單軸加速度傳感器檢測傾斜角時(shí)，檢測軸垂直于重力平面還是平行于重力平面?

 

單軸加速度傳感器可以用在比較簡單應(yīng)用，比如簡單的有限角度傾斜角檢測。以檢測汽車的傾斜角來舉例，為了防止汽車側(cè)滑和翻車，一般汽車會(huì)采用一個(gè)加速度傳感器來檢測汽車的傾斜角。此時(shí)檢測軸應(yīng)該垂直于重力平面。因?yàn)闄z測軸與重力平面垂直時(shí)，加速度傳感器對于小角度變化的敏感度比較高，而汽車傾斜的角度一般不會(huì)太大。下面我們對比這兩種安裝方式的區(qū)別。

 

如下圖，坡度角θ。下圖左邊，檢測軸X軸垂直于重力平面（坡度為0時(shí)），此時(shí)加速度傳感器的輸出Ax=sin(θ)*1g。下圖右邊，檢測軸Z軸平行于重力平面（坡度為0時(shí)），此時(shí)加速度傳感器的輸出Az=cos(θ)*1g。

 

圖1：X軸和Z軸加速度傳感器安裝示意圖

 

我們把這兩種方式集中到一個(gè)圖。來對比兩種方式下，加速度傳感器的輸出變化。下圖中，紅色線段的長度，對應(yīng)檢測軸垂直于重力平面時(shí)，加速度傳感器的輸出。綠色線段的長度，對應(yīng)檢測軸平行于重力平面時(shí)，加速度傳感器的輸出。

 

圖2：重力加速度在檢測軸上的分量

 

可以看出，當(dāng)θ從0°到30°變化時(shí)，紅色線段變化明顯，而綠色線段則變化不明顯。可以看出在傾斜角小角度變化時(shí)，檢測軸垂直于重力平面的安裝方式，得到的靈敏度更高。現(xiàn)實(shí)世界中，道路上的絕大多數(shù)斜坡坡度不會(huì)超過30°。因此在檢測汽車傾斜角的方案中，如果使用單軸加速度傳感器，設(shè)置檢測軸方向垂直于重力平面方向比較合適。當(dāng)然，如果傾斜角度在60°到90°范圍內(nèi)，由于加速度傳感器與傾斜角度成sin（θ）函數(shù)的關(guān)系，加速度傳感器對角度變化的敏感度降低。

 

如何根據(jù)應(yīng)用要求，來計(jì)算單軸加速度傳感器最小靈敏度?

 

假設(shè)實(shí)際應(yīng)用要求傾斜角檢測范圍在-63°到+63°之間，并且檢測結(jié)果可以精確到1°。首先，引入增量靈敏度慨念，增量靈敏等于每個(gè)傾斜角步進(jìn)對應(yīng)的輸出增量，單位以mg顯示。S[g] = 1g*(sin(θ+P)-sin(θ))，（θ為當(dāng)前角度，P為步長），增量靈敏度反應(yīng)了輸出變化大小。設(shè)傾斜角度θ為X, 對應(yīng)的增量靈敏度S[g]為Y作圖，我們得到:

 

圖3：步進(jìn)為1°時(shí)，增量靈敏度曲線

 

為了滿足應(yīng)用在整個(gè)傾斜角檢測范圍內(nèi)分辨率的要求，可以利用上圖的曲線來確定系統(tǒng)的最小靈敏度。假設(shè)應(yīng)用要求最小分辨率為1°，傾斜角檢測范圍在-63°到+63°之間。根據(jù)上圖, 增量靈敏度在傾斜角0°到90°變化時(shí), 逐漸變小，當(dāng)?shù)竭_(dá)63°時(shí)，靈敏度降至4.074mg/1°。

 

對于數(shù)字輸出加速度傳感器，靈敏度一般使用LSB/g來表示。LSB為最低有效位，g為重力加速度。每個(gè)LSB要區(qū)分4.074mg輸出, 那么對應(yīng)靈敏度最少是246LSB/g (1g/4.074mg)。在選擇加速度傳感器時(shí)，應(yīng)保證加速度傳感器的靈敏度大于計(jì)算所得的最小靈敏度。

 

來源：得捷電子DigiKey