湖北无线加速度传感器

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。

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。
加速度传感器类型
1. 直流响应加速度传感器的特点
直流响应加速度传感器是指具有直流耦合输出，能够响应低至0赫兹的加速度信号。因此直流响应的加速度传感器适合同时测试静态和动态的加速度,但是也并不是只有需要测试静态加速度时才选择直流响应的加速度传感器。
直流响应加速度传感器主要有两种类别,分别是电容型和压阻型。下面说下就这两类加速度传感器各自的特点。


电容型


电容型加速度传感器在当今是较通用的，在某些领域无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。高的产量使得这类传感器成本低廉。但是这种低成本的加速度传感器受制于较低的信噪比，有限的动态范围。所有的电容型加速度传感器都具有内部时钟，它是检测电路必不可少的部分，由于泄漏经常会对输出信号产生干扰。这种噪声的频率远**测量信号的频率，一般不会对测量结果造成影响，但是它始终和测试信号叠加在一起。由于内置了放大器芯片，其一般具有3线或4线差分输出接口，只要有直流供电便能工作。


压阻型


压阻型加速度传感器是另一种广泛应用的直流响应加速度传感器。不同于电容型加速度传感器通过电容的变化测量加速度，压阻型加速度传感器通过应变电阻值的变化输出加速度信号，应变电阻是传感器惯性感应系统的一部分。很多工程师熟悉应变片，并知道如何测量其输出。大多数的压阻型传感器对温度变化敏感，因而需要对其输出信号在传感器内部或外部做温度补偿。现代压阻型加速度传感器包含一个专用集成电路做在板信号处理，也包含温度补偿。


2. 交流响应加速度传感器的特点


作为交流响应的加速度传感器，正如它的名称，它的输出是交流耦合的,这类加速度传感器不能用来测试静态的加速度，仅适合测量动态事件,比如重力加速度和离心加速度。


较常用的交流响应加速度传感器是采用压电元件作为其敏感单元的。当有加速度输入时，传感器中的检测质量块发生移动使压电元件产生正比于输入加速度的 电荷信号。从电学角度来看，压电元件如同一个有源的电容器，其内阻在10x9欧姆级别。由内阻和电容决定了RC时间常数，这也决定了传感器的高频通过特 性。基于这个原因，压电加速度传感器不能用于测量静态事件。压电元件可来自于自然界或者人造。它们有着不同的信号转换效率和线性关系。市场上主要有两类压 电加速度传感器－电荷输出型，电压输出型。


大部分的压电加速度传感器采用锆钛酸盐陶瓷，具有很宽的工作温度范围，动态量程范围大，频率范围宽。电荷输出型加速度传感器把压电陶瓷封装在具有气 密性的金属外壳中。由于具有抵抗严酷环境的能力，其具有非常好的耐久性。由于其具有很高的阻抗，该传感器需要配合电荷放大器和低噪声屏蔽电缆使用，较好是 同轴电缆。低噪声电缆是指其具有低的摩擦电噪声，这是一种运动产生的来自电缆本身的噪声。很多传感器厂家同时提供这种低噪声电缆。电荷放大器和电荷输出型 加速度传感器连接，从而可以消除电缆电容和传感器电容并联带来的影响。配合**的电荷放大器，电荷输出型加速度传感器很容易实现宽的动态响应。由于压电陶 瓷的工作温度范围很宽，有些传感器可以用于-200°C到400°C，甚至更宽温度的环境。它们特别适合极限温度下的振动测试，如涡轮引擎的监测。
无线传感器，有哪些分类、优势特点、应用领域？
无线传感器，是一种集数据采集、数据管理、数据通讯等功能的无线数据通讯采集器。比较常见常用的无线传感器，主要包括XL61无线气体传感器，XL61无线压力传感器，XL61无线温度传感器，XL51无线温湿度传感器，无线液位传感器等，可以根据用户的需要定制。
无线传感器具有低功耗，*布线，低成本，安装调试简易，维护方便等特点，广泛应用于石油化工、农业、电力、医疗、建筑、环保、制造业等领域。具体地，使用在馆藏仓储环境监测系统、石油化工储罐环境监测系统、畜禽水产养殖环境监测系统、农业大棚环境监测系统、重大危险源环境监控系统、石油、供排水、供热管网管道监测系统、大气环境监测系统、电力（用电、配电）监控系统、生产制造智能监控系统等。

-/gjjici/-