三轴加速度传感器的类型、原理、特点和应用

作者:虹科医药电子-李金涛

三轴加速度传感器是用来测量空间加速度的传感器，即测量空间中物体的速度变化。三轴加速度传感器与单轴和两轴加速度传感器在测量原理上没有区别。主要区别在于测量维度不同，三轴加速度传感器主要是空间加速度X、Y、Z三轴分解，三个单轴术上，三个单轴可以变成三轴。

1. 三轴加速传感器的类型、原理和特点：

根据加速度传感器的实现原理，加速度传感器的主要类型有：压阻式、压电式、三种电容式，他们是将待测物体的加速度转化为传感单元的电阻/电压/电容变化，然后通过转换电路将传感单元的变化值转化为电压值，然后进行相应的信号放大和滤波处理，将模拟量处理为适当稳定的输出信号。ADC转换器(模数转换器)转换为数字信号。

压电加速度传感器具有频率响应性好、测量方法简单、线性度好等优点。其缺点是温度效应严重，灵敏度低；压电加速度传感器具有电容性和高阻抗性，其优点是频带宽，灵敏度高，讯噪声比高，结构简单，工作可靠，重量轻。缺点是某些压电材料需要防潮措施，输出直流响应差，需要高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷；电容式传感器具有结构简单、适应性强、动态响应好等优点分辨率高、良好的温度稳定性、非接触测量具有平均效果，缺点是输出阻抗高，负载能力差。

根据输出信号的不同，加速度传感器可分为模拟式和数字式，两者的区别在于，模拟输出值为电压，数字输出值为数字信号，模拟传感器还需要在特定应用中添加数模转换器（ADC），但是模拟模式已经集成了ADC电路，可直接通过通讯接口（SPI、I2C等)数据传输，在智能化程度上，数字式明显优于模拟式，但质量高ADC转换器很贵，甚至可能超过传感器部分售格。

三轴加速度传感器的特点是能够在不知道物体运动方向的情况下，准确、全面地测量物体的空间加速度，而且体积小(常见的板尺寸是:3/4mm x 3/4/5mm不等），轻质。介绍了三轴传感器的一些常见参数：

灵敏度：与ADC单位：mv/g(模拟)或g(数字式)

g代表重力加速度：

分析：表示输入参数的最小增量

测量范围：表示传感器所能测量的最大和最小加速度

2. 三轴加速传感器的应用：

2.常见的应用领域【1】：

(1)汽车电子领域:

以车身安全系统为例，当车身受到冲击时，冲击传感器会在几秒钟内将信号发送到电子控制器。然后，电子控制器将根据碰撞强度、乘客数量、座椅/安全带位置等参数，立即计算和评估分布在整车传感器中的数据，并在最短时间内通过电爆驱动器启动安全气囊，确保乘客的生命安全。

(2)便携式设备的抗冲击防护:

便携式设备由于其应用场合，经常意外坠落或碰撞，对内部部件产生巨大影响。当坠落发生时，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设备，以避免其损坏，或硬盘磁头损坏或刮伤磁盘，可能导致永久数据丢失。

(3)卫星导航:

当进入卫星信号接收不良的区域或环境时，导航功能将因信号丢失而丧失。MEMS该技术的三轴加速度传感器可以与陀螺仪或电子罗盘等元件一起创建方向计算系统GPS系统实现互补应用。

(4)虚拟现实:

例如AR/VR，游戏机手柄等，通过佩戴或手持游戏设备、手柄、传感器同步感应人体加速度，根据加速度分析人体动作，然后在游戏屏幕上同步呈现相应的游戏动作，一些体感游戏甚至可以达到与户外运动相同的运动效果。

2.2具体应用例：

2.2.1人体跌倒监测系统【2】

人体跌倒是指突然、不自主、非故意的姿势变化，一般只发生在短时间内，在位置、速度和加速度会发生巨大变化，人体姿势也会发生相应的变化，根据三轴加速度值可计算三个姿势角：pitch俯仰角”，”roll左右偏侧角”，”paw竖直方向转角”，根据三个姿态角不仅可以判断出人体是否跌倒还可以得到人体姿态的具体姿态。

       以人体质点为原点，如图1所示，假设人体正前方为X轴，正左为Y轴，正上方为Z轴；那么三个姿态角的定义分别为：

       pitch: X轴与水平面的夹角，对应人体向前向后的俯仰角

       roll:Y轴与水平面的夹角，对应人体向左向右的侧偏角

       paw: Z轴与竖直方向的夹角，对应人体绕Z轴的旋转角

他们与重力在X,Y,Z,轴方向上的加速度的关系如下：

                                                                                   图1 ：参考坐标系

       根据人体跌倒与日常生活活动(ADL)中的姿态的区别来判断跌倒是否产生,人体在跌倒时大部分是前后或侧向跌倒，这两跌倒都将分别导致Pitch和Roll在短时间内发生大幅度抖动，yaw值则主要用来辅助计算人体的静止姿态。考虑到MEMS（微机电系统)传感器容易受到噪声影响，还需要利用卡尔曼滤波算法对估算的倾斜角进行优化处理，部分消除噪声对MEMS加速度传感器测量值的影响，提高测量准确性，图2为其算法流程（流程图来自参考文献1）：

                                                                 图2：人体跌倒系统算法流程图 

2.2.2 数字式三轴加速度传感器在快速准确监测机械故障方面的应用【3】 

       振动频率作为计算机械疲劳强度的重要指标，保存和评估各种类型的机器和驱动器的特征性振动，冲击和振动参数，有助于优化机械传动系统的效率，并为这些参数确定合适的目标值和平均值。一方面，这可用于质量记录和性能参数的表示；另一方面，如果与预期的“良好”振动模式有偏差，则也可以在早期识别出即将发生的损坏。

       以MSR Electronics GmbH的MSR165微型数据记录仪为例，仅有拇指大小的记录器MSR165专门用于振动，冲击和振动检测的应用。其核心传感器元件是高分辨率的三轴数字加速度计。借助该电子设备和下游相应的评估电子设备，强大的数据记录仪能够在三个空间轴（x，y，z）上每秒执行1600次冲击和振动测量，能够记录三个轴上的±15 g或±200 g的冲击载荷和振动，MSR165还可以增加存储卡扩充模块，其测量量可扩充至10亿个。 

       MSR165微型数据记录仪通过安装在待测设备上，对设备工作过程中的振动数据进行记录，然后将测量的数据导出到PC上的MSR PC软件，对振动过程的数据进行评估，MSR微型数据记录仪可在机械制造行业的所有领域中有针对性地使用，以检测和记录各种振荡模式，振动或冲击载荷，减少人为测量的误差影响。对记录的参数进行评估有助于快速，经济地进行故障诊断以及随后的机械或机电优化。最终，可以实现显着的时间和成本优势，尤其是在各种机器和驱动器的质量和可靠性方面的优势。图3为MSR PC软件的数据评估图。

                                                             图3：MSR PC软件的数据评估图

        总结：三轴加速度传感器是一种能够测量物体空间中的加速度的电子设备，根据传感器实现原理的不同，可分为压阻式、压电式、电容式等类型，这些传感器上的本质原理都是通过传感元件将物体加速度转化为其他的物理量，如电阻、电压、电容等，再通过转化和滤波电路等将这些物理量转化为合适的输出信号。三轴加速度传感器以其体积小，质量轻等特点在诸多领域应用非常广泛，例如汽车电子、卫星导航、虚拟现实、振动监测等，这些具体应用会涉及到许多额外的知识，需要足够的了解加速度与应用领域的物理量的转换关系，并据此做出一套算法流程去实施。

参考文献：

[1] 百度百科https://baike.baidu.com/item/三轴加速度计/20863147?fr=aladdin

[2]王荣,章韵,陈建新.基于三轴加速度传感器的人体跌倒检测系统设计与实现[J].计算机应用，2012,32(05):1450-1452+1456.

[3] Detecting machine trouble quickly and accurately SMM Schweizer , Maschinenmarkt magazine , July 2015 edition