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力平衡加速度傳感器原理設計
摘要：本文介紹了一種力平衡加速度傳感器的原理設計方法。差容式力平衡加速度傳感器在傳統的機械傳感器的基礎上，采用差動(dòng)電容結構，利用反饋原理把被測的加速度轉換為電容器的電容量變化，將加速度的變化轉變?yōu)殡妷褐�。使傳感器的靈敏度、非線(xiàn)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(lái)將加速度這一物理信號轉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(dòng)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(lái)將加速度這一物理信號轉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換為電容器的電容量變化。實(shí)現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)式的結構，它優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應好，能實(shí)現無(wú)接觸式測量，靈敏度好，分辨率強，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，其容抗可高達幾MΩ至幾百MΩ，所以對絕緣電阻的要求較高，并且寄生電容（引線(xiàn)電容及儀器中各元器件與極板間電容等）不可忽視。近年來(lái)由于廣泛應用集成電路，使電子線(xiàn)路緊靠傳感器的極板，使寄生電容，非線(xiàn)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械部分緊靠電路板，把加速度的變化轉變?yōu)殡娙葜虚g極的位移變化，后續電路通過(guò)對位移的檢測，輸出一個(gè)對應的電壓值，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(guò)零比較器的輸出方波電壓來(lái)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，如果將上極板固定，下極板與被測運動(dòng)物體相連，當被測運動(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(guò)測量電路將這種電容變化轉換為電壓、電流、頻率等電信號輸出根據輸出信號的大小，即可測定物體位移的大小，若把這種變化應用到電容式差容式力平衡傳感器中，當有加速度信號時(shí)，就會(huì )引起電容變化 C，然后轉換成電壓信號輸出，根據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(xiàn)關(guān)系。由于這種傳感器特性的非線(xiàn)性，所以工作時(shí)，一般動(dòng)極片不能在整個(gè)間隙，范圍內變化，而是限制在一個(gè)較小的 范圍內，以使 與 C的關(guān)系近似于線(xiàn)性。
它說(shuō)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(xiàn)性將隨相對位移增加面增加。因此，為了保證一定的線(xiàn)性，應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(shí)際應用中，為了提高靈敏度，減小非線(xiàn)性，大都采用差動(dòng)式結構，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(jiàn)，電容式傳感器做成差動(dòng)式之后，非線(xiàn)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量帶來(lái)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構
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，主要由正負電壓調節器，四運放放大器LT1058，雙運放op270放大器組成。
3.2差容式力平衡傳感器機械結構原理
由于差動(dòng)式電容，在變間隙應用中的靈敏度和線(xiàn)性度得到很大改善，所以得到廣泛應用。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，磁感應線(xiàn)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(guò)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)量塊的上側面形成電容C1，下底板與質(zhì)量塊下側面形成電容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)有效的范圍內振動(dòng)。由相應芯片輸出的方波信號，經(jīng)過(guò)零比較后輸出方波，此方波經(jīng)電容濾除其中的
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