加速度傳感器ADXL50的特性及其對測量精度的影響
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1 ADXL50的主要技術(shù)指標(biāo)
測量靈敏度為：19 mV/g；
滿刻度測量范圍為：±50 g；
頻率響應(yīng)范圍為：DC1 kHz；
在開關(guān)信號控制下可進(jìn)行自檢；
內(nèi)置緩沖放大器，可用于輸出靈敏度及零加速度輸出電平調(diào)節(jié)。
2 ADXL50工作原理
ADXL50是一個(gè)完整的加速度測量系統(tǒng)，他將一個(gè)傳感器部件和完成加速度測量有關(guān)的電路，包括振蕩器、解調(diào)器、前置放大器、緩沖放大器、參考電源及溫度補(bǔ)償電路等，全部集成在一片硅晶片上。芯片封裝在如圖1（b）所示的10腳TO100管殼內(nèi)。這10腳的定義如下：
①為5 V電源；
②，③為外接解調(diào)器電容；
④為振蕩器去藕電容；
⑤為公共端；
⑥為3.4 V參考電源輸出；
⑦為自檢數(shù)字信號輸入；
⑧為前置放大器輸出；
⑨為緩沖放大器輸出；
⑩為緩沖放大器反相輸入。
圖1（a）為加速度傳感器的原理框圖。 圖中的傳感器部件是整個(gè)器件的關(guān)鍵部件，其原理如圖2所示。圖2中只繪出了傳感器部件的一個(gè)電容單元，他由1片中心片和相互獨(dú)立的2片固定片組成，2片固定片等距排列在中心片的兩側(cè)。 實(shí)際的傳感器部件包括一組共42片中心片，這些中心片固定在一個(gè)中心臂上，中心臂可帶著42片中心片沿圖中水平方向移動。
每片中心片和其兩側(cè)的2片固定片構(gòu)成一對電容Cs1和Cs2，Cs1和Cs2在電路上相互串聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)電容分壓器，分壓器的中點(diǎn)即為可移動的中心片。加速度傳感器中的振蕩器（見圖1?(a)）在通電時(shí)產(chǎn)生一對幅度相等，相位相反的1 MHz方波信號。這一對方波信號加在中心片側(cè)不同的固定片上。無加速度時(shí)，中心片處于兩固定片的中央，此時(shí)Cs1=Cs2，因此在電容分壓器的中點(diǎn)即中心片上的電壓為0。當(dāng)傳感器作加速運(yùn)動時(shí)，由于慣性，中心臂帶著中心片相對于固定片向著與加速度相反的方向運(yùn)動，此時(shí)Cs1與Cs2不相等(見圖2)，這就在中心片上產(chǎn)生一個(gè)電壓信號, 此信號經(jīng)解調(diào)器處理，再經(jīng)前置放大器放大，在前置放大器的輸出端就得到一個(gè)與加速度成正比的電壓信號VPR并接到ADXL50的第8腳上。
3 ADXL50的基本測量電路
用ADXL50構(gòu)成的基本測量電路如圖1（a）所示。其中使用了3個(gè)外接電容和3個(gè)外接電阻。
C1為解調(diào)器電容，用以決定測量系統(tǒng)的帶寬，C2為振蕩器去藕電容，C3為電源去藕電容。C1，C2的容量一般選用0?022 μF，C3一般為0.1 μF即可。
ADXL50在出廠前，廠家已將其前置放大器后的測量靈敏度調(diào)為 19 mV/g, 其0 g時(shí)的輸出電壓VPR為 1.8 V。因此，若加速度為±50g，則VPR=1.8±0.95V?, 若加速度為±20g ，則VPR=1.8±0.38V。由于在VPR上的信號不標(biāo)準(zhǔn)化，不適于直接讀取進(jìn)行顯示或進(jìn)行數(shù)字化處理。另外，ADXL50前置放大器的注入電流最大只能有25 μA，驅(qū)動能力很小，因此，VPR上的信號要作進(jìn)一步處理，才能滿足需要。一般外接幾個(gè)電阻，與緩沖放大器構(gòu)成一個(gè)放大環(huán)節(jié)，以調(diào)整傳感器的VPR的0 g電位，并提高輸出信號的靈敏度。 經(jīng)緩沖放大后的加速度信號，其變化范圍最好處于0.5～4.5V之間，使之距電源的高低兩端都有一定的余量。若加速度正、負(fù)兩方向的變化幅度相近，就可將0g電位調(diào)在2.5 V左右。這樣，正、負(fù)加速度信號在傳感器輸出口Vout上就有±2 V的變化范圍。設(shè)待測加速度的范圍為±50 g，則VPR=1.8±0.95V，欲使Vout=2.5±?2.0V，就需將信號中的交流分量放大。由圖2可知，緩沖放大器的放大系數(shù)為-R3/R1，所以，取R1=50 kΩ，即可確定R3=105 kΩ。
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