高级操作系统期末论文
题目基于加速度传感器的老人跌倒
检测报警系统
基于加速度传感器的老人跌倒检测报警系统
摘要：在社会逐渐走向老龄化的今天，独自生活的老年人的行动安全已经
成为社会的重要问题。以前大多数的报警系统多采用按键式的报警方式，实际上，来年人摔倒时，常常失去自我意识，所以单纯依靠老年人摔倒后主动触发报警具备一定的风险。随着开源的Android平台移动终端操作系统的推出，这一系统具备广泛的兼容性，为了减少老年人因跌倒造成的身心伤害，利用当前android手机集成的加速度传感器进行人体跌倒的检测，当检测到人体发生跌倒时对老人当前的位置进行定位并调用SMS将摔倒的信息和位置信息发送到预先设置的紧急联系人手机，可以提高老年人摔倒报警的准确性。
关键词：加速度传感器;跌到检测;定位;SMS
Abstract:Today, gradually aging society, the elderly living alone safety has become an important problem of social action. Before most of the alarm system use
touch-tone phones more alarm way, in fact, when people fall next year, often lose consciousness, so rely on initiative to trigger the alarm after the elderly fall have a certain risk. As open-source Android platform of mobile terminal operating system, the introduction of the system have a wide range of compatibility, in order to reduce the physical and mental damage caused by the fall in the elderly, using the current Android integration acceleration sensor falls for human detection, when the detected human body fall occurs on the current position of the old man to locate and invoke the SMS will fall information and location information sent to the preset emergency contact phone, can improve the accuracy of the elderly fall alarm.
Keywords：acceleration sensor; detect; location;SMS
1前言
1.1 研究背景及意义
随着我国人口老龄化的趋势，如何照看老年人成为社会各界关注的问题。再加上现在“空巢老人”的现象已经成为人口老龄化的一种社会问题，引起了社会各界的高度关注。
跌倒对于老年人来说是一项重大的威胁，如何准确检测出跌倒并及时发出报警求助信息，使老年人跌倒伤害降到最低，是人体健康监护领域中非常具有研究价值的问题。因此，开发具有便携性、高精度性、实时性以及自动报警功能的无线跌倒检测系统，在人体发生跌倒行为时，第一时间检测出并发出警报信息进行求助，是整个社会的需要。传统的跌倒检测技术在设备、场景等方面具有较大的局限性，随着人工智能、无线通信、微电子技术以及生理信号检测与处理等技术的发展，使得人体运动状态信息的检测获得帮助。伴随着科技的进步，移动终端已经成为了每一个现代人生活中所必不可少的基本用品。现阶段无线宽带网络的迅猛发展也悄然地改变着人们的生活方式。目前的网络已经可以很好地满足用户对于高速移动数据的需求，从而促使手持设备向智能化、多媒体化发展。另外Android的系统架构及开发原理使它成为当前手持设备中具有可移植的操作系统。当然，更为重要的是Android的开源性降低了其开发成本，Android使用Java 作为程序开发的语言，为用户所提供大量的程序组件，用户可以直接在这些组件基础上构建自己的开发程序。现在的移动终端中也集成了多种传感设备，通过对外界变化的及时获取，计算出加速度、地理位置、身体情况等所需的信息。
本文利用加速度传感器，开发出基于Android的App，对老年人的活动信息进行检测，在检测到异常情况时做出报警处理，使得老年人能够得到及时有效的救助，避免严重后果的发生。
1.2 国内外的研究现状
跌倒检测系统是一种个人远程监护系统，保护了老年人群的健康与安全，它可以有效检测老年人是否发生跌倒并及时报警。所以，跌倒检测技术愈发受到社会各界的重视。从现今国内外的研究成果来看，关于老年人摔倒时进行报警的方法种类繁多，根据各项产品在研发和使用中得到的摔倒信息的形式和来源不同，主要的方法可以分为以下几类：
1.老年人自主启动的摔倒报警系统
设备要求老年人摔倒时自主报警，所以使用者必须具备一定程度的自救能力和自主活动能力，并且只有在该用户摔倒时，保持清醒才能保证报警功能的顺利实施。所以这也存在着很大的安全隐患:如果使用者由于摔倒对身体机能造成损伤，失去了自我启动设备的行动能力，无法及时按下报警按钮，这种设备就将失去它的报警功能。
2.利用视频图像信息检测的摔倒报警系统
在使用时，可以设置在老年人易发生摔倒的地方，这种报警方式主要是利用视频图像检测设备实时捕捉老年人的活动，当老年人在图像信息中出现非正常情况下的身体移动或位置姿态变化时，检测摔倒行为的发生，实现自动报警。它有利于老年人的身体自由活动，但是使用具有空间上的局限性。并且这种摔倒报警系统的使用，还有可能侵犯老年人的隐私。本文采用基于Android的App，只需
要在老人的手机上安装上软件进行相应简单的设置，就可以实现检测和报警。
2软件设计及分析
2.1总体设计
基于Android平台开发的老人跌倒检测报警系统主要用来对人体跌倒进行识别和报警，主要功能包括，通过获取到的加速度值和角速度值进行判别跌倒是否发生并用折线图对加速度变化的实时信息进行动态显示，使用百度地图定位功能获取到老人跌倒时所处的位置，用户需要进行紧急联系人设置以便检测到跌倒发生时系统进行自动报警，检测到跌倒时将用户位置和摔倒的信息以短信发送到紧急联系人手机上。
该系统中跌倒的识别是一个难点，只进行加速度和角速度阈值设定的方式来判断摔倒是否发生测试结果会有一定的误差，要使测试结果更精确则需要使用识别数据库。即将人体运动时可能发生的各种情况如正常行走、跑步、跌倒等的相关数据保存到数据库中，判别跌倒是否发生时只需要和数据库中的数据进行对比即可。
2.2设计环境
开发软件:Eclipse
开发语言:Java+SQLite
运行环境:Android 4.1.0及以上
2.2.1加速度传感器简介
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。因此其的范围比重力感应器要大，但是一般在手机被提到的加速度感应器时，其实就是指重力感应器，因此两者可以看作是等价的。加速度传感器应用于地震检波器设计、车祸报警、监测高压导线舞动、汽车安全、游戏控制、图像自动翻转、电子指南针倾斜校正、GPS导航系统死角的补偿、计步器功能、防手抖功能、设备或终端姿态检测等众多领域。
2.2.2跌到检测简介
跌倒检测系统,其包括:一个或多个传感器,所述传感器用于监测跌倒检测系统的用户的运动以及用于生成相应的信号;用于根据用户身体状况的一个或多个测量结果确定阈值的模块；处理器,所述处理器用于分析信号以识别用户的跌倒、分析信号以识别跌倒。一般情况下，人体跌倒行为通常发生在2秒左右。跌倒过程中身体重心的瞬间移动会产生一个加速度，身体的倾倒也会产生一个偏离竖直方向的角度。在非跌倒状态如行走过程中，人体上躯干偏离Z轴的倾斜角处于一个相对安全的范围内，而跌倒后人体多处于俯卧、侧卧或仰卧的状态，躯干方向接近于水平，即偏离竖直方向的倾斜角接近90度。因此我们选取加速度和身体
的倾斜角这两个特征作为判别跌倒与其它日常活动的依据。
.2.2.3 定位简介
现在人们能实现的定位的方式很多百度地图就是其中一个，百度提供的一项网络地图搜索服务，覆盖了国内近400个城市、数千个区县。在百度地图里，用户可以查询街道、商场、楼盘的地理位置，也可以找到离您最近的所有餐馆、学校、银行、公园等等。利用百度地图定位功能实时的知道用户所处的位置，要想到达目的地可以选择的路线信息等。
2.2.4 SMS
短信服务是一种存储和转发服务。也就是说，短消息并不是直接从发送人发送到接收人，而始终通过短信服务中心进行转发。如果接收人处于未连接状态（可能电话已关闭），则消息将在接收人再次连接时发送。SMS具有许多其他的重要功能。它既是一个庞大的直接面对用户的服务部门，需要位于不同工作点的许多工作人员通过客户端同时对数据库进行操作
3系统需求分析与概要设计
3.1需求分析
本系统是一个基于安卓系统的人体跌倒检测报警系统软件，通过使用此软件能够快捷的识别出人体是否跌倒，利用百度地图对人所处的位置进行定位，并使用SMS将位置和摔倒的信息发送到家人的手机上，本系统包括的功能有紧急联系人信息添加，百度地图定位，跌倒识别的信息用折线图显示，短信的发送。
3.2 系统概要设计
3.2.1 系统功能模块介绍
（1）添加紧急联系人信息模块：用户点击联系人按钮后可以通过点击添加按钮进入紧急联系人信息页面进行信息的添加也可以点击通讯录从手机通讯录中选择添加。该模块中包含了两个子模块自主添加联系人模块和从通讯录选择添加联系人模块，模块界面如下图所示：
图3.1 系统主界面图3.2 紧急联系人信息模块界面（2）百度地图定位模块：当老人跌倒需要家人的帮助时就需要能知道老人当时所在的位置，所以利用百度地图里的定位功能实现实时定位。模块界面如下：
图3.3百度地图模块界面
（3）跌倒识别模块：现在的android手机中都已集成了加速度传感器，所以利用加速度传感器的和速度是否超过设定的阈值判定人体是否摔倒，并将信息用折线图显示。该模块中包含了加速度显示和折线图显示加速度值两个子模块，界面如下图所示：
图3.4跌倒识别模块界面
（4）发送短信模块：当检测到用户摔倒时将用户的当前的所在位置和摔倒的信息发送到指定的紧急联系人的手机上。模块的界面如下图所示：
图3.5发送短息模块界面
3.2.2 功能模块结构图
图3.6功能模块结构图3.2.3系统流程图
图3.7 系统流程图
4系统详细设计
4.1联系人设置模块
4.1.1 代码设计
紧急联系人设置的xml布局由两个Button和一个Textview组成,两个Button分别表示通过系统自己的添加界面添加紧急联系人和调用手机通讯录选择添加紧急联系人，Textview用来显示添加的紧急联系人信息（包括姓名，电话，地址）模块部分代码如下：
protectedvoid onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(https://www.doczj.com/doc/e53006005.html,yout.activity_contact_info);
show=(TextView)findViewById(R.id.show);
Intent i=getIntent();
/*
* 实现紧急联系人的添加*/
findViewById(R.id.add).setOnClickListener(
new OnClickListener() {
//调用“添加联系人信息”页面
@Override
publicvoid onClick(View v) {
Intent jIntent=new Intent(ContactInfoActivity.this,
AddContactActivity.class);
//jIntent.putExtra("familyInfo",new familyInfo("", "", ""));
startActivityForResult(jIntent, 0);
}
});
/*
* 实现通讯录中选取联系人
* */
findViewById(R.id.book).setOnClickListener(
new OnClickListener() {
@Override
publicvoid onClick(View v) {
Intent bIntent=new Intent(ContactInfoActivity.this,
PhoneActivity.class);
startActivityForResult(bIntent, 0);
}
});
}
//处理接收的数据
@Override
protectedvoid onActivityResult(int requestCode,int resultCode,Intent data){
super.onActivityResult(requestCode, resultCode, data);
//接收数据：采用Bundle传值
Bundle bundle =data.getExtras();
String name=bundle.getString("name");
String telphone=bundle.getString("telphone");
String address=bundle.getString("address");
show.setText("联系人信息："+"\n姓名："+name+"\n电
话:"+telphone+"\n地址:"+address);
show.setTextSize(20);
}
4.1.2 界面设计
联系人设置模块界面如图4.1.1所示。
图4.1紧急联系人信息界面图
4.2自主添加联系人模块
4.2.1 代码设计
自主添加联系人activity_add_contact.xml布局主要由三个TextView来分别显示用户需要添加的姓名、电话和地址信息、三个EditText分别由用户输入对应的信息、两个Button 用来实现用户输入信息的存储并返回到另一个Activity将信息显示出来，取消按钮用来取消本次添加操作。模块的部分代码如下：
protectedvoid onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(https://www.doczj.com/doc/e53006005.html,yout.activity_add_contact);
//接收数据
Intent jIntent=getIntent();//实现“联系人信息页”到“添加联系人信息”页
name=(EditText)findViewById(R.id.editText1);
telphone=(EditText)findViewById(R.id.editText2);
address=(EditText)findViewById(R.id.editText3);
//返回联系人信息页
findViewById(R.id.confirm).setOnClickListener(
new OnClickListener() {
@Override
publicvoid onClick(View v) {
Bundle bundle=new Bundle();
bundle.putString("name",
name.getText().toString());
bundle.putString("telphone",
telphone.getText().toString());
bundle.putString("address",
address.getText().toString());
Intent intent=new Intent(AddContactActivity.this,
ContactInfoActivity.class);
intent.putExtras(bundle);
setResult(1, intent);
finish();
}
});
4.2.2 界面设计
自主添加联系人模块界面如图4.2.1和图4.2.2所示。
图4.2 添加联系人界面图4.3 取消按钮信息提示界面
4.3通讯录获取联系人模块
通讯录获取联系人activity_phone.xml布局由ListView来显示从用户手机通讯录中读取出来的联系人信息，模块部分代码如下：
publicclass GetNumber {
publicstatic List
publicstatic String getNumber(Context context) {
Cursor cursor =
context.getContentResolver().query(Phone.CONTENT_URI,
null, null, null, null);
String phoneNumber;
String phoneName;
while (cursor.moveToNext()) {
phoneNumber =
cursor.getString(cursor.getColumnIndex(Phone.NUMBER));//电话号码
phoneName =
cursor.getString(cursor.getColumnIndex(Phone.DISPLAY_NAME));//姓名PhoneInfo info = new PhoneInfo(phoneName, phoneNumber);
lists.add(info);
System.out.println(phoneName);
System.out.println(phoneNumber);
}
returnnull;
}
}
4.3.2 界面设计
通讯录获取联系人模块界面如图4.3.1所示。
图4.4 通讯录选择联系人信息界面
4.4百度地图定位模块
百度地图定位activity_locationss.xml布局由一个Button来驱动用户调用百度地图API实现百度地图的定位，在实现百度地图定位时需要根据所建项目的包和Eclipse中的SHA1 fingerprint信息来申请对应的API key并在配置文件中配置响应信息，还需要导入baidumapapi的包。模块的部分代码如下：
publicclass MyLocationListenner implements BDLocationListener {
@Override
publicvoid onReceiveLocation(BDLocation location) {
// map view 销毁后不在处理新接收的位置
if (location == null || mMapView == null)
return;
MyLocationData locData = new MyLocationData.Builder()
.accuracy(location.getRadius())
//此处设置开发者获取到的方向信息，顺时针0-360
.direction(100).latitude(location.getLatitude())
.longitude(location.getLongitude()).build();
mBaiduMap.setMyLocationData(locData);
if (isFirstLoc) {
isFirstLoc = false;
LatLng ll = new LatLng(location.getLatitude(),
location.getLongitude());
MapStatusUpdate u =
MapStatusUpdateFactory.newLatLng(ll);
mBaiduMap.animateMapStatus(u);
}
String addr = location.getAddrStr();
if (addr != null) {
Log.i("Test", addr);
} else {
Log.i("Test","error");
}
double longitude = location.getLongitude();
double latitude = location.getLatitude();
if (longitude> 0 &&latitude> 0) {
Log.i("Test",String.format("纬度:%f 经度:%f", latitude,longitude));
LatLng ptCenter = new LatLng(latitude,longitude);
// 反Geo搜索
mSearch.reverseGeoCode(new ReverseGeoCodeOption()
.location(ptCenter));
}
//停止定位
mLocClient.stop();
}
publicvoid onReceivePoi(BDLocation poiLocation) {
}
}
4.4.2 界面设计
百度地图定位模块界面如图4.4.1所示。
图4.5 百度地图定位信息界面
4.5加速度信息显示模块
4.5.1 代码设计
加速度信息显示activity_sensor.xml布局由一个TextView显示通过手机中的加速度传感器获取到的人体运动加速度的数据，此处需要计算加速度的合速度并设定相应的阈值，若获取的合速度a超过了阈值则表示人摔倒否则属于正常情况。模块部分代码如下：
/* 功能：采集加速度传感器，得到传感器从外界采集的数据 */
@Override
protectedvoid onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(https://www.doczj.com/doc/e53006005.html,yout.activity_sensor);
showTextView = (TextView) findViewById(R.id.showTextView);
sensorManager = (SensorManager)
getSystemService(Context.SENSOR_SERVICE);
accelerometerSensor = sensorManager
.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER);
sensorManager.registerListener(this, accelerometerSensor,
SensorManager.SENSOR_DELAY_GAME);
}
//坐标轴都是手机从左侧到右侧的水平方向为x轴正向，从手机下部到上部为y轴正向，垂直于手机屏幕向上为z轴正向
@Override
publicvoid onSensorChanged(SensorEvent event) {
if (event.sensor.getType() == Sensor.TYPE_ACCELEROMETER) { // x,y,z分别存储坐标轴x,y,z上的加速度
float x = event.values[0];
float y = event.values[1];
float z = event.values[2];
// 根据三个方向上的加速度值得到总的加速度值a
float a = (float) Math.sqrt(x * x + y * y + z * z);
System.out.println("和加速度a---------->" + a);
// 传感器从外界采集数据的时间间隔为10000微秒
System.out.println("x轴加速度x------------->" + x);
System.out.println("y轴加速度------------->" + y);
System.out.println("z轴加速度------------->" + z);
Log.d("TAG", "x----------->" + x);
Log.d("TAG", "y----------->" + y);
Log.d("TAG", "z----------->" + z);
showTextView.setText("\t"+"合速度a---------->"+a+
"\nX轴加速度---------->" + x +
"\nY轴加速度---------->" +y +
"\nZ轴加速度---------->" + z);
}
//将当前时间赋值给timestamp
timestamp = event.timestamp;
}
4.5.2 界面设计
加速度信息显示模块界面如图4.5.1所示。
图4.6 人体运动加速度信息显示界面
4.6折线图显示合速度信息模块
4.6.1 代码设计
折线图显示合速度activity_chart.xml布局由一个TextView、一个LinearLayout 和一个Button组成，TextView反映折线图的内容，LinearLayout用来显示折线图，Button用来返回上一级的Activity页面。代码如图所示：
@Override
protectedvoid onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(https://www.doczj.com/doc/e53006005.html,yout.activity_chart);
LinearLayout layout =
(LinearLayout)findViewById(R.id.linearlayout);
//生成图表
chart = ChartFactory.getTimeChartView(this, getDateDemoDataset(), getDemoRenderer(), "HH:mm:ss");
layout.addView(chart, new
LayoutParams(LayoutParams.WRAP_CONTENT,370));
//为TextView添加事件
// textview = (TextView)findViewById(R.id.myview);
// textview.setOnClickListener(new View.OnClickListener
Button button = (Button)this.findViewById(R.id.button);
button.setOnClickListener(new View.OnClickListener(){
@Override
publicvoid onClick(View v) {
Toast.makeText(ChartActivity.this, "加速度", 1).show();
Intent intent = new Intent();
intent.setClass(ChartActivity.this, MainActivity.class);
startActivity(intent);
}
});
handler = new Handler() {
@Override
publicvoid handleMessage(Message msg) {
//刷新图表
updateChart();
super.handleMessage(msg);
}
};
task = new TimerTask() {
@Override
publicvoid run() {
Message message = new Message();
message.what = 200;
handler.sendMessage(message);
}
};
timer.schedule(task, 2*1000,1000);
}
4.6.2 界面设计
折线图显示合速度信息模块界面如图4.6.1所示。
图4.7 折线图显示人体运动加速度信息界面
4.7发送短信模块
4.7.1 代码设计
短信发送activity_sms.xml布局由两个TextView和两个EditView和一个Button 组成，TextView用来作为用户发送短信时输入信息的提示，EditView用来给用户进行信息编辑，Button实现短信发送的操作。模块部分代码如下：protectedvoid onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(https://www.doczj.com/doc/e53006005.html,yout.activity_sms);
phone_number_editText =
(EditText)findViewById(R.id.phone_number_editText);
sms_content_editText = (EditText)
findViewById(R.id.sms_content_editText);
send_sms_button = (Button) findViewById(R.id.send_sms_button);
send_sms_button.setOnClickListener(new OnClickListener() {
@Override
publicvoid onClick(View arg0) {
String phone_number =
phone_number_editText.getText().toString().trim();
String sms_content =
sms_content_editText.getText().toString().trim();
if(phone_number.equals("")) {
Toast.makeText(SMSActivity.this,
R.string.str_remind_input_phone_number, Toast.LENGTH_LONG).show();
} else {
SmsManager smsManager = SmsManager.getDefault();
if(sms_content.length() > 70) {
List
smsManager.divideMessage(sms_content);
for(String sms : contents) {
smsManager.sendTextMessage(phone_number, null, sms, null, null);
}
} else {
smsManager.sendTextMessage(phone_number, null, sms_content, null, null);
}
Toast.makeText(SMSActivity.this,
R.string.str_remind_sms_send_finish, Toast.LENGTH_SHORT).show();
}
}
});
}
4.7.2 界面设计
短信发送模块界面如图4.7.1所示。
图4.8 短信发送界面
4.8系统开发过程故障排除
在整个系统开发的过程中，总会遇到各种各样的问题，现将部分问题及解决办法总结如下：
（1）在Activity中，获取被启动的Activity传回的信息时报空指针的错误，原因是布局文件中有些控件未被绑定组件，所以获取的值是空的。
（2）在利用百度地图进行定位时报错：Unable to execute dex: Multiple dex files define，原因是重复定义support.v4的支持包，解决办法：删掉
一个即可。
（3）在运行程序时报错:Please check logcat output for more details。原因是测试的手机内存不足，解决办法：删除手机上的其他应用。
（4）点击按钮时程序不响应，但程序不报错误。原因是：在页面布局中，图片和按钮的命名相同时。
（5）在系统中需要使用折线图显示获取到的加速度值得变化信息，出现错误：https://www.doczj.com/doc/e53006005.html,ng.NoClassDefFoundError:org.achartengine.model.XYMultipl
eSeriesDataset，原因：依赖的Jar包没有编译到apk中，解决办法：选
择工程Project右键-->属性-->Java Build Path -->Order and Export-->
将引入的Jar包移到Android包之上-->Clean运行程序即可。
（6）在利用百度地图定位时，之前能正常定位，一段时间之后运行程序打开时只显示白色网格并不能正常定位，解决办法：重新申请了百度地图API key替换之前的key之后即可正常运行。
（7）导入包之后报错，错因是添加jar包之后移动了jar文件的位置。
（8）报错：Unable to execute dex: Multiple dex files define；Conversion to Dalvik format failed: Unable to execute dex: Multiple dex files define，原因是有重复的jar被引用，可以查看你的build path，尤其
是Android Dependencies一定有重复引入的.jar包，解决的方法是在
libs删除重复的jar即可。
4.9系统测试
系统测试时系统开发中的一个重要环节，测试的主要目的是展示人体跌倒检测系统的运行状况、是否达到预期设计的指标。测试的主要方面有：
（1）测试系统安装后占用手机资源的情况；
（2）驱动运行状态；
（3）传感器数据的精度和周期；
（4）定位信息的准确性；
（5）短信发送是否成功；
（6）摔倒发生时系统是否触发相应的事件。
5.总结
这个学期在其他学习之余，我都会在网上看一些安卓基础知识方面的视频并跟着进行操作，从一开始的环境搭建到现在能简单的运用一些代码，也算慢慢找到一些学习的方法。选择这样一个题目作为期末作业是家里的老人独自在家时摔
关于手机传感器的认识 1、加速传感器（重力感应） 原理：现代加速传感器有单轴、两轴、三轴之分。手机上常见的是电容式芯片三轴加速传感器，主要由双芯片构成，即重力测量单元和控制电路单元。在每个方向上，封装部分内有一小块可移动的电极板和两块不可移动的电极板，当可移动电极板受到加速作用时，会产生惯性力，从而影响与左右两个不可移动电极板的间隔，使得电容值改变，促进电容电压值的变化，以此可以计算出加速度。 功能：加速度有两种，一个是静态的加速度，把加速度传感器倾斜一个角度，重力场会在感应场上产生一个分量，通过这个分量，可以测量出手机倾斜了多少角度，由此实现一些前后左右的控制；另外一种就是所谓的动态加速度，可以侦测速度、撞击等．手机通过加速传感器能够实时的获得手机的移动状态，其最初的用途是用来检测手机是竖放还是横放，从而决定是横屏显示还是竖屏显示。随着三轴加速器普及，手机能够识别横放竖放，正面横放、背面横放，正面竖放、背面竖放状态，从而可以实现摇晃手机操作，翻转静音功能等；加速传感器另一个重大用处就是利用手机摇晃来玩游戏，戏中得到充分表现，从而代替传统游戏手柄。 2、距离传感器 工作原理：距离感应器又叫位移传感器，距离感应器一般都在手机听筒的两侧或者是在手机听筒凹槽中，这样便于它的工作。通过发射特别短的光脉冲，并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，通过测时间来计算与物体之间的距离。用各种元件检测对象物的物理变化量，通过将该变化量换算为距离，来测量从传感器到对象物的距离位移的机器。根据使用元件不同，分为光学式位移传感器、线性接近传感器、超声波位移传感器等。 应用:这个传感器在手机上的应用是当我们打电话时，手机屏幕会自动熄灭，当你脸离开，屏幕灯会自动开启，并且自动解锁。这个对于待机手机较短的智能手机来说是相当实用的。现在很多智能手机都装备的这个传感器。此外，距离感应还可应用到一些特殊的功能，例如Galaxy Note II中的”快速一览”功能。 3、气压传感器 原理：气压传感器的工作是通过一个对压强很敏感的薄膜元件工作，薄膜连接了一个柔性电阻，当大气压变化时候，就会导致电阻阻值产生变化。气压传感器的作用主要用于检测大气压、当前高度以及辅助GPS定位。
MEMS加速度传感器的研究 摘要：微传感器因其尺寸微小，测量准确度和灵敏度高而广泛应用于工程、医学、生物等各个领域。本次报告中，我们将对MEMS技术在惯性传感器件应用——加速度传感器作为讨论学习的主要内容。本报告选取电容式加速度传感器为例，分别从原理、工艺、检测电路、应用等几个方面展开说明，涉及MEMS电容式加速度传感器的各个方面，较为全面。很多都是自己的理解，因此也易于接受。 关键词：MEMS 加速度传感器检测电路 0 引言 随着微机械系统和微加工技术的发展，微型传感器也随之迅速发展。惯性系统已广泛用于航天、航空、航海和许多民用领域，成为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备，能够提供比较精确的姿态与多种导航信息。我们利用惯性敏感元件和初始位置就可以确定载体的动态位置、姿态和速度。而加速度计作为惯性系统的一个核心敏感器件，虽然较陀螺仪发明较晚，但是发展速度很快。各个较大的半导体公司如MOTOROLA和Analog Devices Inc. 等都在MEMS加速度计的研发生产中取得了很大的成就。因此，此次对于MEMS加速度传感器的研究对于了解专业发展前沿和激发自己的学习兴趣都有很大的帮助。 根据原理不同，MEMS加速度传感器可以分为压阻式、压电式、电容式、谐振式和隧穿式等几大类，为了突出重点，对MENS传感器的原理、工艺及应用有个全面的了解，我们在此选择了其中的一种——电容式加速度传感器做深入研究。 1 电容式加速度传感器的原理 1.1 基本原理 电容式传感器是电容值随环境参数变化而发生改变的传感器。根据平板电容器的表达式C=εS/d可知，S和d的变化都会导致电容的变化，因此电容式加速度计的测量原理又可分为变面积式和变间距式，由于变间距式在制造工艺上的优越性，因此当今大部分电容式加速度计都是采用变间距来改变电容进而来测量加速度。电容式加速度传感器的结构示意如图1 所示。
微加速度传感器的研究现状及发展趋势 摘要：介绍了为加速度传感器的研究现状、基本原理及其分类和发展趋势。重点论述了为加速度传感器的特点和它在民用领域和军用领域的不同应用，并对微加速度传感器领域内一些新的进展进行了讨论，指出了微加速度传感器的发展趋势。 关键词：MEMS 微加速度传感器 应用 发展趋势 Research and Development of Microaccelerometer Abstract：The research situation, the basic principle,classification and its development trend of acceleration sensor are introduced.The characteristics and application in civil areas and military field are discussesed, and some new progress to the micro acceleration sensor field are discussed.The development trend of micro acceleration sensor is proposed. Keywords：MEMS Micro acceleration sensor Applications Development trend 0前言 20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。 加速度计面世后一直作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起受到重视。这时候的加速度计整个都很昂贵，使其他领域对它很少问津。 这种状况直到微机械加速度计(Micro Mechanical Accelerometer，MMA)的问世才发生了改变。随着微机电系统技术的发展，微加速度计制作技术越来越成熟，国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点：体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。 当前国内在加速度技术上仍沿用传统的压电技术，精度停留在5×10-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影响我国惯导技术的先进性。近年来国内虽然有多个单位MEMS微加速度计进行了研究，但在精度上仍未取得突破，大体上只能达到10-1g的水平。 1微加速度传感器概述及发展现状 1.1微加速度传感器的工作原理 MEMS加速度传感器是以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础，在单晶硅片上制造出来的微机电系统，包括微机械加速度计、微机械陀螺仪和微惯性测量组合(MIMU)。微加速度传感器的工作原理是经典力学中的牛顿定律，其功能是测量运动物体(如车辆、飞机、导弹、舰艇、人造卫星等)的质心运动和姿态运动，进而可以对运动物体实现控制和导航。MEMS微加速度传感器与非MEMS为加速度传感器相比，其体积和价格可减少几个数量级，对国防具有重大战略意义。基于MEMS加速度传感器建低成本、高性能的微型惯性导航系统正在成为当前惯性技术领域的一个研究热点。
Android手机中的智能传 感器及其应用 随着技术的进步，手机已经不再是一个简单的通信工具，而是具有综合功能的便携式电子设备。手机的虚拟功能，比如交互、游戏、都是通过处理器强大的计算能力来实现的，但与现实结合的功能，则是通过传感器来实现。本文介绍了几种手机中常见的传感器的原理和用途。 Android智能手机自推出以来，其内置传感器逐渐增多，传感器所能实现的功能也日益多样化，极大的满足了用户对智能手机功能的需求，从依赖于重力传感器的各种游戏，到依靠距离传感器实现的通话灭屏，再到指南针功能下的电子罗盘等等，小小的一个Android智能手机以各种传感器为依托实现了许多有趣的功能。 1.距离传感器 这个传感器在手机上的应用是当我们打电话时，手机屏幕会自动熄灭，同时触摸屏无效，能够防止误操作。当脸离开屏幕时屏幕灯会自动开启，并且自动解锁,因此距离传感器位于手机屏幕上方。这个对于待机手机较短的智能手机来说是相当实用的,现在很多智能手机都装备的这个传感器。距离传感器和光线传感器位置如图.1
图1.距离和光线传感器 距离传感器原理：红外LED灯发射红外线，被近距离物体反射后，红外探测器通过接收到红外线的强度，并测量光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，测定距离，一般有效距离在10cm内。距离传感器同时拥有发射和接受装置，一般体积较大。 2.光线传感器 光线传感器，也就是感光器，是能够根据周围光亮明暗程度来调节屏幕明暗的装置。光线传感器可以使用光敏三极管作为感光元件，接受外界光线时，会产生强弱不等的电流，从而感知环境光亮度。在光线强的地方手机屏幕会变暗，达到节电并更好观看屏幕的效果，在光线暗的地方自动将屏幕变亮。可以在工具设置中设置自动调节屏幕亮度。这个传感器也主要起到节省手机电力的作用，自动调节屏幕亮度也能起到保护眼睛的作用。光线传感器位置如图1 光线传感器和距离传感器一般都是放在一起的，位于手机正面听筒周围，这样就存在一个问题，手机的额头上开了太多洞或黑色长条不太好看，所以一些厂商为了减少开孔、或者隐藏开孔，将两个传感器集成到一个窗口下，或者使用黑色面板，黑色面板的手机可以轻易隐藏这两个传感器。 3.方向传感器 方向传感器就是陀螺仪，陀螺仪的测量物理量是偏转，倾斜时的转动角度。陀螺仪传感器最早应用于航空、航天和航海等领域。随着陀螺仪传感器成本的下降，现在很多智能手机都集成有陀螺。陀螺仪是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的轮子构成，一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪就具有了抗拒方向改变的能
加速度传感器选型 压电加速度传感器因其频响宽、动态范围大、可靠性高、使用方便，受到广泛应用。在一般通用振动测量时，用户主要关心的技术指标为：灵敏度、频率范围，内部结构、内置电路型与纯压电型的区别，现场环境与后续仪器配置等。 一、灵敏度的选择 制造商在产品介绍或说明书中一般都给出传感器的灵敏度和参考量程范围，目的是让用户在选择不同灵敏度的加速度传感器时能方便地选出合适的产品，最小加速度测量值也称最小分辨率，考虑到后级放大电路噪声问题，应尽量远离最小可用值，以确保最佳信噪比。最大测量极限要考虑加速度传感器自身的非线性影响和后续仪器的最大输出电压。 估算方法：最大被测加速度×传感器电荷（电压）灵敏度，其数值是否超过配套仪器的最大输入电荷（电压）值。建议如已知被测加速度范围可在传感器指标中的“参考量程范围”中选择（兼顾频响、重量），同时，在频响、质量允许的情况下，尽量选择高灵敏度的传感器，以提高后续仪器输入信号，提高信噪比。在兼顾频响、质量的同时，可参照以下范围选择传感器灵敏度：以电荷输出型压电加速度传感器为例： 1、土木工程和超大型机械结构的振动在0.1g-10g (1g=9.81m/s2)左右，可选电荷灵敏度在300pC/ms-2～ 30pC/ms-2的压电加速度传感器，属于电荷输出型压电加速度传感器 2、特殊的土木结构（如桩基）和机械设备的振动在100ms-2～1000ms-2，可选择20pC/ms-2～2pC/ms-2的加速度传感器。 3、冲击，碰撞测量量程一般10000ms-2～1000000ms-2，可选则传感器灵敏度是0.2pC/ms-2～ 0.002pC/ms-2的加速度传感器。 二、频率选择 制造商给出的加速度传感器的频响曲线是用螺钉刚性连接安装的。 一般将曲线分成二段：谐振频率和使用频率。使用频率是按灵敏度偏差给出的，有±10%、±5%、±3dB。谐振频率一般是避开不用的，但也有特例，如轴承故障检测。选择加速度传感器的频率范围应高于被测试件的振动频率。有倍频分析要求的加速度传感器频率响应应更高。土木工程一般是低频振动，加速度传感器频率响应范围可选择0.2Hz～1kHz，机械设备一般是中频段，可根据设备转速、设备刚度等因素综合估算振动频率，选择0.5Hz～ 5kHz 的加速度传感器。如发电机转速在3000rms 时，除以60s 此时它的主频率为50Hz。碰撞、冲击测量高频居多。 加速度传感器的安装方式不同也会改变使用频响(对振动值影响不大)。 安装面要平整、光洁，安装选择应根据方便、安全的原则。我们给出同一只AD500S 加速度传感器不同安装方式的使用频率：螺钉刚性连接（±10%误差）10kHz；环氧胶或“502”粘接安装6kHz；磁力吸座安装 2kHz；双面胶安装1kHz。由此可见，安装方式的不同对测试频率的响应影响很大，应注意选择。加速度传感器的质量、灵敏度与使用频率成反比，灵敏度高，质量大，使用频率低，这也是选择的技巧。 三、内部结构 内部结构是指敏感材料晶体片感受振动的方式及安装形式。有压缩和剪切两大类，常见的有中心压缩、平面剪切、三角剪切、环型剪切。 中心压缩型频响高于剪切型，剪切型对环境适应性好于中心压缩型。如配用积分型电荷放大器测量速度、位移时，最好选用剪切型产品，这样所获得的信号波动小，稳定性好。 四、内置电路 内置的概念是将放大电路置于加速度传感器内，成为具有电压输出功能的传感元件。它可分双电源(四线)和单电源(二线、带偏置，又称ICP) 两种，下面所指内装电路专指ICP
《微机电系统设计学》读书报告 ——微加速度传感器概述查阅资料前，预计要解决的问题： 1)微加速度传感器的产生 2)微加速度传感器相比于传统传感器存在的优势 3)微加速度传感器工作原理 4)微加速度传感器主要有哪些类型，不同类型的特点 5)不同类型的微加速度传感器大致结构和工作机制 6)微加速度传感器主要应用及其发展趋势和前景 7)国内外微加速度传感器的发展 查阅的主要书籍及论文如下： 1.刘昶等微机电系统基础[M] 北京：机械工业出版社，2007 2.李德胜等MEMS技术及其应用[M] 黑龙江: 哈尔滨工业大学出版社，2002 3.傅建中等微系统原理与技术[M] 北京：机械工业出版社，2005 4.刘好等微加速度传感器的研究现状及发展趋势[J] 光学精密工程2004,12(3)： 81-86 5.李圣怡等微加速度计研究的进展[J] 国防科技大学学报2006（04）：34-37 针对预期解决的问题，对查阅的资料进行整理。 一、微加速度传感器概述 自19世纪产业革命以来，传感器作为检测单元不断用于改善机器系统的性能和提高系统的自动化程度。随着MEMS技术的不断发展，特别是其加工技术，如蒸镀、刻蚀，微细加工的进步，过去很难加工的工艺变得容易了。通过蒸镀可以制成均匀的、稳定的，并可以把拾取信息的敏感部分和电路集成于一体。例如，微加工技术可在半导体材料上，利用刻蚀方法使局部厚度变成几个微米而感受压力的敏感膜，从而避免了传统的把感压膜固定在装置上而产生的诸多不稳定因素。除了敏感元件及其信号处理电路，调节机构甚至运动元件也都可以利用微加工技术集成在一起，在相对极小的空间里制作出测量和控制系统。 各种各样的微传感器已经问世，测量对象从机械量的位移、速度和加速度到热工学量的温度和基于温度特性的红外图像和流速，以及磁场、化学成分等应有尽有。同传统传感器相比，微传感器具有体积小、质量轻、功能灵活、功耗小，以及成本低廉等特点。20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。美国AD公司、美国加州大学Berkeley分校(UCB)、德国Dresden大学、
手机中的传感器 如今，智能手机在生活中已经是必不可少的了，人人都能使用手机，但我们对手机中的传感器又了解了多少呢？ 手机传感器是手机上通过芯片来感应的元器件，如温度值、亮度值和压力值等。 随着技术的进步，手机已经不再是一个简单的通信工具，而是具有综合功能的便携式电子设备。手机的虚拟功能，比如交互、游戏、都是通过处理器强大的计算能力来实现的，但与现实结合的功能，则是通过传感器来实现。 一、光线传感器 光线感应器也叫做亮度感应器，英文名称为Light-Sensor ，很多平板电脑和手机都配备了该感应器。一般位于手持设备屏幕上方，它能根据手持设备目前所处的光线亮度，自动调节手持设备屏幕亮度，给使用者带来最佳的视觉效果。例如在黑暗的环境下，手持设备屏幕背光灯就会自动变暗，否则很刺眼。 原理：光线感应器是由两个组件即投光器及受光器所组成，利用投光器将光线由透镜将之聚焦，经传输而至受光器之透镜，再至接收感应器，接收感应器将收到之光线讯号转变成电信号，此电信讯号更可进一步作各种不同的开关及控制动作，其基本原理即对投光器受光器间之光线做遮蔽之动作所获得的信号加以运用以完成各种自动化控制。 用途：通常用于调节屏幕自动背光的亮度，白天提高屏幕亮度，夜晚降低屏幕亮度，使得屏幕看得更清楚，并且不刺眼。也可用于拍照时自动白平衡。还可以配合下面的位移传感器检测手机是否在口袋里防止误触。 二、位移传感器 位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。在生产过程中，位移的测量一般分为测量 实物尺寸和机械位移两种。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟 式和数字式两种。模拟式又可分为物性型和结构型两种。常用位移传感器以模拟 式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。
手机中常用传感器的介绍 它们的设计者是如何想到这样的设计的呢？我们又该如何从中学习？也许我在下面介绍的会是一种可能的思路。 摇一摇和Bump等优秀的设计都是离不开一种叫做传感器的装置的，它们是实现这些功能所依赖的基础，因此我觉得开发者们有必要从人机交互设计的根源处进行思考，或许深入根源就能得到不一样的启示。 传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。国标GB7665-87对传感器的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。我们的手机中，早就装备了各种各样的微型传感器，因此有必要充分利用这些传感器给我们带来的价值！以下将简要介绍几类常见的传感器。 重力传感器 工作原理：重力传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应”。 重力传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。 简单来说是测量内部一片重物(重物和压电片做成一体)重力正交两个方向的分力大小，来判定水平方向。通过对力敏感的传感器，感受手机在变换姿势时，重心的变化，使手机光标变化位置从而实现选择等功能。 应用案例：手机横竖屏幕切换、翻转静音、平衡球、各种射击、赛车游戏等。 重力传感器可谓是我们最熟悉的传感器了，一些非智能机上也有安装，基于重力传感器创造的各种应用与游戏也非常的多，可以说重力传感器已经被充分开发了，但是我们仍然能看见各种基于重力传感器的创意层出不穷，因此只要肯动脑子、有创意，它还是非常值得开发者关注的。 加速度传感器
加速度传感器原理以及选用 什么是加速度传感器？ 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。 加速度传感器一般用在哪里？ 通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。 加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。 目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。 加速度传感器是如何工作的？ 多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。 所谓的压电效应就是 "对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应 "。 一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。 在选购加速度传感器的时候，需要考虑什么？ 模拟输出 vs 数字输出：这个是最先需要考虑的。这个取决于你系统中和加速度传感器之间的接口。一般模拟输出的电压和加速度是成比例的，比如2.5V对应0g的加速度，2.6V对应于0.5g的加速度。数字输出一般使用脉宽调制（PWM）信号。 如果你使用的微控制器只有数字输入，比如BASIC Stamp，那你就只能选择数字输出的加速度传感器了，但是问题是你必须占用额外的一个时钟单元用来处理PWM信号，同时对处理器也是一个不小的负担。 如果你使用的微控制器有模拟输入口，比如PIC/AVR/OOPIC，你可以非常简单的使用模拟接口的加速度传感器，所需要的就是在程序里加入一句类似"acceleration=read_adc()"的指令，而且处理此指令的速度只要几微秒。 测量轴数量： 对于多数项目来说，两轴的加速度传感器已经能满足多数应用了。对于某些特殊的应用，比如UAV，ROV控制，三轴的加速度传感器可能会适合一点。 最大测量值： 如果你只要测量机器人相对于地面的倾角，那一个±1.5g加速度传感器就足够了。
1、常用加速度传感器有哪几种分类各有什么特点 答：加速度传感器按工作原理可分为压电式、压阻式和电容式。 压电式传感器是通过利用某些特殊的敏感芯体受振动加速度作用后会产生与之成正比的电荷信号的特性，来实现振动加速度的测量的，这种传感器一般都具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、结构简单坚固、受外界干扰小以及产生电荷信号不需要任何外界电源等优点，它最大的缺点是不能测量零频率信号。 压阻式传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥来实现测量加速度信号，这种传感器的频率测量范围和量程也很大，体积小重量轻，但是缺点也很明显，就是受温度影响较大，一般都需要进行温度补偿。 电容式传感器中一般有个可运动质量块与一个固定电极组成一个电容，当受加速度作用时，质量块与固定电极之间的间隙会发生变化，从而使电容值发生变化。它的优点很突出，灵敏度高、零频响应、受环境（尤其是温度）影响小等，缺点也同样突出，主要是输入输出非线形对应、量程很有限以及本身是高阻抗信号源，需后继电路给予改善。 相比之下，压电式传感器应用更为广泛一些，压阻式也有一定程度的应用，而电容式主要专用于低频测量。 2、压电式传感器又分哪几种 答：压电式传感器有多种分类方式。 按敏感芯体材料分为压电晶体（一般为石英）和压电陶瓷两类。压电陶瓷比压电晶体的压电系数要高，而且各项机电系数随温度时间等外界条件的变化相对较小，因此一般更常用的是压电陶瓷。 按敏感芯体结构形式分为压缩式、剪切式和弯曲变形梁式。压缩式结构最简单，价格便宜，但是不能有效排除各种干扰；剪切式受干扰影响最小，目前最为常用，但是制造工艺要求较高，所以价格偏高；弯曲变形梁式比较少见，其结构能够产生较大的电荷输出信号，但是测量频率范围较低，受温度影响易产生漂移，因此不推荐使用。 按信号输出的方式分为电荷输出式和低阻抗电压输出式（ICP）。电荷输出式直接输出高阻抗电荷信号，必须通过二次仪表转换成低阻抗电压读取，而高阻抗电荷信号较容易受干扰，所以对测试环境、连接线缆等的要求较高； 而ICP型传感器内部安装了前置放大器，直接转换成电压信号输出，所以相对有信号质量好、噪声小、抗干扰能力强、能实现远距离测量等优点，目前正逐步取代电荷输出式传感器。 3、选择压电式加速度传感器时有哪些基本原则 答：选择一般应用场合的压电式加速度传感器时，要从三个方面全面考虑： ①振动量值的大小②信号频率范围③测试现场环境。 作为一般的原则，灵敏度高的传感器量程范围小，反之灵敏度低的量程范围大，而且一般情况下，灵敏度越高，敏感芯体的质量块越大，其谐振频率也越低，如果谐振波叠加在被测信号上，会造成失真输出，因此选择时除
MEMS电容式加速度传感器 学校：哈尔滨工业大学（威海） 学院：信息与电气工程学院 专业：电子科学与技术 作者：胡诣哲090260207 纪鹏飞090260208
摘要 本文从MEMS电容式加速度传感器的基本原理切入，主要介绍了该类型传感器的原理和三种主要结构：三明治式、扭摆式、梳齿式及其各自结构方面优点。同时介绍目前应用较为广泛的集成式的基于电容原理的芯片MMA7455，主要分析了该集成传感器的内部结构和应用。 关键字：MEMS，电容式，加速度传感器，MMA7455 Abstract In this paper, we discussed the MEMS capacitive accelerometer from its fundamental principle and its three main structure which are sandwich, twist, and comb. Different structures have their own advantages. We also give the introduction to a popular IC accelerometer MM7455, putting an emphasis on its internal structure and some applications. Key words:MEMS, capacitive, accelerometer, MMA7455
一、引言 1.1 MEMS 加速度传感器简介 MEMS(Micro-Machined Electro Mechanical Sensor)是微机电机械传感器的简称，它是一种微米级的类似集成电路的装置和工具。MEMS 技术是一项有着广泛应用前景的基础技术。以半导体技术和微机电加工工艺设计、制造的MEMS 传感器，集成度高，并可与信号处理电路集成在一起，大大降低了生产成本，已在汽车、消费电子和通信电子领域取得极大发展。 MEMS 加速度传感器按敏感原理的不同可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式、热对流式等。本文主要介绍MEMS 电容加速度传感器。 二、传感器工作原理与常见结构 2.1 MEMS 电容式加速度传感器工作原理 电容式微加速度传感器的基本结构是质量块与固定电极构成的电容。当加速度使质量块产生位移时改变电容的重叠面积或间距。检测到的电容信号经过前置放大、信号调理后，以直流电压方式输出，从而间接实现对加速度的检测。 如图1所示，电容式加速度传感器由两块固定电极夹着一块活动电极。在静止的情况下，活动电极与两块固定电极的距离均为d 0形成两个大小为C 0的串联的电容。 当加速度传感器检测加速度时，活动电极受加速度力产生位移，两个电容的d 发生变化。根据平行板电容的计算公式： r S C d εε= 可知两个电容的大小将发生变化。由于此时电容值和极板间隙不是线性关系，常常采用差动电容检测方式以解决线性问题： 0002 000 2r r r S S S C d d d d d d εεεεεε?= - = ?-?+? 上式在d d ?<<时成立。
工程振动量值的物理参数常用位移、速度和加速度来表示。由于在通常的频率范围内振动位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之间都可互相转换，所以在实际使用中振动量的大小一般用加速度的值来度量。常用单位为：米/秒2 (m/s2)，或重力加速度(g)。 描述振动信号的另一重要参数是信号的频率。绝大多数的工程振动信号均可分解成一系列特定频率和幅值的正弦信号，因此，对某一振动信号的测量，实际上是对组成该振动信号的正弦频率分量的测量。对传感器主要性能指标的考核也是根据传感器在其规定的频率范围内测量幅值精度的高低来评定。 最常用的振动测量传感器按各自的工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、电感式以及光电式。压电式加速度传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便，所以成为最常用的振动测量传感器。 传感器的种类选择 ·压电式- 原理和特点 压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常
大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。 ·压阻式 应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥，其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面，从低灵敏度高量程的冲击测量，到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高，测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性，但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大，实用的传感器一般都需要进行温度补偿。在价格方面，大批量使用的压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力，但对特殊使用的敏感芯体制造成本将远高于压电型加速度传感器。 ·电容式 电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多。
11998-11-26收稿;1999-01-25定稿 o本刊通讯编委 第20卷第4期 半 导 体 光 电 Vol.20No.4 1999年8月 Semiconductor Optoelectronics Aug.1999 文章编号: 1001-5868(1999)04-0237-04 硅微电容式加速度传感器结构设计 1 吴 英,江永清,温志渝o,胡 松 (重庆大学光电工程学院,重庆400044) 摘 要: 通过建立传感器的力学模型,对硅微电容式加速度传感器的特性作了详细的分析与讨论,为系统结构的优化设计提供了理论基础。 关键词: 硅微机械 电容式加速度传感器 PWM 调制中图分类号: TP212 文献标识码:A Structure optimization design of silicon micro capacitive accelerometer WU Y ing,JIAN G Y ong-qing,WEN Zhi-yu,HU Song (Optoelectronic Engineering C ollege,C hongqing University ,Chongqing 400044,China) Abstract: In this paper,the property of silicon micro capacitive accelerometer is analyzed and discussed by establishing the model of sensor,laying the foundation for optimization design of sensor system structure. Keywords: silicon m icromachine,capacitance-ty pe accelerometer,PWM modulating 1 引言 硅微力平衡电容式加速度传感器是在电容式加速度传感器的基础上发展起来的,以牛顿第二定律为理论基础,通过检测电容变化从而测得系统所承受的加速度的大小。在这种检测模式下,传感器的性能主要由梁和质量块的结构决定,在质量块一定的情况下,梁越长,传感器的灵敏度越高;在梁长一定的情况下质量块越大,传感器越灵敏。由此,在传感器几何尺寸一定的情况下,通过对传感器的静态特性、动态特性以及测量范围的分析,可实现传感器结构的优化设计。 脉宽调制(PWM )的硅微力平衡电容式加速度传感器的工作原理如图1所示,该传感器是由动极板和上下定极板构成的硅敏感元件。上下定极板是淀积有薄膜电极的玻璃,动极板是带质量块的硅微悬臂梁结构(利用硅的表面加工和体加工技术形成)。 图1 加速度传感器工作原理图 F ig.1Schematic diagram of w orking principle of accelerometer 硅微力平衡电容式加速度传感器受到加速度作用时,动极板将偏离其中心平衡位置,使上下极板与中间动极板所构成的电容值发生变化,通过电容差值检测电路,输出与动极板位移成正比的电压,利用脉宽调制电路产生控制动极板平衡的脉冲反馈信号,改变该反馈信号的脉冲宽度可以改变作用在动极板的静电力(静电力与脉冲宽度成正比),使动极板保持在中间平衡位置。 传感器系统的传递函数框图如图2所示。当增益较大频率较低时,传递函数为[1] W (s)=D (s)a(s)= 2m d 2 E A V 2h (1) 式中,m 为动极板的质量,d 为动极板与定极板之
电容式传感器的应用实例 ——电容式传感器在手机上的应用 制作人：
摘要：随着传感器不断的发展与成熟，电容式传感器广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中，在农业、工业等领域的发展作出突出贡献。电容式传感器作为一项前途广阔的新型技术，日益受到人们的重视。 电容式感测技术在手机触摸屏中的应用 引言 电容传感技术投入应用已长达一个世纪，它具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点，具有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性。 电容式感测用户界面正作为手机中机械按键的一种实用的创新替代方案脱颖而出。虽然电容式传感器可被视作传统按键的简易替代方案，但该技术不仅仅是半球型开关的一种升级。当手机采用触摸式传感器来实现时，手机制造商在设计中可获得一种令人激动的崭新的外观感觉选择。 利用电容式传感器，手机按键，即键垫（key mat），无需移动式元件就可以实现，这样会形成平顺光滑的接触表面。此外，设计人员还可在机械按键顶端选用电容式感测，轻按会触发电容式传感器，重按则激活机械开关。 整合了这种技术的手机不仅能感测手指的位置，还能感测到手指对按键施加压力的轻重。轻按可能与电话号码簿翻页有关，重按则可能是往选定号码拨打电话。 近年来手机设计中出现的最引人注目的趋势之一是电容式传感器和透明导体的结合。这种透明键垫为设计人员提供了许多具创造性的选择。 手指电容 所有电容式触摸传感系统的核心部分都是一组与电场相互作用的导体。在皮肤下面，人体组织中充满了传导电解质(一种有损电介质)。正是手指的这种导电特性，使得电容式触摸传感成为可能。
教你正确选择加速度传感器 加速度计因其频响宽、动态范围大、可靠性高、使用方便，受到广泛应用。用户作通用振动、冲击测量时，主要关心的技术指标为：灵敏度、频率范围，内部结构，现场环境和与后续仪器配置等。 1、灵敏度的选择 扬州晶明的产品介绍给出了参考量程范围，目的是让用户在众多不同灵敏度的加速度计中能方便地选出合适的产品，最小加速度测量值也称最小分辨率，考虑到后级放大电路噪声问题，应尽量远离最小可用值，以确保最佳信噪比。最大测量极限要考虑加速度计自身的非线性影响和后续仪器的最大输出电压，估算方法：最大被测加速度传感器的电荷/电压灵敏度，以上数值是否超过配套仪器的最大输入电荷/电压值，建议如已知被测加速度范围可在传感器指标中的参考量程范围中选择(兼顾频响、重量)，同时，在频响、重量允许的情况下，灵敏度可考虑高些，以提高后续仪器输入信号，提高信噪比。 在兼顾频响、重量的同时，可参照以下范围选择传感器灵敏度：土木工程原型和超大型机械结构的振动在0.1g～10g左右，可选3000pC/g～300pC/g的加速度计，机械设备的振动在10g～100g左右，可选择20pC/g～200pC/g的加速度计，冲击可选0.1pC/g～20pC/g左右的加速度计。 2、频率选择 生产厂给出的频响曲线是用螺钉安装的，一般将曲线分成二段：谐振频率和使用频率。使用频率的给值是按灵敏度偏差给出，有10%、5%、3dB。谐振频率一般是避开不用，但也有特例，如轴承故障检测。 选择加速度计的频率应高于被测物的振动频率，有倍频分析要求的加速度计频响应更高。土木工程是低频，加速度计可选择0.2Hz～1kHz左右，机械设备一般是中频段，可根据设备转速、设备刚度等因素综合估计频率，选择0.5Hz～5kHz的加速度计。冲击测量高频居多。 加速度计的安装方式不同也会改变使用频响(对振动值影响不大)，安装面要平整、光洁，
加速度传感器研究现状 【摘要】加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。介绍了加速度传感器的产生，加速度传感器的应用和原理和加速度传感器的未来发展趋势。随着传感器的发展加速度传感器加速度传感器未来发展态势喜人，加速度传感器的应用也越来越普遍，生活中好多地方都应用到。本论文论述我加速度传感器的各方面应用和未来发展态势。 Acceleration sensor is capable of measuring acceleration of electronic devices. Describes the generation of acceleration sensor and acceleration sensor and acceleration sensor applications and principles of the future development trends. With the development of sensors accelerometer gratifying trend of future development, acceleration sensor applications are increasingly common, many places in life are applied to. This paper discusses various aspects of my application acceleration sensor and the future development trend. 【关键字】加速度传感器，工作原理，应用，发展态势
微加速度传感器的测试技术 学号:07060441X29 姓名： 摘要：微型加速度传感器是一种重要的惯性传感器，是惯性组合测量系统的基础元件之一。由于航空航天，各种机器人、工业自动控制、汽车以及玩具、武器装备等领域的迅速发展，对微型加速度传感器提出了多维、集成化等需求。而硅微加速度传感器是MEMS器件中的一个重要分支，具有十分广阔的应用前景。由于硅微加速度传感器具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点，而且该种传感器在强辐射作用下能正常工作，使其近年来发展迅速。本文围绕硅微加速度传感器的结构与工作原理进行了比较系统的研究，重点讨论了硅微加速度传感器的测试。 正文：21 世纪是人类全面进入信息化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们需要获得的电子信息种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术——传感技术必须跟上信息化发展的需要。它是人类探知自然界信息的触觉，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感技术，将是二十一世纪世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域。 微机电系统（MEMS）是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，它涉及电子、微机械、材料、制造、信息与控制、物理和生物等多种学科领域，其研究成果在国民经济和国防安全中有广泛的应用前景。目前MEMS 产品中研制最多、应用最广的是硅微机械传感器。其中硅微加速度传感器在汽车、工艺控制、航空航天、武器装备上是用得最多的MEMS 传感器之一。且来自集成电路工艺的技术发展使得低成本、大批量地生产MEMS 传感器成为可能。传感器向微型化发展的趋势，微传感器接口电路的微型化和与传感器集成，是微型加速度传感器研究的热点之一。微型加速度传感器是一种十分重要的力学敏感传感器，是微型惯性测量组合系统（MIMU）的重要基础元件。人们很早就开始了对加速度传感器结构和制造技术的研究。近年来MEMS 技术的发展，使得基于MEMS 技术的微加速度传感器在结构和工艺上具有传统的加速度传感器无法比拟的诸多优点，正逐步取代传统的加速度传感器。硅微加速度传感器的一种典型结构如图1.1 所示，梁的一端固定在边框架上，另一端悬挂一个质量块。无加速度时质量块不运动，输出为零；而当有垂直方向加速度时，质量块运动，经C/V 转换，放大解调输出与加速度信号有关的电压信号。应用于微加速度传感器的敏感机理很多，目前有文献报道的主要有压阻式、电容式、温敏式（热对流式）、真空微电子式、隧道式、热电耦式、光波导式、谐振式等形式，其中最主要的是压阻式和电容式两种形式。