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变电容式加速传感器的原理

        通过改变传感器的振动电容,可以得到共有电容或振动电容的参数。电容式振动传感器可分为可变间隙型和可变公共面积型。前者可用于测量线性振动位移,后者可用于测量扭转振动的角位移。

        电容式加速度传感器的工作原理与压阻式加速度振动传感器相似,因为它们测量电桥电路中的变化。然而,它们不是电阻,而是测量电容的变化。传感元件由两个平行板电容器组成,以差分模式工作。它们依靠载波解调电路或其等效电路来产生与加速度成比例的电输出。有几种类型的电容元件。一种是由金属感应膜片和氧化铝电容器板组成。两个固定板将膜片夹在中间,形成两个电容器。每个都有一个固定板,两个普通膜片充当活动板。

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        当接触到加速度时,电容式加速度振动传感器会经历由电极之间距离变化引起的电容偏移。这种变化是由于弯曲的移动,弯曲也被用作电极。

        当传感器被放置在地球重力场中或因试验结构上的振动而加速时,弹簧质量所受的力与弹簧质量块的质量成正比,并由F=ma决定。因此,弹簧质量根据弹簧方程线性偏转:

        这种偏转会导致电极和弹簧质量之间的距离发生变化。根据以下因素,这些变化会对每个相对电容器间隙产生直接影响:

        电容式加速度振动传感器需要一个内置电路,它有两个功能:允许电容变化有助于测量静态和动态事件,并将变化转换为与读出仪器兼容的电压信号。

        硅微机械技术可用于制造电容式加速度计、压电式和压阻式加速度计。硅的单晶性质、机械接头的消除和机械止动器的化学处理产生了具有高量程能力的传感器。使用气体代替硅油作为阻尼介质可以在较宽的温度范围内扩展阻尼特性。一系列凹槽和孔的中心质量将气体挤出,通过质量置换结构,气体的热粘度相对于硅油的热粘度变化不大。电容式MEMS加速度计可以测量从<2 g到数百g的加速度,频率高达1 kHz,并且可以承受5000 g或更高的冲击水平。他们中的大多数人使用电子设备,将信号注入组件,以桥接和调整信号。与同类压电式加速度计相比,这些加速度计的负面影响是有限的高频范围、相对较大的相移和更高的背景噪声。

        电容式加速度振动传感器通常包括两个电容、调制电路、增益和滤波器。

        伺服(力平衡)加速度振动传感器

        到目前为止,所描述的加速度振动传感器可归类为“开环”装置。地震质量与加速度成正比的挠度直接使用压电、压阻或可变电容技术进行测量。由于挠度的非线性,与这种质量位移相关的是一些较小但有限的误差。伺服加速计是一个“闭环”装置。它们将检测质量的内部偏差保持在非常小的限度内。质量保持在“平衡”模式,这几乎消除了非线性造成的误差。弯曲系统可以是线性的,也可以是下垂的。与反馈电流成比例的电磁力使质量保持在零。当物体试图移动时,电容传感器会检测其移动。

        伺服加速度计的开环价格很高。它们的射程通常小于50克,其精度足以用于制导和导航系统。对于导航,三轴伺服加速计通常与三轴速率陀螺仪组合在一个热稳定的机械隔离组件中,作为惯性测量单元(IMU)。IMU可以确定太空导航所需的六个自由度。它们测量的频率为DC(0 Hz),通常因其高频响应而不受欢迎。但它通常用于低频领域。

        有利条件

        1) 良好的温度稳定性

        电容式传感器的电容值一般与电极材料无关,有利于选择温度系数较低的材料,由于其发热量很小,对稳定性影响不大。电阻传感器有铜损耗,容易因加热而产生零点漂移。

        2) 结构简单

        电容式传感器结构简单,易于制造,精度高。它可以非常小,以实现一些特殊的测量;能在高温、强辐射、强磁场等恶劣环境下工作,能承受较大的温度变化、高压、高冲击、过载等;它可以测量超高温低压差,也可以测量磁功。

        3) 非接触测量和高灵敏度

        它可以在不接触的情况下测量旋转轴的振动或偏心以及小球轴承的径向间隙。采用非接触测量时,电容传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度对测量的影响。

        除了上述优点外,电容式传感器还可以测量非常低的压力、力以及很小的加速度和位移,因为它在带电极板之间的静电吸引力很小,输入力和能量也很小。它可以非常灵敏、高分辨率,并且可以感应0.01μM或更小。由于空气等介质损耗小,当差分结构连接到桥式时产生的零残余非常小,因此允许电路以高放大倍数放大,因此仪器具有高灵敏度。