具有静态响应能力的电容式加速度计

　　1　引言

　　低噪、高灵敏且能进行真正静态测量的电容式加速度计(K-BEAM)是低幅、低频加速度测量的理想选择。电容式加速度计的热稳定性很好,温度漂移小到可被忽略。这对诸如建筑物,桥梁等大型结构超低频振动的精确测量是极其重要的。因其体积小且重量轻,电容式加速度计也是进行低频模态分析的有效工具。它对静态的响应和测量能力使其可被用做测倾仪。另外,对电磁干扰不敏感的特性使电容式加速度计尤为适于工业应用。

　　2　工作原理和设计特点

　　奇石乐公司的K梁式加速度计是一种带有电容半桥测量元件的电容式加速度计,它的敏感元件是一个非常小的惯性质量,由一个挠曲元件支撑。整个结构是在单片硅上用化学刻蚀的方法微加工而成,如图1所示。

　　当传感器不受加速度作用时(其敏感轴位于水平方向),惯性质量处于两个作为外部电极的硅板之间正中。在振动激励下,惯性质量偏离中心位置,使电容半桥产生与加速度大小相关的不平衡。电容半桥由高频交流电压激励,经过同步解调器产生与加速度成正比的输出电压信号。K梁式加速度计的工作原理如图2所示。

　　加速度计内惯性质量周围充满的气体为惯性质量和外部电极板之间的微小间隙提供了最佳阻尼,从而使K梁式加速度计在很宽的温度范围内产生平坦的频率响应。对称的结构设计使瞬变温度灵敏度降至最小。惯性质量的运动被限制在两个外部电极板之间,这为防止过大的加速度或冲击提供了过载保护。

　　3　电容式和压电式加速度计的比较

　　众所周知,压电式加速度计有很高的共振频率,因而其频率响应很宽。在幅值误差小于5%,相位误差小于5°时,压电式加速度工作频率可至数千赫。某些型号甚至可达25kHz。然而采用主动传感原理的压电式加速度计没有真正的静态响应能力。通常下限频率对于带内部阻抗变换器的加速度计来说是 0.1～1Hz。带外部电荷放大器的石英加速度计的下限频率可低于0.1Hz,较大的相位误差亦出现在接近下限频率处。电容式加速度计采用被动传感原理, 因而具有真正的静态响应。由于其优异的热稳定性,可用来作为测倾仪测量大型结构的稳定静态响应或超低频运动。所谓真正的静态响应能力也意味着在下限频率处没有相位误差。这对于诸如模态分析的多通道测量和对信号进行积分以获得速度和位移信号的应用是非常理想的。

　　电容式加速度计的上限频率(该处的相位误差小于10°)取决于测量范围,一般为300Hz～1000Hz,而传感器的安装共振频率通常为1～2kHz。