CN1470879A - 具有校准功能的加速度测量设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加速度测量设备，其能够利用在没有施加加速度的状态下的零点输出值以及灵敏度，来对其输出值进行校准。该设备包括：加速度传感器，用于检测每个加速度分量，并且基于在该加速度传感器的直角坐标中，至少两个互相垂直的轴的每个方向上的每个已检测分量，来产生输出值；固定装置，用于将加速度传感器固定在至少两个不同的位置上，其中位于一个位置上的每个该加速度传感器轴，与来自另一个的重力加速度方向处于不同角度；以及，处理电路，用于基于重力加速度在至少两个轴向上的每个分量的输出值，来产生校准参数，其中该重力加速度是由位于至少两个不同位置中的每个位置上的加速度传感器来测量的。

Description

具有校准功能的加速度测量设备
技术领域
本发明涉及一种加速度测量设备，该设备用于汽车、飞机、工业机械、照相机、便携式终端、医疗器材、手表、玩具、游戏机等中，以用来测量振动、倾斜度、移动距离和移动方向。
背景技术
加速度传感器已经被广泛用于测量振动、倾斜度、移动距离和移动方向。这些加速传感器测量诸如电压的电值，这些值是由加速度所产生的力转换而来的。然而，由于其中的感应部件具有因产品的不同而不同的特性，故而其测量值实际上不能被用于任意的用途。因而，这些加速度传感器必须通过将它们置于已知的加速度条件下进行校准，以便提供与加速度成比例的输出值。
该加速度传感器具有x轴方向的传感器、y轴方向的传感器以及z轴方向的传感器，以测量在直角坐标的三个轴，即x轴、y轴及z轴的方向中的各自加速度。在这种加速度传感器的灵敏度校准过程中，必须通过将x轴、y轴及z轴顺序地与重力加速度方向对准，从而对其进行校准。日本专利号No.3,111,017号专利公开了一种校准方法，该方法通过顺序地将加速度传感器与三个方向对准，来减少涉及校准每个定向传感器的这种校准方式的不便之处。依照该篇日本专利所公开的校准方法，加速度传感器被装配在夹具上，其允许将同样大小的重力加速度分量施加到x轴、y轴及z轴定向传感器上，以便对x轴、y轴及z轴定向传感器的灵敏度，能够同时地进行校准。依照此方法，虽然能够对灵敏度，也就是，当1G的加速度施加于传感器时所提供的输出值，同时地进行校准，但是对于失重状态，即零点，却无法进行校准。
在近些年中，随着微机制造技术的发展，能够检测到1G或更低加速度的电容式以及半导体压阻式的高灵敏度加速度传感器，已经变得非常普遍。这种高灵敏度的加速度传感器经常，不仅用于检测振动，而且还用于检测倾斜度、移动距离和移动方向，因此，对这种传感器来说，校准零点输出值电平是很必要的。
此外，由于加速度传感器提供微弱的输出值，因此该输出值必须经由放大器装置来进行放大。这就要求校准灵敏度以及已放大的零点输出值。另外，加速度测量设备还包括处理装置，用于存储校准参数以及校准公式，并使用这些参数和校准公式来执行数据处理。由此，不仅需要对加速度传感器的输出值进行校准，而且还需要对已放大的输出值以及该处理装置的输出值进行校准。
发明内容
为此，本发明的目的在于，提供一种加速度测量设备，该设备能够对在没有施加加速度的状态下的零点输出值以及灵敏度进行校准。
本发明的另一个目的在于，提供一种加速度测量设备，该设备包括加速度传感器以及数据处理装置，该数据处理装置用于处理来自该数据处理装置的传感器输出值。
本发明另外的目的在于，提供一种加速度测量设备，该设备通过包括周围环境温度引起输出值变化的校准过程来计算输出值。
通过下面对本发明的描述可以明显地看出，本发明的另一个目的在于，提供了一种由该加速度测量设备所测量的加速度的校准方法。
依照本发明的加速度测量设备包括加速度传感器，其用于检测每个加速度分量，并且基于在该加速度传感器的直角坐标中，至少两个互相垂直的轴的每个方向中的每个检测分量，产生输出值；
固定装置，用于将加速度传感器固定在至少两个不同的位置上，其中，位于其中一个位置上的加速度传感器的每个轴，与来自另一个的重力加速度方向处于不同的角度；以及
处理电路。该处理电路基于在重力加速度的至少两个轴方向上的每个分量的输出值，来产生校准参数，其中该重力加速度是由位于至少两个不同位置的每个位置上的加速度传感器来测量的，并且该电路还基于在至少两个轴向的每个轴向上的每个检测的加速度分量，通过使用校准参数来校准由加速度传感器所产生的输出值，以提供已校准的输出值。
最好，该加速度传感器检测用于该加速度传感器的直角坐标系的三个互相垂直的轴的每个方向中的每个加速度分量，并基于每个检测分量产生输出值；并且，该固定装置将加速度传感器固定在两个不同的位置上，位于其中一个位置上的加速度传感器的每个轴与来自另一个的重力加速度方向处于不同的角度。、
该校准参数最好包括在加速度传感器的三个轴向的每个轴向上，每单位大小的加速度输出值(以下称为“灵敏度”)，以及在没有施加加速度的三个轴向的每个轴向上，该加速度传感器的输出值(以下称为“零点输出值”)。
在如上所述的加速度测量设备中，该处理电路最好进一步包括存储器，该存储器中存储了所获得的校准参数，并且基于在三个轴向上的每个轴向上，每个已检测的加速度分量，通过使用所存储的校准参数来校准由加速度传感器产生的输出值，以提供已校准的输出值。
最好，固定在两个不同位置中的其中一个位置上的加速度传感器，在三个互相垂直的轴之中有一个轴与重力加速度的方向一致，并且当加速度传感器固定在另一位置上时，其与重力加速度方向形成一个角度。
该处理电路最好基于在三个轴向的每个轴向上的每个已测量的加速度分量，通过使用在三个轴向的每个轴向上的灵敏度以及零点输出值，依照以下公式：
已校准输出值＝(基于每个已测量的加速度分量的输出值-零点输出值)/灵敏度来校准由加速度传感器产生的输出值。
该加速度测量设备可以进一步包括用于测量周围环境温度的装置，并且该处理电路基于重力加速度在三个轴向上的每个分量的输出值，能够生成校准参数的温度函数，其中该重力加速度是由位于两个不同位置中的每个位置上的加速度传感器来测量的，并且该处理电路还基于每个已检测的加速度分量，使用根据校准参数的温度函数所获得的，具有周围环境温度的校准参数，校准由加速度传感器产生的输出值，以提供已校准的输出值。
该校准参数的温度函数，最好包括在加速度传感器的三个轴向上的每个轴向中，每单位大小的加速度输出值的温度函数(以下称为“灵敏度温度函数”)，以及包括在没有施加加速度的三个轴向上的每个方向的加速度传感器的输出值(以下称为“零点输出值温度函数”)。
在如上所述的加速度测量设备中，该处理电路最好进一步包括存储器，在该存储器中存储了所获得的校准参数的温度函数，并且基于在三个轴向的每个轴向上，每个已测量的加速度分量，使用根据校准参数的温度函数所获得的，具有周围环境温度的校准参数，校准由加速度传感器产生的输出值，以提供已校准的输出值。
最好，固定在两个不同位置的其中一个位置上的加速度传感器，在三个互相垂直的轴中有一个轴与重力加速度方向一致，并且当该加速度传感器被固定在另一个位置上时，其与重力加速度方向形成一个角度。
该处理电路最好基于在三个轴向的每个轴向上的每个已测量的加速度分量，通过使用在周围环境温度中的灵敏度以及零点输出值，该周围环境温度是由灵敏度温度函数和零点输出值温度函数计算的，并依照以下公式：
已校准输出值＝(基于每个已测量的加速度分量的输出值-零点输出值)/灵敏度来校准由加速度传感器产生的输出值。
附图说明
图1示出了依照本发明的加速度测量设备的说明性透视图；
图2是示出了安装在图1所示的加速度测量设备上的处理电路的结构图；
图3示出了用于本发明的加速度测量设备上的，半导体压阻式的三维加速度传感器的例子，其中图3A是其透视图，而图3B是其俯视图；
图4示出了加速度传感器和所施加的加速度的垂直坐标轴的说明性关系；
图5A是示出了当θ＝0度时，加速度传感器和重力加速度之间的位置关系的说明性图表；而图5B示出了当θ＝30度且φ＝45度时，它们之间的位置关系；
图6A是示出用于本发明加速度传感器的灵敏度与周围环境温度之间关系的曲线图，而图6B是示出了该设备的零点输出值与周围环境温度之间的关系的曲线图。
具体实施方式
例1
下面将参照附图来详细说明依照本发明的加速度测量设备。图1是依照本发明的加速度测量设备1的透视图，而图2是安装在依照本发明的加速度测量设备1之中的处理电路的框图。加速度测量设备1包括印刷线路板20，加速度传感器10，用于放大加速度传感器10的输出值的放大器3，用于将模拟信号转换为数字信号的A/D转换器4，用于存储校准参数的存储器，用于执行校准运算的微处理器5，以及用于测量周围环境温度的温度传感器6。参考图2，微处理器5包括存储器5a。为清楚起见，给同一分量或部件指定了相同的标记。
加速度传感器10是以陶瓷封装形式密封的半导体压阻式的三维加速度传感器。图3是以封装形式实现的半导体压阻式三维加速度传感器10的示意图。图3A是该传感器的透视图，而图3B是加速度传感器10的俯视图，该图示出了压阻元件的电路配置(布线图和端子未示出)。传感器10由硅制成，且在其中心处包括有平衡块(weight)11，在平衡块11的四周有框架12，并且包括横梁16、17、18及19，这些横梁使平衡块11和框架12在四个方向中相互连接。
响应外力，平衡块11被移动，由此使得横梁16、17、18及19变形，从而在其中产生应力。直角坐标是按照以下这样的方式来进行定义的：横梁16和17沿直角坐标的x轴延伸，横梁18和19沿直角坐标的y轴延伸，而z轴自该传感器的上表面垂直向上延伸。将用于检测x轴方向上加速度的压阻元件31和32安装在横梁16上，且将用于检测x轴方向上加速度的压阻元件33和34安装在横梁17上。将用于检测y轴方向上加速度的压阻元件41和42安装在横梁18上，且将用于检测y轴方向上加速度的压阻元件43和44安装在横梁19上。此外，将用于检测z轴方向上加速度的压阻元件51和52安装在横梁16上，且将用于检测z轴方向上加速度的压阻元件53和54安装在横梁17上。用来检测各个轴向上加速度的四个压阻元件构成了桥路。例如，如果给平衡块11施加x轴方向上的加速度，那么压阻元件31和33就会受到压应力，而压阻元件32和34就会受到拉应力。通过施加例如DC 5V的确定电压到桥路，给平衡块施加加速度时，该桥路就能够提供输出值。
表1中示出了加速度传感器10的灵敏度以及零点输出值的输出测量值。正如从表1中所看到的那样，传感器的输出值很小，因此将该测量值经由放大器来放大约100倍。由此，放大后的灵敏度及零点输出值都比放大前扩大了约100倍。因而，在本发明中，放大后的输出值，也就是加速度测量设备1的输出值将按照如下所述的那样进行校准。
表1
  x轴传感器   y轴传感器   z轴传感器
  灵敏度(mV/G)     3.5     3.6     4.0
  零点输出值(mV)     1.2     -1.0     2.5
图4示出了加速度传感器10的直角坐标，以及施加到加速度传感器10上的加速度向量a。加速度向量a与直角坐标的z轴所形成的角度是θ’，且包括z轴的平面及加速度向量a与x轴所形成的角度是φ。考虑到重力加速度，为了方便起见而假设该加速度向量a指向下方。假设加速度向量a在+z轴方向上的延长线与z轴所形成的角度为θ，那么就建立了由θ＝180°-θ’来表示的关系式。从而，假如该加速度向量a的大小由“a”来表示，那么该加速度向量a的直角坐标的轴向分量将表示如下：
ax＝a·sinθ’·cosφ＝a·sinθ·cosφ…………(1)
ay＝a·sinθ’·sinφ＝a·sinθ·sinφ…………(2)
az＝a·cosθ’＝ -a·cosθ………………………(3)
另一方面，具有加速度传感器10的加速度测量设备1的输出值，能够由下面的公式来表示：
输出值＝施加的加速度×加速度测量设备的灵敏度+零加速度输出值………(4)
在此公式中，加速度测量设备的灵敏度指的是，当给加速度传感器施加单位大小的加速度时，所提供的输出值的大小，并且零加速度输出值指的是，当没有加速度施加到加速度传感器10上时，加速度测量设备1所提供的输出值。
给加速度传感器10施加加速度向量a时，提供的加速度测量设备1的输出电压V，用(Vx，Vy，Vz)来表示，其中Vx，Vy及Vz表示直角坐标的轴向分量，这些分量中的每一个都能够由基于公式(4)的以下面公式来表示：
Vx＝Vxs·ax+Vx0＝Vxs·a·sinθ·cosφ+Vx0………(5)
Vy＝Vys·ay+Vy0＝Vys·a·sinθ·sinφ+Vy0…………(6)
Vz＝Vzs·az+Vz0＝-Vzs·a·cosθ+Vz0………………(7)
在这些公式中，Vxs、Vys以及Vzs表示灵敏度的轴向分量，并且Vx0、Vy0以及Vz0表示零点加速度输出电压的轴向分量。
本发明的加速度测量设备1具有固定装置，该装置将加速度传感器10固定在相对于重力加速度的两个不同的位置上。在此例中，这两个不同的位置就是如图5A和5B所示出的位置。当加速度传感器10位于如图5A所示的位置时，重力加速度方向与直角坐标中-z轴的方向一致。由此，将θ＝0°这一关系式应用到公式(5)至(7)中，将得到如下的公式。在此，当位于第一位置，即图5A所示出的位置时，该加速度测量设备1的输出电压(Vx，Vy，Vz)由(Vx1，Vy1，Vz1)来表示。
Vx1＝Vx0………………………(8)
Vy1＝Vy0………………………(9)
Vz1＝-Vzs·a+Vz0……………(10)
由于重力加速度的大小a是1G，因此根据公式(10)而得到如下的公式：
Vz1＝-Vzs+Vz0…………(10’)
在如图5B所示的位置中，重力加速度方向由θ＝30°且φ＝45°来表示。由此，公式(5)至(7)进一步按照如下公式来表示。在此，当位于第二位置，即图5B所示的位置时，加速度测量设备1的输出电压(Vx，Vy，Vz)，由(Vx2，Vy2，Vz2)来表示。
Vx2＝Vxs/2√2+Vx0…………(11)
Vy2＝Vys/2√2+Vy0…………(12)
Vz2＝-√3·Vzs/2+Vz0………(13)
由于加速度测量设备的输出电压(Vx1，Vy1，Vz1)及(Vx2，Vy2，Vz2)被测量，因此零点输出值分量Vx0及灵敏度分量Vxs能够由公式(8)及(11)来确定，零点输出值分量Vy0及灵敏度分量Vys能够由公式(9)及(12)来确定，且零点输出值分量Vz0及灵敏度分量Vzs能够由公式(10’)及(13)来确定。
在如图5A所示的位置中测量的该加速度测量设备的输出电压分量(Vx1，Vy1，Vz1)，分别是123mV、-101mV以及-151mV。此外，在如图5B所示位置中测量的该加速度测量设备的输出电压分量(Vx2，Vy2，Vz2)，分别是247mV、26mV以及-97mV。作为校准参数而提供的灵敏度(Vxs，Vys，Vzs)以及零点输出值(Vx0，Vy0，Vz0)，使用表2中所示出的测量值来确定。
表2
  x轴传感器   y轴传感器   z轴传感器
灵敏度(mV/G)     351     359     403
零点输出值(mV)     123     -101     252
表2中所示出的校准参数存储在存储器5a中。当测量所施加的加速度时，微处理器5能够将校准参数代入到源自于公式(4)的下述公式(14)中，来执行校准运算以确定所施加的加速度，该校准参数基于加速度测量设备1的输出电压所确定，并存储在存储器5a中，该公式(14)为：
加速度(已校准的输出值)＝(已测量输出值-零点输出值)/灵敏度…………(14)
理论上，当所施加的加速度是0G时，最终校准结果应为0，当所施加的加速度是1G时，其结果应为1，或者当所施加的加速度是2G时，其结果应为2。但是在其上应用已知的加速度而得到的实际测量值，其结果存在1％或更低的检测误差。
例2
加速度传感器10由固定装置固定在相对于直角坐标的两个不同的位置上，该直角坐标是用于参照例1所描述的加速度测量设备1的加速度传感器10的坐标。在这两个位置的其中一个位置上，重力加速度方向由θ＝10°且φ＝20°来表示，而在另一个位置上，重力加速度方向由θ＝20°且φ＝45°来表示。在这两个位置中的每个位置上，加速度测量设备1的输出电压(Vx1，Vy1，Vz1)以及(Vx2，Vy2，Vz2)都要进行测量。在θ＝10°且φ＝20°的位置上的测量值(Vx1，Vy1，Vz1)，以及在θ＝20°且φ＝45°的位置上的测量值(Vx2，Vy2，Vz2)，都被代入公式(5)至(7)中，以用来计算校准参数，也就是灵敏度(Vxs，Vys，Vzs)以及零点输出值(Vx0，Vy0，Vz0)。将已计算的灵敏度及零点输出值的校准参数存储到存储器5a中。通过使用基于所施加的加速度的输出电压而确定的，且存储在存储器5a中的校准参数，微处理器5能够基于公式(14)进行校准运算，以确定所施加的加速度，其中所施加的加速度是由加速度测量设备1测量的。将已知的加速度应用到加速度传感器10，加速度分量的输出电压由加速度测量设备逐一的测量，然后，使用该测量值经由公式(14)来确定所施加的加速度的大小。由公式(14)确定的加速度的大小与已知的加速度的真实大小之间的误差是1％或更低。
例3
图6A和6B是示出了加速度传感器10的灵敏度与零点输出值，各自在周围环境温度影响下的变化的图表。该加速度测量设备具有温度传感器6，以用来补偿周围环境温度的变化。
表3示出了周围环境温度为-20℃、25℃及50℃时，加速度测量设备的灵敏度以及零点输出值。
表3
        灵敏度(mV/G)         零点输出值(mV)
  温度T℃  Vxs(T) Vys(T)  Vzs(T)  Vx0(T)   Vy0(T)   Vz0(T)
  -20℃   367   378   404   122   -96   204
  25℃   350   360   400   120   -100   250
  50℃   344   354   403   119   -102   266
为确定灵敏度的温度函数以及零点输出值的温度函数，对表3示出的灵敏度及零点输出值执行二次近似处理。于是，获得如下公式：
x轴灵敏度的温度函数：0.0020T2-0.388T+358.5
y轴灵敏度的温度函数：0.0023T2-0.411T+368.9
z轴灵敏度的温度函数：0.0030T2-0.104T+400.7
x轴零点输出值的温度函数：0.00006T2-0.045T+121.1
y轴零点输出值的温度函数：0.0001T2-0.090T-97.8
z轴零点输出值的温度函数：-0.0055T2+1.050T+227.2
这些温度函数存储在存储器5a中。由温度传感器6测量的周围环境温度下的灵敏度(T)及零点输出值(T)被确定，并且微处理器5执行校准运算以用来确定加速度，该校准运算由使用了已测量的输出值的以下公式来表示：
已校准的加速度输出值＝(每个已测量的加速度分量的输出值-零点输出值(T))/灵敏度(T)
如果周围环境温度从-40℃变化到85℃，通过应用已知的加速度进行测量而得到的测量值，则会产生3％或更低的检测误差。
如上所述，由于加速度传感器被设置在两个不同的位置上，在这两个位置处，重力加速度方向相对于直角坐标轴的任何一个稍微地倾斜，因此本发明的加速度测量设备能够校准灵敏度(1G输出值)及零点输出值，并且由于此输出值是通过已校准的值进行修正的，故而本发明的加速度测量设备，甚至当具有因传感器或测量电路所产生的变化而引起特性改变时，也能够提供与施加到传感器上的加速度成比例的输出值。此外，由于能够获得依赖于周围环境温度的灵敏度及零点输出值的已校准的值，从而能够对该传感器的任何温度偏差进行修正。
另外，由于倾斜的角度小，并且能够进行两步校准，因此校准设备被简单化，从而提供了价格低廉且精确度高的加速度测量设备。

Claims (11)

1、一种加速度测量设备，包括：
加速度传感器，用于检测每个加速度分量，并且基于在该加速度传感器的直角坐标中，至少两个互相垂直的轴的每个方向上的每个已检测分量，产生输出值；
固定装置，用于将加速度传感器固定在至少两个不同的位置上，位于一个位置上的加速度传感器的每个轴，与来自另一个的重力加速度方向处于不同的角度；以及
处理电路，该电路基于在重力加速度的至少两个轴向上的每个分量的输出值，来产生校准参数，其中该重力加速度是由位于至少两个不同位置的每个位置上的加速度传感器来测量的，并且该电路还基于在至少两个轴向的每个轴向上的每个已检测的加速度分量，通过使用校准参数来校准由加速度传感器所产生的输出值，以提供已校准的输出值。
2、如权利要求1所述的加速度测量设备，其中：
该加速度传感器检测该加速度传感器的直角坐标中，三个互相垂直的轴的每个方向上的每个加速度分量，并基于每个已检测的分量产生输出值；并且
该固定装置将加速度传感器固定在两个不同的位置上，位于一个位置上的加速度传感器的每个轴，与来自另一个的与重力加速度方向处于不同的角度。
3、如权利要求2所述的加速度测量设备，其中：
该校准参数包括在加速度传感器的三个轴向的每个轴向上，每单位大小的加速度输出值(以下称为“灵敏度”)，以及在没有施加加速度的三个轴向的每个轴向上，该加速度传感器的输出值(以下称为“零点输出值”)。
4、如权利要求3所述的加速度测量设备，其中：
该处理电路进一步包括存储器，在该存储器中存储了所获得的校准参数，并且基于在三个轴向上的每个轴向上，每个已检测的加速度分量，通过使用所存储的校准参数来校准由加速度传感器产生的输出值，以提供已校准的输出值。
5、如权利要求3所述的加速度测量设备，其中：
固定在两个不同位置的一个位置上的加速度传感器，在三个互相垂直的轴之中有一个轴与重力加速度的方向一致，并且当加速度传感器被固定在另一位置上时，其与重力加速度方向形成一个角度。
6、如权利要求3所述的加速度测量设备，其中：
该处理电路基于在三个轴向的每个轴向上的每个已检测的加速度分量，通过使用在三个轴向的每个轴向上的灵敏度以及零点输出值，依照以下公式：
已校准输出值＝(基于每个已测量的加速度分量的输出值-零点输出值)/灵敏度
来校准由加速度传感器产生的输出值。
7、如权利要求2所述的加速度测量设备，其中：
该加速度测量设备进一步包括用于测量周围环境温度的装置，并且处理电路基于重力加速度在三个轴向上的每个分量的输出值，能够生成校准参数的温度函数，其中该重力加速度是由位于两个不同位置中的每个位置上的加速度传感器来测量的，并且该处理电路还基于每个已检测的加速度分量，使用根据校准参数的温度函数所获得的，具有周围环境温度的校准参数，校准由加速度传感器产生的输出值，以提供已校准的输出值。
8、如权利要求7所述的加速度测量设备，其中：
该校准参数的温度函数，包括在加速度传感器的三个轴向上的每个轴向中，每单位大小的加速度输出值的温度函数(以下称为“灵敏度温度函数”)，以及包括在没有施加加速度的三个轴向上的每个轴向的加速度传感器的输出值(以下称为“零点输出值温度函数”)。
9、如权利要求8所述的加速度测量设备，其中：
该处理电路进一步包括存储器，在该存储器中存储了所获得的校准参数的温度函数，并且基于在三个轴向的每个轴向上，每个已检测的加速度分量，使用根据校准参数的温度函数所获得的，具有周围环境温度的校准参数，校准由加速度传感器产生的输出值，以提供已校准的输出值。
10、如权利要求8所述的加速度测量设备，其中：
固定在两个不同位置的其中一个位置上的加速度传感器，在三个互相垂直的轴中，有一个轴与重力加速度方向一致，并且当该加速度传感器被固定在另一个位置上时，其与重力加速度方向形成一个角度。
11、如权利要求8所述的加速度测量设备，其中：
该处理电路基于在三个轴向的每个轴向上的每个已检测的加速度分量，通过使用在周围环境温度中的灵敏度以及零点输出值，该周围环境温度是由灵敏度温度函数和零点输出值温度函数计算的，并依照以下公式：
已校准输出值＝(基于每个已测量的加速度分量的输出值-零点输出值)/灵敏度
来校准由加速度传感器所产生的输出值。
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