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加速传感器ADXL150特性及其精度影响因素

信息来源:chuandong.biz  时间:2011-04-02  浏览次数:199

  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0022?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。
 
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