加速度传感器ADXL50的特性及其对测量精度的影响

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

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。  

  


  
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±50g，则VPR=1.8±0.95V?, 若加速度为±20g ，则VPR=1.8±0.38V。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0.5～4.5V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0g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±0.95V，欲使Vout=2.5±?2.0V，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。

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-2 g，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-(-2 g)=12 g。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=25 kΩ×17.53=438 kΩ。系统的0 g电位可定为0.5V+0.667V=1.167V,由式（2）得Vx=1.95 V。选R2=100 kΩ, 调节Rt使Vx=1.95V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。