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一種電容式加速度傳感器設(shè)計的研究

作者: 時間:2012-11-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

中心議題:

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/196234.htm

設(shè)計一種慣性式測振傳感器

建立差動傳感器的數(shù)學(xué)模型,并對其作特性分析

解決方案:

利用慣性質(zhì)量塊在外作用下與被檢測電極間空隙發(fā)生改變來測定

場效應(yīng)管要求工作在線性電阻區(qū)

采用移用放大器,具有高共模抑制能力

引言

測量振動體相對于大地或慣性空間的運動,通常采用慣性式測振傳感器。慣性式測振傳感器種類很多,用途廣泛。加速度傳感器的類型有壓阻式、壓電式和等多種,其中加速度傳感器具有測量精度高,輸出穩(wěn)定,溫度漂移小等優(yōu)點。而電容式加速度傳感器實際上是變極距差動電容式位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)構(gòu)成的。其測量原理是利用慣性質(zhì)量塊在外加速度的作用下與被檢測電極間的空隙發(fā)生改變從而引起等效電容的變化來測定加速度的。

電容式加速度傳感器的數(shù)學(xué)模型

電容式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示,由圖可見,它實際上是變極距差動電容式位移傳感器,配接“m-k-c”系統(tǒng)構(gòu)成的。質(zhì)量塊4由兩根彈簧片3支撐于殼體2內(nèi),質(zhì)量塊4的A面與上固定極板5組成的電容C1,以及質(zhì)量塊4的B面與下固定極板1組成的電容C2。

圖1 電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 “m-k-c”系統(tǒng)原理圖

電容式加速度傳感器的等效原理圖如圖2所示。圖2中,右側(cè)標(biāo)尺表示與大地保持相對靜止的運動參考點,稱為靜基準(zhǔn),x表示被測振動體2及傳感器底座1相對于該參考點的位移,稱為絕對位移,y 表示質(zhì)量塊m 相對于傳感器底座1的位移,稱為相對位移。x和y 之間關(guān)系可用典型二階比常系數(shù)微分方程描述:

代入式(1)得:

經(jīng)拉氏變換得“m-k-c”系統(tǒng)得傳遞函數(shù):

令S=jω,可求得質(zhì)量塊相對運動得位移振幅ym 與被測振動體絕對運動得加速度振幅am 的關(guān)系為:

式(4)具有低通濾波特性。由此可見,當(dāng)ωn《ω0時,則:

傳感器殼體2的位移y與C1,C2關(guān)系為:

式中,d0為不振動時,電容C1和C2的初始極距。若差動電容接入圖3所示變壓器式電橋中,則電橋開路輸出電壓幅值U0為:

將式(5)代入式(7)得

可見,當(dāng)ω ω0時,輸出電壓幅值U0與加速度幅值am 成正比,測出電壓幅值U0,即可確定加速度幅值am 。

圖3 變壓器式電橋

差動電容計算及特性分析

對于氣隙型電容傳感器,其電容值為C=εS/d ,電容式加速度傳感器的兩個電容,一個增加,一個減小。因此電容總變化量為:

g(9)

這是電容相對增量與極距相對增量之間的關(guān)系方程式。若采用線性特性方程y =x,如圖4所示,顯然其線性誤差較大。為此可采用線性特性方程y=(1+ε)x,并使其在最大量程xM 處產(chǎn)生的正誤差ΔyM 及其x1在處產(chǎn)生的負(fù)誤差Δy1在數(shù)值上相等,即:

其中,ε為某一正小數(shù)。因為原始方程與線性方程之差為:

x1點的位置可按:

設(shè)

由此可以算得:

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