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三軸加速度傳感器是一種能夠測(cè)量物體空間中的加速度的電子設(shè)備，根據(jù)傳感器實(shí)現(xiàn)原理的不同，可分為壓阻式、壓電式、電容式等類型，這些傳感器上的本質(zhì)原理都是通過傳感元件將物體加速度轉(zhuǎn)化為其他的物理量，如電阻、電壓、電容等，再通過轉(zhuǎn)化和濾波電路等將這些物理量轉(zhuǎn)化為合適的輸出信號(hào)。三軸加速度傳感器以其體積小，質(zhì)量輕等特點(diǎn)在諸多領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，例如汽車電子、衛(wèi)星導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實(shí)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)等，這些具體應(yīng)用會(huì)涉及到許多額外的知識(shí)，需要足夠的了解加速度與應(yīng)用領(lǐng)域的物理量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并據(jù)此做出一套算法流程去實(shí)施。
三軸加速度傳感器是加速度傳感器中用來測(cè)量空間加速度的傳感器，即測(cè)量物體在空間中速度變化的快慢，三軸加速度傳感器與單軸、兩軸加速度傳感器在測(cè)量原理上沒有差別，他們的主要差別在于測(cè)量的維度不同，三軸加速度傳感器主要是將空間加速度在X、Y、Z三個(gè)軸上進(jìn)行分解，在一定的技術(shù)上三個(gè)單軸就可以變成一個(gè)三軸。
一、加速度傳感器的原理
根據(jù)加速度傳感器的實(shí)現(xiàn)原理，目前加速度傳感器主要的類型有：壓阻式、壓電式、電容式三種，他們是將待測(cè)量物體的加速度轉(zhuǎn)化為傳感單元的電阻/電壓/電容的變化，再通過轉(zhuǎn)換電路將傳感單元的變化數(shù)值轉(zhuǎn)化為電壓值，接著進(jìn)行信號(hào)相應(yīng)的放大以及濾波處理，將模擬量處理為合適的穩(wěn)定的輸出信號(hào)，此時(shí)輸出的信號(hào)為電壓值，最后通過ADC轉(zhuǎn)換器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 壓阻式加速度傳感器是電阻性，呈現(xiàn)低阻抗，具有頻率響應(yīng)特性好、測(cè)量方法易行、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是溫度效應(yīng)嚴(yán)重、靈敏度低；壓電式加速度傳感器是電容性的，高阻抗，它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、訊噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷；電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、分辨率高、溫度穩(wěn)定性好、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)，缺點(diǎn)是輸出阻抗高，負(fù)載能力差。
加速度傳感器根據(jù)輸出信號(hào)的不同，可分為：模擬式和數(shù)字式兩種，兩者的區(qū)別在于，模擬式輸出值為電壓，數(shù)字式輸出值為數(shù)字信號(hào)，在具體的應(yīng)用中模擬式傳感器還需要加入數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC），但模擬式則已經(jīng)集成了ADC電路，可直接通過通訊接口（SPI、I2C等）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在智能程度上數(shù)字式明顯優(yōu)于模擬式，但是高質(zhì)量的ADC轉(zhuǎn)換器價(jià)格昂貴甚至可能超出傳感器部分的售格。
三軸加速度傳感器的特點(diǎn)是能夠在預(yù)先不知道物體運(yùn)動(dòng)方向的場(chǎng)合下，準(zhǔn)確且全面的測(cè)量出物體的空間加速度，并且體積小（常見的板尺寸在：3/4mm x 3/4/5mm不等），質(zhì)量輕。
三軸傳感器的參數(shù)介紹： 靈敏度 與ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）等級(jí)相關(guān)，單位：mv/g（模擬式）或g(數(shù)字式)，g代表重力加速度：9.8m/s² 解析度 表示了輸入?yún)?shù)的最小增量。 測(cè)量范圍 表示傳感器所能測(cè)量加速度的最大、最小值。
三軸加速度傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：
1.汽車電子領(lǐng)域 以車身安全系統(tǒng)為例，當(dāng)車身受到撞擊時(shí)，沖擊傳感器會(huì)在幾微秒內(nèi)將信號(hào)發(fā)送至該電子控制器。隨后電子控制器會(huì)立即根據(jù)碰撞的強(qiáng)度、乘客數(shù)量及座椅/安全帶的位置等參數(shù)，配合分布在整個(gè)車廂的傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和做出相應(yīng)評(píng)估，并在最短的時(shí)間內(nèi)通過電爆驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)安全氣囊保證乘客的生命安全。
2.便攜式設(shè)備的抗沖擊防護(hù) 便攜式設(shè)備由于其應(yīng)用場(chǎng)合的原因，經(jīng)常會(huì)意外跌落或受到碰撞，而造成對(duì)內(nèi)部元器件的巨大沖擊。當(dāng)?shù)浒l(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到加速的突然變化，并執(zhí)行相應(yīng)的自我保護(hù)操作，如關(guān)閉抗震性能差的電子或機(jī)械器件，從而避免其受損，或發(fā)生硬盤磁頭損壞或刮傷盤片等可能造成數(shù)據(jù)永久丟失的情況。
3.衛(wèi)星導(dǎo)航 當(dāng)進(jìn)入衛(wèi)星信號(hào)接收不良的區(qū)域或環(huán)境中就會(huì)因失去信號(hào)而喪失導(dǎo)航功能。基于MEMS技術(shù)的3軸加速度傳感器配合陀螺儀或電子羅盤等元件一起可創(chuàng)建方位推算系統(tǒng)，對(duì)GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)性應(yīng)用。
4.虛擬現(xiàn)實(shí) 例如AR/VR，游戲機(jī)手柄等，通過穿戴或手持的游戲裝備、手柄，傳感器同步感應(yīng)人體加速度，根據(jù)加速度分析人體的動(dòng)作，進(jìn)而在游戲屏幕上同步呈現(xiàn)出相應(yīng)的游戲動(dòng)作，一些體感游戲甚至能達(dá)到與戶外運(yùn)動(dòng)相同鍛煉的效果。
具體應(yīng)用舉例：
01 人體跌倒監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 人體發(fā)生跌倒是指突發(fā)、不自主的、非故意的體位改變，一般只發(fā)生在短暫的一瞬間，在這瞬間人體的位置、速度和加速度都將發(fā)生瞬間的巨大變化，人體姿態(tài)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，根據(jù)三軸加速度的數(shù)值可以計(jì)算出三個(gè)姿態(tài)角：“pitch俯仰角”，“roll左右偏側(cè)角”，“paw豎直方向轉(zhuǎn)角”，根據(jù)三個(gè)姿態(tài)角不僅可以判斷出人體是否跌倒還可以得到人體姿態(tài)的具體姿態(tài)。 以人體質(zhì)點(diǎn)為原點(diǎn)，如圖1所示
假設(shè)人體正前方為X軸，正左為Y軸，正上方為Z軸；那么三個(gè)姿態(tài)角的定義分別為： pitch X軸與水平面的夾角， 對(duì)應(yīng)人體向前向后的俯仰角 roll Y軸與水平面的夾角， 對(duì)應(yīng)人體向左向右的側(cè)偏角 paw Z軸與豎直方向的夾角， 對(duì)應(yīng)人體繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角 他們與重力在X,Y,Z,軸方向上的加速度的關(guān)系如下： 根據(jù)人體跌倒與日常生活活動(dòng)(ADL)中的姿態(tài)的區(qū)別來判斷跌倒是否產(chǎn)生,人體在跌倒時(shí)大部分是前后或側(cè)向跌倒，這兩跌倒都將分別導(dǎo)致Pitch和Roll在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大幅度抖動(dòng)，yaw值則主要用來輔助計(jì)算人體的靜止姿態(tài)。考慮到MEMS（微機(jī)電系統(tǒng))傳感器容易受到噪聲影響，還需要利用卡爾曼濾波算法對(duì)估算的傾斜角進(jìn)行優(yōu)化處理，部分消除噪聲對(duì)MEMS加速度傳感器測(cè)量值的影響，提高測(cè)量準(zhǔn)確性，
02 數(shù)字式三軸加速度傳感器在快速準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)機(jī)械故障方面的應(yīng)用 振動(dòng)頻率作為計(jì)算機(jī)械疲勞強(qiáng)度的重要指標(biāo)，保存和評(píng)估各種類型的機(jī)器和驅(qū)動(dòng)器的特征性振動(dòng)，沖擊和振動(dòng)參數(shù)，有助于優(yōu)化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，并為這些參數(shù)確定合適的目標(biāo)值和平均值。一方面，這可用于質(zhì)量記錄和性能參數(shù)的表示；另一方面，如果與預(yù)期的“良好”振動(dòng)模式有偏差，則也可以在早期識(shí)別出即將發(fā)生的損壞。 核心傳感器元件是高分辨率的三軸數(shù)字加速度計(jì)。借助該電子設(shè)備和下游相應(yīng)的評(píng)估電子設(shè)備，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)記錄儀能夠在三個(gè)空間軸（x，y，z）上每秒執(zhí)行1600次沖擊和振動(dòng)測(cè)量，能夠記錄三個(gè)軸上的±15 g或±200 g的沖擊載荷和振動(dòng)，還可以增加存儲(chǔ)卡擴(kuò)充模塊，其測(cè)量量可擴(kuò)充至10億個(gè)。 微型數(shù)據(jù)記錄儀通過安裝在待測(cè)設(shè)備上，對(duì)設(shè)備工作過程中的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，然后將測(cè)量的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到電腦上的HYDASPro軟件，對(duì)振動(dòng)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，微型數(shù)據(jù)記錄儀可在機(jī)械制造行業(yè)的所有領(lǐng)域中有針對(duì)性地使用，以檢測(cè)和記錄各種振蕩模式，振動(dòng)或沖擊載荷，減少人為測(cè)量的誤差影響。對(duì)記錄的參數(shù)進(jìn)行評(píng)估有助于快速，經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行故障診斷以及隨后的機(jī)械或機(jī)電優(yōu)化。最終，可以實(shí)現(xiàn)顯著的時(shí)間和成本優(yōu)勢(shì)，尤其是在各種機(jī)器和驅(qū)動(dòng)器的質(zhì)量和可靠性方面的優(yōu)勢(shì)。
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