力平衡加速度傳感器原理設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了一種力平衡加速度傳感器的原理設(shè)計(jì)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(dòng)電容結(jié)構(gòu)，利用反饋原理把被測(cè)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(cè)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(hào)轉(zhuǎn)變成便于測(cè)量的電信號(hào)的測(cè)試儀器。它是工業(yè)、國防等許多領(lǐng)域中進(jìn)行沖擊、振動(dòng)測(cè)量常用的測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)變成便于測(cè)量的電信號(hào)的測(cè)試儀器。差容式力平衡加速度傳感器則把被測(cè)的加速度轉(zhuǎn)換為電容器的電容量變化。實(shí)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(dòng)式的結(jié)構(gòu)，它優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，能實(shí)現(xiàn)無接觸式測(cè)量，靈敏度好，分辨率強(qiáng)，能測(cè)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(duì)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(diǎn)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(duì)位移的檢測(cè)，輸出一個(gè)對(duì)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(gè)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(gè)平行金屬板組成的平行板電容器，當(dāng)不考慮邊緣電場(chǎng)影響時(shí)，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(cè)運(yùn)動(dòng)物體相連，當(dāng)被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體作上、下位移（即 變化）或左右位移（即A變化）時(shí)，將引起電容量的變化，通過測(cè)量電路將這種電容變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率等電信號(hào)輸出根據(jù)輸出信號(hào)的大小，即可測(cè)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(hào)時(shí)，就會(huì)引起電容變化 C，然后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，根據(jù)此電壓信號(hào)即可計(jì)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(shí)，一般動(dòng)極片不能在整個(gè)間隙，范圍內(nèi)變化，而是限制在一個(gè)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(duì)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(duì)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(duì)位移量，若增大起始間隙，又影響傳感器的靈敏度，因此在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，在差動(dòng)式電容傳感器中，其中一個(gè)電容器C1的電容隨位移 增加時(shí)，另一個(gè)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(dòng)式之后，非線性大大降低了，靈敏度提高一倍，與此同時(shí)，差動(dòng)電容傳感器還能減小靜電引力測(cè)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(dòng)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(jiǎn)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(gè)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(dòng)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(gè)有效的范圍內(nèi)振動(dòng)。由相應(yīng)芯片輸出的方波信號(hào)，經(jīng)過零比較后輸出方波，此方波經(jīng)電容濾除其中的直流電壓，形成對(duì)稱的方波，該對(duì)稱的方波加到電容的一個(gè)極板上，同時(shí)經(jīng)一次反向后的對(duì)稱波形加到另一個(gè)極板上。

當(dāng)沒有加速度信號(hào)時(shí)，中間極板處于上、下極板的中間位置C1＝C2，△C＝0后續(xù)電路沒有輸出；當(dāng)有加速度信號(hào)時(shí)，中間極板（質(zhì)量塊）將偏離中間位置，產(chǎn)生微小位移，傳感器的固定部分也將有微小的位移，設(shè)加速度為正時(shí)，質(zhì)量塊與上頂板距離減小，與下底板距離增大，于是C1＞C2，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電容的變化量△C，△C由放大電路部分放大，同時(shí)，將放大電路的輸出電流引入到反饋網(wǎng)絡(luò)。由于OP270的腳1和16分別與線圈兩端相連，當(dāng)有電流流過線圈時(shí)，將產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，就會(huì)有電磁力產(chǎn)生。因?yàn)樯?、下磁鋼之間有彈簧，所以在電磁力的作用下將使磁鋼回到?jīng)]有加速度時(shí)的位置，即此時(shí)的電容變化完全有加速度的變化引起，同時(shí)由于線圈與活動(dòng)極板通過中心軸線相連，所以在電磁力的作用下，使中間極向產(chǎn)生加速度時(shí)的位移的相反的方向運(yùn)動(dòng)，即相當(dāng)于在△C的放大電路中引入了負(fù)反饋，這樣，使傳感器的測(cè)量范圍大大提高。因此，對(duì)于任何加速度值，只要檢測(cè)到合成電容變化量△C，便能使活動(dòng)極板在兩固定極板之間對(duì)應(yīng)一個(gè)合適的位置，此時(shí)后續(xù)電路便輸出一個(gè)與加速度成正比的電壓，由此電壓值就可以計(jì)算出加速度的大小。

4、力平衡傳感器實(shí)際應(yīng)用

哈爾濱北奧振動(dòng)技術(shù)是專門從事振動(dòng)信號(hào)測(cè)量的專業(yè)公司，它們應(yīng)用這種差容式力平衡原理開發(fā)出的力平衡加速度傳感器實(shí)現(xiàn)的主要性能指標(biāo)如下：

測(cè)量范圍：2.0g，0.125g，0.055g
靈敏度：BA-02a:2.5V/g、40.0V/g
BA-02b1:40.0V/g（差動(dòng)輸出）
BA-02b2:90.0V/g（特定要求，高靈敏度）
頻響范圍：DC-50Hz（1dB）
絕對(duì)精度：3％FS
交叉干擾：小于0.3%
線性度：優(yōu)于1%
噪聲：小于10μV
動(dòng)態(tài)范圍：大于120dB
溫漂：小于0.01%g/g
電源：12V-15V @30.0mA
體積：Φ43x60mm

采用這種設(shè)計(jì)原理的傳感器在振動(dòng)信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，該種傳感器特別適合地震、建筑、軍事、交通、機(jī)械、航海等領(lǐng)域的振動(dòng)測(cè)量。