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加速传感器ADXL150特性及其精度影响因素 |
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作者：长安大学 施维颖 赵祥模 闻怡 |
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ADXL50加速度传感器是集成在单片集成电路上的完整的加速度测量系统，非常适用于恶劣的工业及汽车环境。本文将介绍该传感器的特性和使用方法，分析研究影响其测量精度的主要因素。
单片集成加速度传感器ADXL50是美国AD公司的产品，其主要的特点是体积小、方向性好、精度高、时漂与温漂小；在+5 V单电源下工作，使用方便，所需外围元器件少；可靠性很高，在通电时可以承受500 g的加速度冲击，不加电时可以承受2 000 g的加速度冲击而不致损坏。 因此他特别适于在恶劣的工业环境与汽车测试系统中工作。
1、ADXL50的主要技术指标
测量灵敏度为：19 mV/g；
满刻度测量范围为：±50 g；
频率响应范围为：DC1 kHz；
在开关信号控制下可进行自检；
内置缓冲放大器，可用于输出灵敏度及零加速度输出电平调节。
2、ADXL50工作原理
图1 加速度传感器原理框图及管脚图
ADXL50是一个完整的加速度测量系统，他将一个传感器部件和完成加速度测量有关的电路，包括振荡器、解调器、前置放大器、缓冲放大器、参考电源及温度补偿电路等，全部集成在一片硅晶片上。芯片封装在如图1(b)所示的10脚TO100管壳内。这10脚的定义如下：
①为5 V电源；
②，③为外接解调器电容；
④为振荡器去藕电容；
⑤为公共端；
⑥为3.4 V参考电源输出；
⑦为自检数字信号输入；
⑧为前置放大器输出；
⑨为缓冲放大器输出；
⑩为缓冲放大器反相输入。
图1(a)为加速度传感器的原理框图。 图中的传感器部件是整个器件的关键部件，其原理如图2所示。图2中只绘出了传感器部件的一个电容单元，他由1片中心片和相互独立的2片固定片组成，2片固定片等距排列在中心片的两侧。 实际的传感器部件包括一组共42片中心片，这些中心片固定在一个中心臂上，中心臂可带着42片中心片沿图中水平方向移动。
每片中心片和其两侧的2片固定片构成一对电容Cs1和Cs2，Cs1和Cs2在电路上相互串联，构成一个电容分压器，分压器的中点即为可移动的中心片。加速度传感器中的振荡器(见图1(a))在通电时产生一对幅度相等，相位相反的1 MHz方波信号。这一对方波信号加在中心片侧不同的固定片上。无加速度时，中心片处于两固定片的中央，此时Cs1=Cs2，因此在电容分压器的中点即中心片上的电压为0。当传感器作加速运动时，由于惯性，中心臂带着中心片相对于固定片向着与加速度相反的方向运动，此时Cs1与Cs2不相等(见图2)，这就在中心片上产生一个电压信号，此信号经解调器处理，再经前置放大器放大，在前置放大器的输出端就得到一个与加速度成正比的电压信号VPR并接到ADXL50的第8脚上。
图2 传感器部件
3、ADXL50的基本测量电路
用ADXL50构成的基本测量电路如图1(a)所示。其中使用了3个外接电容和3个外接电阻。
C1为解调器电容，用以决定测量系统的带宽，C2为振荡器去藕电容，C3为电源去藕电容。C1，C2的容量一般选用0022 μF，C3一般为0.1 μF即可。
ADXL50在出厂前，厂家已将其前置放大器后的测量灵敏度调为 19 mV/g， 其0 g时的输出电压VPR为 1.8 V。因此，若加速度为±50 g，则VPR=1.8±0.95 V，若加速度为±20 g ，则VPR=1.8±0.38 V。由于在VPR上的信号不标准化，不适于直接读取进行显示或进行数字化处理。另外，ADXL50前置放大器的注入电流最大只能有25 μA，驱动能力很小，因此，VPR上的信号要作进一步处理，才能满足需要。一般外接几个电阻，与缓冲放大器构成一个放大环节，以调整传感器的VPR的0 g电位，并提高输出信号的灵敏度。 经缓冲放大后的加速度信号，其变化范围最好处于0.5～4.5 V之间，使之距电源的高低两端都有一定的余量。若加速度正、负两方向的变化幅度相近，就可将0 g电位调在2.5 V左右。这样，正、负加速度信号在传感器输出口Vout上就有±2 V的变化范围。设待测加速度的范围为±50 g，则VPR=1.8±0.95 V，欲使Vout=2.5±2.0 V，就需将信号中的交流分量放大。由图2可知，缓冲放大器的放大系数为-R3/R1，所以，取R1=50 kΩ，即可确定R3=105 kΩ。
R3/R1=Vout变化量/VPR变化量=2.0/0.95=2.10
在图1(a)中，R2的一端接地，为使0 g时Vout=2.5 V，R2应满足下面的条件：
R2=(1.8 V×R3)/(Vout-1.8 V) =270 kΩ(1)
图3为一个更常用的电路。其中使用了ADXL50片内提供的3.4 V参考电压，增加了一个电位器Rt。这时的Vout由下式确定：
Vout=R3/R1(1.8 V-VPR)+R3/R2(1.8 V-Vx)+1.8 V(2)
可以看出，Vout的0 g电压可在更大的范围内调节，一般取R2=100 kΩ。
图3 ADXL50的常用电路
现举一例说明电路参数选择。 有一机械装置的正向加速度最大可达10 g，负向加速度最大可达-2g，用ADXL50测量其力学特性，可按如下方式选择电路参数。此装置的加速度变化范围为10 g-(-2g)=12g。设输出电压Vout的变化范围为4.5 V-0.5 V=4.0 V，则系统的灵敏度为4.0 V/12 g=0.333 V/g。已知VPR脚上的灵敏度为0.019 V/g，因此缓冲放大器的放大系数应为0.333 V/0.019 V=17.53。由此得R3/R1=17.53。选择R1时要注意VPR口的注入电流不得大于25 μA。选R1=25 kΩ，得R3=25kΩ×17.53=438kΩ。系统的0g电位可定为0.5 V+0.667 V=1.167 V，由式(2)得Vx=1.95 V。选R2=100 kΩ，调节Rt使Vx=1.95 V即可。
在进行电路设计时，应注意下面几点：
(1)选择R1时，要使前置放大器的注入电流小于25 μA。
(2)在加速度较小时，例如小于±5 g时，测量信号的信噪比会大大低于±50 g时的值。在带宽要求不高的情况下，可以适当加大解调器电容C1，降低一些传感器的响应速度以提高信噪比，或在缓冲放大级中加入滤波环节改善之。
(3)尽管ADXL50中设置了补偿电路，但不可能完全补偿。在加速度较小，温度变化大时，温漂和时漂也会产生较大的影响。可以采取测定加速度信号交流分量，或周期读取0 g值进行校正的方法改善。
(4)ADXL50的工作是基于电容测量的机制，因此切忌在VPR脚上加接电容性的负载。此脚上加接10 pF的电容就会引起1 mV的信号误差，传感器的信号最好从Vout脚输出。
4、ADXL50的自标定
若手边没有标准的加速度标定设备，利用地球的1 g重力加速度，可以用自标定方法很简便地将ADXL50的0 g电位与放大倍数标定到较高的精度。图4表示在重力的作用下，在ADXL50 (TO100包装) VPR脚上的输出与其相对于地面的取向之间的关系。当其灵敏轴垂直指向地表时，ADXL50显示-1 g读数，其灵敏轴垂直指向上方时，显示+1 g。其灵敏轴平行于地表时，ADXL50显示0 g，读数见图4。由图4所示取向可以标定ADXL50的0 g电位，可以标定ADXL50的缓冲级放大倍数。首先，将ADXL50水平放置，选2个相差180°的位置，初步确定0 g电位。再按图4所示，取2个相差180°的垂直方向的输出电位，得到2 g的加速度变化及相应的传感器输出变化，以此调整放大级的放大倍数。如此反复两三次，即可达到较好的结果。
图4 ADXL50 取向
图5 ADXL50 的屏蔽环
5、影响ADXL50测量精度的若干因素
加速度传感器 ADXL50 若使用不当，会产生较大的测量误差，降低精度。在使用中要特别注意下面几点：
(1)ADXL50有一个灵敏轴，其方向是从第⑤脚指向第10脚(即指向管壳定位片)，传感器测量的就是沿此轴的加速度。设此轴为x轴，又设在传感器管壳底部平面内与x轴垂直的方向为y轴。若加速度a的方向与传感器底部xy平面之间的夹角为α，则加速度a在xy平面上的分量为axy=a×cos α。又设加速度分量axy与传感器灵敏轴之间的夹脚为α，则axy在灵敏轴上的分量为ax=axy×cos β=a×cos α×cosβ。 因此，在安装加速度传感器时，要尽量使其灵敏轴与加速度的方向一致，否则就得对测量结果作必要的修改，以免造成过大的误差。
(2)在理想的情况下，任何与灵敏轴成直角的横向加速度都不会产生输出信号。但若横向加速度的方向与灵敏轴不是直角相交，就会产生输出信号。设横向加速度axy在xy平面内，与加速度灵敏轴的夹角为α，他在x轴上的分量为ax=axy×cosα。设α为89°，axy就会在传感器上产生相当于1.7% axy的误差。
(3)ADXL50要安装在电路板上使用。在电路板的共振频率与待测加速度的频率相近时，若电路板稍有松动，就会产生共振，使测量结果偏大，造成误差。因此，在安装电路板时，要选择合适的位置，固定牢靠。在对系统进行试验时，最好在不同的频率下测试，以便发现可能的共振问题。
(4)解调器滤波电容C1的作用一是决定ADXL50的带宽，二是对解调器信号进行滤波。带宽由下式决定：
fdB=(28.6/C1)40%
其中：C1的单位为μF。通常选用 C1=0.0022 μF，最小不低于0.0015 μF，以免造成系统不稳或振荡。
减小C1可以提高系统对快速加速度变化的反应速度，但会增大解调器输出的噪声，因为系统的噪声与带宽的平方根成正比。可在缓冲放大级中增加低通滤波功能以提高信噪比。在电路板设计时要注意减小或消除C1对地或对电源的漏电。电流从C1两脚泄漏路径不平衡会使0 g电平漂移，影响很大。可在印制电路板的两面制作如图5所示的屏蔽环，屏蔽环包含C1的两脚及连线，并与ADXL50的第④脚相通。使C1的两脚与ADXL50的第④脚大致处于相同的电位。注意屏蔽环要尽量远离C1两脚及其连线。(end)
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(5/19/2005) |
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