加速度传感器的原理及使用方法

1. 什么是加速度？

在您用微控制器创建作品的时候，是不是经常遇到希望作品根据“运动”而执行相应动作的情况？例如，当摇动它时颜色会发生变化，当倾斜它时会发出声音……在这种情况下，通常可以使用所谓的“加速度传感器”来实现。加速度传感器也分为不同的类型。

那么，加速度传感器可以测量的“加速度”到底是什么样的物理量呢？可能很多人会理解为“运动”或“冲击强度”，下面让我们先来了解一下加速度。当您打开物理教科书时，上面通常会这样写着：

物体位置随时间的变化（时间微分）就是速度（单位：［m/s］）

物体速度随时间的变化（时间微分），即位移对时间的二阶微分就是加速度（单位： ［m/s2］）

用公式来表达时是这样的（不擅长公式的可以忽略。准确地说，x、v、a通常是三维向量）：

相对于位置x，速度v=dx/dt，加速度a=d2 x/dt2

另外，该加速度a与施加在物体上的力F成正比。也就是说，如果物体的质量是m，那么F=ma（称为“运动方程”）。

换句话说，只要能检测出加速度，就可以求得施加在物体上的力。

重力加速度

顺便提一下，由于重力也是作用在物体上的力，因此也会产生加速度（重力加速度：9.8［m/s2］）。换言之，通过测量静止（准确地说是加速度为零=匀速运动）物体的三维加速度，可以知道该物体相对于水平面的倾斜度（方向）。

此外，微分和积分是互逆运算的关系，因此，如果对位置进行微分计算，将得到速度值；如果对速度进行积分计算，则得到位置值。另外，对加速度进行两次积分可以获得位置值。也就是说，只要能测量出加速度，就可以求得物体的速度和位置。

获取物体位置的方法有多种，例如，如果是在户外，可以使用GPS进行测量，不过也有通过加速度求位置的方法。这种方法称为“航位推测（Dead Reckoning）法”，但实际上精度不是太高（因为这是通过数值计算来进行时间积分的，所以误差会累积），而且用很长时间求位置并不方便实际应用（多通过其他方法定期校正来使用）。

2. 与陀螺仪和罗盘配套使用

陀螺仪

经常与加速度传感器配套使用的传感器有“陀螺仪”和“罗盘”。

陀螺仪用来测量旋转物体的转速（角速度），在测量物体的方向和运动时，通常与加速度传感器结合使用。另外，罗盘通过检测地磁来测量方向（方位），其原理与指南针相同。与其他传感器不同，它的一个主要特点是可以测量相对于北方或南方的朝向（朝向的绝对值），而使用加速度传感器和陀螺仪，只能得到从开始测量时的变化量=相对值。

顺便提一下，加速度传感器与陀螺仪相结合的传感器通常称为“六轴传感器”，再配上罗盘的传感器通常称为“九轴传感器”。加速度、陀螺仪（角速度）和罗盘（方位）都是在三维空间中具有x、y、z三个分量的产品，都是三轴传感器。

3. 加速度传感器的使用方法

抱歉，基础知识类的内容有点长了。我想大家已经知道可以用加速度传感器测量哪些物理量了，下面我们来了解一下实际使用方法。例如，在Switch Science网站可以买到Grove标准的模块，与Arduino和Raspberry Pi等配合使用很方便。

与微控制器配合使用时的使用方法与其他传感器大致相同，例如，与Arduino配合使用时，流程通常是先安装库，然后打开示例草图并运行。

Arduino的加速度传感器示例草图例

顺便提一下，过去根据加速度的大小输出电压的产品类型（模拟输出）很多，这类产品必须使用x、y、z轴三个轴的A/D转换器（模拟输入端口）。然而，最近大部分产品都可以像其他传感器一样直接连接I2C总线使用了。

4. 加速度传感器的原理

直到最近，加速度传感器才变得更易于使用。这是因为微细加工技术的进步在其中发挥了重要作用。

加速度传感器的原理

加速度传感器的测量需要使用上图所示的结构。当施加加速度时，就会被施加因加速度产生的力（惯性力），从而产生变形。这样，图中虚线包围部分的距离会发生变化。这部分可以看成是两个导体相对的结构，也就是一个电容器，其距离的改变意味着电容器的电容量发生了变化。可能有些人还记得在高中物理中学过的平行板电容器C的公式C=ε S/d。

测量电容器容量变化的方法有很多。其中包括测量振荡电路频率变化的方法，以及测量恒流充电时电压变化的方法。电容器的电压V可以根据与存储的电荷Q的关系，通过V=Q/C求得。

在半导体芯片内部形成这种结构的技术称为“MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）”，随着半导体加工和制造技术的进步，在1990年左右达到了投入实际应用的水平。使用这种技术可以制作约10μm的非常小的结构。这使得在半导体芯片上不仅可以创建电气电路和电子电路，还可以创建处理力等物理量的结构。

第一款采用这种MEMS结构的加速度传感器产品是ADI公司于1993年推出的ADXL50。

ADI公司ADXL50的传感器部分

一旦能够将MEMS集成到半导体芯片中，处理从中获得的信号就是电子电路的擅长领域了。随着半导体芯片中集成的功能越来越多，比如放大、降噪、A/D转换，甚至与I2C等数字控制信号的接口，最近的产品已经能够很轻松地进行高精度测量了。

顺便提一下，前面介绍的角速度传感器陀螺仪也采用了MEMS结构。角速度是通过角速度产生的“科里奥利力”引起的结构变形来测量的。

5. 扩展到气压计和麦克风

具有MEMS结构的传感器还有其他产品。例如，测量大气压的气压传感器也测量压力带来的结构变形。如今，这些气压传感器也变得越来越易于使用。

另外，最近越来越多拾取空气中振动（即音源）的麦克风也开始采用MEMS结构。MEMS结构的麦克风比以前常用的动圈式和电容式麦克风更小型、更便宜。其中，模拟电压输出和脉冲密度根据音量而变化的PDM（Pulse Density Modulation=脉冲密度调制）输出的产品比较多。