如何使用电容感应来测量加速度

加速度计可用于不同的应用领域。例如，在汽车应用中，加速度计用于激活安全气囊系统。相机使用加速度计来主动稳定图片。计算机硬盘驱动器还依靠加速度计来检测可能损坏设备读/写磁头的外部冲击。在这种情况下，加速度计会在发生外部冲击时暂停驱动操作。这些只是一些加速度计应用。

这些设备的用途实际上是无穷无尽的。微制造技术的巨大进步使当今小型、低成本的微机械加速度计成为可能。事实上，小尺寸和低成本是使我们能够将这些设备应用于如此广泛的应用的两个主要因素。

在本文中，我们将了解测量加速度的物理原理。我们将看到质量-弹簧-阻尼器（也称为质量-阻尼-弹簧）结构如何将加速度转换为位移量，以及如何应用电容传感方法将此位移转换为与位移成正比的电信号。施加加速度。

使用质量弹簧阻尼器测量加速度

如图 1 所示的质量-弹簧-阻尼器结构可用于测量加速度。

图 1. 质量-弹簧-阻尼器结构

已知数量的质量，通常称为检验质量（或测试质量），通过弹簧连接到传感器框架。

尽管阻尼器是该系统的重要组成部分，但我们将把它搁置到本系列的下一篇文章，因为它对于 EE 来说可能有点神秘，并且可能需要几段来介绍阻尼器的基本概念。

让我们看看图 1 所示的结构如何检测加速度。

当传感器框架因外力而加速时，检测质量由于其惯性而趋于“后退”。这会改变质量块相对于传感器框架的相对位置，如下图所示。

图 2. （a） 没有外力时，质量块处于静止位置。（b） 当框架向右加速时，传感器框架中的观察者观察到检测质量移动到其静止位置的左侧。

图 2（a） 显示了没有外力时，质量块处于静止位置。当对框架施加外力时，如图 2（b） 所示，框架向右加速。质量块最初倾向于保持静止，这会改变质量块相对于框架的相对位置 （d 2 《 d 1 ）。

传感器非惯性（即加速）坐标系中的观察者观察到检测质量移动到其静止位置的左侧。弹簧由于质量块位移而被压缩，并在质量块上施加与位移成比例的力。弹簧施加的力将质量块向右推，并使其在外力方向上加速。

如果为系统的不同参数选择适当的值，则质量块位移将与框架加速度的值成正比（在系统的瞬态响应消失后）。

总而言之，质量-弹簧-阻尼器结构将传感器框架的加速度转换为质量块位移。剩下的问题是，我们如何测量这种位移？

测量证明质量位移：电容传感方法

质量块位移可以通过多种方式测量。一种常见的方法是图 3 中描述的电容感应方法。

图 3

有两个电极固定在传感器框架上，还有一个可移动的电极连接到质量块上。这将创建两个电容器 C s1和 C s2，如图 3 所示。

随着检测质量沿一个方向移动，可移动电极和其中一个固定电极之间的电容增加，而另一个电容器的电容减小。这就是为什么我们只需要测量感应电容的变化来检测与输入加速度成正比的质量块位移。

使用同步解调的加速度计信号调理

为了准确测量检测电容的变化，我们可以应用同步解调技术。图 4 显示了 ADI公司的 ADXL 系列加速度计中采用的信号调理的简化版本。

图 4. 图片（改编）由Analog Devices提供

为什么我们不使用单个感应电容器？

图 3 所示的电容式感应具有差分特性：当 C s1增加时，C s2 减少，反之亦然。

也可以采用单端电容感应，其中一个固定电极被省略，因此只有一个可变电容器。在这种情况下，我们可以对系统进行建模，如图 5 所示。

图 5

这个单端版本似乎是一个更简单的解决方案。那么，我们为什么不使用单个感应电容器呢？

如您所见，在差分结构中，输出电压是质量块位移 Δd 的线性函数。请注意，尽管我们可以使用软件来消除传感器线性误差，但具有线性响应是可取的，因为它可以提高测量精度并有助于系统校准。

结论

我们看到了质量-弹簧-阻尼器结构如何将加速度转换为位移量，以及如何应用电容传感方法将该位移转换为与施加的加速度成比例的电信号。