电容式加速度传感器

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1、电容式加速度传感器电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器，其中一个电极是固定的，另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力（气压、液压等）作用下发生位移，使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流（或液流）的振动速度（或加速度），还可以进一步测出压力。传感器是一种应用非常广泛的设备，在各种自动控制过程中，它能迅速客观地反映出实际情况。电容式传感器有很多，但原理相同。平行板电容器的电容C跟介电常数ε成正比跟正对面积成反比根极板间的距离d成反比有：C=εS/4πkd  式中k为静电力常量。通过改变介质，极板距离，

2、极板正对面积，这三个参数之一使传感器的电容发生变化，再通过电荷放大器，将电容变化或电量变化转换成容易用电路处理电压或电流量。这就是电容式传感器的特点，通过上面的原理可以做成很多传感器，比如测长度的，测角度，测空气粉尘，空气湿度，还有声音，振动等，精度很高，比如测振动的精度可以达到零点零几个微米。但是测长度的线性度不好，需要通过电路矫正，还有容易受到电路中的寄生电容的影响，所以电路设计的时候要很注意。  把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行

3、电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA/δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。δ、A、ε 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。10电容式加速度传感器的数学模

4、型传感器的结构简图电容式加速度传感器的原理结构如图：由图可见，它实际上是变介子电容式位移传感器，配接“m-k—C”系统构成的。质量块由1根弹簧放置于壳体内，质量块的左边连接介子，通过质量块的动作带动介子的运动，从而改变了介电常数。（图1原理结构简图）传感器的等效原理图电容式加速度传感器的等效原理图如图2所示。图2中，右侧标尺表示与大地保持相对静止的运动参考点，称为静基准，x表示被测物体及传感器底座相对于该参考点的位移，称为绝对位移，y表示质量块m相对于传感器底座的位移，称为相对位移。x和y之间关系可用典型二阶比常系数微分

5、方程描述：(图2等效原理图)（1）式中：为自振角频率，；为阻尼系数，；C为空气阻尼。而位移x，速度v，加速度a三者之间关系为：10代入式（1）得：（2）经拉式变换得“m-k-c”系统的传递函数：（3）令，可求得质量块相对运动的位移振幅与被测物体绝对运动的加速度振幅的关系为：（4）式（4）具有低通滤波特性。由此可见，当时：（5）传感器壳体的位移y与电容的关系为：C=k*y（6）式中k为一个传递系数。差动电容计算及特性分析对于气隙型电容传感器，其电容值为，电容式加速的电容变化量为：（7）令：，则：令：，则：10则，特性曲线为

6、图3.（图3特性曲线）测控电路设计本系统测控电路组成框图显示单片机A/D转换器低通滤波器相敏检波器反向放大器变压器式电桥文氏电桥正弦振荡器→→→→→→→稳幅文式振荡器稳幅文氏振荡器是用运算放大器做放大元件的RC串并联选频网络正弦波振荡器，电路如图3.1所示。由于放大器的输出电阻很低，反馈信号加入运算放大的同相输入端，所以输入电阻很高，这样同相放大器的增益KF=1+Rs／Rf，仅与外部电阻Rs和Rf有关，而与放大器本身参数无关，因此增益的精度和稳定性都很高。在实际应用中，常选RC串一并联电路的，，所以在这个频率上，RC移相

7、网络相位移为零，而R8≈102Rf，满足振荡条件。选R=240，C=330pF，则得到振荡频率为：为实现自动稳幅的目的，在运算放大器输入端加上由、和场效应管VT组成可控负反馈电路。对场效应管要求工作在线性电阻区，只有在较小时，它的差不多随栅源电压线性变化，宛如一只良好的压控线性电阻，阻值可调范围约为400～1O0，当幅值较大时，应自动增大以加强负反馈，这个作用由整流二极D1，滤波电路R7、R6、C5及场效应管VT组成。当幅值较小时，C5上的电压逐渐减小，导致下降，所以电路将自动在VT的其一栅源电压下稳定下来，输出幅值稳定

8、的正弦波电压。调节R6可改变输出电压的大小，一般将输出电压调节在3～5V之间。（稳幅文式振荡电路）反向放大电路10在很多场合下，我们得到的信号是非常微弱的，需要放大电路对信号进行放大。这里采用反向放大电路对信号进行放大。（反方向放大电路）反向放大电路的优点是性能稳定，缺点是输入阻抗比较低，但一般能够满足大多数场合的要