加速度傳感器課程論文

1、ADXL05型單片加速度傳感器的工作原理及實(shí)際應(yīng)用姓名：楊銳電氣四班（19）前言： 單片加速度傳感器的典型產(chǎn)品有美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的ADXL05、ADXL105.、ADXL190、ADXL202和ADXL210，還有美國(guó)Motorola公司生產(chǎn)的MMA1200D、MMA120IP和MMA1220D。上述產(chǎn)品也稱(chēng)為加速度計(jì)( accelerometer)，可廣泛用于工業(yè)、交通、地礦、建筑及軍事領(lǐng)域，既可測(cè)量重力加速度，又可以測(cè)量由振動(dòng)、沖擊所產(chǎn)生的加速度、速度，位移等參數(shù)，還能取代水銀式傾斜儀測(cè)量?jī)A斜角。單片加速度傳感器分模擬信號(hào)輸出、數(shù)字信號(hào)輸出兩種形式，ADXL05、ADXL105和MMA1

2、200D均屬于模擬電壓輸出式，ADXL202和ADXL210 則屬于數(shù)字輸出式，或者能輸出與加速度成比例關(guān)系的占空比信號(hào)。此外，ADXL05、ADXL105均屬于單軸加速度傳感器，只能測(cè)量沿X軸方向的加速度；ADXL202、ADXL210屬于雙軸加速度傳感器，可同時(shí)測(cè)量沿X軸、Y軸兩個(gè)方向的加速度。1、ADXL05的工作原理1.1 性能特點(diǎn)（1）在A(yíng)DXL05芯片中集成了一個(gè)完整的加速度測(cè)量系統(tǒng)，內(nèi)部包含用單晶硅制成的電容式加速度傳感器和信號(hào)調(diào)理器。最大外形尺寸僅為9.4x19（mm），質(zhì)量為5g。 (2)它屬于力平衡式加速度傳感器，測(cè)量加速度時(shí)滿(mǎn)量程為±1±5g (lg=

3、9.8m/s),具體量程可通過(guò)外圍元件來(lái)設(shè)定。分辨力可達(dá)0.005g。加速度計(jì)的電壓比例系數(shù)為200mv/g,滿(mǎn)量程時(shí)的非線(xiàn)性誤差為±0.2%，諧振頻率為12kHz。（3）過(guò)載能力強(qiáng)，在0.5s內(nèi)可承受1000g的沖擊。外圍電路簡(jiǎn)單。利用重力加速度可以校準(zhǔn)傳感器的極性。芯片還具有自檢功能，可檢測(cè)傳感器或外圍元件是否發(fā)生故障。（4）電源電壓范圍是+4.75+5.25V，典型值為5V，工作電流約為8mA。1.2.工作原理1.2.1 引腳功能ADXL05采用TO - 100封裝，引腳排列如圖1-2-1所示。圖1-2-1 ADXL05的引腳功能在它的第5、10腳之間有一個(gè)敏感軸，傳感器對(duì)該方

4、向上的慣性力（或振動(dòng)）最為敏感。Ucc端接5V電源，COM為公共地。第2、3腳之間接電容C1，用以設(shè)定同步解調(diào)器的帶寬。第4腳與地之間接入振蕩器的退耦電容C2。Uref為內(nèi)部3.4V基準(zhǔn)電壓輸出端。ST為自檢電平輸入端，接高電平后進(jìn)入自檢模式，只要Upr超出規(guī)定的電壓范圍，就判定芯片或外圍元件發(fā)生故障。Upr為前置放大器輸出端。Uo為緩沖放大器的輸出端電壓端。Uin-為緩沖放大器的反相輸入端，可接由用戶(hù)設(shè)定的輸入電壓。1.2.2 工作原理ADXL05型單片加速傳感器的內(nèi)部電路框圖如圖1-2-2-1所示。圖1-2-2-1 ADXL05單片加速度傳感器的內(nèi)部電路框圖主要包括以下6部分：1MHz方波

5、振蕩器；加速度傳感器；同步解調(diào)器；前置放大器A1；基準(zhǔn)電壓源，可產(chǎn)生3.4、1.8V和0.2V三種基準(zhǔn)電壓，其中的3.4V基準(zhǔn)電壓從Uref引腳輸出，1.8V作為緩沖放大器的參考電壓；緩沖放大器A2，其輸出電壓為U0。需要指出Urp 、Uin、和 U0端需通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)R1-R3相連，改變這些電阻值，即可設(shè)定輸出電壓的比例系數(shù)Kg。根據(jù)需要，還可接阻容網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成交流耦合式加速度計(jì)。C1用來(lái)設(shè)定同步解調(diào)器-3dB帶寬，C2為振蕩器退耦電容，C3為電源退耦電容。加速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-2-2-2所示。圖1-2-2-2 加速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在工字梁上分布著46個(gè)敏感單元。圖中的虛線(xiàn)框就表示其中

6、一個(gè)敏感單元，內(nèi)有一對(duì)平行板式差分電容Ca、Cb。電容的中心極板固定在工字梁上。圖中的黑色區(qū)域表示支點(diǎn)。1MHz振蕩器產(chǎn)生兩路方波電壓U1和U2，二者的相位依次為0、180，分別加至Ca、Cb。的上下極板上。極板面積為S，介電常數(shù)為。令加速度為零時(shí)兩極板的距離為d，此時(shí)Ca=Cb= S/do.因?yàn)閁l、U2的幅度相等，相位差為180。所以Ul=U2，二者互相抵消后，該敏感單元的輸出電壓Uo1=0，表示加速度為Og。當(dāng)傳感器受到方向向下的慣性力或沖擊時(shí)，中心極板就產(chǎn)生位移量d1，使差分電容星不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，C。=eS/(do+d1)，Ch=eS/(do- d1), 即Ca<Cb。由于兩個(gè)電容量

7、不相等，就在中心極板上產(chǎn)生電壓Uo1。Uo1的幅度與加速度成正比。 46個(gè)敏感單元的總輸出電壓就等于各敏感單元輸出電壓的代數(shù)和，它與總加速度成正比。 經(jīng)過(guò)同步解調(diào)器和前置放大器，得到解調(diào)后的電壓Upr，其電壓比例系數(shù)KPn=200mV/g 。Upr信號(hào)分成兩路，一路通過(guò)內(nèi)部反饋電路接敏感單元的中心極板，使之恢復(fù)到Og的位置；另一路通過(guò)緩沖放大器獲得輸出電壓Uo。 UO的電壓比例系數(shù)為 =舉例說(shuō)明，當(dāng)R3 =R1時(shí)，Kg=200mV/g；當(dāng)R3| R1=2時(shí)，Kg=400mV/g，依次類(lèi)推。 2.1 直流耦合式加速度計(jì) 直流耦合式加速度計(jì)的電路參見(jiàn)圖9-15。取Ri=50k、R2=274 k、R

8、3-100k時(shí)，可以測(cè)量-5 +5g范圍內(nèi)的加速度。在Og時(shí)，UO=2.5V，- 3dB增益帶寬為O-+ 1.6kHz。輸出電壓的比例系數(shù)Kg=400mV/g。設(shè)被測(cè)加速度a=ng，有公式=1.8（1+）=ng將Kg=400mV/g代人式(9-8)中得到，UO=400n(mV)o假定已知n5，即Uo2000mv，能直接用2v兩成的數(shù)字電壓表來(lái)測(cè)量U0，再將顯示值除以nKg，就得到被測(cè)加速度值。2.2 交流耦合式加速度計(jì)交流耦合式加速度計(jì)能夠消除由重力加速度和Og漂移所造成的影響，其電路如圖2-2 所示。圖2-2 交流耦合式加速度計(jì)的電路C4為耦合電容，能起到隔直流的作用。由R1、C4構(gòu)成的高通

9、濾波器下限頻率為fl=1（2丁cRC4），對(duì)信號(hào)的衰減量為- 2dB。對(duì)低于fL的頻率，則按- 6dB/十倍頻程的速率進(jìn)行衰減，即頻率降低到原來(lái)的I/IO時(shí)，信號(hào)就被衰減- 6dB。 2.3 ADXL05的校準(zhǔn)方法 (1)校準(zhǔn)極性。利用重力加速度即可校準(zhǔn)ADXL05的極性。如圖2-3-1所示，圖2-3-1 利用重力加速度可校準(zhǔn)ADXL05的極性 (a) 敏感軸水平向右； （b）敏感軸水平向左 ； （c）敏感軸垂直向下； （d）敏感軸垂直向上；當(dāng)敏感軸與地面平行時(shí)，傳感器的輸出電壓就對(duì)應(yīng)于Og。當(dāng)敏感軸與地面垂直時(shí)，輸出電壓就對(duì)應(yīng)于一lg（敏感軸方向朝下），或者Ig（敏感軸方向朝上）。利用上述特性很容易校準(zhǔn)傳感器的極性。 (2)自檢。給自檢端ST接上一個(gè)TTL或CMOS高電平時(shí)，ADD5就進(jìn)入自檢模式。此時(shí)UPR應(yīng)變化一IV，若超過(guò)(一lt0.15)V，即認(rèn)為傳感器或外圍電路發(fā)生了故障。 能校準(zhǔn)Og的自檢電路如圖