一種新型三維方向和加速度傳感器*

黃 超， 曾體賢， 王茂州， 楊尚云， 毛璽麟

(西華師范大學 物理與電子信息學院，四川 南充 637009)

0 引 言

傳感器在各種系統中是不可缺少的且在一定程度上決定系統性能[1]。隨著微電子技術、光電技術的迅速發展和工藝成熟，促進了微傳感器、智能傳感器、MEMS器件等新一代先進傳感器的發展[2]。角度傳感器按轉換原理不同有很多實現形式,如光柵式、加速度計式、電容式等。根據不同形式又可分為變面積、變間隙、變介電常數等類型[3]。固體擺錘式與液體擺式原理的傾角傳感器研究比較成熟，且應用廣泛，但容易受機械震動[4]等外界干擾；磁阻式角度傳感器雖然能夠進行精確角度測量，但是不便于安裝，且不便于校準[5]；另外，溫度補償和線性補償時軟件補償需一對一調試補償，過程復雜、繁瑣[6]。

本文提出一種新型的三維方向和加速度傳感器,可檢測被測物體三維運動信息。本裝置結構簡單，成本低，抗干擾能力強，有較好的實用前景。

1 設計思路

圖1所示為一維傳感器結構，傳感器的基本原理是通過水銀(其他低電阻率、沾滯系數較低的導電液亦可)在外力作用下流動與裸置的環形電阻絲不同位置連接形成回路，進而返回對應電信號。由3只一維方向傳感器配件相互垂直放置可構成三維方向傳感器，3只二維傳感器在使用時只使用其中2只，原理相同。2只一維傳感器返回的電信號組成的數組與測試方向或加速度大小方向呈一一對應關系，經過處理后，即可獲被測物體三維方向或加速度的大小方向。

傳感器配件外型設計時，其內部邊緣接觸部分向圓心略成角度。配件平置時，水銀小球自動滑落至凹槽內，防止誤判。使用時端口5的a，c輸入恒定電壓U(a為高電位，c位低電位)。在配件方向發生偏移或者加速度作用下，水銀小球會沿著邊緣滾動，1，2端口被短接，電信號由b傳出。假設端口處為起點0點，相對0點偏轉角度φ滿足

(1)

圖1 一維傳感器結構圖

構成三維方向傳感器暨加速度傳感器時，便于數據采集與處理，3只一維傳感器平面相互垂直放置。本文設計了2種常用組合方案，如圖2所示，其一是將3只(大小相同或者不同)傳感器分別置于正方體相互垂直的3個面上；其二是3只傳感器呈環形，由大到小依次包容。

圖2 傳感器外型圖

2 工作原理和信號處理

2.1 方向傳感器

如圖3所示，正方體A1B1C1D1-O1E1F1G1為外殼。被測試的平面為XOY，n為平面的法相向量。初始時，水銀球處于豎直方向位置，對應方向的起點原點O，物體運動過程中，XOZ平面內水銀球相對于O點偏移角度為φa，YOZ平面內水銀球相對于O點偏移角度為φb

(2)

圖3 傳感器原理圖

2.2 加速度傳感器

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2.3 信號處理模塊

信號處理模塊如圖4所示，傳感器三端口分別為高電平端口、低電平端口和信號輸出端口。傳感器高端或低端串接限流電阻器(如1 kΩ)，輸出信號經過10位的模/數轉換器(如ADC TLC1543)轉換成數字信號，再經處理器分析，即可獲取物體運動過程中的方位和加速度數值。

圖4 信號處理電路圖

2.4 測試數據

實驗中采用VCC=5 V，限流電阻R=1 kΩ，每只傳感器配件上的環形電阻R0=1 kΩ，接線端口處于最下端使用。A1OE1D1和D1E1F1C1面上的2只傳感器，對應輸出數據為Ua，Ub，測試平面為XOY平面，最后輸出的數據為豎直方向分別與XOZ面和YOZ面投影的夾角，水平時返回數據為0。部分實驗數據如表1所示。

作為加速度傳感器時，部分實驗數據如表2所示。從表中可以看出：不論作為方向傳感器還是加速度傳感器，數據精度可達較高(小數點后2位)，能準確快速地確定物體方位、傾角、加速度大小與方向。

表1 方向傳感器測試數據

表2 加速度傳感器測試數據

3 結 論

新型三維方向傳感器暨加速度傳感器作為方向傳感器時，可以測出靜止、勻速運動或者加速度較小的物體偏移的三維角度；作為加速度傳感器時，可以測出平動且加速度變化較小的物體的加速度。該三維方向暨加速度傳感器使用簡單方便、精度高、制作成本低，具有較好的應用前景。

參考文獻:

[1] 孫圣和.現代傳感器發展方向[J].電子測量與儀器學報，2009，23(1)：1.

[2] 高 峰，谷 雨.一種電容式角度傳感器[J].儀表技術與傳感器，2009(8):18.

[3] 朱言彬.傳感器技術最近進展和市場機遇[J].傳感器技術，2000,19(3):1.

[4] 陳占先,張福學,李興教.氣體擺式傾角傳感器[J].壓電與聲光，1995,17(2):20.

[5] 隋洪江，周 濱.電容式傾角傳感器在底盤懸掛系統中的應用[J].傳感器與微系統，2012,31(6):150.

[6] 樸林華，崔雪梅.微機械氣流式傾角傳感器的研究[J].傳感器與微系統，2011,30(12):60.