Емкостные акселерометры

В состав всех акселерометров входит специальный элемент, называемый инер­ционной массой, движение которого отстает от движения корпуса. И независимо от конструкции датчика ускорений его основная цель заключается в детектиро­вании перемещения этой массы относительно корпуса устройства и преобразо­вании его в пропорциональный электрический сигнал. Поэтому другой состав­ной частью всех акселерометров является детектор перемещений, способный измерять микроскопические амплитуды вибрационных колебаний или линей­ных ускорений. Емкостной метод преобразования перемещений в электричес­кий сигнал является самым проверенным и надежным. Емкостной датчик

ускорений состоит, по крайней мере, из двух пластин: стационарной, часто со­единенной с корпусом, и свободно перемещающейся внутри корпуса, к кото­рой подсоединена инерционная масса. Эти пластины формируют конденсатор, величина емкости которого зависит от расстояния d между ними (см. урав­нение (3.23) главы 3), а значит и от ускорения движения, испытываемого дат­чиком. Максимальное перемещение, определяемое емкостным акселеромет­ром, редко превышает 20 мкм. Следовательно, в таких датчиках всегда необ­ходимо компенсировать дрейф различных параметров, а также подавлять все­возможные помехи. Поэтому обычно акселерометры имеют дифференциаль­ную структуру, для чего в их состав вводится дополнительный конденсатор, емкость которого должна быть близка к емкости основного конденсатора. При этом напряжения на конденсаторы подаются со сдвигом фаз 180°. Тогда величина ускорения датчика будет пропорциональна разности значений ем­костей конденсаторов.

верхняя крышка

основание

кремниевые пружины

(А)

(Б)

Рис. 8.3. Емкостной акселерометр с дифференциальным конденсатором: А — поперечное сечение акселерометра, Б — вид сверху на инерционную массу, поддерживаемую четырьмя кремниевыми пружинами

Рис. 8.4. Схема преобразователя емкость-напряжение, реализуемая на одной кремниевой подложке с датчиком

На рис. 8.ЗА показано поперечное сечение емкостного дифференциального акселерометра, в котором инерционная масса расположена между верхней крыш­кой и основанием [2]. Масса поддерживается четырьмя кремниевыми пружина­ми (рис. 8.3Б). Верхняя крышка и основание отделены от массы расстояниями d₁ и d₂ Все три элемента изготовлены методами микротехнологий на одной кремни­евой подложке. На рис. 8.4 показана упрощенная схема преобразователя емкость-напряжение, аналогичная схеме на рис. 5.52 главы 5.

Площадь пластины конденсатора С_тс, образованного массой и верхним элек­тродом, равна S₁, а площадь пластины второго конденсатора С_тЬ, образованного массой и основанием — S₂, При движении массы по направлению к верхнему элек­троду расстояние d, уменьшается на А, а расстояние d₂ увеличивается на ту же самую величину. Значение Dравно механической силе F_m, действующей на массу, деленной на коэффициент упругости к кремниевой пружины:

(8.9)

Строго говоря, эквивалентная схема акселерометра справедлива только тог­да, когда на положение массы не влияют электростатические силы (т.е. когда ем­кость конденсаторов линейно зависит от F_m) [3]. Акселерометр стоит на входе уп­равляемого суммирующего усилителя, выходное напряжение которого зависит от значений конденсаторов и, следовательно, от силы:

(8.10)

Уравнение (8.10) справедливо только при малых изменениях емкостей датчика. Выходной сигнал акселерометра также зависит от температуры и рассогласова­ния значений конденсаторов. Рекомендуется проводить калибровку таких датчи­ков во всем температурном диапазоне и осуществлять соответствующую коррек­цию выходного сигнала во время измерений. Другой эффективный способ повы­шения стабильности устройства — разработка системы самокалибровки, позво­ляющей компенсировать влияние электростатических сил, возникающих, когда либо на верхнюю крышку, либо на основание подается высокое напряжение.

Поиск по сайту: