- 相關(guān)推薦
力平衡加速度傳感器原理設(shè)計
摘要：本文介紹了一種力平衡加速度傳感器的原理設(shè)計方法。差容式力平衡加速度傳感器在傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器的基礎(chǔ)上，采用差動電容結(jié)構(gòu)，利用反饋原理把被測的加速度轉(zhuǎn)換為電容器的電容量變化，將加速度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐�。使傳感器的靈敏度、非線性、測量范圍等性能得到很大的提高，使其在地震、建筑、交通、航空等各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：加速度 差容式 力平衡 傳感器
加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉(zhuǎn)變成便于測量的電信號的測試儀器。它是工業(yè)、國防等許多領(lǐng)域中進(jìn)行沖擊、振動測量常用的測試儀器。
1、加速度傳感器原理概述
加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉(zhuǎn)變成便于測量的電信號的測試儀器。差容式力平衡加速度傳感器則把被測的加速度轉(zhuǎn)換為電容器的電容量變化。實現(xiàn)這種功能的方法有變間隙，變面積，變介電常量三種，差容式力平衡加速度傳感器利用變間隙，且用差動式的結(jié)構(gòu)，它優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好，能實現(xiàn)無接觸式測量，靈敏度好，分辨率強(qiáng)，能測量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的電容量一般很小，僅幾pF至幾百pF，其容抗可高達(dá)幾MΩ至幾百M(fèi)Ω，所以對絕緣電阻的要求較高，并且寄生電容（引線電容及儀器中各元器件與極板間電容等）不可忽視。近年來由于廣泛應(yīng)用集成電路，使電子線路緊靠傳感器的極板，使寄生電容，非線性等缺點不斷得到克服。
差容式力平衡加速度傳感器的機(jī)械部分緊靠電路板，把加速度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜虚g極的位移變化，后續(xù)電路通過對位移的檢測，輸出一個對應(yīng)的電壓值，由此即可以求得加速度值。為保證傳感器的正常工作.，加在電容兩個極板的偏置電壓必須由過零比較器的輸出方波電壓來提供。
2、變間隙電容的基本工作原理
如式2－1所示是以空氣為介質(zhì)，兩個平行金屬板組成的平行板電容器，當(dāng)不考慮邊緣電場影響時，它的電容量可用下式表示：
由式（2－1）可知，平板電容器的電容量是 、A、 的函數(shù)，如果將上極板固定，下極板與被測運(yùn)動物體相連，當(dāng)被測運(yùn)動物體作上、下位移（即 變化）或左右位移（即A變化）時，將引起電容量的變化，通過測量電路將這種電容變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率等電信號輸出根據(jù)輸出信號的大小，即可測定物體位移的大小，若把這種變化應(yīng)用到電容式差容式力平衡傳感器中，當(dāng)有加速度信號時，就會引起電容變化 C，然后轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，根據(jù)此電壓信號即可計算出加速度的大小。
由式（2－2）可知，極板間電容C與極板間距離 是成反比的雙曲線關(guān)系。由于這種傳感器特性的非線性，所以工作時，一般動極片不能在整個間隙，范圍內(nèi)變化，而是限制在一個較小的 范圍內(nèi)，以使 與 C的關(guān)系近似于線性。
它說明單位輸入位移能引起輸出電容相對變化的大小，所以要提高靈敏度S應(yīng)減少起始間隙 ,但這受電容器擊穿電壓的限制，而且增加裝配加工的困難。
由式（2－5）可以看出，非線性將隨相對位移增加面增加。因此，為了保證一定的線性，應(yīng)限制極板的相對位移量，若增大起始間隙，又影響傳感器的靈敏度，因此在實際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，大都采用差動式結(jié)構(gòu)，在差動式電容傳感器中，其中一個電容器C1的電容隨位移 增加時，另一個電容器C2的電容則減少，它們的特性方程分別為：
可見，電容式傳感器做成差動式之后，非線性大大降低了，靈敏度提高一倍，與此同時，差動電容傳感器還能減小靜電引力測量帶來的影響，并有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差。
3、電容式差容式力平衡傳感器器的工作原理與結(jié)構(gòu)
3.1工作原理
如圖1所示，差容式力平衡加速度傳感器原理框圖
電路中除了所必須的電容，電阻外，主要由正負(fù)電壓調(diào)節(jié)器，四運(yùn)放放大器LT1058，雙運(yùn)放op270放大器組成。
3.2差容式力平衡傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)原理
由于差動式電容，在變間隙應(yīng)用中的靈敏度和線性度得到很大改善，所以得到廣泛應(yīng)用。如圖2所示為一種差容式力平衡電容差容式力平衡傳感器原理簡圖。主要由上、下磁鋼，電磁鐵，磁感應(yīng)線圈，彈簧片，作電容中間極的質(zhì)量塊，覆銅的上下極板等部分組成。傳感器上、下磁鋼通過螺釘及彈簧相連，作為傳感器的固定部分，上，下極板分別固定在上、下磁鋼上。極板之間有一個用彈簧片支撐的質(zhì)量塊，并在此質(zhì)量塊上、下兩側(cè)面沉積有金屬（銅）電極，形成電容的活動極板。這樣，上頂板與質(zhì)量塊的上側(cè)面形成電容C1，下底板與質(zhì)量塊下側(cè)面形成電容C2，彈簧片一端與磁鋼相連，另一端與電容中間極相連，以控制其在一個有效的范圍內(nèi)振動。由相應(yīng)芯片輸出的方波信號，經(jīng)過零比較后輸出方波，此方波經(jīng)電容濾除其中的
【力平衡加速度傳感器原理設(shè)計】相關(guān)文章：
基于勝任力的企業(yè)個體績效管理流程設(shè)計06-03
獨(dú)特的民法原理06-02
平衡結(jié)果和過程指標(biāo)06-02
物體平衡問題的求解方法05-13
析行政法的平衡關(guān)于06-02
公鑰密碼原理及其應(yīng)用05-13
機(jī)械原理論文致謝（通用12篇）06-16
濕簾冷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)和原理01-03
宇宙的本原-原力說05-22