電容式加速度傳感器.doc

電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器，其中一個(gè)電極是固定的，另一變化電極是彈性膜片。彈性膜片在外力（氣壓、液壓等）作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。這種傳感器可以測(cè)量氣流（或液流）的振動(dòng)速度（或加速度），還可以進(jìn)一步測(cè)出壓力。傳感器是一種應(yīng)用非常廣泛的設(shè)備，在各種自動(dòng)控制過(guò)程中，它能迅速客觀地反映出實(shí)際情況。電容式傳感器有很多，但原理相同。平行板電容器的電容C跟介電常數(shù)成正比跟正對(duì)面積成反比根極板間的距離d成反比有：C=S/4kd式中k為靜電力常量。通過(guò)改變介質(zhì)，極板距離，極板正對(duì)面積，這三個(gè)參數(shù)之一使傳感器的電容發(fā)生變化，再通過(guò)電荷放大器，將電容變化或電量變化轉(zhuǎn)換成容易用電路處理電壓或電流量。這就是電容式傳感器的特點(diǎn)，通過(guò)上面的原理可以做成很多傳感器，比如測(cè)長(zhǎng)度的，測(cè)角度，測(cè)空氣粉塵，空氣濕度，還有聲音，振動(dòng)等，精度很高，比如測(cè)振動(dòng)的精度可以達(dá)到零點(diǎn)零幾個(gè)微米。但是測(cè)長(zhǎng)度的線性度不好，需要通過(guò)電路矯正，還有容易受到電路中的寄生電容的影響，所以電路設(shè)計(jì)的時(shí)候要很注意。把被測(cè)的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器（見(jiàn)圖）。若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為A/，式中為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩電極互相覆蓋的有效面積,為兩電極之間的距離。、A、三個(gè)參數(shù)中任一個(gè)的變化都將引起電容量變化，并可用于測(cè)量。因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類(lèi)。極距變化型一般用來(lái)測(cè)量微小的線位移或由于力、壓力、振動(dòng)等引起的極距變化(見(jiàn)電容式壓力傳感器)。面積變化型一般用于測(cè)量角位移或較大的線位移。介質(zhì)變化型常用于物位測(cè)量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測(cè)定。電容式加速度傳感器的數(shù)學(xué)模型傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖電容式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖：由圖可見(jiàn)，它實(shí)際上是變介子電容式位移傳感器，配接“m-kC”系統(tǒng)構(gòu)成的。質(zhì)量塊由1根彈簧放置于殼體內(nèi)，質(zhì)量塊的左邊連接介子，通過(guò)質(zhì)量塊的動(dòng)作帶動(dòng)介子的運(yùn)動(dòng)，從而改變了介電常數(shù)。 （圖1 原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖） 傳感器的等效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(duì)靜止的運(yùn)動(dòng)參考點(diǎn)，稱為靜基準(zhǔn)，x表示被測(cè)物體及傳感器底座相對(duì)于該參考點(diǎn)的位移，稱為絕對(duì)位移，y表示質(zhì)量塊m相對(duì)于傳感器底座的位移，稱為相對(duì)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： (圖2 等效原理圖) （1）式中：為自振角頻率，；為阻尼系數(shù)，；C為空氣阻尼。而位移x，速度v，加速度a三者之間關(guān)系為：代入式（1）得：（2）經(jīng)拉式變換得“m-k-c”系統(tǒng)的傳遞函數(shù)： （3）令，可求得質(zhì)量塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移振幅與被測(cè)物體絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的加速度振幅的關(guān)系為： （4）式（4）具有低通濾波特性。由此可見(jiàn)，當(dāng)時(shí)： （5）傳感器殼體的位移y與電容的關(guān)系為：C=k*y （6）式中k為一個(gè)傳遞系數(shù)。差動(dòng)電容計(jì)算及特性分析對(duì)于氣隙型電容傳感器，其電容值為，電容式加速的電容變化量為： （7）令：，則：令：，則：則，特性曲線為圖3. （圖3 特性曲線）測(cè)控電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)測(cè)控電路組成框圖顯 示單 片 機(jī)A/D 轉(zhuǎn) 換 器低 通 濾 波 器相 敏 檢 波 器反 向 放 大 器變 壓 器 式 電 橋文氏電橋正弦振蕩器 穩(wěn)幅文式振蕩器穩(wěn)幅文氏振蕩器是用運(yùn)算放大器做放大元件的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩器，電路如圖3.1所示。由于放大器的輸出電阻很低，反饋信號(hào)加入運(yùn)算放大的同相輸入端，所以輸入電阻很高，這樣同相放大器的增益KF=1+RsRf，僅與外部電阻Rs和Rf有關(guān)，而與放大器本身參數(shù)無(wú)關(guān)，因此增益的精度和穩(wěn)定性都很高。在實(shí)際應(yīng)用中，常選RC串一并聯(lián)電路的，所以在這個(gè)頻率上，RC移相網(wǎng)絡(luò)相位移為零，而R82Rf，滿足振蕩條件。選R=240，C=330pF，則得到振蕩頻率為：為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)幅的目的，在運(yùn)算放大器輸入端加上由、和場(chǎng)效應(yīng)管VT組成可控負(fù)反饋電路。對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管要求工作在線性電阻區(qū)，只有在較小時(shí)，它的差不多隨柵源電壓線性變化，宛如一只良好的壓控線性電阻，阻值可調(diào)范圍約為4001O0，當(dāng)幅值較大時(shí)，應(yīng)自動(dòng)增大以加強(qiáng)負(fù)反饋，這個(gè)作用由整流二極D1，濾波電路R7 、R6、C5及場(chǎng)效應(yīng)管VT組成。當(dāng)幅值較小時(shí)，C5上的電壓逐漸減小，導(dǎo)致下降，所以電路將自動(dòng)在VT的其一柵源電壓下穩(wěn)定下來(lái)，輸出幅值穩(wěn)定的正弦波電壓。調(diào)節(jié)R6可改變輸出電壓的大小，一般將輸出電壓調(diào)節(jié)在35 V之間。（穩(wěn)幅文式振蕩電路）反向放大電路 在很多場(chǎng)合下，我們得到的信號(hào)是非常微弱的，需要放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。這里采用反向放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。 （反方向放大電路） 反向放大電路的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定，缺點(diǎn)是輸入阻抗比較低，但一般能夠滿足大多數(shù)場(chǎng)合的要求，這里就采用這種放大電路。由于電阻的最大值不宜超過(guò)10，在提高反向放大器的輸入阻抗與提高電路的增益之間存在一定矛盾。如圖所示電路可以避免這種矛盾，它既有較高的輸入阻抗，又可取得足夠的增益。如選取R22遠(yuǎn)大于R24和R25，則放大器的增益可用下式近似計(jì)算：相敏檢波器當(dāng)被測(cè)量經(jīng)過(guò)變壓器式電橋變換后，將微弱的交流信號(hào)送人儀用放大器進(jìn)行放大，為了恢復(fù)原來(lái)被測(cè)量緩慢信號(hào)，采用相敏檢波器將交流的幅度變化轉(zhuǎn)換成正比于傳感器電容AC的直流電平。其相敏檢波電路如圖下圖所示。其工作過(guò)程如下：（相敏檢波電路圖）當(dāng)輸人電壓為正半周期時(shí)，經(jīng)耦合電容C4的電壓(即)輸人給A2反相，D2截至，D3導(dǎo)通， 的電壓放大倍數(shù)為，即V1=-V2；調(diào)整，經(jīng)R10和W2送來(lái)A5的輸人信號(hào)為V1 ，另一路經(jīng)A5的輸人信號(hào)為V2，則輸出信號(hào)為：當(dāng)輸人電壓V1為負(fù)半周期時(shí)，經(jīng)A2反相，D2導(dǎo)通，D3截至，A2輸出為零，經(jīng)R10，W2送來(lái)A3的輸人信號(hào)為V1，另一路經(jīng)A3輸人信號(hào)為V1，則輸出信號(hào)V0為：由此可見(jiàn)，交流放大信號(hào)Vi經(jīng)過(guò)相敏檢波后，即能反映信號(hào)電壓的幅值又能反映出信號(hào)電壓的極性。低通有源濾波電路低通有源濾波器如圖所示。它是由無(wú)源RC濾波器和有源RC濾波器組成。無(wú)源RC濾波器的頻率特性為：（低通有源濾波電路圖）式中：或有源RC濾波器的頻率特性曲線為：式中：或則低通有源濾波器的頻率特性為：故其幅頻特性為：一般規(guī)定增益下降到時(shí)的頻率為截止頻率，通過(guò)上式求得為f=115Hz，則帶寬為O115Hz。這樣把它檢波后的脈動(dòng)直流信號(hào)中高次諧波濾掉，采用有源低通濾波器的優(yōu)點(diǎn)是較小的電容得到良好的濾波效果。濾波器輸出后的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換片與單片機(jī)8031連接，這樣就可以完成對(duì)被測(cè)對(duì)象的檢測(cè)和控制。測(cè)控電路的要求測(cè)控電路的作用是將信號(hào)放大，并轉(zhuǎn)換成所需要的信號(hào)類(lèi)型。這里，測(cè)控電路需要把信號(hào)放大，且把模擬信號(hào)要轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，利用單片機(jī)顯示在頻幕上。然而信號(hào)是極其微弱的，電路之中一個(gè)器件發(fā)出的噪聲也許都比這個(gè)信號(hào)要大。所以測(cè)控電路一定要濾除干擾信號(hào)。所以，在測(cè)控電路之上一定要加屏蔽措施。措施：外加屏蔽罩；內(nèi)加屏蔽電路。傳感器適用范圍影響適用范圍的因素除了之上所述，摩擦影響測(cè)量精度。還有就是地球萬(wàn)有引力作用，如果被測(cè)物體不是在水平線上運(yùn)動(dòng)，而是斜向上，或者斜向下。這時(shí)候，即使物體是停放在一個(gè)斜坡之上，按傳感器的設(shè)計(jì)，這里也會(huì)有加速度顯示。顯然這是不行的。所以單單這個(gè)傳感器，只能適用于水平直線運(yùn)動(dòng)。顯然，這個(gè)適用范圍很窄。加設(shè)重力加速度傳感器由于重力的影響，使傳感器只能適用于水平的運(yùn)動(dòng)中。但是如果加設(shè)一個(gè)重力在運(yùn)動(dòng)線上分量測(cè)量的