1、传感器与自动检测技术结课论文ADXL05 型单片加速度传感器的工作原理及实际应用班级：电力系统 8 班姓名：邓云飞 学号：11230904指导老师：李峰日期：2014.5.091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
2、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
3、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ADXL0
4、5 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，2可接由用
5、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
6、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3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
7、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
8、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=Kg RgmVPR1313)/20(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+ ） = ngU0R321U
9、PR13Kg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。4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/I
10、O 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。5(2)自检。给自检端 ST 接上一个 TTL 或 CMOS 高电平时，AD D5 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 2-3-2 所示。图 2-3-2 能校准 Og 的自检电路RP 为校准 Og 电平的微调电位器。R1a 用来校准 Kg。由和构成缓冲放大器的单极性后置滤波器。进行自检时，首先将敏感轴置于如图所示的位置，然后调整 RP，使U0=2.5V。再依次使敏感轴处于如图（c ）(d) 的位置，U0 的变化量就对应于 2g 的加速度。
