加速度计和陀螺仪传感器：原理、检测及应用

　　2. 灵敏度 (mV/g或LSB/g)：灵敏度衡量最小可检测信号，或输入级每次变化时输出电信号的变化。与检测频率点相关。

　　3. 电压噪声密度(µg/SQRT Hz)：电压噪声随带宽的平方根倒数变化。我们读取加速度计的速度变化越快，得到的精度越差。工作在输出信号较小的较低g条件时，噪声对加速度计性能的影响较大。

　　4. 0g电压：该指标表示加速度为0g时预计输出电压的范围。

　　5. 频率响应(Hz)：以容限范围(±5%等)给出频率范围，在该频率范围内，传感器将检测运动并提供有效输出。规定的容限范围使用户能够计算器件在规定频率范围内的任何频率下相对于参考灵敏度的偏差。

　　6. 动态范围(g)：加速度计可测量的最小检测幅值与输出信号失真或削波之前最大幅值之间的范围。

　　6 加速度计与陀螺仪的比较

　　介绍MEMS应用之前，我们必须理解加速度计与陀螺仪之间的不同。加速度计测量沿一个或多个轴的线性加速度(单位为mV/g);陀螺仪测量角速度(单位为mV/deg/s)。如果我们使加速度计进行旋转(例如俯仰)(图8)，d1和d2的距离不发生变化。所以加速度计的输出不响应角速度变化。

　　我们可构建不同的传感器，包含谐振传感器的内部框架通过弹簧连接至基片，与谐振运动成90度角(图9)。那么我们就可以通过检测内部框架和基片之间安装的电极电容，测量科里奥利加速度。

　　6 加速度计和陀螺仪应用

　　加速度计很久以来被广泛用于汽车领域，用于检测汽车碰撞，或在正确的时间开启气囊。其在移动领域的应用也很普遍，例如肖像和风景模式之间切换、轻触切换至下首歌曲、设备放在口袋时通过衣服轻拍，或者防抖动拍摄及光学稳像。

　　7 室内导航

　　加速度是速度的变化速率：

　　通过单次或二重积分，我们可根据加速度计输出分别获得速度和距离信息。通过增加陀螺仪提供的信息，即可利用特殊技术跟踪物体相对于已知起点的位置和方位。该信息用于室内导航，无需外部参考或GPS信号(图10)。

　　8 光学稳像

　　人类手臂晃动的频率极低(10Hz至20Hz)。用最小、最轻的智能手机及照相机拍摄图片时，手会发生抖动，造成图像模糊。诸如光学缩放等特性加剧了这一问题，使图像更加模糊。

　　假设一部SVGA照相机的分辨率为800x600像素，视角为45度，传感器水平漂移为0.08度。45/800 = 0.056度，对应于1.42像素的模糊。随着照相机分辨率的提高，模糊覆盖更多像素，造成图像失真更严重。

　　基于陀螺仪的光学稳像(图11)及修正软件通过将机械陀螺仪的测量数据发送至微控制器及直线电机，以移动图像传感器，从而补偿图像模糊。

　　9 手势控制

　　我们可将MEMS加速度计传感器用于无线鼠标的手势控制、轮椅方向控制或Wii®控制台中的陀螺仪。其它例子还包括利用手势控制电视上光标的智能设备、“虚拟”旋钮，甚至利用手持式无线传感器单元控制外部设备的手势命令。

　　10 结论

　　MEMS加速度计传感器和陀螺仪长久以来已经广泛用于运输、太空、工业机器人及汽车领域。但其应用的多样性现在已经扩展至智能手机，为我们提供了与智能设备进行运动和手势交互的全新方式。理解MEMS行为以及加速度计或陀螺仪的特性，使设计者能够为大批量应用设计更高效和低成本产品。这些MEMS器件也允许我们创建新的应用，颠覆运动、身体活动及手势对我们日常生活的影响。