一种新型三维方向和加速度传感器*

2014-09-25曾体贤王茂州杨尚云毛玺麟

传感器与微系统 2014年5期

黄超，曾体贤，王茂州，杨尚云，毛玺麟

(西华师范大学物理与电子信息学院，四川南充 637009)

0 引言

传感器在各种系统中是不可缺少的且在一定程度上决定系统性能[1]。随着微电子技术、光电技术的迅速发展和工艺成熟，促进了微传感器、智能传感器、MEMS器件等新一代先进传感器的发展[2]。角度传感器按转换原理不同有很多实现形式,如光栅式、加速度计式、电容式等。根据不同形式又可分为变面积、变间隙、变介电常数等类型[3]。固体摆锤式与液体摆式原理的倾角传感器研究比较成熟，且应用广泛，但容易受机械震动[4]等外界干扰；磁阻式角度传感器虽然能够进行精确角度测量，但是不便于安装，且不便于校准[5]；另外，温度补偿和线性补偿时软件补偿需一对一调试补偿，过程复杂、繁琐[6]。

本文提出一种新型的三维方向和加速度传感器,可检测被测物体三维运动信息。本装置结构简单，成本低，抗干扰能力强，有较好的实用前景。

1 设计思路

图1所示为一维传感器结构，传感器的基本原理是通过水银(其他低电阻率、沾滞系数较低的导电液亦可)在外力作用下流动与裸置的环形电阻丝不同位置连接形成回路，进而返回对应电信号。由3只一维方向传感器配件相互垂直放置可构成三维方向传感器，3只二维传感器在使用时只使用其中2只，原理相同。2只一维传感器返回的电信号组成的数组与测试方向或加速度大小方向呈一一对应关系，经过处理后，即可获被测物体三维方向或加速度的大小方向。

传感器配件外型设计时，其内部边缘接触部分向圆心略成角度。配件平置时，水银小球自动滑落至凹槽内，防止误判。使用时端口5的a，c输入恒定电压U(a为高电位，c位低电位)。在配件方向发生偏移或者加速度作用下，水银小球会沿着边缘滚动，1，2端口被短接，电信号由b传出。假设端口处为起点0点，相对0点偏转角度φ满足

(1)

图1 一维传感器结构图

构成三维方向传感器暨加速度传感器时，便于数据采集与处理，3只一维传感器平面相互垂直放置。本文设计了2种常用组合方案，如图2所示，其一是将3只(大小相同或者不同)传感器分别置于正方体相互垂直的3个面上；其二是3只传感器呈环形，由大到小依次包容。

图2 传感器外型图

2 工作原理和信号处理

2.1 方向传感器

如图3所示，正方体A1B1C1D1-O1E1F1G1为外壳。被测试的平面为XOY，n为平面的法相向量。初始时，水银球处于竖直方向位置，对应方向的起点原点O，物体运动过程中，XOZ平面内水银球相对于O点偏移角度为φa，YOZ平面内水银球相对于O点偏移角度为φb

(2)

图3 传感器原理图

2.2 加速度传感器

(3)

2.3 信号处理模块

信号处理模块如图4所示，传感器三端口分别为高电平端口、低电平端口和信号输出端口。传感器高端或低端串接限流电阻器(如1 kΩ)，输出信号经过10位的模/数转换器(如ADC TLC1543)转换成数字信号，再经处理器分析，即可获取物体运动过程中的方位和加速度数值。

图4 信号处理电路图

2.4 测试数据

实验中采用VCC=5 V，限流电阻R=1 kΩ，每只传感器配件上的环形电阻R0=1 kΩ，接线端口处于最下端使用。A1OE1D1和D1E1F1C1面上的2只传感器，对应输出数据为Ua，Ub，测试平面为XOY平面，最后输出的数据为竖直方向分别与XOZ面和YOZ面投影的夹角，水平时返回数据为0。部分实验数据如表1所示。

作为加速度传感器时，部分实验数据如表2所示。从表中可以看出：不论作为方向传感器还是加速度传感器，数据精度可达较高(小数点后2位)，能准确快速地确定物体方位、倾角、加速度大小与方向。