加速度传感器课程论文.doc

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9.4x19（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15g (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。图1-2-1 ADXL05的引脚功能在它的第5、10脚之间有一个敏感轴，传感器对该方向上的惯性力（或振动）最为敏感。Ucc端接5V电源，COM为公共地。第2、3脚之间接电容C1，用以设定同步解调器的带宽。第4脚与地之间接入振荡器的退耦电容C2。Uref为内部3.4V基准电压输出端。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：1MHz方波振荡器；加速度传感器；同步解调器；前置放大器A1；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；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CaCb。由于两个电容量不相等，就在中心极板上产生电压Uo1。Uo1的幅度与加速度成正比。 46个敏感单元的总输出电压就等于各敏感单元输出电压的代数和，它与总加速度成正比。 经过同步解调器和前置放大器，得到解调后的电压Upr，其电压比例系数KPn=200mV/g 。Upr信号分成两路，一路通过内部反馈电路接敏感单元的中心极板，使之恢复到Og的位置；另一路通过缓冲放大器获得输出电压Uo。 UO的电压比例系数为 =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=1.8（1+）=ng将Kg=400mV/g代人式(9-8)中得到，UO=400n(mV)o假定已知n5，即Uo2000mv，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cRC4），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，ADD5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