加速度计基础知识

什么是加速度计？

加速度计是一种用于测量加速度的设备。 加速度是一个物理量，表示单位时间内速度的变化量，是理解物体运动状态的重要指标。

加速度计根据测量方法大致分为三类：“电容法”、“压电（压电）法”和“热感测法”。 可检测的加速度类型因方法而异;电容式方法可以检测引力加速度，而压电方法则无法检测。

加速度计的应用

加速度计大致分为两类：一种是测量加速度本身的，另一种是利用加速度获取其他信息的。

前者的例子包括内置于智能手机和掌上游戏机中的运动传感器、用于激活汽车安全气囊的震动传感器以及地震仪。

后者包括使用电容加速度计的倾斜计和计步器，这些加速度计能够检测重力加速度，根据重力方向和行走时的振动模式计算倾斜和步数。

加速度计原理

虽然加速度计的探测机制因方法而异，但其基本结构是相同的。 传感器内部有一个固定部件，位置不变，另一个运动部件随加速度运动;加速度施加时，运动部件变形。 检测元件读取固定部件与运动部件之间的位移，并测量加速度。

1. 电容法原理

在电容式传感器中，电极分别安装在固定和可移动部分，交替排列成楔形结构。 加速度时，运动部件移动，电极间距变化，导致电容发生变化。 这是一种从变化量计算加速度的机制。

电容法即使未施加加速度（仅有引力加速度作用）也具有电容，这使得测量引力加速度成为可能。 利用这一特性的代表性应用是计步器，图1展示了使用三轴加速度计信号处理的示例。

2. 计步器信号处理

数据（a）是传感器测量的物体重心加速度数据，包括三个轴向分量x、y和z。 这些数据包括引力加速度，通过应用低通滤波器，只能提取引力加速度，如数据（b）。

此外，通过对数据（a）应用带通滤波器，可以去除重力加速度成分和高频噪声，使数据（c）仅提取由行走引起的加速度波动。

数据（b）和数据（c）是三轴的时间序列数据，随着传感器行走方向的变化，每个轴上的数值也会变化。 因此，通过计算数据（b）和数据（c）在每个时间点的点积，数据可以转换为表示重力方向（单轴）加速度分量的数据，例如数据（d）。

这使我们能够获得行人沿重力方向的加速度波动，并从循环次数计算行走的步伐，计算步数。

3. 压电（压电阻）方法的原理

在压电方法中，加速度通过压电元件测量。 当加速度施加且压电元件变形时，会产生电流，利用该电流的大小计算加速度。

然而，压电元件在恒定力（如重力加速度等静力）下不会产生电流，因此适合测量振动或冲击等动态加速度。

如何选择加速度计

选择加速度计时，基本方法是考虑测量范围、响应频率和测量轴数。

• 测量范围
  测量范围指传感器能测量的最大加速度。 对于电机振动测量，大约1G就足够，但对于压机冲击测量，则需要超过100G。 如果距离过宽，即使是细微变化也难以检测，因此选择适合测量目标的范围非常重要。
  
  

• 响应频率：
  响应频率是传感器能够准确追踪的振动频率范围。 对于倾斜检测等低频应用，几赫兹就足够了，但机械设备的振动分析可能需要超过数千赫兹的频段。
  
  

• 测量轴数量：测量轴
  数量大致分为单轴和三轴。 单轴类型仅测量单向加速度，可用于测量机械振动水平。 三轴类型用于识别振动的本质，因为它允许以正交分量的形式创建三维加速度矢量。