加速度計可用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，在汽車應(yīng)用中，加速度計用于激活安全氣囊系統(tǒng)。相機(jī)使用加速度計對照片進(jìn)行主動穩(wěn)定。計算機(jī)硬盤驅(qū)動器還依靠加速度計來檢測可能損壞設(shè)備讀/寫頭的外部沖擊。在這種情況下，當(dāng)發(fā)生外部沖擊時，加速度計會暫停驅(qū)動器運(yùn)行。這些只是加速度計的幾個應(yīng)用。
　　這些設(shè)備的用途實(shí)際上有無限的可能性。微加工技術(shù)的巨大進(jìn)步使當(dāng)今小型、低成本的微機(jī)械加速度計成為可能。事實(shí)上，小尺寸和低成本是使我們能夠?qū)⑦@些器件應(yīng)用于如此廣泛的應(yīng)用的兩個主要因素。
　　在本文中，我們將了解測量加速度的物理原理。我們將了解質(zhì)量-彈簧-阻尼器（也稱為質(zhì)量-阻尼器-彈簧）結(jié)構(gòu)如何將加速度轉(zhuǎn)換為位移量，以及如何應(yīng)用電容傳感方法將此位移轉(zhuǎn)換為與施加的加速度成正比的電信號。
　　使用質(zhì)量彈簧阻尼器測量加速度
　　如圖 1 所示的質(zhì)量-彈簧-阻尼器結(jié)構(gòu)可用于測量加速度。
　　　圖 1. 質(zhì)量-彈簧-阻尼器結(jié)構(gòu)
　　已知質(zhì)量，通常稱為驗(yàn)證質(zhì)量（或測試質(zhì)量），通過彈簧連接到傳感器框架。
　　盡管阻尼器是該系統(tǒng)的重要組成部分，但我們將將其擱置到本系列的下一篇文章，因?yàn)樗鼘τ?EE 來說可能有點(diǎn)神秘，并且可能需要幾段來介紹阻尼器的基本概念。
　　讓我們看看圖 1 中所示的結(jié)構(gòu)如何檢測加速度?！　‘?dāng)傳感器框架因外力而加速時，由于慣性，可靠質(zhì)量往往會“向后移動”。這會改變質(zhì)量塊相對于傳感器框架的相對位置，如下圖所示。

　　圖 2.（a） 當(dāng)沒有外力時，驗(yàn)證質(zhì)量塊處于其靜止位置。（b） 當(dāng)坐標(biāo)系向右加速時，傳感器坐標(biāo)系中的觀察者觀察到驗(yàn)證質(zhì)量塊移動到其靜止位置的左側(cè)。
　　圖 2（a） 顯示了在沒有外力時其靜止位置的可靠質(zhì)量。如圖 2（b） 所示，當(dāng)對框架施加外力時，框架向右加速。質(zhì)量體最初傾向于保持靜止，這會改變質(zhì)量體相對于框架的相對位置 （d2< d1).
　　傳感器的非慣性（即加速）坐標(biāo)系中的觀察者觀察到，驗(yàn)證質(zhì)量塊被移動到其靜止位置的左側(cè)。由于驗(yàn)證質(zhì)量位移，彈簧被壓縮，并施加與驗(yàn)證質(zhì)量上的位移成正比的力。彈簧施加的力將驗(yàn)證質(zhì)量向右推，并使其沿外力的方向加速。
　　如果為系統(tǒng)的不同參數(shù)選擇了適當(dāng)?shù)闹?，則驗(yàn)證質(zhì)量位移將與框架加速度值成正比（在系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)消失后）。
　　總而言之，質(zhì)量-彈簧-阻尼器結(jié)構(gòu)將傳感器框架的加速度轉(zhuǎn)換為驗(yàn)證質(zhì)量位移。剩下的問題是，我們?nèi)绾螠y量這種位移？
　　測量 Proof 質(zhì)量位移：電容式傳感方法
　　驗(yàn)證質(zhì)量位移可以通過多種方式進(jìn)行測量。一種常見的方法是圖 3 中描述的電容式傳感方法。
　　　圖 3
　　有兩個電極固定在傳感器框架上，還有一個連接到驗(yàn)證質(zhì)量塊的可移動電極。這會產(chǎn)生兩個電容器 CS1 系列和 CS2 系列，如圖 3 所示。
　　當(dāng)質(zhì)量塊沿一個方向移動時，可移動電極和一個固定電極之間的電容增加，而另一個電容器的電容減小。這就是為什么我們只需要測量感應(yīng)電容器的變化來檢測與輸入加速度成正比的驗(yàn)證質(zhì)量位移。
　　使用同步解調(diào)的加速度計信號調(diào)節(jié)
　　為了準(zhǔn)確測量檢測電容的變化，我們可以應(yīng)用同步解調(diào)技術(shù)。圖 4 顯示了 Analog Devices 的 ADXL 系列加速度計中采用的信號調(diào)理的簡化版本。
　　　　圖 4. 圖片（改編）由 Analog Devices 提供
　　在這種情況下，1 MHz 方波用作感應(yīng)電容器 C 的交流激勵S1 系列和 CS2 系列.施加到固定電極上的方波具有相同的振幅，但彼此相差 180°。當(dāng)可移動電極處于靜止位置時，放大器輸入端的電壓為零伏。
　　當(dāng)可移動電極靠近其中一個固定電極時，來自該電極的激勵電壓的較大部分出現(xiàn)在放大器輸入 V 處橋，這意味著放大器輸入端出現(xiàn)的方波與較近電極的激勵電壓同相。
　　例如，在圖 4 中，放大輸出是一個與 V 同相的方波驅(qū)動+因?yàn)?CS1 系列大于 CS2 系列.
　　V 的振幅橋是 PROOF 質(zhì)量位移的函數(shù);但是，我們還需要知道 V 的相位關(guān)系橋相對于 V驅(qū)動+和 V駕駛-確定可靠質(zhì)量塊的位移方向。
　　同步解調(diào)器基本上將放大器輸出乘以激勵電壓 （V驅(qū)動+或 V駕駛-） 將放大器輸出端的方波轉(zhuǎn)換為直流電壓，從而顯示位移量及其方向。
　　要了解同步解調(diào)如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，請參閱我關(guān)于 LVDT 解調(diào)技術(shù)的文章：LVDT 解調(diào)：整流器型與同步解調(diào)。
　　為什么我們不使用單個傳感電容器？
　　圖 3 中描述的電容式傳感具有差分性質(zhì)：當(dāng) CS1 系列增加，CS2 系列減少，反之亦然。
　　也可以采用單端電容感應(yīng)，其中省略了一個固定電極，因此只有一個可變電容器。在這種情況下，我們可以對系統(tǒng)進(jìn)行建模，如圖 5 所示。
　　　　圖 5
　　這個單端版本似乎是一個更簡單的解決方案。那么，為什么我們不使用單個傳感電容器呢？
　　單傳感電容器結(jié)構(gòu)：非線性輸出
　　讓我們更仔細(xì)地研究一下這個電路。
　　在上圖中，Cp模擬從可移動電極到地的總寄生電容。理想情況下，V橋位于虛擬 ground 上，我們可以忽略 Cp因?yàn)樗囊粋?cè)是 ground，另一側(cè)是 virtual ground。
　　因此，輸出可以簡單地獲得為：
　　\[ V_{輸出} = -\frac{C_s}{C_F} V_{驅(qū)動器}\]
　　方程 1
　　請注意，偏置電流路徑未顯示在圖 5 中。使用電容器基本方程，我們可以用驗(yàn)證質(zhì)量位移來表示輸出。
　　對于電容器 C，我們有：
　　\[ C = \epsilon \frac{A}ntuy9es\]
　　方程 2
　　其中 ε 是介電常數(shù)，A 是平行板面積，d 是兩個導(dǎo)電板之間的距離。為簡單起見，假設(shè)兩個電容器 Cs和 CF具有相同的 ε 和 A。
　　然后，方程 1 可以簡化為：
　　\[ V_{輸出} = -\frac{d_F}{d_s} V_{驅(qū)動器}\]
　　其中 dF和 ds表示 C 的電極之間的距離F和 Cs分別。ds可以表示為初始距離 d 之和0和位移值 Δd。
　　從那里我們可以獲得：
　　\[ V_{輸出} = -\frac{d_F}{d_0 + \Delta d} V_{驅(qū)動器}\]
　　如您所見，位移項 （Δd） 位于輸出方程的分母中。因此，輸出是驗(yàn)證質(zhì)量位移 Δd 的非線性函數(shù)。
　　差分結(jié)構(gòu)：線性輸出
　　我們來看看圖 4 中描述的差分電容感應(yīng)的傳遞函數(shù)。
　　您可以驗(yàn)證，通過差分電容感應(yīng)，V橋由下式給出：
　　\[ V_{bridge} = \frac{C_{s1} V_{drive+} + C_{s2} V_{drive-}}{C_{s1} + C_{s2}} \]
　　應(yīng)用公式 2 并假設(shè)兩個電容 CS1 系列和 CS2 系列具有相同的 ε 和 A 值，我們得到：
　　\[ V_{bridge} = \frac{d_{s2} V_{drive+} + s_{s1} V_{drive-}}{d_{s1} + d_{s2}} \]
　　方程 3
　　其中 dS1 系列和 dS2 系列表示 C 的電極之間的距離S1 系列和 CS2 系列分別。當(dāng) dS1 系列增加，dS2 系列減少相同的量，反之亦然。
　　假設(shè)：
　　\[ d_{s1} = d_0 - \Delta d \]
　　\[ d_{s2} = d_0 + \Delta d \]
　　\[ V_{驅(qū)動器+} = - V_{驅(qū)動器-} \]
　　公式 3 簡化為：
　　\[ V_{bridge} = \frac{\Delta d}{d_0} V_{drive+} \]
　　如您所見，在差分結(jié)構(gòu)中，輸出電壓是驗(yàn)證質(zhì)量位移 Δd 的線性函數(shù)。請注意，雖然我們可以使用軟件來消除傳感器線性誤差，但線性響應(yīng)是可取的，因?yàn)樗梢蕴岣邷y量精度并促進(jìn)系統(tǒng)校準(zhǔn)。