ADXL32x系列加速度传感器及其在磁电子罗盘倾角补偿中的应用

1、ADXL32x系列加速度传感器及其在磁电子罗盘倾角补偿中的应用李希胜, 郭晓霞,刘洪毅,王立锦,王绍纯北京科技大学 北京 100083摘要:美国ADI推出的ADXL32x系列加速度传感器具有灵敏度高、耐冲击、体积小、性能稳定可靠等一系列优点。本文简单介绍了该系列加速度传感器的工作原理、主要性能指标、应用注意事项及其在电子平衡式三轴磁电子罗盘中的应用。关键词:加速度传感器,电子罗盘,信号调理1. ADXL32x系列加速度传感器ADXL32x系列加速度传感器是美国ADI(Analog Devices, Inc.于2004年推出的低成本、低功耗双轴加速度传感器1,2,3。该系列加速度传感器将差动电容

2、式加速度传感器及相关信号调理电路集成在单片集成电路上,功能框图如图1所示。既可应用于动态加速度(如振动测量,也可应用于静态加速度(如重力加速度测量。 图1 ADXL32x系列加速度传感器功能框图Figure 1 Function block diagram of ADXL32x series accelerometerADXL32x系列加速度传感器包括ADXL320、ADXL321、ADXL322三个型号的芯片。这三个型号的芯片的主要差别在于加速度测量范围。三者的加速度测量范围分别为5g、18g、2g,用户可根据具体应用选择。ADXL32x系列加速度传感器具有统一的尺寸及引脚定义,可互换使用。

3、ADXL32x系列加速度传感器芯片的主要特点有:体积小(4 mm4 mm1.45 mm,采用16引脚LFCSP塑料封装;单电源工作;电源电压范围宽,2.45.25 V(ADXL320, 2.46 V(ADXL321,2.46 V(ADXL322;功耗低,在电源电压为2.4 V时,三者的典型电流损耗值分别为350微安、340微安、340微安;仅使用一个电容就可以实现信号带宽调整;机械强度高,能够承受高达10000g的冲击载荷。ADXL32x系列主要技术指标见表1。详细技术指标参数可参照ADXL320、ADXL321、ADXL322说明书1,2,3。表1 ADXL32x 系列主要技术指标(典型值

4、2. ADXL32x 系列加速度传感器使用注意事项2.1 电源退耦对于大多数应用场合来说,0.1F 的退耦电容(C DC 就可以抑制电源上的噪声。但是,在某些场合下,特别是噪声出现在内部时钟频率140 kHz 及其高次谐波频率处。此时,出现在电源线上的噪声将对加速度传感器的输出产生干扰。在这种情况下可采用R-C (电阻取值小于100或L-C 退耦滤波器1,2,3,4,5,6。另外还可以在退耦电容(C DC 上并联一1F 到4.7F 的旁路电容。2.2 输出信号带宽的设定ADXL32x 系列加速度传感器提供输出信号限带功能。为了达到抗混迭和减小噪声的目的,只需在输出引脚与地之间连接合适的电容来实

5、现低通滤波。3 dB 带宽的公式为(Y X,dB 3k 3221C f = (1滤波电容的选取可参照表2进行。片内电阻(=32 k 的允差为标称值的15%,低通滤波器的带宽也随之变动。另外需要注意,输出引脚上至少要连接2000 pF 的电容。FILT R表2 滤波电容的选取带宽(Hz电容(F 1 4.7 10 0.47 50 0.10 100 0.05 200 0.027 5000.012.3 自检功能将ST引脚从低电平(地电位或开路状态改变到高电平时(V S ,输出发生相应变化(ADXL320: 315 m g ,ADXL321: 315 m g ,ADXL322: 300 m g ,可实现

6、传感器功能自检。通常情况下,ST引脚接地或开路。另外需要注意,ST引脚电压不允许超过V S +0.3 V。如果有必要,可在ST引脚和 V S 引脚之间加钳位二极管1,2,3。2.4 噪声特性和信号带宽的折衷考虑ADXL32x 系列加速度传感器的分辨率(可检测的最小加速度由加速度传感器的带宽确定。滤波可以降低背景噪声,从而改善传感器的分辨率。ADXL32x 系列加速度传感器的分辨率取决于输出信号模拟滤波器的带宽。ADXL32x 系列加速度传感器输出带宽典型值为2.5 kHz 。为了限制混迭误差,用户必须滤除这一个频率点的信号。同时,模拟信号带宽必须小于A/D 采样频率的一半。为了减小噪声,提高分

7、辨率,可进一步降低模拟滤波器的带宽1,2,3,6。ADXL32x 系列加速度传感器输出信号中的噪声成分为高斯白噪声。用户应根据具体应用限制输出信号带宽以提高加速度传感器的分辨率和动态范围。以ADXL320为例,噪声的均方根值为(6.1250=BW g V rms n 式中,为低通滤波器带宽。对于100 Hz 带宽的情况,有BW (mg g V rms n 2.36.1100250=通常情况下,需要知道噪声的峰值。噪声的峰-峰值可采用统计的方法估计。表3给出了在给定噪声均方根值情况下超出各类峰值的概率估计。表3 噪声的峰-峰值估计噪声的峰-峰值 噪声超过标称峰-峰值的概率(%2 (rms n V

8、 32 4 (rms n V 4.6 6 (rms n V 0.27 8(rms n V 0.0063. 倾角测量原理ADXL32x 系列加速度传感器用于倾角测量是最典型的应用之一,以重力作为输入矢量来决定物体在空间的方向。当重力与其灵敏轴垂直时,它对倾斜最敏感。在该方位上其对倾角的灵敏度最高,每倾斜1所引起输出加速度的变化约为17.45 m g 。当敏感轴与重力平行时引起输出加速度的变化被忽略。如果在初始状态下,调整加速度传感器的X 轴、Y 轴,使它们都与重力方向垂直,则加速度传感器可用作俯仰角和横滚角测量双轴倾角传感器。俯仰角和横滚角可按下式计算(g A g A Y X arcsin ar

9、csin = (2式中,、为俯仰角和横滚角,、分别为加速度传感器X 轴、Y 轴输出。X A Y A 4. ADXL32x 系列加速度传感器在电子罗盘倾角补偿中的应用地球本身具有磁性,所以地球和近地空间之间存在着磁场,叫做地磁场。地磁场的强度为0.5至0.6高斯,其大小和方向随地点(甚至随时间而异。地磁场的北极、南极分别在地理南极、北极附近,彼此并不重合,而且两者间的偏差随时间不断地在缓慢变化。地磁轴与地球自转轴并不重合,约有11o 夹角7-11。 地球磁场可应用于定向及导航7-11。早期,人类采用机械式磁罗盘进行定向和导航。机械式磁罗盘主要由若干平行排列的磁针、刻度盘和磁误差校正装置组成,磁针

10、固装在刻度盘背面,在地磁影响下,磁针带刻度盘转动,用以指出方向。随着适宜于地磁场测量的磁通门传感器及AMR 传感器的出现,磁电子罗盘逐渐问世。这种电子式的磁罗盘相对于机械式磁罗盘具有一些突出的优点,如抗冲击性、抗震性,能够对杂散磁场进行补偿,输出电信号,可方便地与其它电子设备组成应用系统。在磁电子罗盘中,通过磁场测量传感器测得地磁场的水平分量和,通过计算求得地磁方位角7-11x H y H =xym atan HH (3为了保证正切函数的有效性,取(=0,0180atan 0,0180atan 3600180atan 1800,02700,090y x x y y x x y x x y y

11、x y x m H H H H H H H H H H H H H H H (4这种二轴电子罗盘在水平状态下性能优异,特别适合于手持应用场合。然而,当在非水平状态下使用此类罗盘时将会引起较大的地磁方位角测量误差。另外,罗盘更经常安装在飞机、船、车辆等运动设备上,因而无法保证罗盘始终处于水平状态。解决这一问题的方法有两种:机械平衡方式,即通过机械方法使磁传感器始终保持水平,从而测得地磁场水平分量;电子平衡方式,即通过测量地磁场三维分量及俯仰角、横滚角,然后计算得到地磁场水平分量。与机械平衡方式相比,电子平衡方式增加了系统的复杂性。但是,电子平衡方式在可靠性及补偿周围磁场干扰的能力方面具有明显优势

12、,因而受到欢迎。特别是近年来MEMS 传感器的发展促进了电子平衡方式的应用。采用电子平衡方式的三轴磁电子罗盘结构框图如图2所示。 图2 采用电子平衡方式的三轴磁电子罗盘结构框图Figure 2 Functional block diagram of a electronically gimbaled three-axis magnetic electronic compass采用电子平衡方式的三轴磁电子罗盘以三轴磁电阻传感器为地磁方位角传感器,测出地磁场分别在载体x轴、y轴、z轴上的分量x H 、y H 、z H 。以双轴加速度传感器为俯仰角(和横滚角(测量传感器。磁场强度水平投影可根据下面的

13、公式求得+=+=sin cos cos sin -sin sin cos z y y z y x x H H H H H H H 式中,x H 、y H 、z H 为磁传感器在0,0状态下测得的3个地磁场分量;、为磁场强度水平投影。地磁方位角x H yH 为=x yarctan HH 5 结束语美国ADI 推出的ADXL32x 系列加速度传感器将差动电容式加速度传感器及相关信号调理电路集成在单片集成电路上,具有灵敏度高、耐冲击、体积小、性能稳定可靠等一系列优点。该系列加速度传感器既可应用于动态加速度(如振动测量,也可应用于静态加速度(如重力加速度测量。本文简单介绍了该系列加速度传感器的工作原理

14、、主要性能指标、应用注意事项及其在电子平衡式三轴磁电子罗盘中的应用。参考文献:1. ADI(Analog Devices, Inc., ADXL320 datasheet(Small and Thin 5 g Accelerometer: ADXL320, 2004.2. ADI(Analog Devices, Inc., ADXL321 datasheet(Small and Thin 18 g Accelerometer: ADXL321, 2004.3. ADI(Analog Devices, Inc., ADXL322 datasheet(Small and Thin 2 g Acce

15、lerometer: ADXL322, 2004.4.王绍纯 主编, 自动检测技术, 冶金工业出版社, 1995. 5. 6. 李希胜, 王绍纯, 连铸热坯双频涡流探伤技术, 北京科技大学学报,1995, 17(4: 361. Xisheng Li, Shaochun Wang, Improvement of Boxcar Integrator and Its Application to Low Resistance Measurement of Inductive Load Coil, Journal of University of Science and Technology Beij

16、ing(English Edition, 1998, 5(3: 180. 7. Caruso M J, Bratland T, Smith C H, Schneider R. A new perspective on magnetic sensing, Sensors (USA, 1998, 15(12: 34-46. 8. Caruso M J. Application of magnetoresistive sensors in navigation systems, Sensors and Actuators, SAE SP-1220, 1997: 15-21. 9. Caruso M

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