如何用加速度计提高倾角测量精度

倾角测量的典型应用

在乘用车上，电动驻车制动器(EPB)被用于使汽车在平坦的分级道路上保持静止。这是通过用一个单轴或双轴加速度计测量倾角来实现的。一般做法是将一个X轴/Y轴或Z轴低g加速度计装在EPB控制单元中一个专门的模块中。现在，越来越多的汽车配有ESC（电子稳定控制）功能，在单个芯片中集成了组合式低g加速度计和陀螺仪。这样做是为了防止汽车侧滑和翻车；如今，ESC功能已经成为世界各国或地区法律的强制要求。如果通过组合器件（单芯片、组合式加速度计和陀螺仪）实现倾角测量，则不必在车上安装一个独立的EPB模块，结果可以大幅降低汽车的成本。由于组合器件通常用于ESC，所以并未针对倾角检测优化，并且通过组合器件测量倾角时，测量精度有时无法达到要求。由于组合器件是XY轴或XYZ轴，所以通常用X轴进行倾角测量，EPB模块中的部分传统型低-g加速度计使用的是Z轴，因为它是垂直安装在发动机舱里的。检测轴应该与重力垂直，才能取得更高的精度——我们稍后会讨论这一点。

图1. X轴和Z轴加速度计的安装示意图。

对于汽车中的倾角测量，评估精度是非常重要的。不妨想像，您的车停在绝对平坦的地面，因此，加速度计计算的倾角应该是0°。如果您的车停在斜坡上，就应该精确地检测出倾角，以便正确地激活刹车系统。

图2. X轴检测倾角测量示意图。

图3. sinθ对θ随θ增大而下降的灵敏度。

由于sin θ是一个非线性函数，所以，AOUT与θ之间的关系是非线性 的，在接近零时其线性度处于最佳状态，即其此时具有最佳的测量精度。随着θ的增大，测量精度下降。这正是检测轴应与重力垂直的原因，因为道路坡度将接近零

对于汽车倾角测量，不必在全斜坡坡度的条件下考虑系统。现实世界中，道路上的绝大多数斜坡坡度不会超过30°。我们只需要分析在±30°的范围内分析贡献因素的精度即可。

影响系统级测量精度的贡献因素有多个：

●灵敏度误差和初始绝对失调

●非线性度

●与初始绝对失调的总失调变化

●噪声

灵敏度误差和初始绝对失调

灵敏度误差

灵敏度是对输入-输出测得的传递函数的斜率，通常为+1g和–1g。灵敏度误差为器件间的灵敏度偏差。例如，有些加速度计的最大灵敏度为3%。

图4. 输入-输出加速度灵敏度误差。

初始绝对失调

范围内的失调约为25℃；例如，在模块制造完成后立即测量的值为25℃±5℃。初始绝对失调表示大量器件的实测偏移值的标准差。

两点校准

对于倾角测量应用，两个主要的误差来自失调误差和灵敏度误差。这两种误差会导致不可接受的检测结果，因此不得忽略。如果我们希望消除这些部分误差，则应对加速度输出进行校准。一般地，要对倾角测量的失调和灵敏度进行一次校准。若要考虑失调和灵敏度误差，则加速度计输入与输出的关系为：

有两种基本校准技术；其中一种是单点校准。这种校准的具体做法是在加速度计上施加一个0g场，然后测量输出。这类校准只能用于校准失调误差，不能校准增益误差。然后，从实际输出值中减去0g场里的输出结果，消除失调误差。这种校准方法非常简单，但精度不足，因为仍然存在灵敏度误差。另一种方法是1g翻转校准，在+1g和–1g时采用两点校准，并在每个+1g和–1g场内按照以下公式测量加速度输出：

非线性度

器件的非线性度为测得加速度(AMEA)与理想线性输出加速度(AFIT)之间的最大偏差。加速度测量数据集应包括加速度计的满量程范围。其测量方式为Max(|AMEA– AFIT|)。

图5. 器件非线性度。

其中：

AMEA为给定gn下的测得加速度。

AFIT为给定gn下的预测加速度。

多数加速度计或组合器件在给定输入加速度计范围内均存在非线性——例如，30 mg ± 2g的范围。对于倾角测量应用，输入坡道斜率在±30°以内，这意味着输出加速度范围在±500 mg (±1g× sin 30°)以内，所以应重新评估该范围内的非线性度。由于非线性度在整个输入范围内是非线性的，所以，很难准确地量化评估这部分误差。然而，由于该器件的数据手册通常都很保守，线性度为30 mg，输入范围为±2g，用10 mg计算±500 mg范围内的误差更合理些。

与初始绝对失调的总失调变化

与初始绝对失调的总失调变化为温度、应力和老化效应导致的失调的最大偏差。该偏差是相对于给定器件的初始绝对失调进行测量的。这是精度总误差的主要贡献因素。

在温度、应力、老化等所有这些因素中，变化与温度在总失调变化中占比很大。一般地，变化与温度曲线是二阶曲线，通常为旋转抛物线。为了消除这部分误差，可以在系统级执行三点校准。对于给定器件，可按下列步骤校准输出失调随温度的变化值。

第1步：

使器件的输出响应以某个 ∆N0值偏移。温度校准流程的第一步是 消除环境温度下的失调。

图6. 第1步：消除环境温度下的失调。

图7. 第2步：在消除环境温度下的失调之后。

第2步：

接下来，在高温下测试器件，用获得的新信息生成失调校正线性公式。

图8. 第3步：消除高温下的抛物线旋转分量。

图9. 第4步：在消除高温下的抛物线旋转分量之后。

第3步：

给现有公式添加一个二阶分量，校正失调剩余部分。设二阶曲线遵循以下公式：

这是二阶抛物线公式，已经通过第1步和第2步消除了旋转分量。

在该公式中，该二阶抛物线有三个解：

然后，我们可以得到温度系数 a, b, c.

图10. 第5步：添加二阶分量，消除剩余失调。

有关△N0, △N1, △N2, a, b, c 的所有温度系数信息应该存储在系统非易失性存储器中，同时需要一个板载温度传感器。系统会在每次上电后例行校准加速度计，确保消除失调随温度的变化值。

噪声

基于单个数据样本测量倾角不一定可靠。即使加速度计的噪声为零，倾角测量也是在汽车启动时测量的，所以，需要减小发动机、过往车辆或乘客在车上来回移动导致的任何振动。最好的办法是在不降至最低数据速率要求的条件下，在尽量长的时间内做数据平均。数据平均算法会减少rms噪声。

假如我们对噪声采样，结果可得到每个样本的方差

以上推导显示，对同一未校正噪声的n次实现求均值可使噪声功率减少n倍，并使rms噪声减少√n。

由于随机噪声受高斯分布影响，所以，rms噪声等于高斯分布的标准差。6σ以内的最小分布为97%。

例如，如果以1 kSPS的采样率对每100 ms的数据求均值，则最大rms噪声 = 0.4 mg，即是说如果以6σ作为与平均值的距离，则此时的峰值噪声仅为2.4 mg。

用于与rms值相乘的因数取决于器件要执行的任务的统计需求。例如，如果选择6作为因数（峰峰值噪声为6 × RMS_Noise），则算法在器件生命周期内要运行的次数会影响超过最差情况6 × RMS_Noise 的概率。可总结如下：

E=M×r

E为在生命周期内超过最差情况的预期次数，M为生命周期内的运行次数，r为超过最差情况的概率。基于此，我们可以通过乘以rms噪声评估出一个合理的因数。 小结

以ADI公司的ADXC1500/ADXC1501（组合式陀螺仪和2轴/3轴加速度 计）为例，所有误差贡献项均列于表1中，包括校准和不校准两种情况。我们可以假设，总失调变化为二次曲线，并且其在温度范围内的变化占总失调变化的80%。另外，以6为因数乘以最大rms噪声。

一个陀螺仪和一个三轴加速度计的单芯片集成方案可以实现多种新型应用，尤其是在汽车安全系统和工业自动化应用领域。为了设计更加可靠、高精度的汽车安全系统，例如，稳定的电子控制系统(ESC)和侧翻检测系统，尽量减少系统误差至关重要。汽车中已安装这些传统型底盘控制系统，包括防抱死制动系统、牵引控制和偏航控制系统。

表1. 校准前后的误差贡献

加速度传感器是什么？一文总结加速度传感器原理，几分钟带你搞懂

大家好，我是李工，创作不易，希望大家多多支持我。

在这之前给大家简单地介绍了一下压力传感器，大家如果错过的，点击下方标题可以直接跳转。

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这篇文章将给大家介绍一下加速度传感器 。

加速度传感器是什么？

加速度传感器 是一种能够测量物体加速度 的传感器，在运动过程中，通过测量质量的惯性力和牛顿第二定律得到加速度 。

根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器有电容式、电感式、应变式等。

如下图所示，PCBA上被黄色圈出来的地方为一个加速度传感器。

加速度传感实物图

通过测量重力加速度，可以计算出设备相对于水平面的倾斜度，也可以通过分析动态加速度来计算设备的运动。

一些智能手表会有安装加速度传感器和陀螺仪芯片技术。

加速度传感器如何测量加速度？

加速度传感器沿三个轴运动：

加速度计轴读数以浮点值的形式提供，以 m/s^2 为单位。

具体的如下图所示：

加速度传感器原理-如何工作？

加速度传感器经常用于大型电子设备的简单电路，尽管外观不起眼，但加速度传感器以多种方式工作，其中两种是压电加速度计 和电容加速度计。

压电加速度传感器--压电效应

压电加速度传感器 主要应用的是压电效应 ，压电效应是最流行的形式。主要使用加速力而受到的微观晶体结构，压力会在晶体中产生电压，加速度传感器将这个压力转换为速度和方向。

压力加速度传感器

压力加速度传感器--压电效应的工作原理

压力加速度传感器原理图

如上图的模型所示，加速度传感器包含微观晶体结构，当发生振动时会产生电压，然后产生的电压会产生加速度的读数。

电容式加速度传感器-电容变化

电容加速度传感器 感应结构之间的电容变化 。如果加速力移动这些微结构中的一个，则电容会发生变化，并且加速度传感器会将此电容转换为电压以进行解释。

电容式加速度传感器

电容加速度传感器--电容变化的工作原理

力 = 质量 x 加速度，所以要找到加速度，它需要存在的力 / 物体的质量。这就是电容加速度传感器中电容效应的工作原理：

电容加速度传感器原理图

加速度传感器的功能--加速传感器倾斜角度

加速度传感器可用于测量倾斜角。由重力引起的加速度的持续测量可以用加速度传感器来测量。具体的如下所示：

加速度传感器测量倾斜角

加速度传感器的功能--加速传感器跟踪运动

虽然很容易认为使用加速度传感器来跟踪物体随时间的位置是比较简单的，但是使用加速度传感器跟踪绝对位置还是没有那么容易。

加速度传感器的功能--加速传感器测量振动

加速度传感器可用于测量振动的频率和幅度 。加速传感器可用于测量小到人类无法察觉到的加速度效应，例如检测地震事件或测量建筑物的共振频率。

可以测量的振动频率范围和振幅取决于加速度计的速度和噪音水平，为了得到一相对准确的结果，确保加速度传感器的数据速率至少比最快振动频率快 4 倍，还需要确保加速度传感器的本底噪声明显小于信号预计。

加速度传感器的功能--加速传感器测量高频振动

如果你将加速度传感器安装在比加速度传感器测量速度更快的强烈振动的机器上，有可能存在混叠效应和偏移，从而影响测量。

如果你测量的结构可能会产生高频振动，建议使用某种防震架将加速度传感器与这些振动隔离开来，通常是由橡胶、松紧、或者弹簧制成的比较简单的物件。

加速度传感器的应用领域

加速度传感器在各个领域发挥着重要作用，包括工业、医疗、社会应用和国内应用，用于监测各种物体的运动。

加速度传感器 主要用于汽车安全气囊 、防抱死制动系统 、牵引力控制系统 等的安全性能中。

加速度传感器 可以检测上、下、左、右倾角 的变化，因此通过向前倾斜手持设备来控制游戏中物体的前后左右方向非常简单和落后。

使用加速度传感器检测手持设备的旋转和方向，实现对待显示图像的归一化 。

1、保持图像清晰

使用加速度传感器检测手持设备的振动/抖动幅度 ，当振动/抖动幅度过大时，锁定相机快门，使拍摄的图像始终清晰 。

2、计步器

加速度传感器 可以检测交流信号和物体的振动 。人走路时会产生一定规律的振动，加速度传感器可以检测到振动的过零点，计算出人的步数或跑步者的步数 ，从而计算人移动的位移 ，并且使用一定的公式可以计算卡路里消耗 。

3、确定手机标题

加速度传感器根据 手机标题的方式在横向和纵向模式之间旋转显示。

加速度传感器通过测量磁通量的大小来确定方向。当加速度传感器倾斜时，通过加速度传感器的磁通量会发生变化，导致方向误差。加速度传感器可以测量倾斜角度的原理可以补偿电子罗盘的倾斜。

GPS系统 通过接收以120度分布的三个卫星信号来确定物体的位置。在一些特殊的场合和地形，如隧道、高楼、丛林地区，GPS信号会变弱甚至完全丢失，这就是所谓的死胡同。

通过安装加速度传感器 和我们之前使用的惯性导航，可以测量系统的死区 。将加速度传感器积分一次就变成了单位时间的速度变化量，从而测量死区中物体的运动。

笔记本电脑中的加速度传感器 可保护硬盘驱动器免受损坏。如果笔记本电脑在使用过程中摔倒，加速度传感器会检测到摔倒并立即关闭硬盘驱动器，以避免读取头撞到硬盘驱动器盘片。

以上就是关于加速度传感器的一些知识，希望大家多多支持我。

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