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類型分類:
科普知識
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加速度傳感器

用三軸加速度傳感器檢測傾斜角

發布日期:2022-10-11 點擊率:576

三軸加速度傳感器是基于加速度的基本原理去實現工作,其特點時體積小和重量輕。三軸加速度傳感器是加速度傳感器中用來測量空間加速度的傳感器,即測量物體在空間中速度變化的快慢,三軸加速度傳感器與單軸、兩軸加速度傳感器在測量原理上沒有差別,他們的主要差別在于測量的維度不同,三軸加速度傳感器主要是將空間加速度在X、Y、Z三個軸上進行分解,在一定的技術上三個單軸就可以變成一個三軸。本文比較使用三軸加速度傳感器與使用單/雙軸加速度傳感器有什么優點,以及如何使用Digi-Key的技術資源來加速設計進程。 

三軸加速度傳感器的優點

全面掌握物體的運動狀態,雙軸加速傳感器可以保證XY平面上的傾斜角檢測。但是在實際應用中,很難保證傾斜只發生在XY平面。加上第三條軸之后,便可全面掌握物體的運動狀態。三軸加速度傳感器除了像雙軸加速度傳感器一樣,可以分別計算出在XY平面、YZ平面、XZ平面的傾斜角外。還可以計算出每條軸與參考位置的夾角。圖1, XYZ三軸與參考位置的夾角。

三軸加速度傳感器

圖1:XYZ三軸與參考位置的夾角

θ 水平面與X軸夾角

Ψ水平面與Y軸夾角

Φ重力矢量與Z軸夾角

引入參考位置的概念,一般把參考位置設置為:z軸上重力分量為1,而XY軸上沒有重力分量的位置。此時θ、Ψ、Φ的角度為0。通過計算θ、Ψ、Φ三個角度,便可知道物體的運動狀態。

3

圖2:XYZ三軸與參考位置的夾角計算公式

檢測傾斜角:三種加速度傳感器比較

該使用哪種加速度傳感器,應根據具體的應用要求而定,比如檢測傾斜角范圍、檢測對象在XYZ三軸運動上是否有限定、檢測精度要求等等。

三軸加速度傳感器

硬件實現

但是在實際應用中,很難保證傾斜只發生在X-Y平面。因此,用三軸傳感器的傾角計算公式可拓展如下:

                       5

上述公式基本解決了靜態環境下的傾角計算,我們再考慮一種更復雜的場景,運動條件下計算傾角,就需要再增加一個限定條件,即:

                          6

目前,在消費類產品中使用的加速度主要為數字輸出(I2C/SPI),可以非常簡單的跟MCU通信,實現測量功能。ST提供的產品按照精度分為LIS2DH12TR(12bit),LIS2HH12TR(16bit),車規加速度AIS328DQTR(12bit)。

傾斜角度的精度和加速度值的分辨率之間的關系:

8bit的ADC可以得到3.4。以上的精度

10bit的ADC可以得到0.8。以上的精度

12bit的ADC可以得到0.2。以上的精度

14bit的ADC可以得到0.05。以上的精度

16bit的ADC可以得到0.0124。以上的精度

本文小結 

本系列文章僅僅討論了檢測傾斜角一個方面的應用。如果在實際應用中需要考慮更多的應用,通常要收集分析整理各個方面的信息。此時三軸加速度傳感器的功能往往是單軸/雙軸加速度傳感器無法替代的。

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