力平衡加速度传感器原理设计

还能减小静电引力测量带来的影响，并有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差。

    3、电容式差容式力平衡传感器器的工作原理与结构

    3.1工作原理

    如图1所示，差容式力平衡加速度传感器原理框图

   

    电路中除了所必须的电容，电阻外，主要由正负电压调节器，四运放放大器LT1058，双运放op270放大器组成。

    3.2差容式力平衡传感器机械结构原理

    由于差动式电容，在变间隙应用中的灵敏度和线性度得到很大改善，所以得到广泛应用。如图2所示为一种差容式力平衡电容差容式力平衡传感器原理简图。主

要由上、下磁钢，电磁铁，磁感应线圈，弹簧片，作电容中间极的质量块，覆铜的上下极板等部分组成。传感器上、下磁钢通过螺钉及弹簧相连，作为传感器的固定部分，上，下极板分别固定在上、下磁钢上。极板之间有一个用弹簧片支撑的质量块，并在此质量块上、下两侧面沉积有金属（铜）电极，形成电容的活动极板。这样，上顶板与质量块的上侧面形成电容C1，下底板与质量块下侧面形成电容C2，弹簧片一端与磁钢相连，另一端与电容中间极相连，以控制其在一个有效的范围内振动。由相应芯片输出的方波信号，经过零比较后输出方波，此方波经电容滤除其中的直流电压，形成对称的方波，该对称的方波加到电容的一个极板上，同时经一次反向后的对称波形加到另一个极板上。

    当没有加速度信号时，中间极板处于上、下极板的中间位置C1＝C2，△C＝0后续电路没有输出；当有加速度信号时，中间极板（质量块）将偏离中间位置，产生微小位移，传感器的固定部分也将有微小的位移，设加速度为正时，质量块与上顶板距离减小，与下底板距离增大，于是C1＞C2，因此会产生一个电容的变化量△C，△C由放大电路部分放大，同时，将放大电路的输出电流引入到反馈网络。由于OP270的脚1和16分别与线圈两端相连，当有电流流过线圈时，将产生感应磁场，就会有电磁力产生。因为上、下磁钢之间有弹簧，所以在电磁力的作用下将使磁钢回到没有加速度时的位置，即此时的电容变化完全有加速度的变化引起，同时由于线圈与活动极板通过中心轴线相连，所以在电磁力的作用下，使中间极向产生加速度时的位移的相反的方向运动，即相当于在△C的放大电路中引入了负反馈，这样，使传感器的测量范围大大提高。因此，对于任何加速度值，只要检测到合成电容变化量△C，便能使活动极板在两固定极板之间对应一个合适的位置，此时后续电路便输出一个与加速度成正比的电压，由此电压值就可以计算出加速度的大小。

    4、力平衡传感器实际应用

    哈尔滨北奥振动技术是专门从事振动信号测量的专业公司，它们应用这种差容式力平衡原理开发出的力平衡加速度传感器实现的主要性能指标如下：

    测量范围：±2.0g，±0.125g，±0.055g
    灵敏度：BA-02a:±2.5V/g、±40.0V/g
    BA-02b1:±40.0V/g（差动输出）
    BA-02b2:±90.0V/g（特定要求，高灵敏度）
    频响范围：DC-50Hz（±1dB）
    绝对精度：±3％FS
    交叉干扰：小于0.3%
    线性度：优于1%
    噪声：小于10μV
    动态范围：大于120dB
    温漂：小于0.01%g/g
    电源：±12V-±15V @30.0mA
    体积：Φ43x60mm

    采用这种设计原理的传感器在振动信号测量领域已经得到广泛应用，该种传感器特别适合地震、建筑、军事、交通、机械、航海等领域的振动测量。

《力平衡加速度传感器原理设计(第2页)》