當接觸到加速度時,電容式加速度振動傳感器會經歷由電極之間距離變化引起的電容偏移。這種變化是由于彎曲的移動,彎曲也被用作電極。
當傳感器被放置在地球重力場中或因試驗結構上的振動而加速時,彈簧質量所受的力與彈簧質量塊的質量成正比,并由F=ma決定。因此,彈簧質量根據彈簧方程線性偏轉:
這種偏轉會導致電極和彈簧質量之間的距離發生變化。根據以下因素,這些變化會對每個相對電容器間隙產生直接影響:
電容式加速度振動傳感器需要一個內置電路,它有兩個功能:允許電容變化有助于測量靜態和動態事件,并將變化轉換為與讀出儀器兼容的電壓信號。
硅微機械技術可用于制造電容式加速度計、壓電式和壓阻式加速度計。硅的單晶性質、機械接頭的消除和機械止動器的化學處理產生了具有高量程能力的傳感器。使用氣體代替硅油作為阻尼介質可以在較寬的溫度范圍內擴展阻尼特性。一系列凹槽和孔的中心質量將氣體擠出,通過質量置換結構,氣體的熱粘度相對于硅油的熱粘度變化不大。電容式MEMS加速度計可以測量從<2 g到數百g的加速度,頻率高達1 kHz,并且可以承受5000 g或更高的沖擊水平。他們中的大多數人使用電子設備,將信號注入組件,以橋接和調整信號。與同類壓電式加速度計相比,這些加速度計的負面影響是有限的高頻范圍、相對較大的相移和更高的背景噪聲。
電容式加速度振動傳感器通常包括兩個電容、調制電路、增益和濾波器。
伺服(力平衡)加速度振動傳感器
到目前為止,所描述的加速度振動傳感器可歸類為“開環”裝置。地震質量與加速度成正比的撓度直接使用壓電、壓阻或可變電容技術進行測量。由于撓度的非線性,與這種質量位移相關的是一些較小但有限的誤差。伺服加速計是一個“閉環”裝置。它們將檢測質量的內部偏差保持在非常小的限度內。質量保持在“平衡”模式,這幾乎消除了非線性造成的誤差。彎曲系統可以是線性的,也可以是下垂的。與反饋電流成比例的電磁力使質量保持在零。當物體試圖移動時,電容傳感器會檢測其移動。
伺服加速度計的開環價格很高。它們的射程通常小于50克,其精度足以用于制導和導航系統。對于導航,三軸伺服加速計通常與三軸速率陀螺儀組合在一個熱穩定的機械隔離組件中,作為慣性測量單元(IMU)。IMU可以確定太空導航所需的六個自由度。它們測量的頻率為DC(0 Hz),通常因其高頻響應而不受歡迎。但它通常用于低頻領域。
有利條件
1) 良好的溫度穩定性
電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關,有利于選擇溫度系數較低的材料,由于其發熱量很小,對穩定性影響不大。電阻傳感器有銅損耗,容易因加熱而產生零點漂移。
2) 結構簡單
電容式傳感器結構簡單,易于制造,精度高。它可以非常小,以實現一些特殊的測量;能在高溫、強輻射、強磁場等惡劣環境下工作,能承受較大的溫度變化、高壓、高沖擊、過載等;它可以測量超高溫低壓差,也可以測量磁功。
3) 非接觸測量和高靈敏度
它可以在不接觸的情況下測量旋轉軸的振動或偏心以及小球軸承的徑向間隙。采用非接觸測量時,電容傳感器具有平均效應,可以減小工件表面粗糙度對測量的影響。
除了上述優點外,電容式傳感器還可以測量非常低的壓力、力以及很小的加速度和位移,因為它在帶電極板之間的靜電吸引力很小,輸入力和能量也很小。它可以非常靈敏、高分辨率,并且可以感應0.01μM或更小。由于空氣等介質損耗小,當差分結構連接到橋式時產生的零殘余非常小,因此允許電路以高放大倍數放大,因此儀器具有高靈敏度。
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