无线加速度传感器文献综述

无线加速度传感器文献综述

一、研究现状

无线加速度传感器是传感器技术、MEMS技术、微处理器和无线通信技术相结合的产物，由加速度传感器、微处理器、射频收发芯片及电源构成。目前，国内外无线加速度传感器，包括其他类型的无线传感器，按体系结构可分为三大类:

(1)COTS( Commercial Off The Shelf)节点，该类节点中的传感器、微处理器、通信模块等使用的都是现成的商用产品。典型代表有美国伯克利大学加州分校（UCB）的MICATelos节点，欧洲传感器研究项目小组开发的EyesIFX节点，中科院研究的GAIN系列也属于该类节点。这种节点除了无线传感器的共同特点外还具有低成本、短周期、技术门槛相对较低等优势，被各高校和研究机构广泛采纳，所以该类型的节点是最多的。

(2)SOC(System On Chip)节点，该类节点只使用一个芯片，就可实现节点的数据采集、控制和通信功能。SOC节点通常都为特定的应用而开发，由于需要芯片设计能力，因此开发门槛较高，成果相对较少。典型代表有Rockwell科学实验室的WINS节点、麻省理工开发的uAMPS-III等。

(3)Smart Dust节点，又称微型节点或尘埃节点。该类节点使用了业界最尖端的技术，体积只有几个平方毫米，通常为军事应用而开发，微型节点的代表为Smart Dust节点和SPEC节点，都由UCB研制。内嵌微处理器是无线加速度传感相比于传统传感器的又一特点，微处理器负责控制传感器进行数据的采集、处理和收发。

二、无线加速度传感器的工作原理

无线加速度传感器实际上就是将以加速度传感器为核心的数据采集模块、微处理器为核心的数据预处理模块、射频芯片为核心的无线传输模块，以及以微电池能量模块集成并封装在一个外壳内的系统。无线加速度传感器工作时，加速度传感器检测加速度信号（模拟信号），然后送入A/D转换器使其转换为数字信号，在作A/D转换之前，一般会设置信号调理电路，用来放大和滤波（如对建筑结构的检测，由于大跨度桥梁等大型建筑结构的自振频率较低,而桥面振动、桥梁负荷冲击等对振动信号的影响又相对较大,因此,在A/D采样之前需对模拟信号作抗混滤波处理,以滤除或降低高频干扰）。A/D的输出传送给微处理器进行预处理并存储数据，得到的预处理加速度数据将送给无线收发模块进行无线传输。最后，接受装置接收并数据传输给PC机作进一步的分析处理与显示。典型的无线加速度传感器节点结构由以下几个部分组成：

(1)数据采集模块：用于对检测区域进行数据采集与信号调理。

(2)数据处理模块：微处理器对整个传感器节点的操作进行控制，对数据进行预处理并存储。

(3)无线传输模块：以射频芯片为核心，根据IEEE802.15.4协议进行无线通信，传输控制信息并首发数据信息。

(4)能量模块：为另三大模块提供电源，一般为微电池

三、无线加速度传感器存在的问题

无线加速度传感器仍然存在有待突破的问题

(1)监测对象时，用有限的节点不能做到全面的反应对象的状态，例如对大型建筑桥梁的振动/加速度的监测，只能通过优化算法进行计算选择振动/加速度理论峰值点，这显然跟实际应用仍有差距；

(2)无线加速度传感器中内嵌微处理器，较之传统传感器有了信号数据预处理和存储并能管理控制信号采集和收发，然而尤其面对大型项目，大量数据时微处理器的计算能力存储能力还是捉襟见肘；

(3)能耗问题，无线加速度节点的能耗主要集中在数据采集处理以及无线通信，其中无线通信耗能最大，尽管采用ZigBee技术的耗能情况与其他无线通信技术相比已经较低，节点中依靠电池供能，若能降低节点功耗或者提高电池储能无疑将使节点工作时间更长目前在电源方面的处理问题主要是开发可充电电池。（比如通过USB接口充电）以及研发可用于无线传感器节点的太阳能电池

(4)传输距离速率有限，基于ZigBee技术的无线加速度传感器数据传输率最高达只有250kbps空中传输距离只有300m有待提高。

（CPUÿÿ

存储器

能量模块

锂电池

天线

射频

模块

(4)能量模块：为另三大模块提供电源，一般为微电池

2.2无线加速度传感器的主要性能技术指标

无线加速度传感器是一个涉及传感、采样、射频等多领域的系统，它的性

能技术指标包括动态特性、采集特性、射频特性、电气特性以及机械特性等，以北京必创科技的A301、A302系列传感器为例，详见表2-1。

表2-1主要技术指标

传感器的灵敏度、量程、精度、频率响应、传输距离、传输速率、工作

温度范围以及电池是比较重要的性能指标也是选择传感器是的重要参考项目。无线加速度传感器综述

第

3

章无线加速度传感器相关技术

3.1加速度传感器概况

3.1.1加速度传感器的工作原理与类别

物体的加速度是由加速力产生的，单位为m/s2ÿÿ生产生活中经常需要研究

物体的振动/加速度情况，加速度传感器

就是一种十分重要的测量加速度的电子仪器。加速度传感器的种类繁多，虽然各类传感器的工艺、材料各不相同，但基本原理都是将加速度这一物理信号通过敏感元件的形变转换成电压或电流信号，该电信号与加速度有比例关系，可以用关系式表达，电信号再经过放大、滤波、A/D转换等信号调理成为数字信

号就可以送入PC进行进一步处理分析。例如压电型加速度传感器，压电材料变形和由此产生的电荷与加速度成正比，输出电量经放大等处理后就可检测出加速度大小。

加速度传感器从测试原理上可分为压电式、电容式、电感式、压阻式、

隧道电流式、谐振式等，如美国Endevco公司生产的7270A系列传感器就是典型的压阻式加速度传感器；从测量维数上来看，有单轴（维）、双轴「X、Y轴」

与三周「X、Y、Z轴」，角加速度传感器也是重要的一种加速度传感器。单轴

的技术比较成熟，市场大多产品也为单轴，两轴多用于车、船等平面移动为多，三轴多用于飞弹、飞机等飞行物。如美国美新半导体有限公司开发出的用于车身控制的双轴加速度传感器；意法半导体公司的数字信号输出三轴加速传感器us33lHH，最大测量值达可到24gÿÿ相当于F1赛车在强劲刹车时产生加速度的5倍左右，在消费电子和工业应用中可以实现高精确度的测量。

3.1.2应用

加速度传感器应用广泛，军事医疗工业生产大型建筑监测等方面

都需要用到它譬如测量加速度的大小和方向，可以帮助机器人了解它的姿态

，是爬坡还是下坡，有没有摔倒；结构健康监测（SHMÿÿ是也比较热门的研

究方向，应用加速度传感器可以监测结构的振动/加速度来监测分析结构的运行状态；很多数码相机或摄像机利用加速度传感器来根据手的抖动来自动调焦；另外，在汽车制造尤其是安全气囊的设计更是离不开加速度传感器因此，现

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