【正文】 行設(shè)計。 MMA7260Q三軸向高靈敏度加速度傳感器 引言 MMA7260Q 能在 XYZ 三個軸向上以極高的靈敏度讀取低重力水平的墜落、傾斜、移動、放置、震動和搖擺，它是同類產(chǎn)品中的第一個單芯片三軸向加速器。其所引起的電阻變化，可用式子（39）表示： （39）tER??????1 其中 ππ t 為縱向和橫向壓阻系數(shù)；ε ε t 為電阻沿橫向和縱向的應(yīng)變；E為彈性模量 為了提高滿量程輸出，減小零點溫度漂移及提高線性度，通常將壓敏電阻連接成惠斯登電橋結(jié)構(gòu)，由于四個壓敏電阻完全相同，因此，當(dāng)無加速度作用時，輸出值為零。 壓阻式三軸加速度傳感器 工作原理壓阻式加速度傳感器是基于硅的壓阻效應(yīng)，即當(dāng)有外部的加速度作用在傳感器上，由于慣性力使質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，導(dǎo)致梁發(fā)生變形。 壓電式速度傳感器 由于上述磁電式速度傳感器存在響應(yīng)頻率范圍小，機械運動部件容易損壞，傳感器質(zhì)量大造成附加質(zhì)量大等缺點，近年發(fā)展了 壓電式速度傳感器，即在壓電式加速度傳感器的基礎(chǔ)上，增加了積分電路，實現(xiàn)了速度輸出。這類內(nèi)裝集成放大器的加速度計可使用長電纜而無衰減，并可直接與大多數(shù)通用的儀表、計算機等連接。但實際上由于低頻尤其小振幅振動時，加速度值小，傳感器的靈敏度有限，因此輸出的信號將很微弱，信噪比很低；另外電荷的泄漏，積分電路的漂移（用于測振動速度和位移） 、器件的噪聲都是不可避免的，所以實際低頻端也出現(xiàn)截止頻率，約為 ～1Hz 左右。在電荷放大器中，通常用高質(zhì)量的元、器件，輸入阻抗高，但價格也比較貴。其電路比較簡單，但輸出受連接電纜對地電容的影響，適用于一般振動測量。 壓電式傳感器的前置放大器有：電壓放大器和電荷放大器。要測定這樣微弱的電荷（或電壓）的關(guān)鍵是防止導(dǎo)線、測量電路和加速度計本身的電荷泄漏。因此，壓電式加速度計在測試時具有明顯的方向性。 壓電晶體加速度計的橫向靈敏度表示它對橫向（垂直于加速度計軸線）振動的敏感程度，橫向靈敏度常以主靈敏度（即加速度計的電壓靈敏度或電荷靈敏度）的百分比表示。一般來說，加速度計尺寸越大，其固有頻率越低。這是一種已為大家所接受的表示方式，幾乎所有測振儀器都用 g 作為加速度單位并在儀器的板面上和說明書中標(biāo)出。前者是加速度計輸出電壓（mV）與所承受加速度之比；后者是加速度計輸出電荷與所承受加速度之比。圖b 為環(huán)形剪切型，結(jié)構(gòu)簡單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計，環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。加速度計感受軸向振動時，壓電元件承受切應(yīng)力。此外，測試對象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化，易引起溫度漂移。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。S 是彈簧，M 是質(zhì)塊，B 是基座， P 是壓電元件， R 是夾持環(huán)。 目 前 ， 制 造 廠 家 已 有 把 壓 電 式 加 速 度 傳 感 器 與前 置 放 大 器 集 成 在 一 起 的 產(chǎn) 品 ， 不 僅 方 便 了 使 用 ， 而 且 也 大 大 降 低 了 成 本 。 為 此 ， 通 常 把 傳 感 器 信 號 先 輸 到高 輸 入 阻 抗 的 前 置 放 大 器 。當(dāng)被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。它也屬于慣性式傳感器。盡管硅基微加速度傳感器的研制在國內(nèi)外得到相當(dāng)發(fā)展，但限于目前的硅微機械加工水平，硅基微加速度傳感器的檢測精度上難以達到幾十 ngn 的量級。另外式（33 ）中 F 與 Uf 的線性關(guān)系成立的必要條件是 SUdA??即 A21010，所以電路增益應(yīng)足夠高，可取為 1012 左右?？蓪鞲衅鞣旁谝唤饘贇んw內(nèi)，并將殼體可靠接地。 3）寄生電容電容式傳感器的敏感電容除了極板之間的電容外，電容極板還可能與周圍其它導(dǎo)體之間產(chǎn)生電容聯(lián)系，這種寄生電容使傳感器的位移敏感電容改變，而寄生電容又極不穩(wěn)定，從而對位移檢測產(chǎn)生嚴重干擾。 2）溫度變化由于電容極板間距只有幾十微米，因此材料的熱脹冷縮性將嚴重影響測量的精度，必須選用熱膨脹系數(shù)較低的材料，如可以選用鉑銠合金（熱膨脹系數(shù)為 106/℃）作為檢測質(zhì)量的材料，陶瓷、石英等作為電容極板材料。要求電容極板的平坦度小于 1 μm，間距誤差控制在 2 μm 以內(nèi)。根據(jù)靈敏度計算結(jié)果，1ng 的加速度輸入將產(chǎn)生 mV 的輸出電壓，就目前的技術(shù)水平來說，對于以上幅度的電壓信號是比較容易檢測的，因此以上設(shè)計的加速度傳感器有望達到 1 ng 的分辨力，適合航天器高精度微重力環(huán)境測量。中心檢測質(zhì)量塊體積為 4 cm4 cm4 cm，采用鉑銠合金材料，密度為 20 g/cm3（從下面的式（38）可以得出，材料密度越大，檢測靈敏度越高），質(zhì)量為 1280 g；電容極板面積為 3 cm3 cm，電容極板與檢測質(zhì)量平衡間距為 30 μm。因此加速度傳感器量程設(shè)計為 30 μg，分辨力設(shè)計為 1 ng 至 10 ng。在低軌道飛行中主要是大氣阻力起作用，當(dāng)軌道提升時，太陽光壓力將逐漸取代大氣阻力成為主因。當(dāng)檢測電路增益足夠高時，上式化簡為 （33）fsUdSF2?? 由力平衡條件 ma=F（ m 為檢測質(zhì)量塊的質(zhì)量；a 為外界輸入的加速度)，可得到加速度與檢測到的反饋電壓的關(guān)系 （34）fsdS2?? 當(dāng)檢測質(zhì)量（立方體)體積為 l3，材料密度為 ρ 時，則上式變?yōu)? （35）fsUla23?? 通過測量反饋電壓便可以知道外界輸入的加速度值。當(dāng)存在加速度輸入時，檢測質(zhì)量沿與加速度相反的方向發(fā)生微小位移，C 1 和 C2分別改變，兩者電容之差 ΔC 可化簡為 （31） dS????212? 式中　ε 為真空介電常數(shù)；S 為電容極板面積；d 為電容極板與檢測質(zhì)量之間的距離；Δd 為檢測質(zhì)量微小位移。當(dāng)無加速度輸入時，控制回路使檢測質(zhì)量處于初始平衡位置（零位） ，檢測質(zhì)量表面距相對兩極板的距離相等。而當(dāng)傳感器工作于空間飛行器上時，慣性力平衡了地球引力，因此僅需施力反饋回路的作用便可實現(xiàn)中心質(zhì)量塊的懸浮。電容極板由絕緣材料并在其內(nèi)表面濺射金屬薄膜加工而成（如圖 33 所示） 。電容極板質(zhì)量檢測圖 32 靜電懸浮加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖它主要由一個中心檢測質(zhì)量和六個電容極板組成，外加固定極板用的外殼（圖中未示出） 。對于此類高靈敏、高精度加速度傳感器的研制我國尚處于起步階段。這些加速度計系統(tǒng)已在研究大氣阻力、太陽輻射壓力、地球漫反射、電子推進器推力測量、高空地球重力場精密測量、空間重力梯度測量等軍用和民用領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。但它對于獨特的空間微重力環(huán)境測量具有較大優(yōu)勢，因此在國際宇航界有關(guān)實驗室得到相當(dāng)發(fā)展。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文8 靜電懸浮式三軸加速度傳感器 引言 靜電懸浮式加速度傳感器是通過測量電容的變化來檢測加速度的。2）靈敏度溫度漂移對于熱對流式加速度計來說，靈敏度溫度漂移是它的一個主要弱點，但這一溫漂是有規(guī)律可循的。而對于一些檢測震動信號（交流信號檢測）的應(yīng)用，直流零點的漂移可以不予考慮。絕大多數(shù)消費類領(lǐng)域的應(yīng)用（如手持設(shè)備） ，對測量精度的要求不是很高，正負 2 度的角度偏差是可以接受的。 1）零點溫漂，以美新公司的產(chǎn)品為例，溫度每變化一度，其輸出信號的零點會有 2 mg 的漂移量。再加上制造工廠設(shè)在中國大陸，使得產(chǎn)品的總體制造成本遠遠低于容感式加速度計，已經(jīng)可以滿足消費類應(yīng)用中的弱點 當(dāng)然，熱對流式加速度計也有它的弱點，但這些弱點是否會影響其在消費類電子產(chǎn)品中的應(yīng)用？對環(huán)境溫度變化敏感熱對流式加速度計的工作原理決定了它必定對環(huán)境溫度變化敏感。雖然各大制造商不斷想方設(shè)法降低制造成本，但要達到消費類電子產(chǎn)品所能接受的低價格（低于 1 美元）顯然十分困難。低于 35Hz 的頻響范圍使熱對流式加速度計自然規(guī)避了此類現(xiàn)象的發(fā)生。容感式加速度計特殊的微型硅彈簧懸掛結(jié)構(gòu)同樣不第三章 三軸加速度傳感器7可避免地會產(chǎn)生此類震蕩，從而使得輸出信號在一定的時間內(nèi)無法使用。熱對流式加速度計完全不同的結(jié)構(gòu)和原理使其不可能發(fā)生以上失效。一些原本落在其它部位的微小顆粒，在實際使用過程中會發(fā)生移動，極有可能落在兩極之間。容感式加速度計特殊的微機械結(jié)構(gòu)，使其抵抗極小微粒的能力大大下降。 3）極小微粒引起的失效，半導(dǎo)體制造過程中微粒數(shù)量的控制與制造成本成反比。 2）極間粘連失效，容感式加速度計兩極的相對距離非常近，為了保證可移動極（重力塊）來回移動， 勢必要在其底部和頂部留下一定的空隙，使其成懸空狀。在微機械結(jié)構(gòu)上沒有可活動的部分，其獨特的橋式結(jié)構(gòu)牢牢地固定在硅芯片上。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文6 圖 31 熱對流加速計的原理示意圖 優(yōu)點 傳統(tǒng)的容感式加速度計是以兩個相對排列的叉狀陣列作為電容的兩極，外界加速度使可移動極（重力塊）與固定極發(fā)生相對移動，從而使兩極間的電容量發(fā)生變化，再通過一定的電路（如可變電容振蕩器）將此變化量轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的輸出信號。此時四個熱電耦組的輸出電壓會出現(xiàn)差異，而熱電耦組輸出電壓的差異是直接與所感應(yīng)的加速度成比例的。此時所有四個熱電耦組因感應(yīng)溫度而產(chǎn)生的電壓是相同的。 一個被放置在芯片中央的熱源在一個空腔中產(chǎn)生一個懸浮的熱氣團，同時由鋁和多晶硅組成的熱電耦組被等距離對稱地放置在熱源的四個方向。它不存在電容式傳感器所存在的粘連、顆粒等問題，同時能抵抗 50,000g 以上的沖擊。類似其它加速度傳感器有重力塊，熱對流式加速度計是以可移動的熱對流小氣團作為重力塊，通過測量由加速度引起的內(nèi)部溫度的變化來測量加速度。熱對流式加速度計傳感器以其獨特的工作原理和微機械加工工藝，確保高可靠性、高性能、低價格，已開始應(yīng)用于各種消費類電子產(chǎn)品。第三章 三軸加速度傳感器5第三章 三軸加速度傳感器 熱對流式加速度傳感器 引言一提到加速度計傳感器，人們會習(xí)慣性地想到高昂的價格及其傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域—高檔汽車。一般來說，假陽性情況可以通過對加速度在時間域進行一次積分求速度、兩次積分求位移的方式，全方位分析佩戴者身體姿態(tài)變化加以篩選；而假陰性情況除采用上面的全面姿態(tài)分析外，還需要佩戴者自主參與才能有效提高檢出效率。圖 22 人體坐標(biāo)系但是在實際情況中，僅根據(jù)加速度分量的改變很難分辨臥倒姿態(tài)的形成原因，容易出現(xiàn)很多假陽性檢（檢測到跌倒而實際沒有跌倒）或假陰性（未檢測到跌倒而實際出現(xiàn)跌倒）。當(dāng)佩戴者跌倒時，如果僅考慮初始狀態(tài)和最終狀態(tài)就可以發(fā)現(xiàn)，理想情況下Y軸分量發(fā)生從最大值（1g）變化為0，而X或Z軸的分量則從0變化為最大（1g），具體是X軸還是Z軸發(fā)生這一變化，則由佩戴者跌倒后的姿態(tài)決定——平臥為Z軸變化，側(cè)臥為X軸變化。如圖21建立直角坐標(biāo)系，X、Y、Z軸相互正交，任意空間方向上的矢量變化均可以分解成X、Y 、Z三個方向上的分量變化。 （a）跌倒的持續(xù)時間圖 （b）人體跌倒重心變化示意圖（c）人體跌倒的垂直投影直方圖圖 21 檢測人體跌倒的三個特征 人體運動模型的建立 在姿態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，重力將成為影響這一運動過程的主要因素。第二，如圖（b）在人體跌倒過程中，跌倒者重心的變化是明顯而快速的。第二章 人體建模3第二章 人體建模 人體跌倒檢測的基本特征為了判斷出一個人的跌倒位置，根據(jù)實驗我發(fā)現(xiàn)有三個特征可以有效地捕捉人體跌倒。其中硬件設(shè)計較為復(fù)雜，包括了加速度采集電路、MCU外圍電路、液晶顯示、通信模塊、端口分配、事務(wù)處理及狀態(tài)機、系統(tǒng)設(shè)置、按鍵功能、計步器、跌倒檢測、報警處理、通信控制。第四章從三塊設(shè)計（即系統(tǒng)方案設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，硬件設(shè)計）入手。對人體的跌倒進行了運動的分析。其中傳感器測量對象的加速度矢量；處理器模塊負責(zé)采集加速度傳感器的數(shù)據(jù)，分析判斷對象的身體姿態(tài)并控制報警及報警信息的發(fā)布；電源模塊負責(zé)為整個系統(tǒng)提供電力供給；通信模塊負責(zé)將報警信息通過一定的協(xié)議進行發(fā)布。跌倒探測儀適用于自理能力和自我保護能力比較差的老年人和兒童，它通過測量佩戴該儀器的個體在運動過程中的三個正交方向上的加速度來感知其身體姿態(tài)的變化，并可按照需要進行報警和發(fā)布?？梢姷固綔y儀的意義非常重要。對兒童來說，意外傷害中最主要的因素就是跌倒，約占總意外傷害的 43%。因此，意外摔倒如果得不到及時的救助，這種跌倒經(jīng)常會導(dǎo)致比較嚴重的后果。有一些人因衰弱、損傷或急性病跌倒后不能站立起來，若不提供救護，他們可能會發(fā)生脫水、低血壓，甚至死亡。另外，跌倒會造成腦部損傷、軟組織損傷等傷害。另據(jù)調(diào)查，因跌倒造成骨折的6570歲的男性占18%，女性占27%，75歲以上男性占30%，婦女占40%。10%15% 的跌倒可導(dǎo)致嚴重損傷，約5%引起骨折（主要是股骨外科頸與撓骨遠端） ，1/4為較嚴重的髖部骨折（股骨頸及粗隆間） ，且多發(fā)生于身體旋轉(zhuǎn)時的跌倒。有資料表明，在美國每年將近1萬人因跌倒而導(dǎo)致死亡。跌倒既能直接損害老年人的機體，又能間接阻礙老年人的活動，降低生活質(zhì)量。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文基于三軸加速度傳感器的跌倒探測儀畢業(yè)論文目 錄第一章 緒 論 ................................................