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MEMS加速度计在应用方面具有什么性能?

MEMS加速度计分为三种:压电式、容感式、热感式,压电式MEMS加速度计运用的是压电效应,在其内部有一个刚体支撑的质量块,有运动的情况下质量块会产生压力,刚体产生应变,把加速度转变成电信号输出。

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MEMS加速度计凭借其微型化、低成本和可集成性等特点,在众多领域广泛应用。其核心应用性能主要体现在以下几个方面:

  1. 运动/加速度测量:

    • 核心功能: 直接测量载体在空间中的线加速度(非重力加速度)或重力加速度分量
    • 应用示例: 智能手机屏幕自动旋转(感知方向)、计步器(检测步伐)、游戏控制器体感操作、车辆碰撞检测(安全气囊触发)。
  2. 倾斜/姿态感测:

    • 原理: 利用地球重力场作为参考向量,当加速度计静止时,其测量到的静态加速度即为重力矢量在该轴上的分量。
    • 应用性能: 通过测量重力在各轴上的分量,计算出载体相对于水平面的倾斜角/倾角
    • 应用示例: 工业设备水平校准、工程机械姿态监控、可穿戴设备活动识别(如识别躺卧或步行状态)、数码相机的防抖(部分算法)。
  3. 振动监测与冲击检测:

    • 性能要求:
      • 高带宽: 能够捕捉高频振动信号(通常数十Hz到数千Hz)。
      • 低噪声: 准确测量微小振动幅度,尤其在低频。
      • 宽量程: 既能测微小振动,也能承受并测量强冲击(如g值可达数百甚至数千g)。
      • 稳定性: 输出受温度、时间漂移影响小。
    • 应用示例: 工业设备预测性维护(监测电机、泵、风机等的异常振动)、结构健康监测(桥梁、建筑)、硬盘跌落保护、汽车悬挂系统测试、运动装备分析(高尔夫球杆挥动)。
  4. 导航与定位(辅助/组合导航):

    • 性能要求:
      • 低偏置不稳定性/低噪声: 长时间积分位置/速度时的误差累积更小(相比单独使用MEMS陀螺)。
      • 低温漂: 环境温度变化时,零偏和灵敏度变化小,保证精度。
      • 相对准确性/稳定性: 在短时间尺度内提供可靠的加速度信息。
    • 应用性能: MEMS加速度计通常不用于直接提供绝对位置,但在惯性测量单元中与陀螺仪等组合使用时:
      • 提供速度变化信息(加速度积分)。
      • 帮助检测静态状态(零速更新),辅助校正陀螺误差。
      • 航位推算中,提供载体加速度信息。
      • 应用示例: 车载GPS定位在信号丢失时的短时惯性导航(隧道、地下)、无人机室内飞行、智能手机室内定位、行人航迹推算。
  5. 其他应用性能:

    • 低功耗: MEMS技术本身具备低功耗特性,非常适合电池供电设备(如可穿戴设备、物联网节点)。
    • 小尺寸/轻量化: 微型化是其最大优势,可实现嵌入式应用(如智能手机、耳机)。
    • 高集成度: 便于与其他传感器(如陀螺仪、磁力计)集成在单一芯片或封装中,形成IMU或AHRS。
    • 快速启动与响应速度: 系统上电即可快速工作。
    • 抗冲击/振动可靠性: 特定设计可承受恶劣机械环境。

总结关键点:

因此,在评价MEMS加速度计的“应用性能”时,必须结合其具体的应用场景,看它能否满足该场景对加速度/重力测量精度、频率范围、稳定性、环境适应性、体积、成本、功耗等方面的要求。

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