加速度传感器课程论文
ADXL05型单片加速度传感器的工作原理及实际应用
姓名:杨锐
电气四班(19)
前言:
单片加速度传感器的典型产品有美国ADI公司生产的ADXL05、ADXL105.、ADXL190、ADXL202和ADXL210,还有美国Motorola公司生产的MMA1200D、MMA120IP和MMA1220D。上述产品也称为加速度计( accelerometer),可广泛用于工业、交通、地矿、建筑及军事领域,既可测量重力加速度,又可以测量由振动、冲击所产生的加速度、速度,位移等参数,还能取代水银式倾斜仪测量倾斜角。单片加速度传感器分模拟信号输出、数字信号输出两种形式,ADXL05、ADXL105和MMA1200D均属于模拟电压输出式,ADXL202和ADXL210 则属于数字输出式,或者能输出与加速度成比例关系的占空比信号。此外,ADXL05、ADXL105均属于单轴加速度传感器,只能测量沿X轴方向的加速度;ADXL202、ADXL210属于双轴加速度传感器,可同时测量沿X轴、Y轴两个方向的加速度。
1、ADXL05的工作原理
1.1 性能特点
(1)在ADXL05芯片中集成了一个完整的加速度测量系统,内部包含用单晶硅制成的电容式加速度传感器和信号调理器。最大外形尺寸仅为φ9.4x19(mm),质量为5g。
(2)它属于力平衡式加速度传感器,测量加速度时满量程为±1~±5g (lg=9.8m/s),具体量程可通过外围元件来设定。分辨力可达0.005g。加速度计的电压比例系数为200mv/g,满量程时的非线性误差为±0.2%,谐振频率为12kHz。
(3)过载能力强,在0.5s内可承受1000g的冲击。外围电路简单。利用重力加速度可以校准传感器的极性。芯片还具有自检功能,可检测传感器或外围元件是否发生故障。
(4)电源电压范围是+4.75~+5.25V,典型值为5V,工作电流约为8mA。
1.2.工作原理
1.2.1 引脚功能
ADXL05采用TO - 100封装,引脚排列如图1-2-1所示。
(或振动)最为敏感。第ST为自检
电平输入端,接高电平后进入自检模式,只要Upr超出规定的电压范围,就判定芯片或外围元件发生故障。Upr为前置放大器输出端。Uo为缓冲放大器的输出端电压端。Uin-为缓冲放大器的反相输入端,
可接由用户设定的输入电压。
1.2.2 工作原理
ADXL05型单片加速传感器的内部电路框图如图1-2-2-1所示。
图1-2-2-1 ADXL05单片加速度传感器的内部电路框图
主要包括以下6部分:①1MHz方波振荡器;②加速度传感器;③同步解调器;④前置
放大器A1;⑤基准电压源,可产生3.4、1.8V和0.2V三种基准电压,其中的3.4V基准电压从Uref引脚输出,1.8V作为缓冲放大器的参考电压;⑥缓冲放大器A2,其输出电压为U0。需要指出Urp 、Uin、和 U0端需通过电阻网络R1-R3相连,改变这些电阻值,即可设定输出电压的比例系数Kg。根据需要,还可接阻容网络,构成交流耦合式加速度计。C1用来设定同步解调器-3dB带宽,C2为振荡器退耦电容,C3为电源退耦电容。
加速度传感器的内部结构如图1-2-2-2所示。
图1-2-2-2 加速度传感器的内部结构
在工字梁上分布着46个敏感单元。图中的虚线框就表示其中一个敏感单元,内有一对
平行板式差分电容Ca、Cb。电容的中心极板固定在工字梁上。图中的黑色区域表示支点。1MHz振荡器产生两路方波电压U1和U2,二者的相位依次为0、180,分别加至Ca、Cb。的上下极板上。极板面积为S,介电常数为。令加速度为零时两极板的距离为d,此时Ca=Cb= S/do.因为Ul、U2的幅度相等,相位差为180。所以Ul=—U2,二者互相抵消后,该敏感单元的输出电压Uo1=0,表示加速度为Og。当传感器受到方向向下的惯性力或冲击时,中心极板就产生位移量d1,使差分电容星不对称结构,C。=eS/(do+d1),Ch=eS/(do- d1), 即Ca
KKR=gPR3=(200mV/g)3
1R1
举例说明,当R3 =R1时,Kg=200mV/g;当R3| R1=2时,Kg=400mV/g,依次类推。
2.1 直流耦合式加速度计
直流耦合式加速度计的电路参见图9-15。取Ri=50k、R2=274 k、R3-100k时,
可以测量-5~ +5g范围内的加速度。在Og时,UO=2.5V,- 3dB增益带宽为O--
+ 1.6kHz。输出电压的比例系数Kg=400mV/g。设被测加速度a=ng,有公式
U=1.8(1+0R3+1R23)—UPR=ng RKg31
将Kg=400mV/g代人式(9-8)中得到,UO=400n(mV)o假定已知n≤5,即Uo≤2000mv,
能直接用2v两成的数字电压表来测量U0,再将显示值除以nKg,就得到被测加速度值。
2.2 交流耦合式加速度计
交流耦合式加速度计能够消除由重力加速度和Og漂移所造成的影响,其电路如图2-2 所示。
图2-2 交流耦合式加速度计的电路
C4为耦合电容,能起到隔直流的作用。由R1、C4构成的高通滤波器下限频率为fl=1/
(2丁cR.C4),对信号的衰减量为- 2dB。对低于fL的频率,则按- 6dB/十倍频程的速率进行衰减,即频率降低到原来的I/IO时,信号就被衰减- 6dB。
2.3 ADXL05的校准方法
(1)校准极性。利用重力加速度即可校准ADXL05的极性。如图2-3-1所示,
图2-3-1 利用重力加速度可校准ADXL05的极性
(a) 敏感轴水平向右; (b)敏感轴水平向左 ; (c)敏感轴垂直向下; (d)敏感轴垂直向上;
当敏感轴与地面平行时,传感器的输出电压就对应于Og。当敏感轴与地面垂直时,输
出电压就对应于一lg(敏感轴方向朝下),或者Ig(敏感轴方向朝上)。利用上述特性很容易校准传感器的极性。
(2)自检。给自检端ST接上一个TTL或CMOS高电平时,ADⅪD5就进入自检模
式。此时UPR应变化一IV,若超过(一lt0.15)V,即认为传感器或外围电路发生了故障。
能校准Og的自检电路如图2-3-2所示。
图2-3-2 能校准Og的自检电路
RP为校准Og电平的微调电位器。R1a用来校准Kg。由和构成缓冲放大器的单极性后
置滤波器。进行自检时,首先将敏感轴置于如图所示的位置,然后调整RP,使U0=2.5V。再依次使敏感轴处于如图(c)(d)的位置,U0的变化量就对应于2g的加速度。