP的C编译器将其编译成汇编语言,然后送汇编器进行汇编。汇编后产生COFF格式的目标文件,再用链接器进行链接(链接过程包括将编译器的运行支持库相关代码链接进来以及代码段和数据段的重定位),生成在TMS320C2xx DSP上可执行的COFF格式的目标代码,并调用下载程序将目标代码下载到目标芯片上。3 系统设计。系统设计包括:变成逻辑器件接口,数字量扩展单元,传感器信号产生单元,A/D转换单元,电源管理模块(提供5V,3.3V)和数据存储器等,将TMS320LF2407的资源全部引出。 系统主要模块如下:1.DSP控制单元。包括晶振,RAM,电源模块,和相应的数据输出接口。根据DSP的实验板电路作出相应的改动,然后就可以与传感器单元连接了。连接完毕,接入仿真器与电脑对接,进行程序的调试。 2.传感器信号输出单元。包括ADXL203,AD8341 A/D转换器,运放电路。传感器电路分为两个相同的组成部分,测量三个方向的加速度。使用的是AD公司生产的MEMS传感器ADXL203,和由TI公司生产的A/D转换器ADS8341。传感器输出的模拟信号送入A/D转换器,然后送入DSP的SPI口进行处理。板子的输入电源由一个5V电源提供,在输入之前,用电容进行滤波以提高精度,减少毛刺。尽量减少对传感器的影响。4 系统软件。CCS的设置与使用。运行Code Composer Studio Setup 软件,在Processor Configuration窗中,在Available Processor 中选择TMS320C24X,然后,点击Add Single;对话框右边出现CPU_1图标,将板卡的I/O值修改为0X378。点击Finish,关闭Code Composer Studio Setup程序,选择保存。Code Composer Studio 就设置完毕。一个DSP应用软件的标准开发,需要经历下列步骤:用文本编辑器(Editor)编辑满足汇编器(Assembler)格式要求的汇编源程序;调用汇编器汇编该源文件,如果源文件中调用了宏,汇编器还会到宏库中搜索该宏;汇编之后生成格式为公共目标文件格式(COFF,Common Object File Format)的目标文件(.obj),称为COFF目标文件;调用链接器(Linker)链接目标文件,如果包含了运行支持库和目标文件库,链接器还会到所保护的库中搜索所需的成员;链接之后生成可执行的COFF执行文件(.out)将COFF执行文件下载到DSP中执行。同时也可借助调试工具(Debugging Tool)对程序进行跟踪调试或优化,也可利用交叉参考列表器(Cross-reference Lister)和绝对列表器(Absolute Lister)生成一些包含调试信息的表。TI公司在其系列芯片上设置了符合IEEE1149标准的JTAG(Joint Action Group)标准测试接口及相应的控制器,从而不但能控制和观察多处理器系统中的每一个处理器的运行,测试每一块芯片,还可以用这个接口来装入程序。用37芯扁平电缆使计算机通过并行口或转接卡与SEED-SDSPP仿真盒相连,再用14芯JTAG接口线连接到用户DSP目标板。在PCB电路设计好后,程序先将JTAG的控制指令通过TDI送入JTAG控制器的指令寄存器中。再通过TDI将要写的数据及控制线信号输入到BSR(边界扫描寄存器)中,并将数据锁存到BSC(边界扫描单元)中,此后BSC的内容送到其连接的相应芯片的引脚!因芯片的数据线、地址线及控制线的引脚上都有其相应的BSC,只要用JTAG指令将数据、地址及控制信号送到其BSC中,就对芯片内的寄存器进行读写,通过BSC对应的引脚,不但可以将信号送给发Flash,实现对Flash的操作,也可以对SDRAM进行操作。5 结束语应用上述的设计方法及其要点,通过反复调试实现了对加速度的测量,达到了预期目的。实践证明ADXL203非常适合频率变化较为缓慢、加速度不太大的测量。在充分考虑各种因素的基础上,合理设置有关参数,就可以得到很好的精度。而在用DSP处理信号的时候,时钟信号的选择与A/D的频率周期非常吻合,可以高效的追踪信号,及时地处理信号,准确地反映当前物体的位移变化,达到了很好的效果。

    时间:2018-09-24 关键词: DSP mems 传感器 嵌入式处理器 adxl203 加速度

  • 基于QMA5981三轴单芯片加速度传感器产品

    导读:加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力,就好比地球引力,也就是重力。加速力可以是个常量,比如g,也可以是变量。加速度计有两种:一种是角加速度计,是由陀螺仪(角速度传感器)的改进的。加速度传感器QMA5981是矽睿科技自主研发的第一款三轴单芯片加速度传感器产品。QMA5981是专门针对智能移动终端,包括智能手机、智能平板、智能手表以及智能穿戴式设备的应用进行研发的;该款产品具有小尺寸、低功耗、高灵敏度、零漂稳定的优异特点。公司更是基于QMA5981开展了智能体感应用的研发,并提供智能运动健康系统和智能手势系统的解决方案。可以预见的是,QMC5981将被广泛的应用于包括可穿戴式系统等多个领域,例如:智能手机、平板电脑、智能手表、3D遥控器、智能家电、航模、汽车电子等。1次

    时间:2018-07-02 关键词: 芯片 传感器 电源技术解析 加速度

  • 基于DSP的加速度计温度控制系统的硬件电路设计

    1 引言近年来,数字信号处理器(DSP)得到了高速发展,性价比不断提高,广泛应用于各个领域,例如通信、语音处理、图像处理、模式识别及工业控制等方面,并且日益显示出巨大的优越性。数字信号处理器利用专门或者通用的数字信号处理电路,以数字计算的方法对信号进行处理,具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小以及可靠性高的特点,可满足对信号快速、精确、实时处理及控制的要求。文中以T1MS320F240型DSP为核心,设计了高精度的惯性导航加速计温度控制系统。2 TMS320F240系列的基本特征TMS320F240将DSP的高速运算能力和高效控制能力集于一体,其主要特点如下:(1)核心CPU包括32位的中央算术逻辑单元(CALU)、32位累加器、16位×16位并行乘法器、3个定标移位寄存器和8个16位辅助寄存器,指令周期为50 ns(20 MI/s),多数指令为单周期指令;(2)片内带有544 Bxl6位的数据/程序RAM和16 KBxl6位的掩模ROM或Flash EEPRClM,外部存储器接口具有16位地址总线和16位数据总线,224 KBxl6位的最大可寻址寄存器空间:(3)双10位模数转换器可实现双路信号同时采样,转换时间可以根据需要编程设置.最短转换时间为6.1 IJ,s;(4)6个外部中断,包括电源驱动保护中断、复位、非屏蔽中断NMI和3个可屏蔽中断。 3 温度控制系统硬件设计基于DSP设计的温度控制器利用DSP强大的高速运算能力,以及其片内集成的丰富的控制外围部件和电路,从而简化了电路的硬件设计,可以实现各种控制算法和控制策略,并通过异步串行通信接口来读取用户所需要的数据,便于用户分析实验结果。此外,还具有脱离DSP的高温硬件保护功能.可消除由于DSP系统意外失控所造成的系统超温危险,提高了温度控制系统工作的可靠性和使用安全性。系统结构如图1所示。 3.1 信号采集及放大电路信号采集电路是温度控制系统的重要组成部分.其对温度测量的精确性直接影响整个温度控制系统的精度。故本系统选用性能稳定的PT1000铂热电阻传感器作为测量温度信号的敏感元件。其阻值随温度的变化为:0℃时阻值为1 000Ω,温度系数为3.84Ω℃。线性度小于0.5%。信号采集电路采用对称的差动式电桥测量温度信号,铂热电阻器Rt和精密电阻器R1、R2及R3组成测量电桥。X检测为硬件保护电路的输入信号,温度信号采集及放大电路如图2所示。为了提高系统的采集精度,电桥采用美国模拟器件公司的高精度基准电压源AD586供电,并在其电桥前加一限流电阻RO使流过铂热电阻器Rt的电流小于10 mA。以尽量减小铂热电阻器在工作时产生的自身热效应对温度采集的影响。当温度发生变化时,铂热电阻器Rt的阻值也随之变化,电桥输出信号经运算放大器放大并经过相应的偏置处理后。使其电压满足DSP片内AID转换器的电压输入范围0 V一5 V,以进行AID转换。3.2 外部存储器扩展在温度控制过程中,需要采集和处理大量的数据。TMS320F240固有的片上数据存储器空间显然不够.而且。在调试系统时如果有外部存储器,只需将程序通过仿真接口下载到外部存储器中而不需要再烧写到片内的Rash中。这样给程序调试带来了方便.因此选用ISSI公司生产的IS61C6416型静态存储器来扩展外部存储器。IS61C6416是采用CMOS工艺制成的64 Kxl6bit静态存储器.采用44引脚贴片式封装,5.0 V供电.输入输出电平与TTL电平相兼容,并具有高速的读写访问时间和低功耗工作方式。表1为IS61C6416的工作方式真值表。 IS61C6416与TMS320F240的接口电路非常简单.其16条数据线和16条地址线直接与TMS320F240相连接即可。由表1可知, IS61C6416的工作方式由5条控制信号线控制,其中使能引脚和读写选择引脚与DSP相连以控制其读写操作,由于TMS320F240系列DSP为 16位微处理器,其数据的读写不用分开来进行,故高位字节和低位字节使能引脚直接接地。3.3 串行通信接口设计TMS320F240的串行通信接口(SCI)为其内部的可编程异步串行通信模块,它是标准的异步串行数字通信接口,可以实现半双工或者双工通信及多机之间的通信。SCI模块是8位片内外设,通过DSP的16位外部数据总线的低8位与外部设备通信,有独立的发送器和接收器。发送器和接收器均是双缓冲的.并且都有独立的使能位和中断位。通信传输速率即波特率可以通过SCI的2个16位的波特率选择寄存器编程来确定。SCI串行通信总线接口电路如图3所示.其接口电路比较简单,主要由Maxim公司的MAX232A和一些外围元件构成。SCIRXD和SCITXD分别接DSP控制器SCI串行通信模块的输出、输入引脚.RXD和TXD分别接电路板上RS一232标准接口的2端和3端,电阻器R2、R3和电容器C6、 C7作为抗干扰元件。利用此串行通信总线可以实现基于DSP的温度控制系统与计算机之间的异步数据通信,可以使计算机实时地读取:DSP存储器内的数据,便于调试系统和分析实验结果。3.4 高温保护电路通常情况下加速计的工作温度不能超过90℃.温度过高会烧坏加速计而使整个温控系统不能正常工作。为了避免系统电路出现异常而导致加速度计温度过高,笔者设计了脱离DSP的高温硬件保护电路,其保护温度点为85℃,电路如图4所示。此电路的工作原理是:当3个加速计的温度没有超过保护温度点时,X、Y、Z检测的电压信号大于-4.5 V,稳压管K1、K2、K3未被反向击穿,保护电路不工作,因而整个温度控制系统处于正常工作状态。反之,当其中任何1个加速计的温度超过高温保护温度点 85℃时.将有1路检测的电压信号小于或等于-4.5 V,与其相对应的1个稳压二极管反向击穿,致使三极管Q1不导通,6N137型光电耦合器的输入为高电平,输出为低电平,三极管02不导通,而后级的4个三极管Q3、Q4、05及06均导通,使后级4路功率放大电路不工作.切断4个加热片的电源,从而对加速计起到保护作用。3.5 光电隔离及功率放大加速计的温度信号经采集电路采集放大后.直接送人DSP的MD转换器进行A/D转换.转换后的数字信号经。DSP运算后,从DSP的PWM/CMP引脚输出PWM脉宽调制信号。此控制信号经6N137型光电耦合器隔离后,控制功率放大电路的工作.从而控制加热片的工作状态。功率放大电路由开关管Ql和Q2 构成,其放大倍数约为2 OOO。X为保护电路的输出信号。电路如图5所示。 3.6 JTAG标准仿真接口设计与所有的微处理器一样,DSP的开发同样也需要一套完整的软硬件开发工具。笔者选用北京闻亭公司研制的TDS510型uSB接口仿真器.其仿真信号线采用 JAG标准。IEEEl149.1,采用14线标准仿真接头。此。DSP目标系统与仿真器的距离小于152-4 mm(6英寸),故用无缓冲的简单连接。其中,EMU0和EMU1必须接1只上拉电阻器(一般为4.7kΩ),使信号上升时间小于10μs。仿真器只参与数据的传输,即将目标代码通过J|I‘AG接口从计算机下载到目标系统的存储器中,而仿真是在DSP内完成的,因此,JTAG标准仿真接口是仿真器与DSP目标系统之间必须的通信接口,为DSP目标系统的仿真和调试带来了方便。在系统调试阶段,可以通过此仿真接口将编译后的程序代码下载到外部扩展的程序存储器,在线调试用户程序,查看内存、CPU寄存器、各种图表等内容。系统调试成功后可以利用烧写程序通过此仿真接口将调试好的程序烧到DSP 的Flash中,使DSP目标系统成为可以独立运行的系统,使:DSP的开发更为方便。4 实验测试采用上述基于DSP的温度控制系统,配合石英挠性加速度计组件以及加热片,利用闻亭公司的2000系列DS/,仿真调试软件CC‘C2000,采用增量式比例、积分、微分(PID)控制算法,通过仿真接口对系统进行了大量的仿真实验,实验证明基于DSP的加速度计温度控制系统能够较好地实现控制效果。5 结束语基于DSP的温度控制系统以高速DSP为核心,辅以相应的外围电路,可以实现复杂的控制,目前已用于某导航测试系统中。实际应用表明,该控制系统具有良好的控制性能,可满足系统的精度要求,具有一定的应用价值。

    时间:2018-06-19 关键词: DSP 电路设计 温度控制 加速度

  • MEMS加速度计是什么 加速度计工作原理

    什么是MEMS加速度计? 加速度计是一种惯性传感器,能够测量物体的加速力。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力,就比如地球引力,也就是重力。加速力可以是个常量,比如g,也可以是变量。 MEMS(MICro EleCTRo Mechanical Systems)加速度计就是使用MEMS技术制造的加速度计。由于采用了微机电系统技术,使得其尺寸大大缩小,一个MEMS加速度计只有指甲盖的几分之一大小。MEMS加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点。 MEMS加速度计一般用在哪里? 通过测量由于重力引起的加速度,你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度,你可以分析出设备移动的方式。现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。 MEMS加速度计可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山?还是在走下坡,摔倒了没有?或者对于飞行类的机器人来说,对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是,你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的工程师能够使用MEMS加速度计来回答所有上述问题。 目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了MEMS加速度计,能够动态的监测出笔记本在使用中的振动,并根据这些振动数据,系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行,这样可以最大程度的保护由于振动,比如颠簸的工作环境,或者不小心摔了电脑所造成的硬盘损害,最大程度地保护里面的数据。目前在一些先进的移动硬盘上也使用了这项技术。 另外一个用处就是在目前的数码相机和摄像机里,用MEMS加速度计来检测拍摄时候的手部的振动,并根据这些振动,自动调节相机的聚焦。 MEMS加速度计还可以用来分析发动机的振动。汽车防撞气囊的启动也可以由MEMS加速度计控制。 由此可见MEMS加速度计可以在我们的生活中发挥重要作用。归纳其应用主要有以下几个方面:振动检测、姿态控制、安防报警、消费应用、动作识别、状态记录等。 MEMS加速度计是如何工作的? 技术成熟的MEMS加速度计分为三种:压电式、容感式、热感式。压电式MEMS加速度计运用的是压电效应,在其内部有一个刚体支撑的质量块,有运动的情况下质量块会产生压力,刚体产生应变,把加速度转变成电信号输出。 容感式MEMS加速度计内部也存在一个质量块,从单个单元来看,它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积,通过测量电容变化量来计算加速度。 热感式MEMS加速度计内部没有任何质量块,它的中央有一个加热体,周边是温度传感器,里面是密闭的气腔,工作时在加热体的作用下,气体在内部形成一个热气团,热气团的比重和周围的冷气是有差异的,通过惯性热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速度值。 由于压电式MEMS加速度计内部有刚体支撑的存在,通常情况下,压电式MEMS加速度计只能感应到“动态”加速度,而不能感应到“静态”加速度,也就是我们所说的重力加速度。而容感式和热感式既能感应“动态”加速度,又能感应“静态”加速度。

    时间:2018-05-09 关键词: mems 惯性传感器 电源技术解析 加速度

  • 基于MPU6050模块的飞行姿态记录系统设计

    摘要:为了实现对固体燃料低空模型火箭飞行姿态自动记录的需求,提出了一种基于MPU6050模块的飞行姿态记录系统设计方案,并完成系统的软硬件设计。该系统的硬件部分主要用来采集加速度模拟量并进行存储,软件部分采用C语言进行编程,完成数据读写和上传,数据处理借助上位机软件进行,还原实际飞行姿态。实际应用表明,该系统具有成本低廉、灵敏度高的特点,达到了设计要求。 关键词:传感器;加速度;自动记录;单片机 固体燃料低空模型火箭在发射原理和气动结构上都与实用探空火箭一致,同时具备重量轻、安全性高和价格相对低廉的特点,因此在本科教学及学科竞赛中被广泛使用。 目前的固体燃料低空模型火箭(以下简称模型火箭)受到成本和运载能力的限制并未加装任何传感器,对于模型火箭发射后的飞行姿态大都通过视频的方式记录,但是受到模型火箭飞行速度快、拍摄视角固定等问题的限制,传统的飞行姿态记录方式效果并不理想,所得结果也缺乏进一步讨论的价值,缺少量化的飞行姿态数据也制约了模型火箭本身的改进和发展。可见设计出一种可量化的飞行姿态记录系统非常有必要。 MPU6050模块有着高速、精确的加速度采集能力,提供SPI和IIC两种通讯方案,能够根据系统程序指令,同时进行线加速度和角加速度的采集工作;M24C08芯片可以存储1024字节数据,支持IIC通讯协议,具有体积小、重量轻、数据稳定性强的特点;单片机以其较高的灵活性和稳定性广泛应用在自动控制系统中。本系统既是三者的结合,由传感器、存储器和单片机部分构成,对固体燃料低空模型火箭飞行过程中的加速度进行实时采集和记录,箭体返回后,配合上位机数据处理软件,对加速度数据进行处理,最终还原出模型火箭的真实飞行姿态。 1 系统的整体结构及功能描述 系统以STC89C52RC单片机为主控芯片,结合MPU6050模块和M24C08芯片,可对模型火箭飞行中的加速度进行实时采集并存储,模型火箭回收后通过串口通讯将数据传递给上位机,并在相关软件的辅助下进行数据处理,最终还原出模型火箭实际飞行姿态。MPU6050模块解决了模型火箭高速飞行过程中加速度数字化的问题,并且具有采集速度快、精度高和可编程控制的特点,M24C08芯片具有支持IIC协议、重量轻和数据稳定性强的特点,虽然存储容量较小,但鉴于模型火箭滞空时间短的特点,其数据存储容量能够满足需求。系统结构框图如图1所示,本系统选择STC89C52RC单片机为IIC通讯的主机,所有对话由单片机发起,单片机按照固定时间间隔询问MPU6050模块模型火箭实时加速度情况,MPU60 50做出应答后单片机向M24C08芯片发起对话,要求M24C08芯片记录当前加速度数值。以上周期性采样从模型火箭点火开始到飞行完成降落伞开启结束不间断进行,模型火箭回收后,进行数据上传和处理工作。   2 系统硬件设计 MPU6050模块、STC89C52RC单片机与M24C08芯片之间采用IIC通讯,其电路图如图2所示。本系统设定只有 STC89C52RC单片机可以发起对话,其余原件只能做出应答,其中STC 89C52RC单片机的P1.2管脚与IIC通讯线路的时钟线(SCL)连接,P1.3管脚与数据线(SDA)连接,程序根据逻辑需要按照IIC通讯协议控制时钟线和数据线的电平变化,以发起所需对话。MPU6050模块和M24C08芯片都支持IIC通讯,分别将其时钟管脚和数据管脚与通讯线路的相应管脚相连接,连接完成后的IIC通讯线路即可实现主从之间的问答式通讯。   实际使用中为了提高采集可靠性,在火箭放飞过程中单片机只固化采集存储程序,待模型火箭回收后重新给单片机固化相应的数据读取程序,数据才能被传递给上位机,但程序反复固化操作中往往会出现人员误操作,引起M24C08芯片中的数据损坏,导致整个放飞失去意义,因此在M24C08的数据管脚设计了保护跳线,模型火箭回收后断开保护跳线,待确认程序固化正确后接通跳线,上传数据。 MPU6050模块是以MPU6050芯片为核心配合必要的外围器件形成的加速度测量模块。其中MPU6050芯片整合了3轴陀螺仪和3轴线加速度计,极大的减小了包装空间,同时避免了加速度计和陀螺仪组合时的轴间差问题,并能够以400 kHz的速度提供16位精度的加速度数据。由于芯片本身对于外围器件要求较高,因此本系统硬件设计中选用了MPU6050模块,保证了数据的可靠性。在装配中采取模块与主板层叠的安装方式,进一步减小了整个系统的体积,系统实物图如图3所示。   3 系统软件设计及数据处理 系统程序设计包括数据采集存储和数据读取上传两部分构成,为了提高系统的可靠性,两部分程序不同时固化在单片机中,在模型火箭发射时固化数据采集存储程序,模型火箭回收后固化数据读取上传程序。数据采集存储程序每隔0.1 s采集一组模型火箭加速度值,并存储到M24C08芯片中,虽然MPU6050可以提供16位精度数据,但低八位数据抖动严重,所以系统只记录高8位数据,这样M24C08芯片可以记录170组(每组6个)加速度数据,记录持续时间为17s。模型火箭点火延时2 s,导轨飞行1秒,滞空飞行14 s,数据采集存储程序工作时间可对3个过程实现完全覆盖。数据读取上传程序读取M24C08中的数据并以串口通讯方式传递给上位机。 数据处理分为数据接收、数据预处理和姿态还原3个部分,数据接收部分利用串口助手软件接收下位机上传的数据,同时将八进制数转换为十进制。数据预处理主要是对数据进行定性分析:出现角加速度不为零的情况说明模型火箭飞行中出现旋转;前2 s(模型火箭静止状态)出现X/Y轴线加速度不为零说明发射架水平度不符合要求;第3 s(模型火箭导轨飞行)开始出现X/Y轴线加速度不为零说明导轨装配出现问题。在数据预处理阶段未发现上述问题则进入姿态还原阶段,该阶段借助Matlab软件对X/Y/Z三轴线加速度进行计算,还原模型火箭飞行姿态,算法公式如图4所示。[!--empirenews.page--]   4 实验应用 飞行姿态记录系统可靠性验证。在该测试阶段,系统被安装在5轴数控机床工作台上,通过数控程序指挥工作台改变姿态,由系统采集并记录相关数据,之后将数据上传给上位机进行处理,还原出工作台的姿态变化,与实际工作台姿态变化进行对比。实验结果表明系统记录的工作平台姿态与实际姿态一致。   飞行姿态记录系统与模型火箭联合搭载实验。在该测试阶段,将系统搭载到模型火箭中,搭载系统的模型火箭如图5所示。对搭载记录系统的火箭进行全流程的发射、回收实验,并对系统记录的数据进行上传、处理,以检验系统实际使用中的表现。实验结果表明系统运行稳定,数据记录正常。 5 结论 该飞行姿态记录系统采用高精度的加速度传感器和成熟可靠的存储器,配合稳定的主控芯片为硬件平台,软件设计采用不同种类功能分步固化的思想,避免了误操作带来的数据损坏,分析程序借助串口助手和Matlab软件,解决了飞行姿态还原的问题。该飞行姿态记录系统已在日常本科教学和竞赛中服役,实际应用表明该飞行姿态记录系统具有测试准确、稳定可靠、成本低廉等特点,达到了设计要求。

    时间:2015-11-24 关键词: 传感器 单片机 嵌入式处理器 自动记录 加速度

  • 运动监测设备差异在哪里?看传感器

    越来越多用户开始关注健康,自然也希望通过更好的形式来了解自己的运动状况。目前,市场中不乏运动监测设备,形式也是多种多样的,包括手环、手表甚至是智能服装。事实上,了解它们之间的区别,才能更好地针对自己的情况进行选择;而运动设备差异的关键,基本上便是由传感器决定的。下面,一起来看看目前运动检测设备所采用的主流传感器类型。 1. 加速度传感器及陀螺仪 加速度传感器和陀螺仪可以说是最基本的运动传感器类型,几乎所有的运动手环、手表都具备,而智能手机之所以可以计步、辨别方向,也是因为内置了加速度传感器。加速度传感器是拥有测量线性加速度、陀螺仪则是测量角速度(也就是方向),两者结合,可以实现计步、睡眠等监测操作。 所以,如果你只需要监测一下日常的运动强度,那么具有上述两种传感器的手环甚至手机,完全足够。 2. 心率传感器 定位稍微高端一些的运动监测设备,可能会搭载光学心率传感器,能够读取用户运动时的心跳频率,比如目前很火的Apple Watch。简单来说,这种光学传感器可发射LED绿光照射皮肤、再通过光敏二极管检测血液对绿光的吸收,从而判断血管的血流量,进一步了解心脏的运动频率。 通常来说,心率传感器的准确性也是因设备不同而存在差异的。近日外媒报道称,Apple Watch对传统的光学心率传感器进行了优化设计,以实现更好的准确性。不过,心率传感器由于需要照射皮肤,所以设备往往要紧贴在皮肤上,同时纹身等会导致心率监测不准确。 3. GPS Garmin、TomTom等GPS设备厂商,均推出了售价数千元、定为专业运动市场的运动手表。这些产品内置的传感器更加丰富,包括加速度、陀螺仪、心率传感器、气压仪等,更重要的一个区别则是GPS。专业运动手表通过内置GPS,可精确捕捉运动者位置并实现记录,并实现测距、时间、根据公式计算速度等专业运动功能,相比一般的运动手环、智能手表可以获得更加准确、精确的数据。 4. 新型纤维级传感器 也许你已经开始关注市场中的智能运动服装,它们主打“无束缚感的”运动监测形式,听上去更加高科技。而实现这种功能,实际上是通过纤维化的传感器、比如肌电传感器,覆盖在织物上,从而监测肌肉的细胞变化。而收集到的数据,会发送到一个佩戴装置上,再通过无线技术传输到智能手机上,应用程序会进行计算,以可视化的形式呈现给用户肌肉锻炼强度。 相对来说,这种技术更注重特定区域器械训练等健身运动,帮助用户控制锻炼强度、关注肌肉锻炼及健康,未来更具市场前景。 总结 显然,每种传感器的分布都有固定的产品规律,我们根据自己的需求选择即可。比如,只关注日常行进步数、睡眠状态,选择内置加速度及陀螺仪的设备就能够满足需求;如果想要进一步了解运动时的心脏压力,则需要购买配备心率传感器的手环和手表;喜欢越野运动、专业跑步训练、冲浪等户外运动的朋友,则需要一款内置GPS的防水运动手表;对于健身、塑型为主的运动来说,就需要选择配有肌肉监测功能的智能运动服装了。

    时间:2015-07-22 关键词: 传感器 陀螺仪 服装 检测设备 加速度

  • ARM7加速度数据采集系统设计

    引言 加速度传感器一直是加速度测试中的重要元件。随着微加速度计的应用越来越广泛,对于微加速度计的数据信号采集和存储变得极为重要。传统的数据采集方法多数是采用单片机完成的,编程简单、控制灵活,但控制周期长、速度慢,特别是对高速转换的数据来说,单片机的速度极大地限制了数据传输速度。 目前,嵌入式系统的应用已经进入到一个高低并行发展的阶段。ARM处理器凭借体积小、功耗低、集成度高、硬件调试方便和操作系统可移植等优点,获得广泛的应用。本文采用基于ARM7TDMI-S核的32位微处理器AT91SAM7X256为控制核心,利用其内部自带的A/D转换器对采集到的加速度值进行转换。 本文应用Model 1221单轴MEMS加速度计,输出信号经简单处理后直接外接到ARM7处理器上,只需对处理器的相应软件进行设置,省去了A/D转换电路,大大简化了电路复杂程度,并提高了数据处理的速度和精度。该加速度数据采集系统特别适用于对加速度和倾斜角的测量。它既可以测量动态加速度(如典型振动和冲击),又可以测量静态加速度(如重力加速度和惯性);既可以测量正加速度,又可以测量负加速度,因而可以作为斜率传感器使用。 1 总体设计方案 加速度数据采集系统的总体结构如图1所示。系统主要由单轴加速度计、运放电路、ARM处理器(AT91SAM7X256)三部分组成。单轴加速度计经过电路配置被施加一定加速度后,输出相应大小的电压模拟信号,经运算放大电路处理后,直接送至ARM处理器的A/D处理端口。在处理器接收数据之前,首先要通过软件方式对处理器的A/D功能进行合理设置;处理后的数据经ARM处理器的存储寄存器缓存后,由ARM处理器采取中断的方式接收采集,并对采集到的数据作进一步处理;利用软件分析数据的大小,并将其转换成相应的信号,通过串口通信输出到PC机上实时显示。电源装置采用开关电源为传感器、ARM处理器以及其他外围电路提供所需的各种工作电压。   2 Model 1221单轴MEMS加速度计简介 2.1 主要特点 Model 1221单轴MEMS(Micro Electro MechanicalSysteros)加速度计就是使用MEMS技术制造的加速度计。由于采用了微机电系统技术,使得其尺寸大大缩小,一个MEMS加速度计只有指甲盖的几分之一大小。MEMS加速度计具有体积小、重量轻、功耗低等优点。它可以测量振动类型的动态加速度和重力类型的静态加速度,测量范围是±2g;采用5 V单电源供电,集成在单片集成电路上,具有分辨率高、捕获时间短、带宽宽等特点;工作温度范围为-55~85℃,适合工作在恶劣环境下。 2.2 工作原理 技术成熟的MEMS加速度计分为3种: ①压电式MEMS加速度计。运用的是压电效应,在其内部有一个刚体支撑的质量块,有运动的情况下质量块会产生压力,刚体产生应变,把加速度转变成电信号输出。 ②容感式MEMS加速度计。内部也存在一个质量块,从单个单元来看,它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动,从而改变平板电容两极的间距和正对面积,通过测量电容变化量来计算加速度。 ③热感式MEMS加速度计。内部没有任何质量块,它的中央有一个加热体,周边是温度传感器,里面是密闭的气腔。工作时在加热体的作用下,气体在内部形成一个热气团,热气团的比重和周围的冷气是有差异的,通过惯性热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速度值。 由于压电式MEMS加速度计内部有刚体支撑的存在,通常情况下,压电式MEMS加速度计只能感应到“动态”加速度,而不能感应到“静态”加速度,也就是我们所说的重力加速度。而容感式和热感式既能感应“动态”加速度,又能感应“静态”加速度。 Model 1221单轴MEMS加速度计内部包含了微机械电容传感单元、温度传感器、传感运放电路和差分输出电路,所有部件密封在一个迷你包装中。它是容感式MEMS加速度计,即测量电容值的改变来计算加速度。 2.3 应用电路 加速度数据采集电路如图2所示。其中,VDD设置为5 V。17引脚为2.5 V电压参考引脚,可以单独外接2.5 V电压,也可以选择分压的方式。本文采用分压的方式,通过设置R1=R2=5 kΩ。将VDD分压为2.5 V,并连接一个O.01μF的旁路电容C1。   图2 加速度数据采集电路 AON和AOP引脚的电压输出值成比例对应于加速度值,如图3所示。在加速度为0的情况下,AON和AOP输出值都是2.5 V。为了取得噪音较低、效果较好的信号输出,本文采用差动方式将AON和AOP接到运放电路的输入端,适当设置电阻电容值,得出符合要求的输出信号。 AON与AOP求差后,范围在0~4 V之间。考虑到输出值应与ARM7处理器的A/D端口输入范围匹配,因此设置R4/R3=R6/R5=3/4,从而得到一个0~3 V的输出值范围。   图3 AON和AOP引脚的加速度和电压输出值 3 ARM7模数转换器ADC的应用 AT91SAM7X256自带的ADC是基于逐次逼近寄存器(SAR)的10位模数转换器(ADC)。它集成了一个8到1的模拟多路复用器,可实现 8路模拟信号的模数转换;转换范围为0 V~ADVREF;支持8位或10位分辨率模式,转换结果进入一个所有通道可用的通用寄存器中,即通道专用寄存器。 通过设置ARM7并行控制器PIO控制器,将ADO~AD7的某一个端口设置为A/D转换模拟输入端口。ADVREF为参考电压,即ADO~AD7 端口输入电压值的范围为0 V~ADVREF;ADVREF最小值为2.6 V,最大值为VDDIN(一般设为典型值3.3 V)。ARM7处理器的A/D转换共有3种中断方式,即软件触发、外部触发(包括ADTRG引脚上升沿触发)和内部触发定时计数器输出。本文采用内部触发定时计数器输出触发方式,即达到一定的间隔时间后引起中断,然后对当前的A/D模拟数据进行采集和分析。完成上述中断处理后,再等待下一次中断到来。使用 ADC中断请求前须先对AIC(高级中断控制器)编程。[!--empirenews.page--] ADC还与PDC(外设数据控制器)通道连接。在转换完成后,数字结果将会保存到当前通道数据寄存器里。当数据寄存器保存当前数据后,状态寄存器相应位置位;当取走数据寄存器中的数据后,状态寄存器相应位清零。 ADC支持8位或10位的分辨率。通过设置ADC模式寄存器(ADC_MR)LOWRES位执行对8位的选择。默认情况下,复位后分辨率最高,且数据寄存器中的DATA域完全使用。通过设置LOWRES位,ADC切换到最低分辨率,且转换结果可从数据寄存器的低8位中读出。对应于ADC_CDR寄存器的DATA域,最高两位及ADC_LCDR寄存器的LDATA位为0。在数据处理之前,通过设置相应寄存器对转换分辨率、休眠方式、ADC时间等进行初始化。为防止ADVREF端口电压过高,通常外加稳压二极管作保护。 4 系统软件设计 软件设计是整个检测系统的重要组成部分。依据硬件设计的相关特点和要求,软件设计的主要任务是完成系统的初始化,对加速度信号进行提取和分析,加速度过大或者超出设定值时予以警告提示,并完成与其他外设之间的数据通信。系统软件流程如图4所示。   本检测装置工作在恶劣环境下,易受到各种干扰源的干扰。另外,检测装置本身也会产生电磁噪音,将严重影响信号的分析和读取。可以采用电源去耦、低通滤波等硬件方式来滤除干扰,但不容易达到理想效果,因此必须依靠软件抗干扰技术。软件抗干扰技术不仅设计灵活,而且节约硬件资源。常用的软件抗干扰技术有软件陷阱技术、软件滤波技术等。在程序的具体编写过程中,可以利用这些技术达到抗干扰的目的。 由ARM系统采集到的数据可通过串口线发送到上位机进行实时显示,也可以通过模拟IDE通信协议存储到IDE硬盘中。AT91SAM7X256通过串口与上位机进行通信,主要是应用AT91SAM7X256中的通用异步接收/发送装置UART0;而使用AT91SAM7X256的通用可编程I/O 口,可以模拟产生IDE硬盘的读写时序,完成对存储设备的读写操作,从而实现加速度数据的显示和存储。上位机实时显示加速度的检测数值,如图5所示。   结语 本文介绍一种MEMS加速度计的设计与应用,结合当前应用广泛的ARM7处理器芯片,设计出一套方面灵活、应用性强的数据采集方案。实验证明,该系统可准确地采集Model 1221单轴MEMS加速度计的加速度信号,可以对采集到的信号进行灵活的处理,既可以在上位机实时显示,又可以存储在IDE接口硬盘中,达到了数据显示和存储的目的。

    时间:2015-07-19 关键词: 数据采集 arm7 嵌入式处理器 加速度

  • 国产MEMS加速度传感器首次在国际招标中获胜

    在智能化与物联网迅猛发展的今天,作为基础环节的传感器也迎来新一轮快速发展。我国极其重视传感器产业发展,并不断进行科研创新,提升技术水平和产品性能。近日,中国电子科技集团第13研究所研制的MEMS加速度传感器在国际招标项目中获胜中标。此次中标具有重要意义,这是我国国产MEMS加速度传感器首次在国际招标中获胜,标志着我国MEMS加速度传感器达到国际先进水平,取得了重要突破发展。据悉,此次中国电科在国际招标中显示出了雄厚的实力,战胜了美国PCB公司和瑞士奇石乐等国际知名传感器厂商获胜。这与中国电科的MEMS加速度传感器拥有的技术特点分不开,具有高精度、高分辨率、低噪声、低功耗、低温漂、抗过载和超小体积重量轻等优势,明显超越国外同类产品。中国电科在研制过程中,倾注了很多心血,不断攻关,突破了MEMS加速度传感器高精度SOI工艺加工、圆片级可调阻尼封装、低功耗ASIC专用集成电路等关键技术。最终MEMS加速度传感器拥有了先进的技术指标和性能,在国际招标中获胜。

    时间:2013-10-03 关键词: 传感器 招标 获胜 加速度

  • “可控加速度”试验平台投入使用

    21ic讯 近日,“可控加速度试验平台”由北京领邦仪器研发成功并投入使用,该设备用于向被测物施加直线加速度,为同步监测被测整体的受力响应提供仿真条件。该试验台对加速度曲线波形、持续时间、幅值大小实现了有效控制,大幅加快了研究进程。此平台目前用于生物响应试验,经适量修改后也可应用于整机系统加速度响应试验、生物体加速度响应试验以及航天员训练等。 此前,相关试验平台主要是汽车碰撞和飞机碰撞试验台,这些试验台所产生的加速度和幅度、波形和持续时间控制范围非常有限,而通常加速度的幅度很高(10g以上),波形不可控,持续时间很短(约100ms以内),这一矛盾给相关研究工作造成阻碍,而领邦仪器创新研发的上述试验平台,则有效解决了以上问题。 “可控加速度试验平台”采用折返式运动策略,大幅缩减实现加速度曲线所需的导轨长度,减少了试验平台占地面积。该系统基于伺服控制技术,主要由伺服电磁驱动子系统、多轮锁紧导向机构以及安全机构组成。试验时,通过软件绘制所需实现加速度曲线,软件自动分析形成控制策略并下载至控制子系统,控制旋转电机严格按照所设定曲线提供转速和扭矩,电机与试验平台通过同步带传递作用力,最终实现运动平台按照预设加速度曲线运动。实验过程中,安全机构全程提供限速、限位缓冲等多重安全防护,彻底杜绝由于突然断电、程序失控造成的飞车伤人安全隐患。 试验平台现场 与传统的解决方案相比,“可控加速度试验平台”具有多方面的性能优势:第一,就科研效率来讲,传统方案中的加速度不可控,试验数据严重不足,导致科研效率很低,而新式试验台对加速度曲线波形、持续时间、幅值大小均实现了有效控制,数据全面可靠,直接提高了科研效率;第二,传统方案没有扩展性,而新设备在场地允许的情况下,可升级试验规模,实现更大加速度幅值和更长的持续时间;第三,传统方案只有一级机械安保措施,存在安全隐患,而新设备采用多级安全设施,以确保试验安全,万无一失。 据了解,目前这套平台用于生物在加速度条件下的响应试验,而这一解决方案经适量修改后,也可应用于整机系统加速度响应试验、生物体加速度响应试验以及航天员训练等。

    时间:2013-09-30 关键词: 加速度

  • 加速度传感器应用领域不断拓展,满足市场多层次需求

    随着智能化水平的提升和物联网的发展,传感器基本上渗透到了各个领域,取得了巨大发展。传感器的应用范围越来越广,为多个行业的发展提供了新的方式和可能,一些新型传感器也开始崭露头角。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速度计有两种:一种是角加速度计,是由陀螺仪(角速度传感器)的改进的。另一种就是线加速度计。通过测量由于重力引起的加速度,你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度,你可以分析出设备移动的方式。加速度传感器应用越来越广泛,涉及控制,手柄振动和摇晃,仪器仪表,汽车制动启动检测,地震检测,报警系统,玩具,结构物、环境监视,工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析;鼠标,高层建筑结构动态特性等领域。加速度传感器多被用于消费电子产品,如智能手机、平板电脑、数码相机等设备中。事实上加速度传感器应用范围十分宽广,并仍在不断的扩展,也出现了一些新的应用,如在汽车领域、地震检查领域等。加速度传感器应用于汽车车祸报警系统中,能够检测水平方向和坚直方向的加速度,防止由于重力加速度的干扰而产生误报警。而当汽车发生碰撞时相对速度会增加,加速度传感器能够根据碰撞速度与时间的关系,发出自动车祸报警,降低交通事故发生率。在地震检波器设计中也越来越多应用到加速度传感器,将地面振动转变为电信号,把地震波引起的地面震动转换成电信号,经过模/数转换器转换成二进制数据、进行数据组织、存储、运算处理。加速度传感器在多领域的应用,不仅推动了传感器产业自身的发展,也为不同领域实现新功能,进行新设计提供了可能。加速度传感器由于满足了市场多方面需求,其发展潜力也越来越大,自身技术也有了极大的创新发展。

    时间:2013-09-02 关键词: 传感器 应用领域 多层次 加速度

  • 我国加速度传感器市场达到国际先进产品水平

    加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力,就好比地球引力,也就是重力。加速力可以是个常量,比如g,也可以是变量。加速度计有两种:一种是角加速度计,是由陀螺仪(角速度传感器)的改进的。另一种就是线加速度计。目前,全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出,传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化,竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场,比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。我国传感器行业已经历了50个春秋,20世纪80年代,改革开放的春风给传感器行业带来了生机与活力;90年代,在党和国家关于“大力加强传感器的开发和在国民经济中普遍应用”的决策指引下,传感器行业进入了新的发展时期,经过多年的发展我国传感器行业形成了一定的优势,但是不足之处也比较明显。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用,是十分明显的,所以传感器技术研究一直是国家重点科技攻关项目。据协会人士罗百辉透露目前我国加速度传感器的应用依赖进口的比率占去了百分之八十以上。可以说我国加速度传感器在这之前一直都是处于依赖的状态。而不久前我国加速度传感器的招标获胜成为我国加速度传感器摆脱进口依赖的突破口。加速度传感器国际招标中的成功,标志着我国加速度传感器达到了国际先进产品水平。

    时间:2013-07-30 关键词: 传感器 水平 达到 加速度

  • 压电加速度传感器原理及应用

    每种加速度传感器技术都有其优缺点。在作出选择之前,明确它们的区别和测试需求是非常重要的。首先也是最重要的是,对于需要测量静态加速度或低频加速度(<1Hz)的应用,或者需要用加速度计算速度和位移的应用,需要选择具有直流响应的加速度传感器。对于多数工程应用来说,选择合适的测试工具将对测试结果产生很大的影响。本文将帮助读者正确的选择加速度传感器。让我们从传感器的分类和原理开始。 基本的加速度传感器类型 总的来说有两类加速度传感器:交流响应加速度传感器直流响应加速度传感器作为交流响应的加速度传感器,正如它的名称,它的输出是交流耦合的。此类传感器不能用来测试静态的加速度,比如重力加速度和离心加速度。他们仅适合测量动态事件。而直流响应的加速度传感器,具有直流耦合输出,能够响应低至0赫兹的加速度信号。因此直流响应的加速度传感器适合同时测试静态和动态的加速度。并不是只有需要测试静态加速度时才选择直流响应的加速度传感器。 加速度,速度,位移 许多对于振动的研究需要获取加速度,速度和位移的信息,这些是工程师们设计和验证结构时所需要的重要信息。一般说来,加速度提供了很好的参考,而速度和位移却是计算时所需的变量。为了从加速度计算出速度和位移,从传感器输出的加速度信号会通过数字或模拟的形式分别做一次和二次积分。这就可能导致了交流耦合的传感器会产生问题。为了演示这个问题,设想采用交流传感器测量一个宽脉冲半正弦波信号。由于固有的交流RC时间常数的限制,传感器的输出不能很好跟输入脉冲吻合。同样的原因,在脉冲的结束点,传感器输出将产生一个负向零点偏移。下图展示了传感器的输出(红色的曲线)和宽脉冲半正弦加速度输入(蓝色曲线)的关系。这个看似微小的幅度上的差异在积分之后将产生重大的误差1。直流响应的加速度传感器却没有这样的问题,因为其输出能够准确的跟随缓慢变化的输入。在实际的日常应用中,输入信号可能不是单纯的半正弦脉冲,但是用交流耦合的传感器测试任何缓慢变化的信号时这样的问题始终会存在。     现在我们看看各种常用的加速度传感器技术。 交流响应加速度传感器最常用的交流响应加速度传感器是采用压电元件作为其敏感单元的。当有加速度输入时,传感器中的检测质量块“移动”使压电元件产生正比于输入加速度的电荷信号。从电学角看,压电元件如同一个有源的电容器,其内阻在10x9欧姆级别。由内阻和电容决定了RC时间常数,这也决定了传感器的高频通过特性。由于这个原因,压电加速度传感器不能用于测量静态事件。压电元件可来自于自然界或人造。它们有不同的信号转换效率和线性。 市场上有两类压电加速度传感器-电荷输出型,电压输出型。 电荷输出型加速度传感器主要的压电加速度传感器采用锆钛酸盐陶瓷,具有很宽的工作温度范围,宽的动态量程,宽的频率范围(可用频率>10kHz)。电荷输出型加速度传感器把压电陶瓷封装在具有气密性的金属外壳中。由于具有抵抗严酷环境的能力,其具有非常好的耐久性。由于其具有很高的阻抗,该传感器需要配合电荷放大器和低噪声屏蔽电缆使用,最好是同轴电缆。低噪音电缆是指指其具有低的摩擦电噪声,这是一种运动产生的来自电缆本身的噪声。很多传感器厂家同时提供这种低噪声电缆。电荷放大器和电荷输出型加速度传感器连接,从而可以消除电缆电容和传感器电容并联带来的影响。配合先进的电荷放大器,电荷输出型加速度传感器很容易实现宽的动态响应(>120dB)。由于压电陶瓷的工作温度范围很宽,有些传感器可以用于-200°C到+400°C,甚至更宽温度的环境。它们特别适合极限温度下的振动测试,如涡轮引擎的监测。 电压输出型加速度传感器另一种压电加速度传感器输出电压信号而不是电荷信号。这种传感器的内部包含了电荷放大器。电压模式的传感器有3线式(信号,地,电源)和2线式(信号/电源,地)。2线式又被称为集成电路式压电传感器(IEPE)。由于可以方便的采用同轴线(2线,芯线和屏蔽线)连接,IEPE非常流行。该模式下,交流信号叠加在直流电源上。在输出端串联一个耦合电容能够去掉传感器的直流偏置电压,从而仅获得传感器信号输出。许多现代仪器提供IEPE/ICP输入接口,从而可以和IEPE传感器直接连接。如果IEPE供电接口不可用,需要一个带有恒流源的信号放大器和IEPE传感器一期使用。3线式传感器则需要一根单独的直流电源线供电。与电荷输出型加速度传感器不同的是,除了压电陶瓷元件,电压输出型加速度传感器包含一个微型电路,电路的工作温度范围限制了传感器的整体工作温度范围,通常不超过125°C。也有一些设计提高到了175°C,但其在其它性能方面会有所下降。可用动态范围-由于压电陶瓷元件具有极宽的动态范围,电荷输出型加速度传感器在量程定义上显得十分灵活,因为其满量程可以通过远程的电荷放大器由用户自由调节。而电压输出型加速度传感器具有既定的满量程,其决定于内部的电荷放大器,一旦由工厂生产出来,将不再能改变。 直流响应加速度传感器 两种技术经常被用来制作直流响应加速度传感器:电容型压阻型 电容型 电容型(随加速度变化,由检测质量块引起电容变化)加速度传感器在当今是最通用的。在某些领域无可替代,如安全气囊,手机移动设备等。高的产量使得该类传感器成本低廉。但是这种低成本的传感器受制于较低的信噪比,有限的动态范围。所有的电容型加速度传感器都具有内部时钟,该时钟(~500kHz)是检测电路必不可少的部分,由于泄漏经常会对输出信号产生干扰。这种噪声的频率远高于测量信号的频率,一般不会对测量结果造成影响,但是它始终和测试信号叠加在一起。由于内置了放大器芯片,其一般具有3线(或4线差分输出)接口。只要有直流供电便能工作。 电容型加速度传感器的工作带宽一般限制在几百Hz,部分原因是其具有大的内部结构和重的空气阻尼。电容型加速度传感器适合测量低量程的加速度,其上限一般在100g以内。除了这些限制,现代的电容型加速度传感器,特别是仪用级别的器件,具有很好的线性和高的稳定性。电容型加速度传感器通常适合板载测试,成本低是一个原因。对于低频运动测试,加速度一般也低,它们是一个理想的选择。例如土木工程中的振动测试。 压阻型 压阻型加速度传感器是另一种广泛应用的直流响应加速度传感器。不同于电容型加速度传感器通过电容的变化测量加速度,压阻型加速度传感器通过应变电阻值的变化输出加速度信号,应变电阻是传感器惯性感应系统的一部分。很多工程师熟悉应变片,并知道如何测量其输出。大多数的压阻型传感器对温度变化敏感,因而需要对其输出信号在传感器内部或外部做温度补偿。现代压阻型加速度传感器包含一个专用集成电路做在板信号处理,也包含温度补偿。压阻型加速度传感器的工作频率可达5000Hz。许多压阻型加速度传感器要么采用空气阻尼(MEMS型),要么 采用液体阻尼(粘贴应变片型)。阻尼特性是选择传感器的一个重要因素。某些应用下,输入的机械振动包含高频成份(或激发高频响应),带阻尼的传感器可以防止本身产生振铃(谐振),从而保留或增大了可用动态范围。由于压阻型加速度传感器的输出是差分的纯电阻信息,信噪比通常很好;其动态范围仅受限于后接直流放大器的品质。对于高加速度冲击测试,某些压阻型加速度传感器能够测量到超出10000g的加速度。由于具有宽的频率响应能力。压阻型加速度传感器适合做脉冲、碰撞测试,在这些测试中频率和加速度通常都很高。作为具有直流响应能力的传感器,通过其加速度输出,使用者可以得到无积分误差的速度和位移信息。压阻型加速度传感器通常应用于汽车安全测试,武器测试,地震测试等。 小结 每种加速度传感器技术都有其优缺点。在作出选择之前,明确它们的区别和测试需求是非常重要的。首先也是最重要的是,对于需要测量静态加速度或低频加速度(<1Hz)的应用,或者需要用加速度计算速度和位移的应用,需要选择具有直流响应的加速度传感器。直流和交流响应的加速度传感器都可以测量动态信号。当仅需要量动态信号时,使用者可以各取所好。有些使用者不喜欢处理直流响应加速度传感器的零点偏置,而更加喜欢交流耦合、单端输出的压电加速度传感器。而另一些使用者不在乎处理零点偏置,习惯3线或4线接口,喜欢负载电阻自检测试(shunt),和重力加速度自检测试(2g翻转)功能。他们会选择直流响应加速度传感器。

    时间:2013-04-11 关键词: 压电 传感器原理 加速度

  • 一种电容式加速度传感器设计的研究

    中心议题: 设计一种惯性式测振传感器 建立差动电容式加速度传感器的数学模型,并对其作特性分析 解决方案: 利用惯性质量块在外加速度作用下与被检测电极间空隙发生改变来测定加速度 场效应管要求工作在线性电阻区 采用移用放大器,具有高共模抑制能力 引言 测量振动体相对于大地或惯性空间的运动,通常采用惯性式测振传感器。惯性式测振传感器种类很多,用途广泛。加速度传感器的类型有压阻式、压电式和电容式等多种,其中电容式加速度传感器具有测量精度高,输出稳定,温度漂移小等优点。而电容式加速度传感器实际上是变极距差动电容式位移传感器配接“m-k-c”系统构成的。其测量原理是利用惯性质量块在外加速度的作用下与被检测电极间的空隙发生改变从而引起等效电容的变化来测定加速度的。 电容式加速度传感器的数学模型 电容式加速度传感器的原理结构如图1所示,由图可见,它实际上是变极距差动电容式位移传感器,配接“m-k-c”系统构成的。质量块4由两根弹簧片3支撑于壳体2内,质量块4的A面与上固定极板5组成的电容C1,以及质量块4的B面与下固定极板1组成的电容C2。     图1 电容式加速度传感器结构示意图     图2 “m-k-c”系统原理图 电容式加速度传感器的等效原理图如图2所示。图2中,右侧标尺表示与大地保持相对静止的运动参考点,称为静基准,x表示被测振动体2及传感器底座1相对于该参考点的位移,称为绝对位移,y 表示质量块m 相对于传感器底座1的位移,称为相对位移。x和y 之间关系可用典型二阶比常系数微分方程描述:     代入式(1)得:     经拉氏变换得“m-k-c”系统得传递函数:     令S=jω,可求得质量块相对运动得位移振幅ym 与被测振动体绝对运动得加速度振幅am 的关系为:     式(4)具有低通滤波特性。由此可见,当ωn《ω0时,则:     传感器壳体2的位移y与C1,C2关系为:     式中,d0为不振动时,电容C1和C2的初始极距。若差动电容接入图3所示变压器式电桥中,则电桥开路输出电压幅值U0为:     将式(5)代入式(7)得     可见,当ω< <ω0时,输出电压幅值U0与加速度幅值am 成正比,测出电压幅值U0,即可确定加速度幅值am 。     图3 变压器式电桥 差动电容计算及特性分析 对于气隙型电容传感器,其电容值为C=εS/d ,电容式加速度传感器的两个电容,一个增加,一个减小。因此电容总变化量为: g(9) 这是电容相对增量与极距相对增量之间的关系方程式。若采用线性特性方程y =x,如图4所示,显然其线性误差较大。为此可采用线性特性方程y=(1+ε)x,并使其在最大量程xM 处产生的正误差ΔyM 及其x1在处产生的负误差Δy1在数值上相等,即:     其中,ε为某一正小数。因为原始方程与线性方程之差为:     x1点的位置可按:     设 由此可以算得:       式(12)表示在满足Δy1=-ΔyM的条件下,ε与xM的关系。 设非线性相对误差为γ,则     将式(12)代入上式,经整理得:     根据式(13),可按给定的非线性误差求最大量程,也可按给定的量程求最大的非线性误差。例如选取γ=0.01,则xM =1/5,即Δdmax=0.2d。其特性分析曲线如图4所示。     图4 ΔC/C0~Δd/d0特性分析曲线 电路设计 本系统电路组成框图如图5所示。     图5 系统电路组成框图 a.稳幅文氏振荡器 稳幅文氏振荡器是用运算放大器做放大元件的RC串并联选频网络正弦波振荡器,电路如图6所示。 由于放大器的输出电阻很低,反馈信号加入运算放大的同相输入端,所以输入电阻很高,这样同相放大器的增益KF=1+ R8/Rf,仅与外部电阻R8和Rf有关,而与放大器本身参数无关,因此增益的精度和稳定性都很高。在实际应用中,常选RC串-并联电路的R1=R2=R,C1=C2=C,所以在f=1/2πRC这个频率上, RC移相网络相位移为零,而R8≈2Rf,满足振荡条件。选R=240kΩ, C=330pF,则得到振荡频率为:     图6稳幅文氏振荡器 为实现自动稳幅的目的,在运算放大器输入端加上由R8、R4和场效应管VT组成可控负反馈电路。对场效应管要求工作在线性电阻区,只有在UDS较小时,它的RDS差不多随栅源电压VGS线性变化,宛如一只良好的压控线性电阻,阻值可调范围约为400Ω~100MΩ ,当幅值较大时, RDS应自动增大以加强负反馈,这个作用由整流二极D1,滤波电路R7、R6、C5及场效应管VT组成。当幅值较小时,C5上的电压VC5逐渐减小,导致RDS下降,所以电路将自动在VT的其一栅源电压下稳定下来,输出幅值稳定的正弦波电压。调节R6可改变输出电压的大小,一般将输出电压调节在3~5V之间。 b.仪用放大器 在许多检测技术应用场合,传感器输出信号往往较弱,而且其中还包括工频、静电和电磁耦合等共模干扰,对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制能力以及高增益、低噪声和高输入阻抗,习惯上称为移用放大器,如图7所示。     图7 仪用放大器电路图 移用放大器从电路结构可知,这是一种同相并联差动放大器,其对称性结构使整个放大器具有很高的共模抑制能力,特别是适用于长距离测量。其数学模型为: 令电路参数对称R=R10=R11=R12=R13=16kΩ ,即R8=R9=40kΩ。 将式(14)和(15)带入(16)整理得:       所以增益为:     这种电路特点是性能稳定,其漂移将大大减少,具有高输入阻抗和高共模抑制比,对微小的差模电压很敏感,并适用于远距离传输过来的信号,因而十分适用与传感器配合使用。显然,为保证电路的对称性,改变增益最合理、最简单的方法是改变RG 的阻值。 c.相敏检波器 当被测量经过变压器式电桥变换后,将微弱的交流信号送入仪用放大器进行放大,为了恢复原来被测量缓慢信号,采用相敏检波器将交流的幅度变化转换成正比于传感器电容ΔC的直流电平。其相敏检波电路如图8所示。其工作过程如下:     图8 相敏检波电路 当输入电压Vi 为正半周期时,经耦合电容C6的电压V1(即Vi =V1)输入给A4反相,D2截至,D3导通,A4的电压放大倍数为R16/R14=-1,即V1=-V2;调整W2,R17=R19=20kΩ ,经R17和W2送来的A5的输入信号为V1,另一路经A5的输入信号为V2,则输出信号为:     当输入电压Vi 为负半周期时,经A4反相,D2导通,D3截至,A4输出为零,经R17,W2送来的A5的输入信号为V1,另一路经A5输入信号为V1,则输出信号V0为:     由此可见,交流放大信号Vi 经过相敏检波后,即能反映信号电压的幅值又能反映出信号电压的极性。 d.低通有源滤波器 低通有源滤波器如图9所示。它是由无源RC滤波器和有源RC滤波器组成。无源RC滤波器的频率特性为:     式中:ω1=1/R21C7或f1=1/2πR21C7 有源RC滤波器的频率特性为:     式中:ω2=1/R24C8或f2=1/2πR24C8 则低通有源滤波器的频率特性为:     故其幅频特性为:     一般规定增益下降到KF/2时的频率为截止频率,通过上式求得为f≤11.5Hz ,则带宽为0~11.5Hz 。这样把它检波后的脉动直流信号中高次谐波滤掉,采用有源低通滤波器的优点是较小的电容得到良好的滤波效果。滤波器输出后的电压信号经过AD574模数转换片与单片机8031连接,这样就可以完成对被测对象的检测和控制。     图9 低通有源滤波电路 实验与数据分析 实验设备:ZD-1型振动台一台,其频响10~20kHz。9102型测振传感器一个,其性能指标:灵敏度为10pC/ms2,频响为0.2~6000Hz ,线性度为±1%。BZ2112型振动测量仪, 其性能指标: 频响为0.5Hz~100kHz ,量程为0.1~1000ms -2(0.01~100g)。被测试设备一台。实验时,振动台工作在300Hz ,通过调节振动台振动幅值,使振动测量仪工作量程0~100ms -2范围,分别读取被测设备输出电压数值,对它进行特性分析。测试数据如表1所示: 表1 测试设备的滤波器输出电压值     从测试数据求出最大误差为0.08,测量范围为0~10g ,所以线性度R=0.08/10=0.8% ,满足设计要求。 结 论 本文设计的电容式加速度传感器,具有电路结构简单,频率范围宽约为0~450Hz,线性度小于1%,灵敏度高,输出稳定,温度漂移小,测量误差小,稳态响应,输出阻抗低,输出电量与振动加速度的关系式简单方便易于计算等优点,具有较高的实际应用价值。

    时间:2012-11-13 关键词: 传感器设计 电容式 加速度

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