加速度計和陀螺儀傳感器：原理、檢測及應用

　　2. 靈敏度 (mV/g或LSB/g)：靈敏度衡量最小可檢測信號，或輸入級每次變化時(shí)輸出電信號的變化。與檢測頻率點(diǎn)相關(guān)。

　　3. 電壓噪聲密度(μg/SQRT Hz)：電壓噪聲隨帶寬的平方根倒數變化。我們讀取加速度計的速度變化越快，得到的精度越差。工作在輸出信號較小的較低g條件時(shí)，噪聲對加速度計性能的影響較大。

　　4. 0g電壓：該指標表示加速度為0g時(shí)預計輸出電壓的范圍。

　　5. 頻率響應(Hz)：以容限范圍(±5%等)給出頻率范圍，在該頻率范圍內，傳感器將檢測運動(dòng)并提供有效輸出。規定的容限范圍使用戶(hù)能夠計算器件在規定頻率范圍內的任何頻率下相對于參考靈敏度的偏差。

　　6. 動(dòng)態(tài)范圍(g)：加速度計可測量的最小檢測幅值與輸出信號失真或削波之前最大幅值之間的范圍。

　　6 加速度計與陀螺儀的比較

　　介紹MEMS應用之前，我們必須理解加速度計與陀螺儀之間的不同。加速度計測量沿一個(gè)或多個(gè)軸的線(xiàn)性加速度(單位為mV/g);陀螺儀測量角速度(單位為mV/deg/s)。如果我們使加速度計進(jìn)行旋轉(例如俯仰)(圖8)，d1和d2的距離不發(fā)生變化。所以加速度計的輸出不響應角速度變化。

　　我們可構建不同的傳感器，包含諧振傳感器的內部框架通過(guò)彈簧連接至基片，與諧振運動(dòng)成90度角(圖9)。那么我們就可以通過(guò)檢測內部框架和基片之間安裝的電極電容，測量科里奧利加速度。

　　6 加速度計和陀螺儀應用

　　加速度計很久以來(lái)被廣泛用于汽車(chē)領(lǐng)域，用于檢測汽車(chē)碰撞，或在正確的時(shí)間開(kāi)啟氣囊。其在移動(dòng)領(lǐng)域的應用也很普遍，例如肖像和風(fēng)景模式之間切換、輕觸切換至下首歌曲、設備放在口袋時(shí)通過(guò)衣服輕拍，或者防抖動(dòng)拍攝及光學(xué)穩像。

　　7 室內導航

　　加速度是速度的變化速率：

　　通過(guò)單次或二重積分，我們可根據加速度計輸出分別獲得速度和距離信息。通過(guò)增加陀螺儀提供的信息，即可利用特殊技術(shù)跟蹤物體相對于已知起點(diǎn)的位置和方位。該信息用于室內導航，無(wú)需外部參考或GPS信號(圖10)。

　　8 光學(xué)穩像

　　人類(lèi)手臂晃動(dòng)的頻率極低(10Hz至20Hz)。用最小、最輕的智能手機及照相機拍攝圖片時(shí)，手會(huì )發(fā)生抖動(dòng)，造成圖像模糊。諸如光學(xué)縮放等特性加劇了這一問(wèn)題，使圖像更加模糊。

　　假設一部SVGA照相機的分辨率為800x600像素，視角為45度，傳感器水平漂移為0.08度。45/800 = 0.056度，對應于1.42像素的模糊。隨著(zhù)照相機分辨率的提高，模糊覆蓋更多像素，造成圖像失真更嚴重。

　　基于陀螺儀的光學(xué)穩像(圖11)及修正軟件通過(guò)將機械陀螺儀的測量數據發(fā)送至微控制器及直線(xiàn)電機，以移動(dòng)圖像傳感器，從而補償圖像模糊。

　　9 手勢控制

　　我們可將MEMS加速度計傳感器用于無(wú)線(xiàn)鼠標的手勢控制、輪椅方向控制或Wii?控制臺中的陀螺儀。其它例子還包括利用手勢控制電視上光標的智能設備、“虛擬”旋鈕，甚至利用手持式無(wú)線(xiàn)傳感器單元控制外部設備的手勢命令。

　　10 結論

　　MEMS加速度計傳感器和陀螺儀長(cháng)久以來(lái)已經(jīng)廣泛用于運輸、太空、工業(yè)機器人及汽車(chē)領(lǐng)域。但其應用的多樣性現在已經(jīng)擴展至智能手機，為我們提供了與智能設備進(jìn)行運動(dòng)和手勢交互的全新方式。理解MEMS行為以及加速度計或陀螺儀的特性，使設計者能夠為大批量應用設計更高效和低成本產(chǎn)品。這些MEMS器件也允許我們創(chuàng )建新的應用，顛覆運動(dòng)、身體活動(dòng)及手勢對我們日常生活的影響。