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使用質(zhì)量彈簧阻尼器測(cè)量加速度

發(fā)布時(shí)間:2023-07-25 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】盡管阻尼器是該系統(tǒng)的重要組成部分,但我們將把它擱置到本系列的下一篇文章中,因?yàn)樗鼘?duì)于 EE 來說可能有點(diǎn)神秘,并且可能需要幾段文字來介紹阻尼器的基本概念。


如圖1所示的質(zhì)量-彈簧-阻尼器結(jié)構(gòu)可用于測(cè)量加速度。


使用質(zhì)量彈簧阻尼器測(cè)量加速度
圖 1. 質(zhì)量-彈簧-阻尼器結(jié)構(gòu)


已知數(shù)量的質(zhì)量,通常稱為檢驗(yàn)質(zhì)量(或測(cè)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,但我們將把它擱置到本系列的下一篇文章中,因?yàn)樗鼘?duì)于 EE 來說可能有點(diǎn)神秘,并且可能需要幾段文字來介紹阻尼器的基本概念。

我們來看看圖1所示的結(jié)構(gòu)是如何檢測(cè)加速度的。

當(dāng)傳感器框架因外力而加速時(shí),檢測(cè)質(zhì)量由于其慣性而趨于“向后移動(dòng)”。這會(huì)改變檢測(cè)質(zhì)量相對(duì)于傳感器框架的相對(duì)位置,如下圖所示。


使用質(zhì)量彈簧阻尼器測(cè)量加速度
圖 2. (a) 當(dāng)沒有外力時(shí),檢驗(yàn)質(zhì)量處于靜止位置。 (b) 當(dāng)框架向右加速時(shí),傳感器框架中的觀察者觀察到檢驗(yàn)質(zhì)量移至其靜止位置的左側(cè)。

圖 2(a) 顯示了沒有外力時(shí)處于靜止位置的檢驗(yàn)質(zhì)量。當(dāng)框架受到外力時(shí),如圖2(b)所示,框架向右加速。檢驗(yàn)質(zhì)量初傾向于保持靜止,這改變了檢驗(yàn)質(zhì)量相對(duì)于框架的相對(duì)位置(d 2  < d 1 )。



傳感器非慣性(即加速)坐標(biāo)系中的觀察者觀察到檢驗(yàn)質(zhì)量移至其靜止位置的左側(cè)。彈簧由于檢測(cè)質(zhì)量的位移而被壓縮,并在檢測(cè)質(zhì)量上施加與位移成比例的力。彈簧施加的力將檢驗(yàn)質(zhì)量推向右側(cè),并使其沿外力方向加速。

如果為系統(tǒng)的不同參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)闹担瑒t檢驗(yàn)質(zhì)量位移將與框架加速度的值成正比(在系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)消失之后)。

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)換為檢驗(yàn)質(zhì)量位移。剩下的問題是,我們?nèi)绾螠y(cè)量這個(gè)位移?

測(cè)量檢驗(yàn)質(zhì)量位移:電容傳感方法

檢驗(yàn)質(zhì)量位移可以通過多種方法測(cè)量。一種常見的方法是圖 3 中所示的電容傳感方法。


使用質(zhì)量彈簧阻尼器測(cè)量加速度 
圖3  


有兩個(gè)電極固定在傳感器框架上,還有一個(gè)可移動(dòng)電極連接到檢測(cè)質(zhì)量塊。這將創(chuàng)建兩個(gè)電容器 C s1和 C s2,如圖 3 所示。

當(dāng)檢測(cè)質(zhì)量塊沿一個(gè)方向移動(dòng)時(shí),可移動(dòng)電極和固定電極之一之間的電容增加,而另一個(gè)電容器的電容減小。這就是為什么我們只需要測(cè)量感應(yīng)電容器的變化來檢測(cè)檢驗(yàn)質(zhì)量的位移,該位移與輸入加速度成正比。

使用同步解調(diào)的加速度計(jì)信號(hào)調(diào)節(jié)

為了準(zhǔn)確測(cè)量感應(yīng)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(jì)中采用的信號(hào)調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)化版本。


使用質(zhì)量彈簧阻尼器測(cè)量加速度
圖 4. 圖片(改編)由Analog Devices提供


在這種情況下,使用1MHz方波作為感測(cè)電容器C s1和C s2的交流激勵(lì)。施加到固定電極的方波具有相同的幅度,但彼此相位差 180°。當(dāng)可移動(dòng)電極處于靜止位置時(shí),放大器輸入端的電壓為零伏。

當(dāng)可移動(dòng)電極靠近其中一個(gè)固定電極時(shí),來自該電極的激勵(lì)電壓的大部分出現(xiàn)在放大器輸入端 V橋上,這意味著放大器輸入端出現(xiàn)的方波與激勵(lì)電壓同相較近的電極。

例如,在圖 4 中,放大輸出是與 Vdrive +同相的方波, 因?yàn)?C s1大于 C s2。

V橋的振幅是檢測(cè)質(zhì)量位移的函數(shù);然而,我們還需要知道V橋相對(duì)于Vdrive + 和Vdrive-的相位關(guān)系 ,以確定質(zhì)量塊向哪個(gè)方向位移。

同步解調(diào)器基本上將放大器輸出乘以激勵(lì)電壓(Vdrive + 或Vdrive- ),將放大器輸出處的方波轉(zhuǎn)換為直流電壓,從而顯示位移量及其方向。

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