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加速度傳感器原理 加速度傳感器原理( 二 )

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應變壓阻式加速度傳感器的敏感核心是由半導體材料制成的電阻測量電橋 ， 其結構動力學模型仍然是彈簧質量系統 。隨著現代微加工技術的發展 ， 壓阻敏感芯的設計具有很大的靈活性 ， 可以滿足各種測量要求 。就靈敏度和測量范圍而言 ， 有從低靈敏度、高測量范圍的沖擊測量到高DC靈敏度的低頻測量的壓阻式加速度傳感器 。同時 ， 壓阻式加速度傳感器的測量頻率范圍也可以從DC信號到高剛度的高頻測量 ， 測量頻率范圍可以達到幾十千赫茲 。超小型化設計也是壓阻式傳感器的一大亮點 。需要指出的是 ， 雖然壓阻敏感芯的設計和應用具有很大的靈活性 ， 但是特定設計的壓阻芯的應用范圍一般小于壓電傳感器 。壓阻式加速度傳感器的另一個缺點是受溫度影響較大 ， 實用的傳感器一般都需要溫度補償 。在價格上 ， 大量使用的壓阻式傳感器的成本價有很大的市場競爭力 ， 但特殊用途的敏感核心系統成本會比壓電式加速度傳感器高很多 。
電容式加速度傳感器的結構一般采用彈簧質量系統 。當質量在加速度的作用下運動時 ， 質量塊與固定電極之間的間隙發生變化 ， 進而改變電容值 。與其他類型的加速度傳感器相比 ， 電容式加速度計具有靈敏度高、零頻響、環境適應性好等特點 。 ， 尤其是受溫度影響較小 。但缺點是信號的輸入輸出是非線性的 ， 范圍有限 ， 受電纜電容的影響 ， 而且電容傳感器本身是高阻抗信號源 ， 所以電容傳感器的輸出信號往往需要后續電路來改善 。在實際應用中 ， 電容式加速度傳感器多用于低頻測量 ， 但通用性不如壓電式加速度傳感器 ， 成本也遠高于壓電式加速度傳感器 。
加速度傳感器可用于控制、手柄振動和搖動、儀器儀表、汽車制動啟動檢測、地震檢測、報警系統、玩具、結構、環境監測、工程振動測量、地質勘探、鐵路、橋梁和大壩的振動測試和分析；鼠標、高層建筑結構動力特性和安全振動偵察 。
目前 ， 大多數設備都提供可以檢測所有方向的加速度傳感器 。以iOS設備為例 ， 我們利用其三軸加速度傳感器的特性(如圖所示x、Y、z Y、Z軸代表方向)進行分析 。用于檢測人行走時三個方向的加速度變化 。
三軸加速度傳感器原理圖
在用戶的水平行走運動中 ， 垂直和向前的加速度會周期性變化 ， 如圖所示 。在收腳運動中 ， 由于重心上移 ， 一只腳著地 ， 垂直方向的加速度正增大 。之后繼續向前 ， 重心下移兩腳觸底 ， 但加速度相反 。當腳閉合時 ， 水平加速度減小 ， 當腳邁步時 ， 水平加速度增大 。
反映在圖表中 ， 我們可以看到 ， 在行走中 ， 垂直和向前運動產生的加速度隨時間大致是一條正弦曲線 ， 在某一點有一個峰值 。其中 ， 垂直方向的加速度變化最大 。通過檢測和計算軌跡的峰值 ， 并做出加速度閾值判決 ， 可以實時計算出用戶的移動步數 ， 進而估算出用戶的行走距離 。
合理的計步算法
因為用戶可能在鍛煉期間用手水平握住該設備或將該設備放在口袋中 。因此 ， 設備的放置方向是不確定的 。因此 ， 通過計算三個加速度的矢量長度 ， 我們可以得到一個正弦的行走軌跡 。
第二步是峰值檢測 。我們記錄下最后的向量長度和運動方向 。通過改變向量長度 ， 可以判斷當前的加速度方向 ， 并與上次保存的加速度方向進行比較 。如果相反 ， 即剛好在峰值狀態之后 ， 進入計步邏輯進行計步 ， 否則丟棄 。通過累計高峰次數 ， 可以獲得用戶的行走步調 。
最后 ， 就是干涉 。手持設備可能會出現一些低幅度快速抽動的狀態 ， 或者我們俗稱的手抖 ， 或者某個惡作劇的用戶想通過短時間快速反復晃動設備來模擬人走路 。如果不排除這些干擾數據 ， 會影響計步的準確值 。對于這種干擾 ， 我們可以通過在檢測中加入閾值和步頻判斷來過濾 。
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