加速傳感器ADXL150特性及其精度影響因素

ADXL50加速度傳感器是集成在單片集成電路上的完整的加速度測(cè)量系統(tǒng)，非常適用于惡劣的工業(yè)及汽車(chē)環(huán)境。本文將介紹該傳感器的特性和使用方法，分析研究影響其測(cè)量精度的主要因素。

單片集成加速度傳感器ADXL50是美國(guó)AD公司的產(chǎn)品，其主要的特點(diǎn)是體積小、方向性好、精度高、時(shí)漂與溫漂??；在+5 V單電源下工作，使用方便，所需外圍元器件少；可靠性很高，在通電時(shí)可以承受500 g的加速度沖擊，不加電時(shí)可以承受2 000 g的加速度沖擊而不致?lián)p壞。 因此他特別適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境與汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)中工作。

1、ADXL50的主要技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量靈敏度為：19 mV/g；
滿刻度測(cè)量范圍為：±50 g；
頻率響應(yīng)范圍為：DC1 kHz；
在開(kāi)關(guān)信號(hào)控制下可進(jìn)行自檢；
內(nèi)置緩沖放大器，可用于輸出靈敏度及零加速度輸出電平調(diào)節(jié)。

2、ADXL50工作原理

圖1 加速度傳感器原理框圖及管腳圖

ADXL50是一個(gè)完整的加速度測(cè)量系統(tǒng)，他將一個(gè)傳感器部件和完成加速度測(cè)量有關(guān)的電路，包括振蕩器、解調(diào)器、前置放大器、緩沖放大器、參考電源及溫度補(bǔ)償電路等，全部集成在一片硅晶片上。芯片封裝在如圖1(b)所示的10腳TO100管殼內(nèi)。這10腳的定義如下：

①為5 V電源；
②，③為外接解調(diào)器電容；
④為振蕩器去藕電容；
⑤為公共端；
⑥為3.4 V參考電源輸出；
⑦為自檢數(shù)字信號(hào)輸入；
⑧為前置放大器輸出；
⑨為緩沖放大器輸出；
⑩為緩沖放大器反相輸入。

圖1(a)為加速度傳感器的原理框圖。 圖中的傳感器部件是整個(gè)器件的關(guān)鍵部件，其原理如圖2所示。圖2中只繪出了傳感器部件的一個(gè)電容單元，他由1片中心片和相互獨(dú)立的2片固定片組成，2片固定片等距排列在中心片的兩側(cè)。 實(shí)際的傳感器部件包括一組共42片中心片，這些中心片固定在一個(gè)中心臂上，中心臂可帶著42片中心片沿圖中水平方向移動(dòng)。

每片中心片和其兩側(cè)的2片固定片構(gòu)成一對(duì)電容Cs1和Cs2，Cs1和Cs2在電路上相互串聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)電容分壓器，分壓器的中點(diǎn)即為可移動(dòng)的中心片。加速度傳感器中的振蕩器(見(jiàn)圖1(a))在通電時(shí)產(chǎn)生一對(duì)幅度相等，相位相反的1 MHz方波信號(hào)。這一對(duì)方波信號(hào)加在中心片側(cè)不同的固定片上。無(wú)加速度時(shí)，中心片處于兩固定片的中央，此時(shí)Cs1=Cs2，因此在電容分壓器的中點(diǎn)即中心片上的電壓為0。當(dāng)傳感器作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于慣性，中心臂帶著中心片相對(duì)于固定片向著與加速度相反的方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)Cs1與Cs2不相等(見(jiàn)圖2)，這就在中心片上產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)解調(diào)器處理，再經(jīng)前置放大器放大，在前置放大器的輸出端就得到一個(gè)與加速度成正比的電壓信號(hào)VPR并接到ADXL50的第8腳上。

圖2 傳感器部件

3、ADXL50的基本測(cè)量電路

用ADXL50構(gòu)成的基本測(cè)量電路如圖1(a)所示。其中使用了3個(gè)外接電容和3個(gè)外接電阻。

C1為解調(diào)器電容，用以決定測(cè)量系統(tǒng)的帶寬，C2為振蕩器去藕電容，C3為電源去藕電容。C1，C2的容量一般選用0022 μF，C3一般為0.1 μF即可。

ADXL50在出廠前，廠家已將其前置放大器后的測(cè)量靈敏度調(diào)為 19 mV/g， 其0 g時(shí)的輸出電壓VPR為 1.8 V。因此，若加速度為±50 g，則VPR=1.8±0.95 V，若加速度為±20 g ，則VPR=1.8±0.38 V。由于在VPR上的信號(hào)不標(biāo)準(zhǔn)化，不適于直接讀取進(jìn)行顯示或進(jìn)行數(shù)字化處理。另外，ADXL50前置放大器的注入電流最大只能有25 μA，驅(qū)動(dòng)能力很小，因此，VPR上的信號(hào)要作進(jìn)一步處理，才能滿足需要。一般外接幾個(gè)電阻，與緩沖放大器構(gòu)成一個(gè)放大環(huán)節(jié)，以調(diào)整傳感器的VPR的0 g電位，并提高輸出信號(hào)的靈敏度。 經(jīng)緩沖放大后的加速度信號(hào)，其變化范圍最好處于0.5～4.5 V之間，使之距電源的高低兩端都有一定的余量。若加速度正、負(fù)兩方向的變化幅度相近，就可將0 g電位調(diào)在2.5 V左右。這樣，正、負(fù)加速度信號(hào)在傳感器輸出口Vout上就有±2 V的變化范圍。設(shè)待測(cè)加速度的范圍為±50 g，則VPR=1.8±0.95 V，欲使Vout=2.5±2.0 V，就需將信號(hào)中的交流分量放大。由圖2可知，緩沖放大器的放大系數(shù)為-R3/R1，所以，取R1=50 kΩ，即可確定R3=105 kΩ。

R3/R1=Vout變化量/VPR變化量=2.0/0.95=2.10

在圖1(a)中，R2的一端接地，為使0 g時(shí)Vout=2.5 V，R2應(yīng)滿足下面的條件：

R2=(1.8 V×R3)/(Vout-1.8 V) =270 kΩ(1)

圖3為一個(gè)更常用的電路。其中使用了ADXL50片內(nèi)提供的3.4 V參考電壓，增加了一個(gè)電位器Rt。這時(shí)的Vout由下式確定：

Vout=R3/R1(1.8 V-VPR)+R3/R2(1.8 V-Vx)+1.8 V(2)

可以看出，Vout的0 g電壓可在更大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，一般取R2=100 kΩ。

圖3 ADXL50的常用電路

現(xiàn)舉一例說(shuō)明電路參數(shù)選擇。 有一機(jī)械裝置的正向加速度最大可達(dá)10 g，負(fù)向加速度最大可達(dá)-2g，用ADXL50測(cè)量其力學(xué)特性，可按如下方式選擇電路參數(shù)。此裝置的加速度變化范圍為10 g-(-2g)=12g。設(shè)輸出電壓Vout的變化范圍為4.5 V-0.5 V=4.0 V，則系統(tǒng)的靈敏度為4.0 V/12 g=0.333 V/g。已知VPR腳上的靈敏度為0.019 V/g，因此緩沖放大器的放大系數(shù)應(yīng)為0.333 V/0.019 V=17.53。由此得R3/R1=17.53。選擇R1時(shí)要注意VPR口的注入電流不得大于25 μA。選R1=25 kΩ，得R3=25kΩ×17.53=438kΩ。系統(tǒng)的0g電位可定為0.5 V+0.667 V=1.167 V，由式(2)得Vx=1.95 V。選R2=100 kΩ，調(diào)節(jié)Rt使Vx=1.95 V即可。

在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意下面幾點(diǎn)：

(1)選擇R1時(shí)，要使前置放大器的注入電流小于25 μA。

(2)在加速度較小時(shí)，例如小于±5 g時(shí)，測(cè)量信號(hào)的信噪比會(huì)大大低于±50 g時(shí)的值。在帶寬要求不高的情況下，可以適當(dāng)加大解調(diào)器電容C1，降低一些傳感器的響應(yīng)速度以提高信噪比，或在緩沖放大級(jí)中加入濾波環(huán)節(jié)改善之。

(3)盡管ADXL50中設(shè)置了補(bǔ)償電路，但不可能完全補(bǔ)償。在加速度較小，溫度變化大時(shí)，溫漂和時(shí)漂也會(huì)產(chǎn)生較大的影響?？梢圆扇y(cè)定加速度信號(hào)交流分量，或周期讀取0 g值進(jìn)行校正的方法改善。

(4)ADXL50的工作是基于電容測(cè)量的機(jī)制，因此切忌在VPR腳上加接電容性的負(fù)載。此腳上加接10 pF的電容就會(huì)引起1 mV的信號(hào)誤差，傳感器的信號(hào)最好從Vout腳輸出。

4、ADXL50的自標(biāo)定

若手邊沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的加速度標(biāo)定設(shè)備，利用地球的1 g重力加速度，可以用自標(biāo)定方法很簡(jiǎn)便地將ADXL50的0 g電位與放大倍數(shù)標(biāo)定到較高的精度。圖4表示在重力的作用下，在ADXL50 (TO100包裝) VPR腳上的輸出與其相對(duì)于地面的取向之間的關(guān)系。當(dāng)其靈敏軸垂直指向地表時(shí)，ADXL50顯示-1 g讀數(shù)，其靈敏軸垂直指向上方時(shí)，顯示+1 g。其靈敏軸平行于地表時(shí)，ADXL50顯示0 g，讀數(shù)見(jiàn)圖4。由圖4所示取向可以標(biāo)定ADXL50的0 g電位，可以標(biāo)定ADXL50的緩沖級(jí)放大倍數(shù)。首先，將ADXL50水平放置，選2個(gè)相差180°的位置，初步確定0 g電位。再按圖4所示，取2個(gè)相差180°的垂直方向的輸出電位，得到2 g的加速度變化及相應(yīng)的傳感器輸出變化，以此調(diào)整放大級(jí)的放大倍數(shù)。如此反復(fù)兩三次，即可達(dá)到較好的結(jié)果。

圖4 ADXL50 取向

圖5 ADXL50 的屏蔽環(huán)

5、影響ADXL50測(cè)量精度的若干因素

加速度傳感器 ADXL50 若使用不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，降低精度。在使用中要特別注意下面幾點(diǎn)：

(1)ADXL50有一個(gè)靈敏軸，其方向是從第⑤腳指向第10腳(即指向管殼定位片)，傳感器測(cè)量的就是沿此軸的加速度。設(shè)此軸為x軸，又設(shè)在傳感器管殼底部平面內(nèi)與x軸垂直的方向?yàn)閥軸。若加速度a的方向與傳感器底部xy平面之間的夾角為α，則加速度a在xy平面上的分量為axy=a×cos α。又設(shè)加速度分量axy與傳感器靈敏軸之間的夾腳為α，則axy在靈敏軸上的分量為ax=axy×cos β=a×cos α×cosβ。 因此，在安裝加速度傳感器時(shí)，要盡量使其靈敏軸與加速度的方向一致，否則就得對(duì)測(cè)量結(jié)果作必要的修改，以免造成過(guò)大的誤差。

(2)在理想的情況下，任何與靈敏軸成直角的橫向加速度都不會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)。但若橫向加速度的方向與靈敏軸不是直角相交，就會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)。設(shè)橫向加速度axy在xy平面內(nèi)，與加速度靈敏軸的夾角為α，他在x軸上的分量為ax=axy×cosα。設(shè)α為89°，axy就會(huì)在傳感器上產(chǎn)生相當(dāng)于1.7% axy的誤差。

(3)ADXL50要安裝在電路板上使用。在電路板的共振頻率與待測(cè)加速度的頻率相近時(shí)，若電路板稍有松動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生共振，使測(cè)量結(jié)果偏大，造成誤差。因此，在安裝電路板時(shí)，要選擇合適的位置，固定牢靠。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，最好在不同的頻率下測(cè)試，以便發(fā)現(xiàn)可能的共振問(wèn)題。

(4)解調(diào)器濾波電容C1的作用一是決定ADXL50的帶寬，二是對(duì)解調(diào)器信號(hào)進(jìn)行濾波。帶寬由下式?jīng)Q定：
fdB=(28.6/C1)40%

其中：C1的單位為μF。通常選用 C1=0.0022 μF，最小不低于0.0015 μF，以免造成系統(tǒng)不穩(wěn)或振蕩。

減小C1可以提高系統(tǒng)對(duì)快速加速度變化的反應(yīng)速度，但會(huì)增大解調(diào)器輸出的噪聲，因?yàn)橄到y(tǒng)的噪聲與帶寬的平方根成正比?？稍诰彌_放大級(jí)中增加低通濾波功能以提高信噪比。在電路板設(shè)計(jì)時(shí)要注意減小或消除C1對(duì)地或?qū)﹄娫吹穆╇?。電流從C1兩腳泄漏路徑不平衡會(huì)使0 g電平漂移，影響很大。可在印制電路板的兩面制作如圖5所示的屏蔽環(huán)，屏蔽環(huán)包含C1的兩腳及連線，并與ADXL50的第④腳相通。使C1的兩腳與ADXL50的第④腳大致處于相同的電位。注意屏蔽環(huán)要盡量遠(yuǎn)離C1兩腳及其連線。