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力平衡加速度传感器原理设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:本文介绍了一种力平衡加速度传感器的原理设计方法。差容式力平衡加速度传感器在传统的机械传感器的基础上,采用差动电容结构,利用反馈原理把被测的加速度转换为电容器的电容量变化,将加速度的变化转变为电压值。使传感器的灵敏度、非线性、测量范围等性能得到很大的提高,使其在地震、建筑、交通、航空等各领域得到广泛应用。

    关键词:加速度 差容式 力平衡 传感器 

    加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。

    1、加速度传感器原理概述

    加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。差容式力平衡加速度传感器则把被测的加速度转换为电容器的电容量变化。实现这种功能的方法有变间隙,变面积,变介电常量三种,差容式力平衡加速度传感器利用变间隙,且用差动式的结构,它优点是结构简单,动态响应好,能实现无接触式测量,灵敏度好,分辨率强,能测量0.01um甚至更微小的位移,但是由于本身的电容量一般很小,仅几pF至几百pF,其容抗可高达几MΩ至几百MΩ,所以对绝缘电阻的要求较高,并且寄生电容(引线电容及仪器中各元器件与极板间电容等)不可忽视。近年来由于广泛应用集成电路,使电子线路紧靠传感器的极板,使寄生电容,非线性等缺点不断得到克服。

    差容式力平衡加速度传感器的机械部分紧靠电路板,把加速度的变化转变为电容中间极的位移变化,后续电路通过对位移的检测,输出一个对应的电压值,由此即可以求得加速度值。为保证传感器的正常工作.,加在电容两个极板的偏置电压必须由过零比较器的输出方波电压来提供。

    2、变间隙电容的基本工作原理

   如式2-1所示是以空气为介质,两个平行金属板组成的平行板电容器,当不考虑边缘电场影响时,它的电容量可用下式表示:

力平衡加速度传感器原理设计

    由式(2-1)可知,平板电容器的电容量是 、A、 的函数,如果将上极板固定,下极板与被测运动物体相连,当被测运动物体作上、下位移(即 变化)或左右位移(即A变化)时,将引起电容量的变化,通过测量电路将这种电容变化转换为电压、电流、频率等电信号输出根据输出信号的大小,即可测定物体位移的大小,若把这种变化应用到电容式差容式力平衡传感器中,当有加速度信号时,就会引起电容变化 C,然后转换成电压信号输出,根据此电压信号即可计算出加速度的大小。

力平衡加速度传感器原理设计

由式(2-2)可知,极板间电容C与极板间距离 是成反比的双曲线关系。由于这种传感器特性的非线性,所以工作时,一般动极片不能在整个间隙,范围内变化,而是限制在一个较小的  范围内,以使  与 C的关系近似于线性。

力平衡加速度传感器原理设计

    它说明单位输入位移能引起输出电容相对变化的大小,所以要提高灵敏度S应减少起始间隙 ,但这受电容器击穿电压的限制,而且增加装配加工的困难。

力平衡加速度传感器原理设计

    由式(2-5)可以看出,非线性将随相对位移增加面增加。因此,为了保证一定的线性,应限制极板的相对位移量,若增大起始间隙,又影响传感器的灵敏度,因此在实际应用中,为了提高灵敏度,减小非线性,大都采用差动式结构,在差动式电容传感器中,其中一个电容器C1的电容随位移 增加时,另一个电容器C2的电容则减少,它们的特性方程分别为:

力平衡加速度传感器原理设计

    可见,电容式传感器做成差动式之后,非线性大大降低了,灵敏度提高一倍,与此同时,差动电容传感器还能减小静电引力测量带来的影响,并有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差。

    3、电容式差容式力平衡传感器器的工作原理与结构

    3.1工作原理

    如图1所示,差容式力平衡加速度传感器原理框图

    力平衡加速度传感器原理设计

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