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- 加速度、陀螺儀傳感器工作原理
- 來(lái)源：csdn 發(fā)表于 2023/3/2
加速度傳感器
G-sensor（Gravity sensor），重力傳感器，又名加速度傳感器（accelerometer），是能感知加速度大小的MEMS傳感器。
工作原理
如圖中的模型， 一個(gè)質(zhì)量塊兩端通過(guò)彈簧進(jìn)行固定。在沒(méi)有加速度的情況下，彈簧不會(huì)發(fā)生形變，質(zhì)量塊靜止。當(dāng)產(chǎn)生加速度時(shí)，彈簧發(fā)生形變，質(zhì)量塊的位置會(huì)發(fā)生變化。 彈簧的形變量隨著加速度的增大而增大。在彈簧的勁度系統(tǒng) k 和質(zhì)量塊的質(zhì)量 m已知的情況下，只要測(cè)量出彈簧的形變量，就可以求出系統(tǒng)的加速度。
G-sensor內(nèi)部有 finger sets, 用來(lái)測(cè)量產(chǎn)生加速度讀時(shí)質(zhì)量塊的位移。 每一個(gè)finger set 相當(dāng)兩個(gè)電容極板， 當(dāng)有加速度時(shí)質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而位移的變化會(huì)導(dǎo)致差分電容的變化。
具體的差分電容檢測(cè)和計(jì)算加速度過(guò)程由G-sensor內(nèi)部完成，我們只需要直接讀取其轉(zhuǎn)化后的值即可。G-sensor輸出值也不是直接的加速度值，它的計(jì)量單位是通常用g表示，1g代表一個(gè)重力加速度，即9.8m/s^2。1g=1000mg。
這里用一個(gè)例子再次強(qiáng)調(diào)一下G-sensor的輸出值是根據(jù)其內(nèi)部質(zhì)量塊的位移計(jì)算得出的：
將G-sensor的Z軸垂直向地，靜止放置在水平桌面上，此時(shí)G-sensor芯片是靜止的，雖然芯片整體加速度為0g，但是讀取其輸出值，X/Y軸輸出為0g，Z軸輸出為1g。因?yàn)閮?nèi)部質(zhì)量塊在重力加速度的作用下，產(chǎn)生了位移。
G-sensor重要參數(shù)
測(cè)量范圍 Measurement Rang
測(cè)量范圍是傳感器可以支持的輸出加速度范圍，通常用±g 表示。這就是G-sensor可以測(cè)量并準(zhǔn)確輸出的最大加速度。例如，一個(gè)測(cè)量范圍是±8g G-sensor，它的輸出一直到加速度達(dá)到±8g 時(shí)是線性的。
靈敏度 Sensitivity
靈敏度表示傳感器輸出隨加速度（輸入）變化的比例，它定義理想情況下加速度和傳感器輸出的直線關(guān)系。數(shù)字輸出的傳感器的靈敏度通常使用 LSB/g 或mg/LSB 表示。例如，一個(gè)靈敏度為4mg/LSB的G-sensor，若其Z軸輸出為100，則可計(jì)算出Z軸加速度為400mg。
0g偏移 0g-offset
0g 偏移置表示在沒(méi)有加速度（零輸入）時(shí)輸出的測(cè)量值。模擬輸出的傳感器通常使用伏特或毫伏表示，數(shù)字輸出的傳感器使用碼字表示。
不同型號(hào)的G-sensor的 0g-offset 不同，同一型號(hào)的不同芯片的 0g-offset 也不同，甚至同一顆芯片中不同軸的 0g-offset 也不同，是否需要校正要視具體應(yīng)用而定。如果應(yīng)用中只關(guān)心加速度的相對(duì)變化，而不關(guān)心加速度的具體數(shù)值，則不需要校正。如果是關(guān)心加速度的具體數(shù)值，而所選器件的 0g-offset 又比較大，則必須要校正。
某些G-sensor本身有 offset 寄存器，這是只需要把待校準(zhǔn)的軸沿水平方向靜止放置，測(cè)量其 0g 時(shí)的輸出，并把這個(gè)值乘以-1 寫(xiě)入 offset 寄存器即可。如果G-sensor本身沒(méi)有 offset 寄存器，則需要用戶在自己的處理器中記錄這個(gè)數(shù)值，并在實(shí)際的測(cè)量結(jié)果中減去這個(gè) offset。
輸出速率 ODR
*ODR（Output Data Rate），表示G-sensor的輸出數(shù)據(jù)的刷新頻率。*ODR越高，輸出數(shù)據(jù)更新越快，功耗越高。G-sensor的ODR往往都是可以配置的。
工作模式
陀螺儀傳感器的原理
首先了解一下MEMS加速度計(jì)的原理，簡(jiǎn)圖如下圖所示，其中質(zhì)量塊mass被彈簧springs支撐，使得其只能沿著預(yù)定方向位移，從而檢測(cè)特定方向的加速度；綠的部分是固定的電極板Fixed plates。檢測(cè)原理是當(dāng)質(zhì)量塊感受到加速度時(shí)，會(huì)在相應(yīng)方向產(chǎn)生位移，從而使得固定電極板構(gòu)成的兩個(gè)平行板電容器C1，C2的電容大小發(fā)生改變，檢測(cè)其電容值大小即可換算成相應(yīng)的加速度
**陀螺儀工作原理簡(jiǎn)介：**MEMS陀螺儀的檢測(cè)原理與MEMS加速度計(jì)類似，它基于科里奧利效應(yīng)（Coriolis Effect）所產(chǎn)生的科里奧利力（Coriolis Force）而設(shè)計(jì)的。
如下圖所示，MEMS陀螺儀的核心是一個(gè)微加工機(jī)械單元，其訊號(hào)調(diào)節(jié)電路可以分為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和加速度計(jì)感測(cè)電路兩個(gè)部分。其中，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分是透過(guò)靜電引動(dòng)方法，產(chǎn)生一個(gè)音叉機(jī)制共振運(yùn)動(dòng)，為機(jī)械元件提供激勵(lì)；科里奧利力把角速率轉(zhuǎn)換成一個(gè)特定感測(cè)結(jié)構(gòu)的位移，通過(guò)位移產(chǎn)生電容變化，感測(cè)部分透過(guò)測(cè)量電容變化來(lái)測(cè)量科氏力在感測(cè)質(zhì)量上產(chǎn)生的位移。因?yàn)槲灰拼笮∨c所施加的角速率大小成正比，以此可以獲得角速度和角加速度量
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