感測器｜基礎篇
加速度感測器的工作原理
2025.02.13
重點
・“加速度感測器”是用來偵測單位時間內的速度（即加速度）的感測器。
・從原理方面看，加速度感測器是透過偵測因移動或傾斜所引發的與彈簧連接之錘塊位置變化來獲得加速度的。
從本文開始將為大家具體介紹感測器相關的內容。正如在“前言”中提到的，將從物聯網的角度出發展開相關介紹。我們首先來瞭解“加速度感測器”。近年來，加速度感測器被廣泛應用於智慧手機和可穿戴設備等眾多應用中，可以說是人們最熟悉的感測器之一。
什麼是加速度感測器
“加速度”是指單位時間內的速度，測量這種加速度的感測器即是“加速度感測器”。透過測量加速度，可以偵測物體的運動、傾斜、振動等變化的程度。
加速度相關的單位主要有三個：
- ・SI單位制的m/s2（公尺/平方秒）
- ・MKS單位制的G：標準重力加速度（1G＝9.80665 m/s2）
- ・CGS單位制的Gal（伽）：地震加速度（100 Gal＝1 m/s2）
加速度感測器的工作原理
下圖是加速度感測器的常見偵測方式示意圖。如圖所示，當使箱子移動（例如向左上方移動）時，也就是發生加速度時，與彈簧連接的錘塊位置將會發生改變，透過偵測這種位置變化來推導出加速度。
右圖表示透過錘塊位置偵測傾斜角度的原理。給實際的靜止狀態施加1G的重力。當箱子傾斜時，錘塊的位置發生變化，由於重力方向已知，因此可以偵測出傾斜角度。
加速度感測器的軸
加速度感測器有“軸”的概念。例如，三軸加速度感測器可以偵測X、Y和Z軸（方向）的G，通俗地講，可以偵測上、下、前、後、左、右的G。具體所需的軸數會因用途而異，近年來，可以掌握三維狀態的三軸加速度感測器應用很廣泛。三軸加速度感測器是一種將三個分別用來測量三個方向上的G的感測器集於一體的感測器。
在前面用於介紹工作原理的示意圖中，彈簧在X、Y和Z方向上，所以是三軸的感測器。下面是使用三軸加速度感測器進行傾斜偵測的示例。透過該示例應該可以理解“軸”的概念。
這是使Y軸水準固定、使感測器旋轉時的情況。此時變化的是X和Z軸。圖中已將X和Z軸變化時的感測器輸出以電壓值的形式繪製成曲線圖。當從水準狀態（0度/0g）旋轉90度時，X軸輸出Vx為+1g，再繼續旋轉+90度，變為+180度（翻轉後水準）時，X軸輸出Vx變為0g。當然，Y軸輸出Vy保持0g不變。Z軸輸出Vz為90度的相位差。
要想求出傾斜角θ，如圖所示，假設合成向量|G|＝A，則G＝（Vx, Vy, Vz）＝（A sinθ, 0, A cosθ）。
在下一篇中，將為您介紹加速度感測器的分類和應用案例。