【導(dǎo)讀】隨著新型處理器的執(zhí)行效率飛速提高，其對計(jì)算能力的追求有時(shí)超過了冷卻系統(tǒng)的能力。而且，機(jī)械和散熱設(shè)計(jì)通常是最后完成的研發(fā)步驟。因此，在設(shè)計(jì)的過程中可能在最后階段才發(fā)現(xiàn)超過了散熱系統(tǒng)的限制。設(shè)計(jì)師通常需優(yōu)化系統(tǒng)并找到可接受的折中方案。
圖1.傾角測量涉及廣泛的應(yīng)用場景
ADI高精度傾角監(jiān)測模塊ADXL357是ADI最新推出的高精度、低噪聲、低功耗的完整三軸傾角測量解決方案，得益于傳感器的高性能及模塊集成的ADI校正及對齊算法，該模塊測量分辨率為0.001°，精度可達(dá)±0.05°，短時(shí)漂移優(yōu)于0.005°，傳感器在全速工作時(shí)只需要200uA電流，非常適合電池供電的場所。
這些精密操作離不開傾角監(jiān)測
傾角監(jiān)測在手勢識別接口中有著巨大的潛力。例如，在建筑或工業(yè)檢測設(shè)備等應(yīng)用中，單手操作可能更適用。不操作設(shè)備的那只手可以控制操作員站立的鏟斗或平臺，或者可能握持系繩以保證安全。操作員只需“旋轉(zhuǎn)”探針或設(shè)備即可調(diào)節(jié)設(shè)置。在這種情況下，三軸加速度計(jì)會(huì)將旋轉(zhuǎn)檢測為傾斜：測量傾角在重力條件下的低速變化，檢測重力向量的變化，并確定方向是順時(shí)針還是反時(shí)針。
傾斜檢測也可以與輕擊（沖擊）識別結(jié)合起來，以便操作員能單手控制設(shè)備的更多功能。設(shè)備位置補(bǔ)償是傾斜測量的又一個(gè)重要用武之地。以GPS（全球定位系統(tǒng)）或手機(jī)中的電子羅盤為例。這里有一個(gè)著名的問題，即在羅盤不與地球表面完全平行時(shí)，結(jié)果產(chǎn)生的首向誤差問題。
工業(yè)電子秤是另一個(gè)例子。在該應(yīng)用中，必須計(jì)算裝載桶相對于地球的傾角，以獲得準(zhǔn)確的重量讀數(shù)。壓力傳感器（如汽車和工業(yè)機(jī)器中使用的傳感器）同樣存在重力影響問題。這些傳感器含有薄膜，其撓度會(huì)隨傳感器安裝位置而變化。在所有這些情況下，MEMS加速度計(jì)會(huì)進(jìn)行必要的傾角檢測，對誤差進(jìn)行補(bǔ)償。
傾角監(jiān)測和MEMS
加速度、振動(dòng)、沖擊、傾斜和旋轉(zhuǎn)實(shí)際上都是加速度在不同時(shí)間段的不同表現(xiàn)。當(dāng)物體因運(yùn)動(dòng)改變傾角時(shí)，其相對于重力的位置會(huì)發(fā)生一定的變化。與振動(dòng)和沖擊相比，這種運(yùn)動(dòng)一般非常緩慢。MEMS加速度計(jì)通過測量重力在加速度計(jì)軸上產(chǎn)生的作用來監(jiān)測傾角。在三軸加速度計(jì)中，用三個(gè)獨(dú)立的輸出來測量X、Y和Z三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸上的加速度。
圖2.獨(dú)立傾斜監(jiān)測的角度
傾角監(jiān)測一般分為兩種，一種是靜態(tài)傾角監(jiān)測，如樓宇、山體滑坡等的傾角監(jiān)測，另一種就是大量程動(dòng)態(tài)傾角監(jiān)測，比如大的無人機(jī)在飛行過程中振動(dòng)比較大，這種條件下依然要監(jiān)測傾角。對MEMS加速度計(jì)而言，精確的傾角監(jiān)測是一種要求頗高的應(yīng)用，尤其是在有振動(dòng)的動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行傾斜測量，需要g值范圍較高的加速度計(jì)，比如ADXL357。有限g值范圍的加速度計(jì)測量可能會(huì)削波，導(dǎo)致輸出失調(diào)增加。引起削波的原因可能是靈敏軸在1g重力場中，或者是發(fā)生上升時(shí)間快但衰減慢的沖擊。較高的g值范圍可減少加速度計(jì)削波，從而降低失調(diào)，在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中提供更好的傾斜精度。
ADXL357是一款低噪聲、低漂移、低功耗三軸MEMS加速度計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高頻低噪聲性能，提供高分辨率振動(dòng)測量，可在狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用中盡早檢測出機(jī)器故障。該器件不僅性能出色，功耗也極低，因而是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理想之選。此外，該產(chǎn)品還可在高沖擊和高振動(dòng)的環(huán)境下提供精確可靠的傾斜測量，不會(huì)造成傳感器飽和。對于重型設(shè)備或無人駕駛飛機(jī)(UAV)等機(jī)載平臺的傾斜測量而言，這一點(diǎn)非常重要。作為ADI公司高性能傳感器技術(shù)的最新典范，ADXL357可為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)用途提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，支持從網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行智能檢測。
圖3.傳感器ADXL357框圖
數(shù)字輸出的ADXL357提供可選測量范圍是±10g、±20g和±40g，靈活度更高；噪聲密度為80µg/root Hz，處于業(yè)界領(lǐng)先水平，在溫度范圍內(nèi)的0g失調(diào)漂移保證上限為0.75mg/C，只需極少量的校準(zhǔn)工作即可實(shí)現(xiàn)精密測量。此外，產(chǎn)品采用密封封裝，可以確保最終產(chǎn)品出廠后重復(fù)性與穩(wěn)定性始終符合其規(guī)格參數(shù)。ADXL357體積小巧，集成度高，功耗低，僅需200uA的電流，在狀態(tài)監(jiān)控的無線網(wǎng)絡(luò)、無人駕駛飛機(jī)等機(jī)載平臺、物聯(lián)網(wǎng)等電池供電應(yīng)用中能夠延長電池壽命。
結(jié)論
傾角監(jiān)測正迅速成為許多領(lǐng)域的基本分析工具，包括汽車、工業(yè)和醫(yī)療保健，導(dǎo)航、車輛動(dòng)態(tài)控制、建筑傾斜指示和運(yùn)動(dòng)檢測系統(tǒng)都依賴這種簡單、低成本且精確的角度監(jiān)控方式。MEMS加速度計(jì)比其它方法更適合進(jìn)行傾角測量。ADI的高精度傾角監(jiān)測模塊由高性能低功耗Cortex-M4處理器ADuCM4050、三軸MEMS加速度計(jì)ADXL357和電源組成，處理器集成了傳感器數(shù)據(jù)的所有處理過程，包括傳感器校正、數(shù)據(jù)濾波、傾角解算、零點(diǎn)歸零等。這些算法都以標(biāo)準(zhǔn)庫的形式提供，方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)。
該解決方案在智能城市中有廣泛的應(yīng)用場景，如城市井蓋傾斜監(jiān)測，城市路燈傾斜預(yù)警，廣告牌傾斜預(yù)警，城市橋梁狀態(tài)監(jiān)測，城市管道傾斜度檢測，電力、通信鐵塔抗臺風(fēng)監(jiān)測，太陽能跟蹤器等。ADI賦予這些應(yīng)用以高性能的傾角測量能力，能夠降低各種事故發(fā)生的概率，極大地保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，進(jìn)一步提高城市的智能化水平，為智慧城市奠定感官基礎(chǔ)。
（來源：亞德諾半導(dǎo)體）
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