傳感器原理及項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn) 課件 項(xiàng)目9-運(yùn)動(dòng)量檢測

項(xiàng)目9

運(yùn)動(dòng)量檢測

主講人目錄9.1認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)量檢測傳感器9.2三軸加速度傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)9.3六軸陀螺儀應(yīng)用實(shí)訓(xùn)9.4思考與練習(xí)

速度、角速度和加速度可直接反映物體運(yùn)動(dòng)的快慢程度和動(dòng)態(tài)受力情況，運(yùn)動(dòng)量的檢測在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、軍事領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。例如，陀螺儀在手機(jī)中用于計(jì)步、攝像頭防抖；汽車速度的檢測可以使我們能夠安全駕駛；軋鋼速度檢測直接關(guān)系到鋼鐵生產(chǎn)的連續(xù)性，過快或者過慢都可能發(fā)生事故；角速度和加速度的檢測被用于慣性導(dǎo)航；加速度通過牛頓第二定律可直接聯(lián)系到物體所受到的合外力，是表征動(dòng)態(tài)力的重要指標(biāo)。在振動(dòng)檢測中，速度和加速度是表征振動(dòng)的重要參數(shù)。通過學(xué)習(xí)，熟悉速度傳感器、加速度傳感器、陀螺儀的工作原理，了解常用運(yùn)動(dòng)量檢測傳感器的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)，掌握速度、加速度傳感器以及陀螺儀的使用方法。知識(shí)目標(biāo)識(shí)目標(biāo)技能目標(biāo)通過實(shí)踐和訓(xùn)練，掌握各種運(yùn)動(dòng)量檢測傳感器的選型及實(shí)際應(yīng)用，掌握運(yùn)動(dòng)量檢測傳感器和STM32的接口技術(shù)和編程技術(shù)。認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)量檢測傳感器9.19.1

認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)量檢測傳感器

運(yùn)動(dòng)量檢測包括速度檢測、角速度檢測以及加速度檢測等，運(yùn)動(dòng)量檢測傳感器就是將被測運(yùn)動(dòng)量的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的測量裝置，輸出的信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。9.1.1

速度傳感器

從原理上來說，使用位移傳感器所得的數(shù)值對(duì)時(shí)間進(jìn)行求導(dǎo)可以得到速度量，速度的檢測在日常生活中隨處可見，比如利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行車速的檢測、利用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行自行車速度的檢測。同樣，在工業(yè)生產(chǎn)中速度的檢測應(yīng)用也非常廣泛，比如自控機(jī)床轉(zhuǎn)速的檢測、自動(dòng)焊縫跟蹤系統(tǒng)鋼焊接速度的檢測。常見的速度傳感器種類非常多，本章節(jié)介紹多普勒效應(yīng)測速、測速發(fā)電機(jī)、光電式轉(zhuǎn)速傳感器、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器以及磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器。1.多普勒效應(yīng)測速1）多普勒效應(yīng)

假若發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的頻率與接收機(jī)收到信號(hào)的頻率不同。因?yàn)檫@一現(xiàn)象是奧地利科學(xué)家多普勒最早發(fā)現(xiàn)的，所以稱之為多普勒效應(yīng)。

如果發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在同一地點(diǎn)，被測物體以速度υ向發(fā)射機(jī)和接收機(jī)運(yùn)動(dòng)，我們可以把被測物體對(duì)信號(hào)的反射現(xiàn)象看成是一個(gè)發(fā)射機(jī)。這樣，接收機(jī)和被測物體之間因有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以就產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)。圖9-1多普勒效應(yīng)示意圖（a）發(fā)射機(jī)向被測物發(fā)射無線電波信號(hào)（b）接收機(jī)接收被測物反射信號(hào)

如圖9-1(a)所示，發(fā)射機(jī)向被測物體發(fā)射無線電波信號(hào)，被測物體以速度ν運(yùn)動(dòng)，被測物體做為接收機(jī)接收到的信號(hào)頻率為：

（9-1）式中：f0－發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的頻率，單位Hz；

ν－被測物體的運(yùn)動(dòng)速度，單位m/s；

λ0－發(fā)射信號(hào)波長，

，其中C為電磁波的傳播速度。如果把f1做為反射波向接收機(jī)發(fā)射信號(hào)，如圖9-1(b)所示。接收機(jī)接收到的信號(hào)頻率為：（9-2）由于被測物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電磁波的傳播速度，則可認(rèn)為，代入上式可得：（9-3）由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率之差稱為多普勒頻率，即：（9-4）從式（9-4）可以看到被測物體的運(yùn)動(dòng)速度可以用多普勒頻率來描述。2）多普勒雷達(dá)測速

下圖為多普勒雷達(dá)測速的電路原理框圖，它由發(fā)射機(jī)、接受機(jī)、混頻器、檢波器、放大器及處理電路等組成。當(dāng)發(fā)射信號(hào)和接收到的回波信號(hào)經(jīng)混頻器混頻后，兩者產(chǎn)生頻差現(xiàn)象，頻率之差正好為多普勒頻率。

利用多普勒雷達(dá)可以對(duì)被測物體的線速度進(jìn)行測量。如圖9-3所示，多普勒雷達(dá)產(chǎn)生的多普勒頻率為：

式中：ν－被測物體的線速度；

θ－電磁波方向與速度方向夾角；

λ0－電磁波的波長。用多普勒雷達(dá)測量運(yùn)動(dòng)物體線速度的方法，已廣泛用于檢測車輛的行駛速度。圖9-3多普勒雷達(dá)測速原理圖2.測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理做成的專門測量轉(zhuǎn)速的微型發(fā)電機(jī)，其輸出電壓正比于輸入軸上的轉(zhuǎn)速，即

（9-6）式中：

B－測速發(fā)電機(jī)中磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位T； r－測速發(fā)電機(jī)繞組的平均半徑，單位m；

l－測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的總有效長度，單位m；

ω－測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度，單位rad/s；

n－測速發(fā)電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。測速發(fā)電機(jī)可分為直流測速發(fā)電機(jī)和交流測速發(fā)電機(jī)兩類。測速發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是線性好，靈敏度高和輸出信號(hào)大。3.光電式轉(zhuǎn)速傳感器

光電式轉(zhuǎn)速傳感器屬于測頻計(jì)數(shù)式測速傳感器，其特點(diǎn)是在指定時(shí)間內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)傳速感器發(fā)出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。若每轉(zhuǎn)1周傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)為同m，T（s）時(shí)間內(nèi)脈沖計(jì)數(shù)值為N，則傳感器脈沖的頻率為：

（9-7）

每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)n為：

（9-8）

由上式可見，測定傳感器脈沖的頻率f即可求得轉(zhuǎn)速n。m的數(shù)值最好是60的整數(shù)倍。光電式轉(zhuǎn)速傳感器分為反射式和透射式兩種，如圖9-4所示。圖9-4光電式轉(zhuǎn)速傳感器1-被測轉(zhuǎn)軸；2-透鏡；3-光源；4-光電器件；5-聚焦透鏡；6-光透膜片；7-聚焦透鏡；8-光源；9-透鏡；10-指示盤；11-旋轉(zhuǎn)盤；12-光電元件4.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器同樣屬于測頻計(jì)數(shù)式測速傳感器，其工作原理如圖9-5所示。圖9-5

霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器

5.磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器也屬于測頻計(jì)數(shù)式測速傳感器，其工作原理如圖9-6所示。（a）開磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器

（b）閉磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器圖9-6磁電式轉(zhuǎn)速傳感器1-永久磁鐵；2-軟鐵；3-感應(yīng)線圈；4-齒輪；5-轉(zhuǎn)軸；6-內(nèi)齒輪；7a、7b-外齒輪；8-線圈；9-永久磁鐵9.1.2加速度傳感器

速度的變化量與所用時(shí)間的比值叫加速度。加速度與速度的變化和發(fā)生速度變化的時(shí)間長短有關(guān)，但與速度的大小無關(guān)。加速度傳感器就是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。傳感器在加速過程中，通過對(duì)質(zhì)量塊所受慣性力的測量，就可利用牛頓第二定律獲得加速度值。根據(jù)傳感器敏感元件的不同，常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、電阻式、霍爾式、壓電式等。1.電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖9-7所示。圖9-7電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1、5-固定極板；2-殼體；3-簧片；4-質(zhì)量塊；6-絕緣體

質(zhì)量塊4由兩根簧片3支撐置于充滿空氣的殼體2內(nèi)。當(dāng)測量垂直方向上的直線加速度時(shí)，傳感器殼體固定在被測振動(dòng)體上，振動(dòng)體的振動(dòng)使殼體相對(duì)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)，因而與殼體2固定在一起的兩固定極板1、5相對(duì)質(zhì)量塊4運(yùn)動(dòng)，致使上固定極板5與質(zhì)量塊4的A面（磨平拋光）組成的電容Cx1值以及下固定極板1與質(zhì)量塊4的B面（磨平拋光）組成的電容Cx2值隨之改變，一個(gè)增大，一個(gè)減小，它們的差值正比于被測加速度。由于采用空氣阻尼，氣體粘度系數(shù)比液體小得多，因此這種加速度傳感器的精密較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測很高的加速度值。2.電感式加速度傳感器

電感式加速度傳感器一般是利用差動(dòng)變壓器工作原理制作而成，圖9-8（a）為變氣隙式，活動(dòng)銜鐵2兼做質(zhì)量塊，由兩片彈簧片1支撐，可測量水平方向振動(dòng)加速度。圖9-8(b)為螺管式，活動(dòng)銜鐵2也是兼做質(zhì)量塊，由上下彈簧1支撐，用以測量垂直方向振動(dòng)加速度。圖9-8

差動(dòng)變壓器式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1-彈簧；2-活動(dòng)銜鐵3.電阻式加速度傳感器圖9-9為電阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，懸臂梁1作為彈性元件，一端固定在殼體3的基座上，另一端裝有質(zhì)量塊2，懸臂梁根部粘貼應(yīng)變片4連接成差動(dòng)電橋。壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)與圖9-9相似，只不過是直接用單晶硅作懸臂梁，并在梁的根部擴(kuò)散4個(gè)電阻組成差動(dòng)電橋，梁的自由端仍裝有慣性質(zhì)量塊。圖9-9所示用以測量垂直方向加速度，如果把它的安裝方向轉(zhuǎn)過90°，也可以測量水平方向的加速度。圖9-9電阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1-等強(qiáng)度粱；2-質(zhì)量塊；3-殼體；4-應(yīng)變片

4.霍爾式加速度傳感器

彈簧片S的一端固定在傳感器外殼上，中間裝有質(zhì)量塊m，末端裝有霍爾元件H，在霍爾元件上下方裝有一對(duì)永久磁鐵，它們同極性（N，N）相對(duì)安裝在傳感器外殼上。傳感器外殼固定在被測振動(dòng)體上，當(dāng)被測物體作垂直方向振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)速度轉(zhuǎn)換為霍爾元件在磁場中的位移而產(chǎn)生相應(yīng)的霍爾電勢，由霍爾電勢值可求得加速度。圖9-10霍爾式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖5.壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它的工作原理與前面介紹的幾種加速度傳感器的不同之處就是利用壓電材料的壓電效應(yīng)，將慣性力直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出，因其固定頻率高，高頻響應(yīng)好，如配以電荷放大器，低頻特性也很好。壓電加速度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、缺點(diǎn)是要經(jīng)常校正靈敏度。圖9-11壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1-基座；2-壓電片；3-質(zhì)量塊；4-彈簧；5-殼體9.1.3

陀螺儀

陀螺儀，簡稱陀螺，又稱角速度傳感器。其物理定義為：陀螺儀是用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體在相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測裝置。1.陀螺儀的發(fā)展歷程

1850年，法國物理學(xué)家，萊昂·傅科發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子由于慣性作用，其旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)指向固定方向，故用希臘字gyro（旋轉(zhuǎn)）和skopein（看）來命名這種設(shè)備，即陀螺儀（gyroscope），并利用陀螺儀驗(yàn)證了地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

1908年，德國科學(xué)家，赫爾曼·安許茨·肯普費(fèi)設(shè)計(jì)一種單轉(zhuǎn)子擺式陀螺，該系統(tǒng)可以憑借重力力矩自動(dòng)尋找方向，解決了艦船導(dǎo)航的問題。二戰(zhàn)期間，德國利用陀螺儀，為V-2火箭裝備了慣性制導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)陀螺儀在導(dǎo)彈制導(dǎo)領(lǐng)域的首次應(yīng)用。

1963年，美國研制出激光陀螺儀，隨后將其應(yīng)用到飛機(jī)與戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈。

1964年，美國研制出靜電陀螺儀，并于1979年將其應(yīng)用于“三叉戟”彈道導(dǎo)彈核潛艇，使得潛艇導(dǎo)航能力實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

1990年以來，以微機(jī)電陀螺儀（MEMS）、半球諧振陀螺儀（RG）為代表的振動(dòng)陀螺儀，以及以核磁共振陀螺儀（NMRG）、原子干涉陀螺儀（AIG）為代表的原子陀螺儀得到快速發(fā)展。2.陀螺儀的工作原理

一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)，是不會(huì)改變的，這就是陀螺儀的工作原理。人們根據(jù)這個(gè)道理，用它來保持方向，制造出來的儀器就叫做陀螺儀。陀螺儀在工作時(shí)要給它一個(gè)力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達(dá)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長時(shí)間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳給控制系統(tǒng)。3.陀螺儀的組成

從力學(xué)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)萬向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以陀螺的運(yùn)動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。更確切地說，一個(gè)繞對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀。陀螺儀的基本部件有：陀螺轉(zhuǎn)子（常采用同步電機(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動(dòng)方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見其轉(zhuǎn)速近似為常值），內(nèi)、外框架（或稱內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的結(jié)構(gòu)），附件（是指力矩馬達(dá)、信號(hào)傳感器等）。4.陀螺儀的重要特性

陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺(tái)真正實(shí)用的陀螺儀器問世以來已有大半個(gè)世紀(jì)，但直到現(xiàn)在，陀螺儀仍在吸引著人們對(duì)它進(jìn)行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀有兩個(gè)非常重要的基本特性：一個(gè)是定軸性，另一個(gè)是進(jìn)動(dòng)性，這兩種特性都是建立在角動(dòng)量守恒的原則下。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的定軸性。人們騎自行車不倒也是這個(gè)道理，并且速度越快越穩(wěn)定。研究陀螺儀運(yùn)動(dòng)特性的理論是繞定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)剛體動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支，它以物體的慣性為基礎(chǔ)，研究旋轉(zhuǎn)物體的動(dòng)力學(xué)特性。1）定軸性當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時(shí)，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個(gè)固定的方向，同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性。其穩(wěn)定性隨以下的物理量而改變：

·轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量愈大，穩(wěn)定性愈好；

·轉(zhuǎn)子角速度愈大，穩(wěn)定性愈好。所謂的“轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”，是描述剛體在轉(zhuǎn)動(dòng)中的慣性大小的物理量。當(dāng)以相同的力矩分別作用于兩個(gè)繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的不同剛體時(shí)，它們所獲得的角速度一般是不一樣的，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的剛體所獲得的角速度小，也就是保持原有轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的慣性大；反之，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的剛體所獲得的角速度大，也就是保持原有轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的慣性小。2）進(jìn)動(dòng)性

當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性，叫做陀螺儀的進(jìn)動(dòng)性。影響陀螺儀進(jìn)動(dòng)性大小的因素：·外界作用力愈大，其進(jìn)動(dòng)角速度也愈大；·轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量愈大，進(jìn)動(dòng)角速度愈??；·轉(zhuǎn)子的角速度愈大，進(jìn)動(dòng)角速度愈小。5.陀螺儀的分類

根據(jù)框架的數(shù)目和支承的形式以及附件的性質(zhì)決定陀螺儀的類型有：三自由度陀螺儀(具有內(nèi)、外兩個(gè)框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在沒有任何力矩裝置時(shí)，它就是一個(gè)自由陀螺儀)。二自由度陀螺儀(只有一個(gè)框架，使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)。

除了機(jī)、電框架式陀螺儀以外，還出現(xiàn)了一些新型陀螺儀，如靜電式自由轉(zhuǎn)子陀螺儀、激光陀螺儀、MEMS陀螺儀等。1）靜電陀螺儀

靜電陀螺儀又稱電浮陀螺。在金屬球形空心轉(zhuǎn)子的周圍裝有均勻分布的高壓電極，對(duì)轉(zhuǎn)子形成靜電場，用靜電力支承高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。這種方式屬于球形支承，轉(zhuǎn)子不僅能繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也能繞垂直于自轉(zhuǎn)軸的任何方向轉(zhuǎn)動(dòng)，故屬自由轉(zhuǎn)子陀螺儀類型。靜電陀螺儀采用非接觸支承，不存在摩擦，所以精度很高。它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜，成本較高。2）激光陀螺儀

激光陀螺實(shí)際上是一種環(huán)形激光器，沒有高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)子，但它利用激光技術(shù)測量物體相對(duì)于慣性空間的角速度，具有速率陀螺儀的功能。

激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)和工作原理是：用熱膨脹系數(shù)極小的材料制成三角形空腔。在空腔的各頂點(diǎn)分別安裝三塊反射鏡，形成閉合光路。腔體被抽成真空，充以氦氖氣，并裝設(shè)電極，形成激光發(fā)生器。

激光發(fā)生器產(chǎn)生兩束射向相反的激光。當(dāng)環(huán)形激光器處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，兩束激光繞行一周的光程相等，因而頻率相同，所以頻差為零，干涉條紋為零。

當(dāng)環(huán)形激光器繞垂直于閉合光路平面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致的那束光的光程延長，波長增大，頻率降低；另一束光則相反，因而出現(xiàn)頻差，形成干涉條紋。單位時(shí)間的干涉條紋數(shù)正比于轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，從而完成機(jī)械式陀螺同樣的任務(wù)。它的精度大大高于機(jī)械式陀螺，沒有運(yùn)動(dòng)部件，易于維護(hù)，可靠性高，壽命長，從而取代機(jī)械式陀螺，成為大中型飛機(jī)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的核心部件，但是它比機(jī)械式陀螺的體積大，價(jià)格高，因此在小型飛機(jī)上使用的較少。3）MEMS陀螺儀

即硅微機(jī)電陀螺儀，絕大多數(shù)的MEMS陀螺儀依賴于相互正交的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)引起的交變科里奧利力。MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)是指集機(jī)械元素、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機(jī)電系統(tǒng)。MEMS陀螺儀是利用coriolis（科里奧利，法國物理學(xué)家）定理，將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成與角速度成正比的直流電壓信號(hào)，其核心部件通過摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)、腐蝕技術(shù)、LIGA技術(shù)、封裝技術(shù)等批量生產(chǎn)的。它主要特點(diǎn)：·體積小、重量輕，其邊長都小于1mm，器件核心的重量僅為1.2mg；·成本低；·可靠性好，工作壽命超過10萬小時(shí)，能承受1000g的沖擊；·測量范圍大。5.陀螺儀的應(yīng)用

陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)敏感元件，即可作為信號(hào)傳感器。根據(jù)需要，陀螺儀器能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號(hào)，以便駕駛員或用自動(dòng)導(dǎo)航儀來控制飛機(jī)、艦船或航天飛機(jī)等航行體按一定的航線運(yùn)動(dòng)，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器或空間探測火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號(hào)完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。

作為穩(wěn)定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺，能使安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上的照相機(jī)相對(duì)地面穩(wěn)定等。

作為精密測試儀器，陀螺儀器能夠?yàn)榈孛嬖O(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)。

陀螺儀的出現(xiàn)，給了消費(fèi)電子很大的應(yīng)用發(fā)揮空間。比如就設(shè)備輸入的方式來說，在鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏之后，陀螺儀又給我們帶來了手勢輸入，由于它的高精度，甚至還可以實(shí)現(xiàn)電子簽名。

陀螺儀在智能手機(jī)上的應(yīng)用，陀螺儀自被發(fā)明開始，就用于導(dǎo)航，最早是德國人將其應(yīng)用在V1、V2火箭上。如果配合GPS，手機(jī)的導(dǎo)航能力將達(dá)到前所未有的水準(zhǔn)。實(shí)際上，目前很多專業(yè)手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機(jī)上安裝了相應(yīng)的軟件，其導(dǎo)航能力絕不亞于目前很多船舶、飛機(jī)上用的導(dǎo)航儀。陀螺儀還可以和手機(jī)上的攝像頭配合使用，比如防抖，這會(huì)讓手機(jī)的拍照攝像能力得到很大的提升。提升游戲體驗(yàn)。各類手機(jī)游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類游戲，甚至包括一些第一視角類射擊游戲，陀螺儀完整監(jiān)測游戲者手的位移，從而實(shí)現(xiàn)各種游戲操作效果，如橫屏改豎屏、賽車游戲拐彎等等。

除了我們熟悉的智能手機(jī)以外，汽車上也用了很多微機(jī)電陀螺儀，在高檔汽車中，大約采用25至40只MEMS傳感器，用來檢測汽車不同部位的工作狀態(tài)，給行車電腦提供信息，讓用戶更好的控制汽車。

由此可見，陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的，它在現(xiàn)代化的國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均占重要的地位。三軸加速度傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)9.29.2.1

實(shí)訓(xùn)目的及要求

通過實(shí)訓(xùn)，了解三軸加速度傳感器ADXL345的工作原理，掌握三軸加速度傳感器ADXL345與STM32F407ZGT6芯片的接口技術(shù)，掌握I2C總線編程技術(shù)，熟悉使用加速度傳感器ADXL345對(duì)加速度進(jìn)行檢測，在液晶顯示屏幕顯示X、Y、Z軸三個(gè)方向的加速度值。9.2

三軸加速度傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)9.2.2

三軸加速度傳感器ADXL345簡介

1.三軸加速度傳感器ADXL345的工作原理

ADXL345傳感器屬于微型機(jī)電系統(tǒng)傳感器，主要由硅晶片上的微機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，該結(jié)構(gòu)由多晶硅彈簧懸掛，當(dāng)在X、Y或Z軸上受到加速度時(shí)，它可以在任何方向上平滑偏轉(zhuǎn)，撓曲會(huì)導(dǎo)致固定極板和連接到懸掛結(jié)構(gòu)的活動(dòng)極板之間的電容發(fā)生變化，每個(gè)軸上的電容變化都會(huì)轉(zhuǎn)換為與該軸上的加速度成比例的輸出電壓。

該傳感器便是通過對(duì)此電壓進(jìn)行采樣從而計(jì)算得出每個(gè)方向上的加速度，最終通過內(nèi)部處理產(chǎn)生數(shù)字輸出。該傳感器既能測量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度，也能測量靜止加速度，例如重力加速度，使得器件可作為傾斜傳感器使用。2.三軸加速度傳感器ADXL345的特點(diǎn)及應(yīng)用

ADXL345是ADI公司生產(chǎn)的一款數(shù)字三軸加速度計(jì)傳感器。它采用了高分辨率13位AD轉(zhuǎn)換器和16位數(shù)據(jù)輸出，能夠測量±2g/±4g/±8g/±16g四種量程范圍內(nèi)的加速度，具有高精度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，并支持多種數(shù)字接口，可以與各種微控制器進(jìn)行通訊。

ADXL345三軸加速度傳感器基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，將微小振動(dòng)轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，再經(jīng)過內(nèi)部處理后輸出數(shù)字信號(hào)。它通過檢測物體在空間中的加速度及其方向，可以測量平面和立體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、游戲控制器、智能手表、健身設(shè)備、安全系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。主要技術(shù)參數(shù)：·工作電壓：2.0v~3.6v；·功耗：40~145uA，待機(jī)模式僅0.1uA；·分辨率：13位；·三軸加速度計(jì)可編程范圍：士2g，士4g，士8g或士16g可變量程；·工作溫度：-40℃～+85℃；·通信接口：400KHzI2C或2MHzSPI；·環(huán)境溫度：片上16位ADC；·用戶可編程中斷；·封裝尺寸：LGA3mm×5mm×1mm。3.三軸加速度傳感器ADXL345的引腳定義ADXL345采用LGA3mm×5mm×1mm、14引腳小型超薄塑料封裝。ADXL345的引腳定義4.三軸加速度傳感器ADXL345的典型接線

三軸加速度傳感器ADXL345與微處理器的數(shù)據(jù)傳輸有SPI和I2C兩種通信方式，將CS引腳拉高至VDDI/O，ADXL345處于I2C模式。CS引腳應(yīng)始終上拉至VDDI/O或由外部控制器驅(qū)動(dòng)，因?yàn)镃S引腳無連接時(shí)，默認(rèn)模式不存在。因此，如果沒有采取這些措施，可能會(huì)導(dǎo)致該器件無法通信。SPI總線三總線連接方式

SPI總線四總線連接方式I2C接線9.2.3三軸加速度傳感器ADXL345硬件接口電路設(shè)計(jì)

ADXL345傳感器第7引腳（CS）接STM32F407的PD12引腳，第8引腳（INT1）接PD14引腳，第9引腳（INT2）接PD15引腳，第13引腳（SDA）接PB13引腳，第14引腳（SCL）接PE1引腳。9.2.4程序設(shè)計(jì)

本次實(shí)訓(xùn)的任務(wù)是采用三軸加速度傳感器ADXL345對(duì)加速度進(jìn)行檢測，該任務(wù)功能主要由main.c和ADXL345.c程序文件來完成，ADXL345.c文件完成STM32F407ZGT6與ADXL345芯片的通信并獲得三軸加速度數(shù)據(jù)，main.c對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并在液晶屏上顯示。本實(shí)訓(xùn)程序設(shè)計(jì)的要點(diǎn)如下：（1）配置RCC寄存器組，開啟GPIOB、GPIOD、GPIOE時(shí)鐘；（2）配置GPIOB.13為開漏、輸出模式，GPIOE.1為推挽、輸出模式，GPIOD.12為推挽、

輸出模式，GPIOD.14、GPIOD.15為開漏、輸入模式，均無上拉/下拉電阻；（3）I2C通信、數(shù)據(jù)處理及顯示。9.2.5程序運(yùn)行結(jié)果

掃描二維碼獲得整個(gè)工程文件，編譯并運(yùn)行程序，對(duì)實(shí)訓(xùn)傳感器進(jìn)行振動(dòng)，可以看到液晶顯示屏顯示X、Y、Z軸三個(gè)方向的加速度值。六軸陀螺儀應(yīng)用實(shí)訓(xùn)9.39.3.1實(shí)訓(xùn)目的及要求

通過實(shí)訓(xùn)，掌握六軸陀螺儀MPU-6050芯片與STM32F407ZGT6的接口技術(shù)，掌握I2C總線編程技術(shù)，熟悉使用六軸陀螺儀芯片MPU-6050對(duì)角速度、加速度進(jìn)行檢測，在液晶顯示屏幕顯示X、Y、Z軸三個(gè)方向的加速度及角速度值。9.3

六軸陀螺儀應(yīng)用實(shí)訓(xùn)9.3.2六軸陀螺儀芯片MPU-6050簡介1.六軸陀螺儀芯片MPU-6050的工作原理

MPU6050由三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀組成，它可以測量物體在x、y、z三個(gè)方向上的加速度和角速度。加速度計(jì)可以檢測物體的線性加速度，而陀螺儀可以檢測物體的角速度。通過將加速度計(jì)和陀螺儀的測量結(jié)果進(jìn)行組合，可以計(jì)算出物體的方向和角度。其系統(tǒng)框圖如圖9-20所示。圖9-20MPU6050系統(tǒng)框圖2.六軸陀螺儀MPU-6050的應(yīng)用及特點(diǎn)

MPU-6050是InvenSense公司推出的整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，其內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，含有16位ADC采集傳感器的模擬信號(hào)，并且含有一個(gè)I2C接口，可用于連接外部磁力傳感器，并利用自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器硬件加速引擎，通過主I2C接口，向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算數(shù)據(jù)。

MPU-6050在機(jī)器人、無人機(jī)、智能家居等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，在機(jī)器人領(lǐng)域，MPU-6050可以用于測量機(jī)器人的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)精確的定位和控制；在無人機(jī)領(lǐng)域，MPU-6050可以用于測量無人機(jī)的姿態(tài)和角速度，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的飛行；在智能家居領(lǐng)域，MPU-6050可以用于測量家居設(shè)備的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)智能化控制。六軸陀螺儀MPU-6050主要技術(shù)參數(shù)：·三軸角速度傳感器（陀螺儀），靈敏度高達(dá)31LSB/dps，滿量程范圍為±250、±500、±1000和±2000dps；·三軸加速度計(jì)，可編程滿量程范圍為±2g、±4g、±8g和±16g；·VDD電源電壓范圍為2.375V~3.46V；·陀螺儀工作電流：3.6mA（全功率，陀螺儀在所有速率下）；·陀螺儀+加速度工作電流：3.8mA（全功率，所有速率下的陀螺儀，1kHz采樣率下的加速度）；·加速低功耗模式工作電流：10μA（在1Hz）、20μA（在5Hz）、70μA（在20Hz）、140μA（在40Hz）；·全芯片空閑模式電源電流：5μA；·400kHz快速模式I2C串行主機(jī)接口；·工作溫度：-40℃~85℃；·適用于便攜式設(shè)備的最小、最薄的封裝24腳（4×4×0.9mmQFN）。3.六軸陀螺儀MPU-6050的引腳定義

六軸陀螺儀MPU-6050采用24腳（4×4×0.9mmQFN）封裝。MPU6050的引腳定義

4.六軸陀螺儀MPU-6050的典型用法

MPU6050工