發布日期：2022-10-09 點擊率：73
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加速度傳感器論文速度傳感器論文
基于
MEMS
加速度傳感器的孕婦姿勢報警儀的設計
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要
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摘
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為預防孕婦長時間站立或坐著等不規范的姿勢對胎兒產生不良影響
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分利用加速度傳感器和
Zigbee
技術
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設計一種基于單片機的報警系統
,
詳細地
介紹系統的軟硬件設計及其實現的功能。此設計的系統有效地解決了孕婦因為
長時間站立或是坐著對胎兒以及對孕婦產生的不良影響
,
大大降低早產的發生
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關鍵詞
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長期站立或壓迫雙腿易造
成腿部靜脈充血
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從而導
致以上病例發生。
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MEMS
微型加速度系統實現一種測量孕婦的運動狀態的
裝置
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系統在動作初期抓取動作信息
,
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通信模塊及相
應的接口電路將信號傳遞給單片機
,
然后進行信息的處理
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算出相對加速度以及
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如果超過限度
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則驅動振動器振動從而達到提醒孕婦的目的。
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本設計采用
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系列加速度傳感器實現數據的采集
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成本、低功耗雙軸的帶有
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接口的加速度傳感器。該系列加速度傳感器將傳
感器系統及相關信號調理電路和
I2C
總線結構集成在單片集成電路上
,
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接連接到一個單片機等處理器上
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消除了
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轉換和定時占有的資源。
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簡單、動態響應好、能實現無接觸式測量、靈敏度好、分辨率強等優點。加速
度的傳感器主要需要用來測量加速度和傾角
,
加速度的測量用于判斷孕婦是站
立還是坐著的狀態
,
傾角的測量用于判斷孕婦的身體彎曲程度。將加速度計
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傳感器原理設計與應用課程學年論文
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壓電式加速度傳感器及其應用
摘要：近年來壓電式加速度傳感器得到了較大的發展，本文重點闡述了壓電式加速度傳感器的原理及其構成元件，分析了其頻率特性和靈敏度，探究了其誤差形成因素，概述了其在工程控制領域中的實際應用。
一、 壓電式加速度傳感器原理
壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質如石英晶體的壓電效應，在加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。
由于壓電式傳感器的輸出電信號是微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來一定困難。 為此，通常把傳感器信號先輸到高輸入阻抗的前置放大器。經過阻抗變換以后，方可用于一般的放大、檢測電路將信號輸給指示 儀表或記錄器。
二、壓電式加速度傳感器構成元件
(a)中心安裝壓縮型 (b)環形剪切型 (c) 三角剪切型
圖13.18? 壓電式加速度計
常用的壓電式加速度計的結構形式如圖13.18所示。S是彈簧，M是質塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環。圖13.18a是中央安 裝壓縮型，壓電元件—質量塊—彈簧系統裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結構有高的共振頻率。然而基座B與測試對 象連接時，如果基座B有變形則將直接影響拾振器輸出。此外，測試對象和環境溫度變化將影響壓電元件，并使預緊力發生變化， 易引起溫度漂移。圖13.18c為三角剪切形，壓電元件由夾持環將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計感受軸向振動時，壓電元件承 受切應力。這種結構對底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。圖13.18b為環形剪切型，結構簡單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計，環形質量塊粘到裝在中心支柱上的環形壓電元件上。由于粘結劑會隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。
三、壓電式加速度傳感器幅頻特性
圖13.19 壓電式加速度計的幅頻特性曲線
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加速度計的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率圖（圖13.19）。一般小阻尼(z<=0.1)的加速度計，上限頻率若取為共振頻率的 1/3，便可保證幅值誤差低于1dB（即12%）；若取為共振頻率的1/5，則可保證幅值誤差小于0.5dB（即6%），相移小于30。但共振頻率與加速度計的固定狀況有關，加速度計出廠時給出的幅頻曲線是在剛性連接的固定情況下得到的。實際使用的固定方法往往難于達到剛性連接，因而共振頻率和使用上限頻率都會有所下降。加速度計與試件的各種固定方法見 圖13.20。
圖13.20? 加速度計的固定方法
其中圖13.20a采用鋼螺栓固定，是使共振頻率能達到出廠共振頻率的最好方法。螺栓不得全部擰入基座螺孔，以免引起基座 變形，影響加速度計的輸出。在安裝面上涂一層硅脂可增加不平整安裝表面的連接可靠性。需要絕緣時可用絕緣螺栓和云母墊片來 固定加速度計（圖13.20b），但墊圈應盡量簿。用一層簿蠟把加速度計粘在試件平整表面上（圖13.20c），也可用于低溫（40℃以下）的場合。手持探針測振方法（圖13.20d）在多點測試時使用特別方便，但測量誤差較大，重復性差，使用上限頻率一般不高于 1000Hz。用專用永久磁鐵固定加速度計（圖13.20e），使用方便，多在低頻測量中使用。此法也可使加速度計與試件絕緣。用硬性粘接螺栓（圖13.20f）或粘接劑（圖13.20g）的固定方法也長使用。某種典型的加速度計采用上述各種固定方法的共振頻率分別約為：鋼螺栓固定法31kHz，云母墊片28kHz，涂簿蠟層29kHz，手持法2kHz，永久磁鐵固定法7kHz。
四、壓電式加速度傳感器的靈敏度
壓電式加速度計的靈敏度?壓電加速度計屬發電型傳感器，可把它看成電壓源或電荷源，故靈敏度有電壓靈敏度和 電荷靈敏度兩種表示方法。前者是加速度計輸出電壓（mV）與所承受加速度之比；后者是加速度計輸出電荷與所承受加速度之比。 加速度單位為m/s2，但在振動測量中往往用標準重力加速度g作單位，1g=9.m/s2。這是一種已為大家所接受的表示方式，幾乎所有 測振儀器都用g作為加速度單位并在儀器的板面上和說明書中標出。對給定的壓電材料而言，靈敏度隨質量塊的增大或壓電元件的增多而增大。一般來說，加速度計尺寸越大 ，其固有頻率越低。因此選用加速度計時應當權衡靈敏度和結構尺寸、附加質量的影響和頻率響應特性之間的利弊。
壓電晶體加速度計的橫向靈敏度表示它對橫向（垂直于加速度計軸線）振動的敏感程度，橫向靈敏度常以主靈敏度（即加速度計的電壓靈敏度或電荷靈敏度）的百分比表示。一般在殼體上用小紅點標出最小橫向靈敏度方向，一個優良的加速度計的橫向靈敏度應小于主靈敏度的
加速度傳感器論文速度傳感器論文
基于MEMS加速度傳感器的孕婦姿勢報警儀的設計
要摘 為預防孕婦長時間站立或坐著等不規范的姿勢對胎兒產生不良影響,充分利用加速度傳感器和Zigbee技術,設計一種基于單片機的報警系統,詳細地介紹系統的軟硬件設計及其實現的功能。此設計的系統有效地解決了孕婦因為長時間站立或是坐著對胎兒以及對孕婦產生的不良影響,大大降低早產的發生概率。
關鍵詞 MXC6202xG/H/M/N;Zigbee通信模塊;孕婦 1
根據《美國產科學和婦科學雜志》的一項調查顯示,那些長期站立或者坐著的孕婦,有較大可能發生早產或分娩不足磅重的嬰兒。長期站立或壓迫雙腿易造成腿部靜脈充血,使血液回流困難,這樣的話流到子宮的血液就會減少,從而導致以上病例發生。本文用MEMS微型加速度系統實現一種測量孕婦的運動狀態的裝置,利用加速度計,系統在動作初期抓取動作信息,通過Zigbee通信模塊及相應的接口電路將信號傳遞給單片機,然后進行信息的處理,算出相對加速度以及傾角,如果超過限度,則驅動振動器振動從而達到提醒孕婦的目的。
1 數據采集模塊
本設計采用MXC6202xG/H/M/N系列加速度傳感器實現數據的采集,它是低成本、低功耗雙軸的帶有I2C接口的加速度傳感器。該系列加速度傳感器將傳感器系統及相關信號調理電路和I2C總線結構集成在單片集成電路上,可以直接連接到一個單片機等處理器上,消除了A/D轉換和定時占有的資源。具有結構簡單、動態響應好、能實現無接觸式測量、靈敏度好、分辨率強等優點。加速度的傳感器主要需要用來測量加速度和傾角,加速度的測量用于判斷孕婦是站立還是坐著的狀態,傾角的測量用于判斷孕婦的身體彎曲程度。將加速度計1和加速度計2分別戴孕婦的肩上和腿上,判定姿勢的原理如下:孕婦坐下的一瞬間,肩上的加速度計1測得豎直向下的加速度,腿上的加速度計2測得的值為零,算出豎直方向的相對加速度,可以判定出孕婦是坐下了,然后定時器開始計時,超過額定的時間則發出驅動信號驅動振動模塊產生振動。同理,如果孕婦站起來的一瞬間,肩上的加速度計測到的加速度豎直向上,可以判定孕婦站起來了。如果水平方向上相對加速度為零,豎直方向上,腿在抬起的過程中腿上的加速度計有向上的加速度,通過此可知道孕婦在走動。從而通過不同的加速度,我們可以判定出孕婦的不同的姿勢。
傾角的測量原理如下:根據經典力學可以知道,當對象與基準平面有一個角度的夾角時。其運動方向的加速度與重力加速度的比值和沒有夾角時其加速度與重力加速度的夾角?是不同的。根據力的分解,重力加速度就會有分量作用在Ax方向,且Ax=gsin?,于是傾斜角?=sin-1(Ax/g)。
利用雙軸的加速度傳感器,其兩個夾角之間相差90°,兩個角分別為45°和135°角,當人靜止在平面上時,加速度傳感器的兩個軸向測得加速度:Ax=Ay=0.707g。
圖1 測量力學原理圖
當人在行走時,加速度傳感器的兩個軸向就會測得兩個大小相等,極性相反的加速度變化,而(Ax+Ay)保持不變,當人體傾斜時,傾斜角?=cos-1[0.707(AX+AY)/g]。但是在實際情況中,由于測量、安裝等原因,幾乎不可能做到加速度傳感器與人的徑向正好成45°。所以需要在系統初始化時,首先測量出加速度傳感器與人的徑向的夾角β,可根據公式β=arctan(Ay+Ax)計算得到。由此可得最后的傾斜角為:
?=cos-1[(Axsinβy+xAYcosβ)/g]。
根據這個數學模型,可以很好的測得角度的變化。測得的角度數據利用單片機判斷是否超過了范圍,如果超過的話就驅動報警器,以提示孕婦姿勢不對。
2 數據處理模塊和通信模塊
本設計采用CC2430電路板開發模塊,CC2430芯片是Chipcon公司生產的首款符合Zigbee技術的2.4GHz射頻系統單芯片,它在單個芯片上整合了Zigbee射頻前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU(8051),具有128KB可編程內存和8KB的RAM,還包含了模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器(Timer)、32kHz晶振的休眠模式定時器、上點復位電路等,由于在本設計中數據量不大,并且要隨時復位,因此我們可以直接采用CC2430上自帶的單片機來進行數據的處理。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間特性,耗電量很小,特別適合要求電池壽命非常長的應用,因此完全滿足本設計的應用。
采用Zigbee進行通信的好處在于,它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、高容量、短時延、低成本的雙向無線通信技術,Zigbee采用一種“準備好才發送”的通信策略,它只在有數據要發送時才發送數據,然后再等待自動確認。“準備好才發送”是一種“面對面”式的方案,是
ADXL05型單片加速度傳感器的工作原理及實際應用
姓名：楊銳
電氣四班（19）
前言：
單片加速度傳感器的典型產品有美國ADI公司生產的ADXL05、ADXL105.、ADXL190、ADXL202和ADXL210，還有美國Motorola公司生產的MMA1200D、MMA120IP和MMA1220D。上述產品也稱為加速度計( accelerometer)，可廣泛用于工業、交通、地礦、建筑及軍事領域，既可測量重力加速度，又可以測量由振動、沖擊所產生的加速度、速度，位移等參數，還能取代水銀式傾斜儀測量傾斜角。單片加速度傳感器分模擬信號輸出、數字信號輸出兩種形式，ADXL05、ADXL105和MMA1200D均屬于模擬電壓輸出式，ADXL202和ADXL210 則屬于數字輸出式，或者能輸出與加速度成比例關系的占空比信號。此外，ADXL05、ADXL105均屬于單軸加速度傳感器，只能測量沿X軸方向的加速度；ADXL202、ADXL210屬于雙軸加速度傳感器，可同時測量沿X軸、Y軸兩個方向的加速度。
1、ADXL05的工作原理
1.1 性能特點
（1）在ADXL05芯片中集成了一個完整的加速度測量系統，內部包含用單晶硅制成的電容式加速度傳感器和信號調理器。最大外形尺寸僅為φ9.4x19（mm），質量為5g。
(2)它屬于力平衡式加速度傳感器，測量加速度時滿量程為±1~±5g (lg=9.8m/s),具體量程可通過外圍元件來設定。分辨力可達0.005g。加速度計的電壓比例系數為200mv/g,滿量程時的非線性誤差為±0.2%，諧振頻率為12kHz。
（3）過載能力強，在0.5s內可承受1000g的沖擊。外圍電路簡單。利用重力加速度可以校準傳感器的極性。芯片還具有自檢功能，可檢測傳感器或外圍元件是否發生故障。
（4）電源電壓范圍是+4.75～+5.25V，典型值為5V，工作電流約為8mA。
1.2.工作原理
1.2.1 引腳功能
ADXL05采用TO - 100封裝，引腳排列如圖1-2-1所示。
（或振動）最為敏感。第ST為自檢
電平輸入端，接高電平后進入自檢模式，只要Upr超出規定的電壓范圍，就判定芯片或外圍元件發生故障。Upr為前置放大器輸出端。Uo為緩沖放大器的輸出端電壓端。Uin-為緩沖放大器的反相輸入端，
可接由用戶設定的輸入電壓。
1.2.2 工作原理
ADXL05型單片加速傳感器的內部電路框圖如圖1-2-2-1所示。
圖1-2-2-1 ADXL05單片加速度傳感器的內部電路框圖
主要包括以下6部分：①1MHz方波振蕩器；②加速度傳感器；③同步解調器；④前置
放大器A1；⑤基準電壓源，可產生3.4、1.8V和0.2V三種基準電壓，其中的3.4V基準電壓從Uref引腳輸出，1.8V作為緩沖放大器的參考電壓；⑥緩沖放大器A2，其輸出電壓為U0。需要指出Urp 、Uin、和 U0端需通過電阻網絡R1-R3相連，改變這些電阻值，即可設定輸出電壓的比例系數Kg。根據需要，還可接阻容網絡，構成交流耦合式加速度計。C1用來設定同步解調器-3dB帶寬，C2為振蕩器退耦電容，C3為電源退耦電容。
加速度傳感器的內部結構如圖1-2-2-2所示。
圖1-2-2-2 加速度傳感器的內部結構
在工字梁上分布著46個敏感單元。圖中的虛線框就表示其中一個敏感單元，內有一對
平行板式差分電容Ca、Cb。電容的中心極板固定在工字梁上。圖中的黑色區域表示支點。1MHz振蕩器產生兩路方波電壓U1和U2，二者的相位依次為0、180，分別加至Ca、Cb。的上下極板上。極板面積為S，介電常數為。令加速度為零時兩極板的距離為d，此時Ca=Cb=S/do.因為Ul、U2的幅度相等，相位差為180。所以Ul=—U2，二者互相抵消后，該敏感單元的輸出電壓Uo1=0，表示加速度為Og。當傳感器受到方向向下的慣性力或沖擊時，中心極板就產生位移量d1，使差分電容星不對稱結構，C。=eS/(do+d1)，Ch=eS/(do- d1), 即Ca
KKR=gPR3=(200mV/g)3
1R1
舉例說明，當R3=R1時，Kg=200mV/g；當R3| R1=2時，Kg=400mV/g，依次類推。
2.1 直流耦合式加速度計
直流耦合式加速度計的電路參見圖9-15。取Ri=50k、R2=274 k、R3-100k時，
可以測量-5~ +5g范圍內的加速度。在Og時，UO=2.5V，- 3dB增益帶寬為O--
+ 1.6kHz。輸出電壓的比例系數Kg=400mV/g。設被測加速度a=ng，有公式
U=1.8（1+0R3+1R23）—UPR=ng RKg31
將Kg=400mV/g代人式(9-8)中得到，UO=400n(mV)o假定已知n≤5，即Uo≤2000mv，
能直接用2v兩成的數字電壓表來測量U0，再將顯示值除以nKg，就得到被測加速度值。
2.2 交流耦合式加速度計
交流耦合式加速度計能夠消除由重力加速度和Og漂移所造成的影響，其電路如圖2-2 所示。
圖2-2 交流耦合式加速度計的電路
C4為耦合電容，能起到隔直流的作用。由R1、C4構成的高通濾波器下限頻率為fl=1／
（2丁cR．C4），對信號的衰減量為- 2dB。對低于fL的頻率，則按- 6dB/十倍頻程的速率進行衰減，即頻率降低到原來的I/IO時，信號就被衰減- 6dB。
2.3 ADXL05的校準方法
(1)校準極性。利用重力加速度即可校準ADXL05的極性。如圖2-3-1所示，
圖2-3-1 利用重力加速度可校準ADXL05的極性
(a) 敏感軸水平向右； （b）敏感軸水平向左 ； （c）敏感軸垂直向下； （d）敏感軸垂直向上；
當敏感軸與地面平行時，傳感器的輸出電壓就對應于Og。當敏感軸與地面垂直時，輸
出電壓就對應于一lg（敏感軸方向朝下），或者Ig（敏感軸方向朝上）。利用上述特性很容易校準傳感器的極性。
(2)自檢。給自檢端ST接上一個TTL或CMOS高電平時，ADⅪD5就進入自檢模
式。此時UPR應變化一IV，若超過(一lt0.15)V，即認為傳感器或外圍電路發生了故障。
能校準Og的自檢電路如圖2-3-2所示。
圖2-3-2 能校準Og的自檢電路
RP為校準Og電平的微調電位器。R1a用來校準Kg。由和構成緩沖放大器的單極性后
置濾波器。進行自檢時，首先將敏感軸置于如圖所示的位置，然后調整RP，使U0=2.5V。再依次使敏感軸處于如圖（c）(d)的位置，U0的變化量就對應于2g的加速度。
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