加速度计与陀螺仪：核心差异与传感器选型指南

运动传感器在科技世界至关重要，可检测测量运动。传感器包括基于微机电系统 (MEMS) 运行的加速度计与陀螺仪。

市场传感器琳琅满目，但选型困难，今天我们将讨论加速度计与陀螺仪的差异。

陀螺仪

(陀螺仪)

定义

陀螺仪传感器是借助地球重力确定方位或旋转变化的紧凑设备，核心原理是角动量守恒。

类型包括 MEMS、电子和机械陀螺仪等。

工作原理

陀螺仪结构包含转子、万向节（围绕转子的三个环）、陀螺仪框架和自转轴。

陀螺仪部件

通常通过进动效应工作：旋转自转轴使其对抗重力，即瞬间向侧面调整而非因重力倒下。

应用

• 消费电子中的 MEMS 陀螺仪，如中高端安卓手机
• 惯性测量单元 (IMU) 的惯性制导系统
• 船舶、摩托车、车辆稳定性
• 空间站

(轨道空间站)

• 飞机

加速度计

定义

加速度计是检测测量非重力加速度的机电设备，即响应运动随时间产生的振动。

PCB 加速度计

常用于确定方位、检测振动、速度或位置。

工作原理

加速度计有两种不同工作原理：电容变化和压电效应。

电容变化

用公式求加速度：力 = 质量 × 加速度。故加速度 = 物体受力 / 质量。

工作步骤

• 两个电容板
• 物体质量压迫其中一块电容板导致电容变化，从而测量力
• 利用已知质量和力测量加速度

压电效应

步骤

• 加速度计含微观晶体结构，受压产生电压，振动时输出电压
• 电压大小反映加速度数值

应用

• 体感应用/游戏如 Kinect、Wii
• 健身穿戴/追踪器

(可穿戴无线体域网络)

• 医疗设备，如人造身体部位
• 跌倒检测
• 地震检测
• 倾斜检测，如 iPhone 检测横竖屏模式
• 移动设备地图/指南针应用，通过轴向感应 (Android、iPhone 等)

陀螺仪与加速度计的区别

下表展示加速度计与陀螺仪的差异：

如何选择加速度计还是陀螺仪？

选购前需考量多项标准，选择常取决于项目需求。

让我们看看所需的广泛因素。

加速度计

因素包括：

• 量程

若需高精度测量加速度，选量程高的加速度计，最好 2Gs 以上。最高可测约 5000Gs。

• 接口

虽可通过模数电路连接，但首选数字接口。如 I2C 或 SPI 串行接口、PWM 接口、模数转换器接口，也可与树莓派、Arduino 等板卡对接。

• 测量轴数

加速度计分三轴或两轴。

三轴加速度计

现在焦点转向单轴加速度计，外形如微型三轴加速度计。微型三轴加速度计精度高但仅适配少数设备，价格亲民。

• 功耗

考虑集成电路板尺寸和加速度计质量，影响功耗和性能灵敏度。推荐电流消耗在 100 微安量级。

可找带休眠功能的数字加速度计，设备闲置时节能。

• 额外功能

新款加速度计有轻触感应、0-g 检测、休眠控制、可选测量范围等额外功能。

• 灵敏度

灵敏度指加速度计随加速度变化可测量的垂直力大小。持续加速会导致低灵敏输出测量不准。

• 成本

最后看预算。如需低成本测加速度，选倾斜/里氏开关而非加速度计。

加速度计 VS 陀螺仪：陀螺仪

因素包括：

• 量程

陀螺仪最大量程应低于需测量的最大角速度；为追求高精度和灵敏度，量程宜略高于预期值。

• 数字 vs 模拟 (接口)

几乎所有陀螺仪均为模拟输出接口，极少数有数字接口 (I2C 或 SPI)。模拟输出易于与 MCU 集成。

• 测量轴数

三轴陀螺仪

三轴陀螺仪近年兴起，市场多为 2 轴或 1 轴。选型时选符合测量需求的。如某些 2 轴测横滚和俯仰，其它测偏航和俯仰。

• 功耗

电池供电项目需考量陀螺仪功耗。标准电流消耗在 100 微安量级。查看是否有休眠功能以便闲置时节能。

• 额外功能

大多数陀螺仪有温度输出附加功能，辅助漂移补偿。

• 成本

陀螺仪成本不凌驾其他因素，可选廉价款。

总结

感谢坚持读完。希望今后你能在加速度计或陀螺仪选型上做出明智选择。如需澄清，请联系我们协助。