如何使用電容感應(yīng)來測量加速度

加速度計(jì)可用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，在汽車應(yīng)用中，加速度計(jì)用于激活安全氣囊系統(tǒng)。相機(jī)使用加速度計(jì)來主動(dòng)穩(wěn)定圖片。計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器還依靠加速度計(jì)來檢測可能損壞設(shè)備讀/寫磁頭的外部沖擊。在這種情況下，加速度計(jì)會(huì)在發(fā)生外部沖擊時(shí)暫停驅(qū)動(dòng)操作。這些只是一些加速度計(jì)應(yīng)用。

這些設(shè)備的用途實(shí)際上是無窮無盡的。微制造技術(shù)的巨大進(jìn)步使當(dāng)今小型、低成本的微機(jī)械加速度計(jì)成為可能。事實(shí)上，小尺寸和低成本是使我們能夠?qū)⑦@些設(shè)備應(yīng)用于如此廣泛的應(yīng)用的兩個(gè)主要因素。

在本文中，我們將了解測量加速度的物理原理。我們將看到質(zhì)量-彈簧-阻尼器（也稱為質(zhì)量-阻尼-彈簧）結(jié)構(gòu)如何將加速度轉(zhuǎn)換為位移量，以及如何應(yīng)用電容傳感方法將此位移轉(zhuǎn)換為與位移成正比的電信號(hào)。施加加速度。

使用質(zhì)量彈簧阻尼器測量加速度

如圖 1 所示的質(zhì)量-彈簧-阻尼器結(jié)構(gòu)可用于測量加速度。

圖 1. 質(zhì)量-彈簧-阻尼器結(jié)構(gòu)

已知數(shù)量的質(zhì)量，通常稱為檢驗(yàn)質(zhì)量（或測試質(zhì)量），通過彈簧連接到傳感器框架。

盡管阻尼器是該系統(tǒng)的重要組成部分，但我們將把它擱置到本系列的下一篇文章，因?yàn)樗鼘?duì)于 EE 來說可能有點(diǎn)神秘，并且可能需要幾段來介紹阻尼器的基本概念。

讓我們看看圖 1 所示的結(jié)構(gòu)如何檢測加速度。

當(dāng)傳感器框架因外力而加速時(shí)，檢測質(zhì)量由于其慣性而趨于“后退”。這會(huì)改變質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器框架的相對(duì)位置，如下圖所示。

圖 2. （a） 沒有外力時(shí)，質(zhì)量塊處于靜止位置。（b） 當(dāng)框架向右加速時(shí)，傳感器框架中的觀察者觀察到檢測質(zhì)量移動(dòng)到其靜止位置的左側(cè)。

圖 2（a） 顯示了沒有外力時(shí)，質(zhì)量塊處于靜止位置。當(dāng)對(duì)框架施加外力時(shí)，如圖 2（b） 所示，框架向右加速。質(zhì)量塊最初傾向于保持靜止，這會(huì)改變質(zhì)量塊相對(duì)于框架的相對(duì)位置 （d 2 《 d 1 ）。

傳感器非慣性（即加速）坐標(biāo)系中的觀察者觀察到檢測質(zhì)量移動(dòng)到其靜止位置的左側(cè)。彈簧由于質(zhì)量塊位移而被壓縮，并在質(zhì)量塊上施加與位移成比例的力。彈簧施加的力將質(zhì)量塊向右推，并使其在外力方向上加速。

如果為系統(tǒng)的不同參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)闹?，則質(zhì)量塊位移將與框架加速度的值成正比（在系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)消失后）。

總而言之，質(zhì)量-彈簧-阻尼器結(jié)構(gòu)將傳感器框架的加速度轉(zhuǎn)換為質(zhì)量塊位移。剩下的問題是，我們?nèi)绾螠y量這種位移？

測量證明質(zhì)量位移：電容傳感方法

質(zhì)量塊位移可以通過多種方式測量。一種常見的方法是圖 3 中描述的電容感應(yīng)方法。

圖 3

有兩個(gè)電極固定在傳感器框架上，還有一個(gè)可移動(dòng)的電極連接到質(zhì)量塊上。這將創(chuàng)建兩個(gè)電容器 C s1和 C s2，如圖 3 所示。

隨著檢測質(zhì)量沿一個(gè)方向移動(dòng)，可移動(dòng)電極和其中一個(gè)固定電極之間的電容增加，而另一個(gè)電容器的電容減小。這就是為什么我們只需要測量感應(yīng)電容的變化來檢測與輸入加速度成正比的質(zhì)量塊位移。

使用同步解調(diào)的加速度計(jì)信號(hào)調(diào)理

為了準(zhǔn)確測量檢測電容的變化，我們可以應(yīng)用同步解調(diào)技術(shù)。圖 4 顯示了 ADI公司的 ADXL 系列加速度計(jì)中采用的信號(hào)調(diào)理的簡化版本。

圖 4. 圖片（改編）由Analog Devices提供

為什么我們不使用單個(gè)感應(yīng)電容器？

圖 3 所示的電容式感應(yīng)具有差分特性：當(dāng) C s1增加時(shí)，C s2 減少，反之亦然。

也可以采用單端電容感應(yīng)，其中一個(gè)固定電極被省略，因此只有一個(gè)可變電容器。在這種情況下，我們可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，如圖 5 所示。

圖 5

這個(gè)單端版本似乎是一個(gè)更簡單的解決方案。那么，我們?yōu)槭裁床皇褂脝蝹€(gè)感應(yīng)電容器呢？

如您所見，在差分結(jié)構(gòu)中，輸出電壓是質(zhì)量塊位移 Δd 的線性函數(shù)。請(qǐng)注意，盡管我們可以使用軟件來消除傳感器線性誤差，但具有線性響應(yīng)是可取的，因?yàn)樗梢蕴岣邷y量精度并有助于系統(tǒng)校準(zhǔn)。

結(jié)論

我們看到了質(zhì)量-彈簧-阻尼器結(jié)構(gòu)如何將加速度轉(zhuǎn)換為位移量，以及如何應(yīng)用電容傳感方法將該位移轉(zhuǎn)換為與施加的加速度成比例的電信號(hào)。