合肥无线加速度传感器

传感器专题之压电陶瓷加速度传感器
加速度传感器是测量加速度的传感器，应用较广的是压电加速度传感器，它采用石英、陶瓷等压电材料制作，具有频响宽、线性好等特点，广泛应用于航空、电力、化工、武器、船舶、汽车等领域的振动、冲击和爆炸等动态测试中。目前，易度传感主打国内市场的产品EA-192，**的诠释了这一应用。


压电加速度传感器是利用陶瓷的压电效应制成的一种加速度传感器。当压电陶瓷沿着一定方向受到外力作用时，内部会产生较化现象，同时在两个表面上产生符号相反的电荷。压电陶瓷加速度传感器常见的结构形式有基于压电元件厚度变形的压缩式加速度传感器、基于压电元件剪切变形的剪切式及复合型加速度传感器等3种。


下面以一种压缩式加速度传感器为例，简单介绍压电式加速度传感器的工作原理。其结构图如图所示，它主要由压电元件、质量块、**压弹簧、基座及外壳等部分组成。压电元件置于基座上用弹簧将压电元件压紧。测量加速度时，由于被测物体与传感器固定在一起，所以当被测物件作加速度运动时，压电元件也就受到质量块由于加速度运动产生的与加速度成正比的惯性力F作用，压电元件由于压电效应产生电荷q。

利用加速度传感器测量物体的倾斜角度
1 说明



测量物体的倾斜角度是加速器传感器的一种常见的应用。虽然其基本原理十分简单，但是在具体实现中仍然会遇到很多困难，比如倾斜角度的精度问题，数学计算过于复杂等等。本文将对精度问题进行详细讨论，并给出一种简化的计算方法。



2 基本原理



由于加速度传感器在静止放置时受到重力作用，因此会有 1g 的重力加速度。利用这个性质，通过测量重力加速度在加速度传感器的 X 轴和 Y 轴上的分量，可以计算出其在垂直平面上的倾斜角度。

这样，根据以上原理一个 2 轴加速度传感器可以测量在 X-Y 平面上的倾斜角度。



需要注意的是，2 轴加速度传感器只能测量 X 轴和 Y 轴上的重力分量，因而只能测量 因而只能测量 X-Y平面上的倾斜角度 。可是由于物体在空间倾斜的时候，很难**倾斜完全在 X-Y 平面上，这样只使用 2 轴加速度传感器进行测量会存在局限性，因此，我们考虑使用 3 轴加速度传感器。如下图所示，3 轴加速度传感器可以测量 X 轴、Y 轴和 Z 轴的重力分量，计算空间倾斜角度的公式可以推广为 。


这个公式就是本文中用来测量物体倾斜角度的基本原理。需要说明的是，这里利用的是物体在静止时受到重力的性质，如果物体同时也有运动加速度的话，那么这个公式将不再准确。所以必须为公式增加一个限制条件，即




3 硬件实现



目前，在消费类产品中使用的加速度传感器分为数字输出 （例如 ADXL345）和模拟输出 （例如 ADXL335）两种。数字输出的加速度传感器可以直接通过 I2C 或 SPI 总线与 MCU 进行连接；模拟输出的加速度传感器则需要使用 ADC 进行采样。现在，普遍使用的 MCU 中基本都有内置的 ADC 通道，所以无论是数字输出还是模拟输出的加速度传感器都可以非常容易地和 MCU 进行连接，进而实现测量功能。
加速度传感器技术原理


MEMS换能器（Transducer）可分为传感器（Sensor）和致动器（Actuator）两类。其中传感器会接受外界的传递的物理性 输入，通过感测器转换为电子信号，再较终转换为可用的信息，如加速度传感器、陀螺仪、压力传感器等。其主要感应方式是对一些微小的物理量的变化进行测量， 如电阻值、电容值、应力、形变、位移等，再通过电压信号来表示这些变化量。致动器则接受来自控制器的电子信号指令，做出其要求的反应动作，如光敏开关、MEMS显示器等。


目前的加速度传感器有多种实现方式，主要可分为压电式、电容式及热感应式三种，这三种技术各有其优缺点。以电容式3轴加速度计的技术原理为例。 电容式加速度计能够感测不同方向的加速度或振动等运动状况。其主要为利用硅的机械性质设计出的可移动机构，机构中主要包括两组硅梳齿（SILicon Fingers），一组固定，另一组随即运动物体移动；前者相当于固定的电极，后者的功能则是可移动电极。当可移动的梳齿产生了位移，就会随之产生与位移成比例电容值的改变。
无线传感器网络典型的网络结构和工作方式如下：
将大量传感器节点布置或抛洒到感兴趣的区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。每个节点都有自己控制的一个区域，通过感知设备，如温度、湿度、声音或光学设备，化学分析装置，电磁感应装置等，来对周围的物理环境进行监控，也可以通过配置一些专用的功能单元来实现与特定环境交互的功能。节点的通信距离一般较短，只能与自己通信范围内的其他传感器节点(称作邻居节点或邻居)交换数据。要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由。因此，节点既是信息的采集和发出者，也是信息的转发传输者，采集的数据通过多跳路由到达汇聚节点(一些文献也称作网关)，汇聚节点是一个特殊的节点，可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。也可以利用飞机飞越网络上空，通过无线通信采集网关数据。为了**网络内大多数节点都可以与网关建立无线链路，并且**传感器节点对目标区域有很好的覆盖，节点的分布要相当的密集。高密度分布还可以在某些传感器节点能量耗尽或者出现故障时不影响网络的连通性和整体的工作。无线传感器网络典型的体系结构如图1所示。节点具有传感、信号处理和无线通信功能。

与传统的无线网络相比，无线传感器网络具有以下特点：
(1)电源容量有限。无线传感器网络节点一般由电池供电，而且在使用过程中也不能给电池充电或更换电池。因此无线传感器网络设计的基本原则就是都要以节能为前提。


(2)传感器节点由于受到低成本、小体积和低功耗的限制，其硬件、软件资源非常有限。


(3)无中心。无线传感器网络一般是一个对等式的网络。


(4)自组织。无线传感器网络的布设和展开*依赖于任何预设的基础设施。


(5)多跳路由。网络中节点通信距离有限，如果希望与较远的节点进行通信，则需要通过中间节点多跳路由来实现。


(6)动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；网络的拓扑结构会随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。


(7)节点数量众多，分布密集。为了对一个区域执行监测任务，传感器节点往往分布得非常密集，利用节点之间高度连接性来**系统的容错性和抗毁性。


无线传感器网络属于一种特殊的Ad hoc网络[1—5]，它虽然与传统的Ad hoc网络有很多相似的地方，但是与传统的Ad hoc网络相比，无线传感器网络的节点分布更加密集，能量更加有限，无线传感器网络中的传感器节点在大多数情况下是静止的。在无线传感器网络中，数据是被分散处理的，系统会根据需要尽早对数据进行处理，这样可以减少网络的流量，降低功耗并提高系统利用率。由于成本和功耗的限制，无线传感器网络节点的硬件设备资源十分有限，数据的处理能力和存储能力都比较弱。这就决定了在设计无线传感器网络各层技术标准的时候都要以简单和节能为较重要的前提条件。


无线传感器网络的协议分层结构基本采用传统网络的分层结构，即包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。另外，能量、移动、任务等管理平台用于监控网络中的能量利用、节点移动和任务分配。这些平台能够帮助传感器节点在较低能耗下协作完成某些监控任务。图2所示为无线传感器网络的协议栈结构。

能量管理平台用来管理一个节点如何使用它的能量。例如，当一个节点收到一个邻居节点发来的消息之后，它可以将它的接收机关闭，避免接收到重复的消息。同样，当一个节点的能量较低时，它会向邻节点广播一条消息，告诉邻节点自己已经没有多少能量，不能再用来对消息进行传递了，这样它就可以不再接收邻节点发来的需要传递的消息，将能量都留给自己的消息发送。移动管理平台能够监测并记录节点的移动。任务管理平台用来平衡和规划某个区域的感知任务，安排哪些节点执行哪些感知任务，能量高的节点可以比那些能量低的节点多承担一些任务。有了这些管理平台，节点能够低能耗地协调工作，能够在移动的情况下传递数据，能够在节点之间共享资源。


无线传感器网络自身的特点决定了它不能使用目前已经存在的一些标准协议，国外的研究工作者为无线传感器网络的各个层次都提出了一些解决方案，但是总的来说，到目前为止还没有形成可被广泛认同的标准。
无线传感器网络的主要用途
虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是较近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域： 环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称，“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。
军事领域
由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国*部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行“智能尘埃”传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售从2004年的1000万美元增加到2013年的几十亿美元。
目标跟踪
DARPA支持的Scnsor IT项目探索如何将WSN技术应用于军事领域，实现所谓“**视距”战场监测。UCB的教授主持的Sensor Web是Sensor IT的一个子项目．原理性地验证了应用WSN进行战场目标跟踪的技术可行性，翼下携带WSN节点的无人机（UAV）飞到目标区域后抛下节点，较终随机布撤落在被监测区域，利用安装在节点上的地震波传感器可以探测到外部日标，如坦克、装甲车等，并根据信号的强弱估算距离，综合多个节点的观测数据，较终定位目标，并绘制出其移动的轨迹。虽然该演示系统在精度等方面还远达不到装备*用于实战的要求，这种战场侦察模式目前还没有真正应用于实战，但随着美国*部将其武器系统研制的主要技术目标从精确制导转向目标感知与定位，相信WSN提供的这种新颖的战场侦察模式会受到军方的关注．
其他用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。

-/gjjici/-