加速度傳感器ADXL50的特性及其對(duì)測(cè)量精度的影響
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R3/R1=Vout變化量/VPR變化量=2.0/0.95=2.10
在圖1(a)中，R2的一端接地，為使0 g時(shí)Vout=2.5 V，R2應(yīng)滿足下面的條件：
R2=(1.8 V×R3)/(Vout-1.8 V) =270 kΩ(1)
圖3為一個(gè)更常用的電路。其中使用了ADXL50片內(nèi)提供的3.4 V參考電壓，增加了一個(gè)電位器Rt。這時(shí)的Vout由下式確定：
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電壓可在更大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，一般取R2=100 kΩ。
現(xiàn)舉一例說明電路參數(shù)選擇。 有一機(jī)械裝置的正向加速度最大可達(dá)10 g，負(fù)向加速度最大可達(dá)-2 g，用ADXL50測(cè)量其力學(xué)特性，可按如下方式選擇電路參數(shù)。此裝置的加速度變化范圍為10 g-(-2 g)=12 g。設(shè)輸出電壓Vout的變化范圍為4.5 V-0.5 V=4.0 V,則系統(tǒng)的靈敏度為4.0 V/12 g=0.333 V/g。已知VPR腳上的靈敏度為0.019 V/g, 因此緩沖放大器的放大系數(shù)應(yīng)為0?333 V/0.019 V=17.53。由此得R3/R1?=17.53。選擇R1時(shí)要注意VPR口的注入電流不得大于25 μA。選R1=25 kΩ，得R3=25 kΩ×17.53=438 kΩ。系統(tǒng)的0 g電位可定為0.5V+0.667V=1.167V,由式（2）得Vx=1.95 V。選R2=100 kΩ, 調(diào)節(jié)Rt使Vx=1.95V即可。
在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意下面幾點(diǎn)：
（1）選擇R1時(shí)，要使前置放大器的注入電流小于25 μA。
（2）在加速度較小時(shí)，例如小于±5 g時(shí)，測(cè)量信號(hào)的信噪比會(huì)大大低于±50 g時(shí)的值。在帶寬要求不高的情況下，可以適當(dāng)加大解調(diào)器電容C1，降低一些傳感器的響應(yīng)速度以提高信噪比，或在緩沖放大級(jí)中加入濾波環(huán)節(jié)改善之。
（3）盡管ADXL50中設(shè)置了補(bǔ)償電路，但不可能完全補(bǔ)償。在加速度較小，溫度變化大時(shí)，溫漂和時(shí)漂也會(huì)產(chǎn)生較大的影響?？梢圆扇y(cè)定加速度信號(hào)交流分量，或周期讀取0 g值進(jìn)行校正的方法改善。
（4）ADXL50的工作是基于電容測(cè)量的機(jī)制，因此切忌在VPR腳上加接電容性的負(fù)載。此腳上加接10 pF的電容就會(huì)引起1 mV的信號(hào)誤差，傳感器的信號(hào)最好從Vout腳輸出。
4 ADXL50的自標(biāo)定
若手邊沒有標(biāo)準(zhǔn)的加速度標(biāo)定設(shè)備，利用地球的1 g重力加速度，可以用自標(biāo)定方法很簡(jiǎn)便地將ADXL50的0 g電位與放大倍數(shù)標(biāo)定到較高的精度。圖4表示在重力的作用下，在ADXL50 (TO100包裝) VPR?腳上的輸出與其相對(duì)于地面的取向之間的關(guān)系。當(dāng)其靈敏軸垂直指向地表時(shí)，ADXL50顯示-1 g讀數(shù)，其靈敏軸垂直指向上方時(shí)，顯示+1 g。其靈敏軸平行于地表時(shí)，ADXL50顯示0 g，讀數(shù)見圖4。由圖4所示取向可以標(biāo)定ADXL50的0 g電位，可以標(biāo)定ADXL50的緩沖級(jí)放大倍數(shù)。首先，將ADXL50水平放置，選2個(gè)相差180°的位置，初步確定0 g電位。再按圖4所示，取2個(gè)相差180°的垂直方向的輸出電位，得到2 g的加速度變化及相應(yīng)的傳感器輸出變化，以此調(diào)整放大級(jí)的放大倍數(shù)。如此反復(fù)兩三次，即可達(dá)到較好的結(jié)果。
5 影響ADXL50測(cè)量精度的若干因素
加速度傳感器 ADXL50 若使用不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，降低精度。在使用中要特別注意下面幾點(diǎn)：
（1）ADXL50有一個(gè)靈敏軸，其方向是從第⑤腳指向第10腳（即指向管殼定位片），傳感器測(cè)量的就是沿此軸的加速度。設(shè)此軸為?x軸，又設(shè)在傳感器管殼底部平面內(nèi)與x軸垂直的方向?yàn)閥軸。若加速度a的方向與傳感器底部xy平面之間的夾角為α，則加速度a在xy平面上的分量為axy=a×cos α。又設(shè)加速度分量axy與傳感器靈敏軸之間的夾腳為α，則axy在靈敏軸上的分量為ax=axy×cos β=a×cos α×cosβ。 因此，在安裝加速度傳感器時(shí)，要盡量使其靈敏軸與加速度的方向一致，否則就得對(duì)測(cè)量結(jié)果作必要的修改，以免造成過大的誤差。
（2）在理想的情況下，任何與靈敏軸成直角的橫向加速度都不會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)。但若橫向加速度的方向與靈敏軸不是直角相交，就會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)。設(shè)橫向加速度axy在xy平面內(nèi)，與加速度靈敏軸的夾角為α，他在x軸上的分量為ax=axy×cosα。設(shè)α為89°，axy就會(huì)在傳感器上產(chǎn)生相當(dāng)于1.7% axy的誤差。
（3）ADXL50要安裝在電路板上使用。在電路板的共振頻率與待測(cè)加速度的頻率相近時(shí)，若電路板稍有松動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生共振，使測(cè)量結(jié)果偏大，造成誤差。因此，在安裝電路板時(shí)，要選擇合適的位置，固定牢靠。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，最好在不同的頻率下測(cè)試，以便發(fā)現(xiàn)可能的共振問題。
（4）解調(diào)器濾波電容C1的作用一是決定ADXL50的帶寬，二是對(duì)解調(diào)器信號(hào)進(jìn)行濾波。帶寬由下式?jīng)Q定：
fdB=（28.6/C1）40%
其中：C1的單位為μF。通常選用 C1=0.0022 μF，最小不低于0.0015 μF，以免造成系統(tǒng)不穩(wěn)或振蕩。
減小C1可以提高系統(tǒng)對(duì)快速加速度變化的反應(yīng)速度，但會(huì)增大解調(diào)器輸出的噪聲，因?yàn)橄到y(tǒng)的噪聲與帶寬的平方根成正比。可在緩沖放大級(jí)中增加低通濾波功能以提高信噪比。在電路板設(shè)計(jì)時(shí)要注意減小或消除C1對(duì)地或?qū)﹄娫吹穆╇?。電流從C1兩腳泄漏路徑不平衡會(huì)使0 g電平漂移，影響很大?？稍谟≈齐娐钒宓膬擅嬷谱魅鐖D5所示的屏蔽環(huán)，屏蔽環(huán)包含C1的兩腳及連線，并與ADXL50的第④腳相通。使C1的兩腳與ADXL50的第④腳大致處于相同的電位。注意屏蔽環(huán)要盡量遠(yuǎn)離C1兩腳及其連線。
評(píng)論