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电容式加速度传感器简介

发布时间:2019-07-01


结构与原理

电容式加速度传感器又称变电容式加速度传感器,它的结构原理如下图所示,一个质量块固定在弹性梁的中间,质量块的上端面是一个活动电极,它与上固定电极组成一个电容器C1;质量块的下端面也是一个活动电极,它与下固定电极组成另一个电容器C2。

当被测物的振动导致与其固连的传感器基座振动时,质量块将由于惯性而保持静止,因此上、下固定电极与质量块之间将会产生相对位移。这使得电容C1、C2的值一个变大、另一个变小,从而形成一个与加速度大小成正比的差动输出信号。


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MEMS变电容式加速度传感器


随着微机电技术的发展,如今的电容式加速度传感器都普遍采用的MEMS技术制造。下图显示了一种MEMS变电容式加速度传感器的结构,它的整个敏感元件由粘在一起的三个单晶硅片构成。其中上、下硅片构成两个固定电极,中间的硅片通过化学刻蚀形成由柔性薄膜支撑的具有刚性中心质量块的形状,薄膜的厚度取决于该加速度传感器的量程。另外,在薄膜上还有刻蚀出的小孔,当薄膜随质量块运动时,空气流经小孔从而产生所需的阻尼力。由于采用MEMS技术得到了这种一体化的结构,它的可靠性是相当高的。


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特点与应用场合


变电容式加速度传感器具有较好的低频特性且具有直流响应,与其它类型的加速度传感器相比其灵敏度高、环境适应性好,尤其是受温度的影响比较小;不足之处为信号的输入与输出呈非线性关系、量程有限、受电缆的电容影响较大;其通用性不如压电式加速度传感器,且成本也比压电式加速度传感器高得多。

变电容式加速度传感器非常适用于运动及稳态加速度的测量、低频低g值测量,且可耐受高g值冲击。比如电梯的加速及减速测试、飞机的颤振试验、飞行器的发射与飞行试验、发动机监测等均需测量持续时间长、g值低的振动,这些都是变电容式传感器的主要用途。事实证明,在测量低频、低g值加速度时,变电容式加速度传感器比压阻式加速度传感器更为理想。

像轿车、卡车、火车等车辆的运输试验和检测都需要高可靠性、高灵敏度的加速度计。在这些设备的安装和试验过程中经常会出现高g值的冲击,但其后主要的是测量的又是g值很微小的振动。变电容式加速度传感器可以抗高g值过冲,又有在冲击之后快速恢复的能力,这使得可以用它来进行这种加速度的测量,比如汽车的乘坐舒适性、结构响应和车辆碰撞试验。


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