ADXL50和ADXL05型加速度计的原理及应用:一种单片集成带有信号调理电路的加速度传感器

　　1工作原理

　　ADXL50型和ADXL05型加速度计是集成在单片集成电路上的完整的加速度测量系统。它是由多晶硅表面微加工(poly sili-con surfacemi-cro-machined)敏感元件和信号调理电路组成它可以测量正负加速度。

　　图1是加速度传感器静止状态的简化示意图。敏感元件是差动电容CS1和CS2。它由两片固定的外侧极板和可移动的中间极板构成,中间极板受加速的作用而左右移动。静止时(无加速度作用时)CS1=CS2。当感受到加速度时,则如图2所示。其受感部件(受感质量)横木梁偏离中心位置

　　向右移动,结果使CS1 图3表示测量电路和信号调理电路。它由1MHz方波振荡器,差动电容分压电路,跟随器,同步解调器,前置放大器,内部参考源,缓冲放大器(即输出放大器)和自检电路等组成。

　　敏感元件差动电容CS1和CS2串接起来,其外侧的两个极板分别加上1MHz的方波电压,它们的幅度相等但相位相差180°,于是CS1和CS2形成电容分压电路,可移动的中间极板作为中间抽头,输出的电压接到跟随器的输入端。当加速度为零时,输出平衡,直流电平为+1·8V。在加速度作用之下,引起中间极板向左或向右偏移,其输出的幅值随加速度增加而增大,而相位则决取于加速度的方向。此输出电压经跟随器和同步解调器后,变成模拟电压再送到前置放大器的输入端。前置放大器是一个仪器放大器,以+1·8V为参考电压,其输出VPR在加速度为零时,等于+1·8V。在加速度的作用之下,VPR偏离+1·8V,此电压一方面通过3MΩ隔离电阻反馈到跟随器的输入端,另一方面它将产生一个静电力驱使中间极板(受感横木梁)移向中间平衡位置。由于采用闭环反馈的力平衡技术,此静电力与加速度作用相互抵消达到平衡,使敏感元件差动电容的中间极板回到其中间平衡位置。对于ADXL50,当加速度为+50g时,VPR=1·8V+1·0V=2·8V;加速度为-50g时,VPR=+1·8V-1·0V=+0·8V,传感器的灵敏度为20mV/g。由于这是一个闭环反馈随动传感器系统,其回路的带宽与反馈施加到敏感元件的时间快慢有关,故带宽可由外接解调电容C1的大小来决定。此回路能足够快地响应加速度的变化。最高可达1kHz。ADXL50在0~1kHz的频带内能够维持平坦的响应,可以保持敏感元件实际上不运动。这种闭环反馈随动传感器消除了开环传感器中受感横木梁　的弹簧支持机构的非线性和老化影响的问题。

　　为了改变量程和输出电压的灵活性,前置放大器之后,还配置了输出放大器(即缓冲放大器),可以设定外接电阻R1,R2和R3的阻值(参看图5),以改变加速度计的刻度系数(即量程或灵敏度)或将输出电压的摆动范围扩展到+0·25~4·75V,也可以移动偏置(零点或0g)的电平。为了提高加速度计的性能,还提供了精密的内部参考源和自检电路。