雙軸加速度傳感器三個優勢

 

降低與重力平面對齊的要求

 

對于單軸加速度傳感器，加速度傳感器的輸出為Ax=sin(θ)*1g，如果檢測軸與重力平面沒有很好的對齊，會影響重力加速度在檢測軸上的分量，從而影響檢測精度。

 

設置雙軸加速度傳感器，X軸與重力平面垂直，Y軸與重力平面平行。加速度傳感器X軸輸出值與θ的正弦值成比例Ax=sin(θ)*1g，Y軸輸出值與θ的余弦值Ay=cos(θ)*1g成比例。我們也可以把加速度傳感器X軸與Y軸輸出值相除，得到Ax/Ay = sin(θ)*1g / cos(θ)*1g =tan(θ)。這時我們可以看到，重力加速度g不再公式里面了。這代表即使XY平面與重力平面存在一定傾斜，也可以確保檢測XY平面上傾斜角的精準度。這個特性彌補了單軸加速度傳感器必須與重力平面對齊這一缺陷。

 

檢測角度可以擴展到360°

 

當360°旋轉單軸加速度傳感器時，每個加速度傳感器輸出值Ax可能會對應兩個角度。

 

如下圖，當角度在90°到270°，單軸加速度傳感器輸出值Ax與角度一一對應，超過這個范圍，每個輸出值Ax在360°范圍內，對應兩個傾斜角度，無法有效的區分。

 

圖1：單軸加速度傳感器360°旋轉對應輸出

 

而當我們使用雙軸加速度傳感器檢測360°范圍傾斜角時，設加速度傳感器兩個輸出軸Ax與Ay。并且兩個輸出軸互相垂直，這樣我們便可通過Ax與Ay的正負值來判斷旋轉角度的范圍，從而使得雙軸加速度傳感器輸出值與傾斜角度在360°范圍內一一對應

 

圖2：不同象限與加速度輸出值正負的關系

 

如上圖，根據Ax與Ay的正負可以把XY平面傾斜角度分成4個象限：

第一象限：Ax+與Ay+

第二象限：Ax+與Ay-

第三象限：Ax-與Ay-

第四象限：Ax-與Ay+

然后，可以根據Ax與Ay的比值確定具體角度。

 

靈敏度基本恒定

 

雙軸加速度傳感器當θ在60°到90°變化時，X軸輸出值相對傾斜角的靈敏度下降，同時Y軸輸出相對傾斜角的靈敏度升高，兩者很好的相互補充。

 

設置雙軸加速度傳感器，X軸與重力平面垂直，Y軸與重力平面平行。加速度傳感器X軸輸出值與θ的正弦值成比例Ax=sin(θ)*1g，Y軸輸出值與θ的余弦值Ay=cos(θ)*1g成比例。把加速度傳感器X軸與Y軸輸出值相除，得到Ax/Ay = sin(θ)*1g / cos(θ)*1g =tan(θ)。

 

根據tan(θ)函數特性可以看出，隨著θ增大，增量靈敏度越來越高。同時可以看出，如果要計算系統最小靈敏度，可以取θ=0時輸出變化的增量。根據公式Ax=sin(θ)*1g，可以近似計算最小靈敏度。當θ=0時，S[g]= ΔAx= sin(P)*1g , 其中P為系統要求的最小步長。

 

假設應用要求最小分辨率為1°。取θ=0，步長P為1°時，靈敏度S[g]= sin（1°）=17.45mg/1°。即對應數字輸出加速度傳感器，每個LSB要區分17.45mg輸出，那么對應靈敏度最少是58LSB/g (1g/17.45mg)。

 

加速度傳感器的靈敏度選型

 

在Digi-Key上，可以根據參數篩選電子元器件的功能。對于加速度傳感器，列出了靈敏度的參數欄。

 

圖3，Digi-Key提供根據參數篩選電子元器件的功能

 

靈敏度（LSB/g）主要針對數字輸出加速度傳感器，代表一個重力加速度（g）下，輸出能區分多少位LSB。上面已經根據應用要求推導出，假設應用要求最小分辨率為1°，靈敏度需要大于58LSB/g。那么可以根據這一結果直接在參數欄里選擇。

 

在參數篩選列表我們可能會發現，%/g來表示靈敏度。這個一般用在輸出為占空比的加速度傳感器。舉例：ADI的ADXL213AE輸出信號為占空比調制的數字信號，與加速度成比例。0g偏置=50%占空比，增加一個重力加速度，占空比改變30%。

 

靈敏度（mV/g）主要針對模擬輸出加速度傳感器，代表1個重力加速度下，輸出電壓的幅值。對應于模擬輸出加速度傳感器。舉個例子：ADI的ADXL203CE，其中對應靈敏度為1000mV/g。應用要求最小分辨率為1°，根據上面推導至少需要能夠分辨17.45mg/1°。那么后續的檢測電路至少需要分辨17.45mV（1000mV*17.45mg/1g）的信號。

 

本文小結

 

雙軸加速度傳感器在檢測傾斜角時，由于靈敏度基本恒定，相比較單軸加速度傳感器而言，減小了對加速度傳感器靈敏度的要求。同時，雙軸加速度傳感器不需要與重力平面對齊，并且實現了360°傾斜角檢測。

 

有關三軸加速度傳感器傾斜角檢測時，相對于單軸/雙軸加速度傳感器，有什么優勢，又有什么特點，敬請大家繼續關注我們。