加速度計和陀螺儀原理

MEMS加速度計原理

技術(shù)成熟的MEMS加速度計分為三種:壓電式、容感式、熱感式。壓電式MEMS加速度計運用的是壓電效應，在其內部有一個(gè)剛體支撐的質(zhì)量塊，有運動(dòng)的情況下質(zhì)量塊會(huì )產(chǎn)生壓力，剛體產(chǎn)生應變，把加速度轉變成電信號輸出。

容感式MEMS加速度計內部也存在一個(gè)質(zhì)量塊，從單個(gè)單元來(lái)看，它是標準的平板電容器。加速度的變化帶動(dòng)活動(dòng)質(zhì)量塊的移動(dòng)從而改變平板電容兩極的間距和正對面積，通過(guò)測量電容變化量來(lái)計算加速度。Freescale的MMA7660FC這一款加速度計(3-Axis Orientation/Motion Detection Sensor)，這一款芯片也是利用這一原理設計的。datasheet的第9頁(yè)介紹了其工作原理：當芯片有向右的加速度時(shí)，中間的活動(dòng)質(zhì)量快相對于另外兩塊電容板向左移動(dòng)，這兩平行板電容器的電容就發(fā)生了變化，從而測量出芯片運動(dòng)的加速度。

熱感式MEMS加速度計內部沒(méi)有任何質(zhì)量塊，它的中央有一個(gè)加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時(shí)在加熱體的作用下，氣體在內部形成一個(gè)熱氣團，熱氣團的比重和周?chē)睦錃馐怯胁町惖?，通過(guò)慣性熱氣團的移動(dòng)形成的熱場(chǎng)變化讓感應器感應到加速度值。

由于壓電式MEMS加速度計內部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式MEMS加速度計只能感應到“動(dòng)態(tài)”加速度，而不能感應到“靜態(tài)”加速度，也就是我們所說(shuō)的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應“動(dòng)態(tài)”加速度，又能感應“靜態(tài)”加速度。

從上面的分析中，我們可以看到利用容感式和熱感式加速度計進(jìn)行定向時(shí)，加速度計測得的加速度里面包括重力加速度在各個(gè)軸上的重力分量和動(dòng)態(tài)運動(dòng)引起的加速度分量。因而，我覺(jué)得我們在利用這一類(lèi)加速度計進(jìn)行定向時(shí)，必須將動(dòng)態(tài)加速度去掉(較為困難);在進(jìn)行檢測芯片的運動(dòng)時(shí)，必須將重力加速度的去掉。

我覺(jué)得如果我們選擇用加速度計來(lái)進(jìn)行定向的話(huà)，我們可以考慮ST的LSM303DLH(5*5*1mm,0.83mA)這一款芯片。這一款芯片集成了測加速度和磁場(chǎng)的功能，完全可以滿(mǎn)足我們定向的需求

MEMS陀螺儀

MEMS陀螺儀利用科里奧利力——旋轉物體在有徑向運動(dòng)時(shí)所受到的切向力。假設旋轉物體有徑向速度Vr，那么將會(huì )產(chǎn)生切向科里奧利加速度.

從上面的公式中，我們可以看到科里奧利加速度的大小是正比于物體旋轉的角速度。如果我們在切向安裝一個(gè)加速度計測出科里奧利加速度，那么我們就可以間接得到物體旋轉的角速度。

實(shí)際的MEMS陀螺儀的設計如下圖。如果物體在圓盤(pán)上沒(méi)有徑向運動(dòng)，科里奧利力就不會(huì )產(chǎn)生。因此，在MEMS陀螺儀的設計上，這個(gè)物體被驅動(dòng)，不停地來(lái)回做徑向運動(dòng)或者震蕩，與此對應的科里奧利力就是不停地在橫向來(lái)回變化，并有可能使物體在橫向作微小震蕩，相位正好與驅動(dòng)力差90度。MEMS陀螺儀通常有兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運動(dòng)(有點(diǎn)象加速度計中的自測試模式)，橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運動(dòng)帶來(lái)的電容變化(就象加速度計測量加速度)。因為科里奧利力正比于角速度，所以由電容的變化可以計算出角速度。