倾斜角检测：利用三轴加速度传感器实现的新方法
发布时间：2021-03-28
来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)
三轴加速度传感器是基于测量物体在空间中速度变化的快慢的原理来实现工作的，其具有体积小和重量轻的特点。该传感器用于测量空间加速度，即物体在空间中的加速度变化情况。与单轴和双轴加速度传感器相比，在测量原理上并没有差异，它们的主要区别在于测量维度的不同。三轴加速度传感器主要通过将空间加速度在X、Y、Z三个轴上分解来进行测量，在某种技术条件下，三个单轴可以合为一个三轴传感器。
以下是使用三轴加速度传感器相比使用单/双轴加速度传感器的优点，以及如何利用Digi-Key的技术资源来加速设计进程。
三轴加速度传感器的优点：
全面掌握物体的运动状态：相较于双轴加速度传感器只能检测XY平面上的倾斜角度，三轴加速度传感器可以全面了解物体的运动状态。除了像双轴传感器一样能够计算XY平面、YZ平面和XZ平面上的倾斜角度外，它还能计算每条轴与参考位置的夹角。图1显示了XYZ三轴与参考位置的夹角。
如何利用Digi-Key的技术资源来加速设计进程：
通过利用Digi-Key提供的技术资源，可以更高效地进行设计并选择适合的三轴加速度传感器。Digi-Key提供了广泛的产品信息和规格说明，使得我们能够比较不同品牌和型号的传感器，并根据项目需求作出明智的选择。此外，Digi-Key还提供了技术文章、应用指南和工程师支持等资源，帮助我们更好地理解和应用三轴加速度传感器，从而加快设计过程并提高设计质量。
水平面与X轴的夹角用θ表示，水平面与Y轴的夹角用Ψ表示，重力矢量与Z轴的夹角用Φ表示。
引入参考位置的概念，通常将参考位置设定为具有Z轴上重力分量为1而XY轴上没有重力分量的位置。在这种情况下，θ、Ψ和Φ的角度都为0。通过计算θ、Ψ和Φ这三个角度，我们可以得知物体的运动状态。
检测倾斜角：对比三种加速度传感器
选择使用哪种加速度传感器应该根据具体的应用要求进行决定，例如倾斜角范围、被测对象是否在XYZ三轴上受限、所需的检测精度等等。
硬件实现
然而，在实际应用中，很难确保倾斜只发生在X-Y平面上。因此，我们可以扩展使用三轴传感器的倾角计算公式如下：
上述公式基本解决了静态环境下的倾角计算问题。如果考虑到更复杂的运动条件下计算倾角，我们需要再增加一个限定条件，即：
目前，在消费类产品中主要使用数字输出（I2C/SPI）的加速度传感器，可以简单地与MCU进行通信，实现测量功能。ST提供的产品按照精度分为LIS2DH12TR（12位）、LIS2HH12TR（16位）和车规加速度AIS328DQTR（12位）。
倾斜角度的精度与加速度值的分辨率之间存在如下关系：
使用8位的ADC可以获得3.4°的精度以上。
使用10位的ADC可以获得0.8°的精度以上。
使用12位的ADC可以获得0.2°的精度以上。
使用14位的ADC可以获得0.05°的精度以上。
使用16位的ADC可以获得0.0124°的精度以上。
本文总结
本系列文章只讨论了检测倾斜角一个方面的应用。在实际应用中，如果需要考虑更多的应用场景，通常需要收集、分析和整理各个方面的信息。在这种情况下，三轴加速度传感器的功能通常是无法由单轴或双轴加速度传感器来替代的。
关键词：罗姆传感器
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三轴加速度传感器是基于测量物体在空间中速度变化的快慢的原理来实现工作的，其具有体积小和重量轻的特点。该传感器用于测量空间加速度，即物体在空间中的加速度变化情况。与单轴和双轴加速度传感器相比，在测量原理上并没有差异，它们的主要区别在于测量维度的不同。三轴加速度传感器主要通过将空间加速度在X、Y、Z三个轴上分解来进行测量，在某种技术条件下，三个单轴可以合为一个三轴传感器。
