加速度计的集成

March 2, 2023

Fanny Hu

发布于2022-09-01

加速度计是一种机电元件，可用来测量恒定力，例如由于移动或冲击而在设备上产生的重力和/或动态力。加速度计在商业和工业领域应用广泛，包括导航和运动检测。本文将介绍加速度计，并讨论其集成和实现方面的四个设计要素：物理布局；作业要求；噪声、温度、偏差和灵敏度；以及接口。

加速度计类别

考虑加速度计的功能，以及它是否适合正在设计的设备或应用非常重要。根据传感器如何通过施加在设备上的力来测量加速度以及传感器的物理运作方式，加速度计通常可以分为三大类。表1中简要介绍了这三种类别。

表1：加速度计类别：压缩式、剪切式和电容式。（图源：作者）

类型	说明	特点（大类）
压缩式	通过压电材料测量加速度，在施加力时通过压缩程度测量加速度。	较高的谐振频率大动态范围大带宽高精度
剪切式	通过压电材料测量加速度，在施加力时通过剪应力测量加速度。	大动态范围大带宽较好的隔热性较高的精度
电容式	机械臂或基板的偏转引起基础电路的电容发生变化，通过机械臂或基板的挠度来测量加速度。	低成本相对较差的信噪比 (SNR) 有限的动态范围小带宽良好的精确度

除了这三大类之外，还可以通过配置和功能进一步细分加速度计：

可测量轴的数量（需要测量的空间尺寸）：加速度计可以有1、2和3轴配置（当陀螺仪集成在传感器中时，某些情况下轴数会大于3）。
输出（数字或模拟）：加速度计通常由其输出或与主机设备的接口定义。数字加速度计通常包括所需的信号调节、控制逻辑和A/D转换器，而模拟加速度计输出通常省略这些附加组件，直接输出与测量到的加速度成比例的原始电压。
能够测量静止框架（设备处于静止状态的参考框架）：能够测量静止框架（重力）的加速度计通常被称为直流响应加速度计，而那些不能测量低频或静止框架的加速度计则被称为交流响应加速度计。

加速度计物理布局

布局包括加速度计的安装位置、方向，以及与其他组件的对准和接近度。加速度计的布局和放置会影响加速度计在设备寿命期间的性能。

安装

一般来说，加速度计应安装在刚性电路板/基板上，并与设备机身或被测物体直接耦合。加速度计安装不当会导致读数不准，如灵敏度降低，或最坏情况下，读数错误/不正确。如果安装基板或电路板不是刚性的，测量值可能会受影响，并且可能会将谐波/共振引入传感器，从而导致读数不正确。

安装问题缓解措施

将传感器直接安装到设备机身或被测物体上。这样就不必担心结构化共振与耦合。

方向和对准

加速度计相对于主机设备主轴的方向很重要。传感器轴和主机设备的倾斜与旋转如果未对准，会导致读数不正确，因为读数是与偏差（旋转/倾斜）角成比例。

作为传感器系统（偏心）噪声的一部分，考虑未对准情况对于设计来说必不可少。未对准误差将是设备/传感器集成容差的函数，而不是设备的规格。

方向和对准问题缓解措施

传感器集成后的加速度计校准可以消除任何未对准误差。否则，建议更好地集成到主机设备。

位置和接近度

最后，加速度计与其他组件的位置和接近度很重要，因为温度和用户/组件振动会影响传感器的性能。在每种应用中，加速度计的测量值应仅来自主机设备或目标测试对象。将加速度计与其他设备组件隔离通常是一种不错的做法。将加速度计与温度波动隔离可以减少灵敏度漂移和噪声，以达到加速度计的内部规格。加速度计的尺寸和封装将决定其安装方式和位置。

位置问题缓解措施

传感器集成后的加速度计校准可以消除任何未对准误差。否则，建议更好地集成到主机设备。

加速度计作业规格：

作业范围

在决定加速度计如何满足应用规范时，作业范围是一个关键考虑因素。根据制造商定义的配置集，加速度计可以用于不同的测量范围。对于较宽的测量范围（例如±2000g），通常会观察到噪声增加或灵敏度降低，还可以参考传感器各自的数据手册以详细了解。对于灵敏度较高的应用，建议缩小加速度计的整体测量范围。而对于需要大测量范围的工业应用，通常会降低灵敏度以扩大测量范围。

带宽/频率响应

加速度计的带宽/频率响应或采样也很重要，并且是加速度计测量范围的基础。通常情况下，加速度计的带宽范围从kHz到MHz，具体取决于制造商的设计和所用加速度计的类型。对于数字加速度计，带宽定义了在没有混叠的情况下测量值的采样速率。对于模拟加速度计，带宽则定义了机械共振的发生位置，或频响何时降至电路标称范围的-3dB。加速度计始终有定义好的频率范围，在该范围内测量值有效（由制造商测试）。

低频截止

对于加速度计中的交流响应，还定义了低频截止。如果适用，低截止频率通常定义在数据手册中。应注意的是，碰撞事件，比如车祸或电话掉在地上，本质上是加速度的高频和高幅值响应变化。这些事件或用于感测这些事件的应用通常需要大作业范围来捕获这些事件的变化（高带宽和作业测量范围）。

线性度

必须考虑加速度计的非线性，以确保输出保持一致/准确，并且不会限幅。如果加速度计配置不正确，使得加速度计在设备的非线性区域周围工作，那么大多数情况下，加速度计将无法正常工作，并导致限幅和错误/饱和的测量值。在非常特殊的情况下（如果设计师知道他在做什么），可以利用加速度计的非线性来提高灵敏度。

作业范围问题缓解措施

认真选择和设计加速度计。缓解措施作用有限。专业且良好的系统设计才是正解。

非线性问题缓解措施

机械阻尼的设计可通过将共振移至期望范围之外的更高频率来扩展作业范围。让信号处理利用非线性。

加速度计噪声、温度、偏差和灵敏度

频谱和总噪声

加速度计内的噪声通常以两种方式定义：频谱噪声/噪声密度和总噪声。在大多数情况下，频谱噪声/噪声密度更适用。噪声密度通常定义为μg / √Hz。正如大多数规格表中所定义和说明的那样，给定的噪声密度仅在给定的频率范围和假设温度下有效。随着频率的增加，噪声密度通常会降低。因此，在较高频率下工作的加速度计会显示出较低的噪声密度。

在大多数应用中，低频才是兴趣所在，在低频 (DC) 下具有低噪声密度的加速度计更加理想。通过将噪声密度乘以测量带宽的平方根，计算传感器的均方根加速度噪声（总噪声）。

噪声缓解措施

温度控制。良好的设计布局。跨时间或多个加速度计的校准和/或测量值平均。

热噪声和灵敏度

在谈论噪声时，温度是一个不容忽视的关键因素。温度升高会导致加速度计的噪声和灵敏度偏移加剧。同样，低温也会导致灵敏度降低。需要选择特定的加速度计配置，以便在高温和不利环境下运行。

根据加速度计的类型和设计，加速度计需要进行补偿，以调整偏移和噪声水平。在许多加速度计中，这一步已经完成，因此不需要通过温度反馈补偿进行额外补偿（选择设备时必须验证）。如果预计工作温度会偏离标称20摄氏度，则值得测量并查看偏移情况，因为某些规格表没有相应的数据。

温度问题缓解措施

温度控制。用于补偿温度漂移的附加反馈回路。

偏差

所有加速度计在测量中都有一些偏差或偏移。对于直流响应加速度计，这通常见于加速度计输出中为测量/提供静止框架的读数而增加的输出值。任何给定加速度计的偏差都可以通过参考技术规格和手边加速度计的测量值来确认。

偏差缓解措施

校准。

交叉轴灵敏度

对于多轴加速度计，交叉轴灵敏度是另一个必须考虑的噪声源。理想情况下，由于测量轴彼此正交，测量耦合为零 (0)，这没什么问题。不幸的是，由于制造容差或设计问题，测量值有可能，也确实会从其他轴泄漏到感兴趣的轴中。交叉轴灵敏度是加速度计固有的，与方向误差不同，它不是集成过程中产生的。交叉轴灵敏度以百分比的形式测量。

交叉轴灵敏度问题缓解措施

如果交叉轴灵敏度存在问题，则进行校准和额外处理。在设计规格中考虑进误差。

接口

与模拟加速度计不同，数字加速度计定义了接口要求，以便读取测量值和控制传感器。典型接口包括I2C和SPI；深入了解这些接口以及如何使用这些接口配置加速度计和提取加速度计数据不在本文的讨论范围内。不过，需要注意的是，由于增加了控制逻辑，数字加速度计支持更多功能，并能够在需要时访问特定实例的测量值（或者睡眠模式下不需要）。选择正确的加速度计和正确的系统设计将决定理想接口，无论是模拟接口还是数字接口。

结语

加速度计是测量加速力的机电设备，应用范围广泛，从手机到汽车和导航设备，无处不在。加速度计的类别包括压缩式、剪切式和电容式，并且还可以根据配置和功能进一步细分。在集成和实现加速度计时，考虑多种设计选项非常重要，包括物理布局；作业范围和线性度；噪声、温度、灵敏度和接口。建议您参考应用笔记和技术期刊以深入了解具体细节，因为本文仅做简单描述。