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為電壓值。使傳感器的靈敏度、非線性、測量范圍等性能得到很大的提高，使其在地震、建筑、交通、航空等各領域得到廣泛應用。

關鍵詞：加速度　差容式　力平衡　傳感器　

加速度傳感器是用來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、國防等許多領域中進行沖擊、振動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，且用差動式的結構，它優點是結構簡單，動態響應好，能實現無接觸式測量，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（引線電容及儀器中各元器件與極板間電容等）不可忽視。近年來由于廣泛應用集成電路，使電子線路緊靠傳感器的極板，使寄生電容，非線性等缺點不斷得到克服。

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為電容中間極的位移變化，后續電路通過對位移的檢測，輸出一個對應的電壓值，由此即可以求得加速度值。為保證傳感器的正常工作.，加在電容兩個極板的偏置電壓必須由過零比較器的輸出方波電壓來提供。

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，兩個平行金屬板組成的平行板電容器，當不考慮邊緣電場影響時，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，下極板與被測運動物體相連，當被測運動物體作上、下位移（即 變化）或左右位移（即A變化）時，將引起電容量的變化，通過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，就會引起電容變化 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 是成反比的雙曲線關系。由于這種傳感器特性的非線性，所以工作時，一般動極片不能在整個間隙，范圍內變化，而是限制在一個較小的 范圍內，以使 與 C的關系近似于線性。

它說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，非線性將隨相對位移增加面增加。因此，為了保證一定的線性，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，因此在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性，大都采用差動式結構，在差動式電容傳感器中，其中一個電容器C1的電容隨位移 增加時，另一個電容器C2的電容則減少，它們的特性方程分別為：

可見，電容式傳感器做成差動式之后，非線性大大降低了，靈敏度提高一倍，與此同時，差動電容傳感器還能減小靜電引力測量帶來的影響，并有效地改善由于溫度等環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

由于差動式電容，在變間隙應用中的靈敏度和線性度得到很大改善，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圖。主要由上、下磁鋼，電磁鐵，磁感應線圈，彈簧片，作電容中間極的質量塊，覆銅的上下極板等部分組成。傳感器上、下磁鋼通過螺釘及彈簧相連，作為傳感器的固定部分，上，下極板分別固定在上、下磁鋼上。極板之間有一個用彈簧片支撐的質量塊，并在此質量塊上、下兩側面沉積有金屬（銅）電極，形成電容的活動極板。這樣，上頂板與質量塊的上側面形成電容C1，下底板與質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，以控制其在一個有效的范圍內振動。由相應芯片輸出的方波信號，經過零比較后輸出方波，此方波經電容濾除其中的直流電壓，形成對稱的方波，該對稱的方波加到電容的一個極板上，同時經一次反向后的對稱波形加到另一個極板上。

當沒有加速度信號時，中間極板處于上、下極板的中間位置C1＝C2，△C＝0后續電路沒有輸出；當有加速度信號時，中間極板（質量塊）將偏離中間位置，產生微小位移，傳感器的固定部分也將有微小的位移，設加速度為正時，質量塊與上頂板距離減小，與下底板距離增大，于是C1＞C2，因此會產生一個電容的變化量△C，△C由放大電路部分放大，同時，將放大電路的輸出電流引入到反饋網絡。由于OP270的腳1和16分別與線圈兩端相連，當有電流流過線圈時，將產生感應磁場，就會有電磁力產生。因為上、下磁鋼之間有彈簧，所以在電磁力的作用下將使磁鋼回到沒有加速度時的位置，即此時的電容變化完全有加速度的變化引起，同時由于線圈與活動極板通過中心軸線相連，所以在電磁力的作用下，使中間極向產生加速度時的位移的相反的方向運動，即相當于在△C的放大電路中引入了負反饋，這樣，使傳感器的測量范圍大大提高。因此，對于任何加速度值，只要檢測到合成電容變化量△C，便能使活動極板在兩固定極板之間對應一個合適的位置，此時后續電路便輸出一個與加速度成正比的電壓，由此電壓值就可以計算出加速度的大小。

4、力平衡傳感器實際應用

哈爾濱北奧振動技術是專門從事振動信號測量的專業公司，它們應用這種差容式力平衡原理開發出的力平衡加速度傳感器實現的主要性能指標如下：

測量范圍：±2.0g，±0.125g，±0.055g
靈敏度：BA-02a:±2.5V/g、±40.0V/g
BA-02b1：±40.0V/g（差動輸出）
BA-02b2：±90.0V/g（特定要求，高靈敏度）
頻響范圍：DC-50Hz（±1dB）
絕對精度：±3％FS
交叉干擾：小于0.3%
線性度：優于1%
噪聲：小于10μV
動態范圍：大于120dB
溫漂：小于0.01%g/g
電源：±12V-±15V @30.0mA
體積：Φ43x60mm

采用這種設計原理的傳感器在振動信號測量領域已經得到廣泛應用，該種傳感器特別適合地震、建筑、軍事、交通、機械、航海等領域的振動測量。