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電容式加速度傳感器簡介

發布時間:2019-07-01


結構與原理

電容式加速度傳感器又稱變電容式加速度傳感器,它的結構原理如下圖所示,一個質量塊固定在彈性梁的中間,質量塊的上端面是一個活動電極,它與上固定電極組成一個電容器C1;質量塊的下端面也是一個活動電極,它與下固定電極組成另一個電容器C2。

當被測物的振動導致與其固連的傳感器基座振動時,質量塊將由于慣性而保持靜止,因此上、下固定電極與質量塊之間將會產生相對位移。這使得電容C1、C2的值一個變大、另一個變小,從而形成一個與加速度大小成正比的差動輸出信號。


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MEMS變電容式加速度傳感器


隨著微機電技術的發展,如今的電容式加速度傳感器都普遍采用的MEMS技術制造。下圖顯示了一種MEMS變電容式加速度傳感器的結構,它的整個敏感元件由粘在一起的三個單晶硅片構成。其中上、下硅片構成兩個固定電極,中間的硅片通過化學刻蝕形成由柔性薄膜支撐的具有剛性中心質量塊的形狀,薄膜的厚度取決于該加速度傳感器的量程。另外,在薄膜上還有刻蝕出的小孔,當薄膜隨質量塊運動時,空氣流經小孔從而產生所需的阻尼力。由于采用MEMS技術得到了這種一體化的結構,它的可靠性是相當高的。


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特點與應用場合


變電容式加速度傳感器具有較好的低頻特性且具有直流響應,與其它類型的加速度傳感器相比其靈敏度高、環境適應性好,尤其是受溫度的影響比較小;不足之處為信號的輸入與輸出呈非線性關系、量程有限、受電纜的電容影響較大;其通用性不如壓電式加速度傳感器,且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。

變電容式加速度傳感器非常適用于運動及穩態加速度的測量、低頻低g值測量,且可耐受高g值沖擊。比如電梯的加速及減速測試、飛機的顫振試驗、飛行器的發射與飛行試驗、發動機監測等均需測量持續時間長、g值低的振動,這些都是變電容式傳感器的主要用途。事實證明,在測量低頻、低g值加速度時,變電容式加速度傳感器比壓阻式加速度傳感器更為理想。

像轎車、卡車、火車等車輛的運輸試驗和檢測都需要高可靠性、高靈敏度的加速度計。在這些設備的安裝和試驗過程中經常會出現高g值的沖擊,但其后主要的是測量的又是g值很微小的振動。變電容式加速度傳感器可以抗高g值過沖,又有在沖擊之后快速恢復的能力,這使得可以用它來進行這種加速度的測量,比如汽車的乘坐舒適性、結構響應和車輛碰撞試驗。


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