单位时间内位移的增量就是速度。速度包括线速度和角速度,与之相对应的就有线速度传感器和角速度传感器,我们都统称为速度传感器。

什么是速度传感器

传感器(sensor)是一种将非电量(如速度、压力)的变化转变为电量变化的原件,根据转换的非电量不同可分为压力传感器、速度传感器、温度传感器等,是进行测量、控制仪器及设备的零件、附件。

 

旋转式速度传感器按安装形式分为接触式和非接触式两类。

 

接触式

接触式旋转式速度传感器与运动物体直接接触。当运动物体与旋转式速度传感器接触时,摩擦力带动传感器的滚轮转动。装在滚轮上的转动脉冲传感器,发送出一连串的脉冲。每个脉冲代表着一定的距离值,从而就能测出线速度。

 

接触式旋转速度传感器结构简单,使用方便。但是接触滚轮的直径是与运动物体始终接触着,滚轮的外周将磨损,从而影响滚轮的周长。而脉冲数对每个传感器又是固定的。影响传感器的测量精度。要提高测量精度必须在二次仪表中增加补偿电路。另外接触式难免产生滑差,滑差的存在也将影响测量的正确性。

 

非接触式

非接触式旋转式速度传感器与运动物体无直接接触,非接触式测量原理很多,以下仅介绍一点

 

光电流速传感器

叶轮的叶片边缘贴有反射膜,流体流动时带动叶轮旋转,叶轮每转动一周光纤传输反光一次,产生一个电脉冲信号。可由检测到的脉冲数,计算出流速。

 

速度传感器的工作原理

速度传感器自然是对自身器件的加速度进行检测。其自身的物理实现方式咱们就不去展开了,可以想象芯片内部有一个真空区域,感应器件即处于该区域,其通过惯性力作用引起电压变化,并通过内部的 ADC 给出量化数值。

 

对于三轴加速度传感器,其能检测 X、Y、Z 的加速度数据,如下图:

 

 

速度传感器的工作原理

 

 

在静止的状态下,传感器一定会在一个方向重力的作用,因此有一个轴的数据是 1g(即 9.8 米 / 秒的二次)。在实际的应用中,我们并不使用跟 9.8 相关的计算方法,而是以 1g 作为标准加速度单位,或者使用 1/1000g,即 mg。既然是 ADC 转换,那么肯定会有量程和精度的概念。在量程方面,Lis3dh 支持(+-)2g/4g/8g/16g 四种。一般作为计步应用来说,2g 是足够的,除去重力加速度 1g,还能检测出 1g 的加速度。至于精度,那就跟其使用的寄存器位数有关了。Lis3dh 使用高低两个 8 位(共 16 位)寄存器来存取一个轴的当前读数。由于有正反两个方向的加速度,所以 16 位数是有符号整型,实际数值是 15 位。以(+-)2g 量程来算,精度为 2g/2^15= 2000mg/32768 =0.061mg。

 

当以上图所示的静止状态,z 轴正方向会检测出 1g,X、Y 轴为 0. 如果调转位置(如手机屏幕翻转),那总会有一个轴会检测出 1g,其他轴为 0,在实际的测值中,可能并不是 0,而是有细微数值。

 

在运动过程中,x,y,z 轴都会发生变化。计步运动也有其固有的数值规律,因为迈步过程也有抬脚和放脚的规律过程,如下图。“脚蹬离地是一步的开始,此时由于地面的反作用力,垂直方向加速度开始增大,当脚达到最高位置时,垂直方向加速度达到最大;然后脚向下运动,垂直加速度开始减小,直到脚着地,垂直加速度减到最小值。接着下一步迈步。前向加速度由脚与地面的摩擦力产生,双脚触地时增大,一脚离地时减小。”

 

速度传感器的作用

1. 静止时进行运动检测

使用 OR 电路工作方式,设置一个较小的运动阈值,只检测 X,Y 轴数据是否超过该阈值(Z 轴这时有 1g,咱不管这个轴了)即可。只要 X,Y 任一轴数据超过阈值一定时间即认为设备处于 wakeup 状态了。

2. 失重检测

失重时 Z 轴的加速度和重力加速度抵消,在短时间内会为 0,而且 X,Y 轴没有变化,因此在短时间内三者都为 0。这里使用 AND 电路工作方式,设置一个较小的运动阈值,当三个方向的数据都小于阈值一定时间时即认为是失重。

3. 位置姿势识别

例如手机翻转等应用场景就是利用这个特性。