双轴加速度传感器相比单轴加速度传感器在应用上的优势

  双轴加速度传感器相比单轴加速度传感器在应用上的优势

使用双轴加速度传感器相比单轴加速度传感器的优势以及如何根据项目要求计算加速度传感器的最小灵敏度,以及如何选型。双轴加速度传感器在检测倾斜角时,由于灵敏度基本恒定,相比较单轴加速度传感器而言,减小了对加速度传感器灵敏度的要求。同时,双轴加速度传感器不需要与重力平面对齐,并且实现了360°倾斜角检测。

 

双轴加速度传感器三个优势

 

1/降低与重力平面对齐的要求

 

对于单轴加速度传感器加速度传感器的输出为Ax=sin(θ)*1g,如果检测轴与重力平面没有很好的对齐,会影响重力加速度在检测轴上的分量,从而影响检测精度。

 

设置双轴加速度传感器,X轴与重力平面垂直,Y轴与重力平面平行。加速度传感器X轴输出值与θ的正弦值成比例Ax=sin(θ)*1g,Y轴输出值与θ的余弦值Ay=cos(θ)*1g成比例。我们也可以把加速度传感器X轴与Y轴输出值相除,得到Ax/Ay = sin(θ)*1g / cos(θ)*1g =tan(θ)。这时我们可以看到,重力加速度g不再公式里面了。这代表即使XY平面与重力平面存在一定倾斜,也可以确保检测XY平面上倾斜角的精准度。这个特性弥补了单轴加速度传感器必须与重力平面对齐这一缺陷。

 

2/检测角度可以扩展到360°

 

当360°旋转单轴加速度传感器时,每个加速度传感器输出值Ax可能会对应两个角度。

 

而当我们使用双轴加速度传感器检测360°范围倾斜角时,设加速度传感器两个输出轴Ax与Ay。并且两个输出轴互相垂直,这样我们便可通过Ax与Ay的正负值来判断旋转角度的范围,从而使得双轴加速度传感器输出值与倾斜角度在360°范围内一一对应

根据Ax与Ay的正负可以把XY平面倾斜角度分成4个象限:

第一象限:Ax+与Ay+

第二象限:Ax+与Ay-

第三象限:Ax-与Ay-

第四象限:Ax-与Ay+

然后,可以根据Ax与Ay的比值确定具体角度。

 

3/灵敏度基本恒定

 

双轴加速度传感器当θ在60°到90°变化时,X轴输出值相对倾斜角的灵敏度下降,同时Y轴输出相对倾斜角的灵敏度升高,两者很好的相互补充。

 

设置双轴加速度传感器,X轴与重力平面垂直,Y轴与重力平面平行。加速度传感器X轴输出值与θ的正弦值成比例Ax=sin(θ)*1g,Y轴输出值与θ的余弦值Ay=cos(θ)*1g成比例。把加速度传感器X轴与Y轴输出值相除,得到Ax/Ay = sin(θ)*1g / cos(θ)*1g =tan(θ)。

 

根据tan(θ)函数特性可以看出,随着θ增大,增量灵敏度越来越高。同时可以看出,如果要计算系统最小灵敏度,可以取θ=0时输出变化的增量。根据公式Ax=sin(θ)*1g,可以近似计算最小灵敏度。当θ=0时,S[g]= ΔAx= sin(P)*1g , 其中P为系统要求的最小步长。

 

假设应用要求最小分辨率为1°。取θ=0,步长P为1°时,灵敏度S[g]= sin(1°)=17.45mg/1°。即对应数字输出加速度传感器,每个LSB要区分17.45mg输出,那么对应灵敏度最少是58LSB/g (1g/17.45mg)。

 

加速度传感器的灵敏度选型

 

灵敏度(LSB/g)主要针对数字输出加速度传感器,代表一个重力加速度(g)下,输出能区分多少位LSB。上面已经根据应用要求推导出,假设应用要求最小分辨率为1°,灵敏度需要大于58LSB/g。那么可以根据这一结果直接在参数栏里选择。

 

在参数筛选列表我们可能会发现,%/g来表示灵敏度。这个一般用在输出为占空比的加速度传感器。举例:ADI的ADXL213AE输出信号为占空比调制的数字信号,与加速度成比例。0g偏置=50%占空比,增加一个重力加速度,占空比改变30%。

 

灵敏度(mV/g)主要针对模拟输出加速度传感器,代表1个重力加速度下,输出电压的幅值。对应于模拟输出加速度传感器。举个例子:ADI的ADXL203CE,其中对应灵敏度为1000mV/g。应用要求最小分辨率为1°,根据上面推导至少需要能够分辨17.45mg/1°。那么后续的检测电路至少需要分辨17.45mV(1000mV*17.45mg/1g)的信号。

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