加速度計可以用在儀表中,測量加速度(速度對時間的變化率)和測量傾斜度(物體的縱軸和與地球表面相切的平面的垂線之間形成的傾角)。傾斜度測量可以被看成“直流”或穩(wěn)態(tài)測量。在理論上,加速度可以是穩(wěn)態(tài)的,但在實際應(yīng)用當(dāng)中,加速度通常是一個短期的暫時現(xiàn)象。
在非傾斜應(yīng)用(短時加速)中,可以將壓電檢波器或壓電薄膜傳感器用作傳感器。任何類型的壓電傳感器都有一個與電容串聯(lián)的交流電壓源等效電路(加上其他會產(chǎn)生二階效應(yīng)的電抗元件,不在此進行分析)。典型的容值為幾百皮法到幾納法。電壓源的電容耦合就是為什么器件不能提供穩(wěn)態(tài)的傾斜度測量的原因。
上面提到的等效電容,再加上輸入或后繼的放大或緩沖電路的分流電阻就構(gòu)成了一個單極高通濾波器(HPF)。在最好的情況下,如果分流電阻越大,高通濾波器中極點的時間常數(shù)越長。這就意味著,在時間常數(shù)效應(yīng)削弱測量前,可以對加速度進行測量的時間較長。
從實用性的角度出發(fā)(考慮到器件的可用性),可以選用1GΩ的阻值。由于這個電阻值很大,所使用的放大器必須具有非常低的偏置或泄漏電流,最好能達到1pA的級別。
壓電薄膜傳感器是器件X1。在原型設(shè)計當(dāng)中,使用了測量專用的 LDTM-028K器件。這個傳感器的一端已經(jīng)施加了一個很小的重力,在這端再增加大的重力,可以提高靈敏度。傳感器通過R1連到運放U1的非反向輸入端,R1可防止過壓對運放的輸入造成損害。如果傳感器承受的加速度非常高(如重?fù)?,就很可能發(fā)生這種情況。R1也可以用來減小來自X1的信號幅值。這個電路中的R1是1GΩ。R2是輸入分流電阻,1pA的泄漏電流會流過R2,其數(shù)值也是1GΩ,產(chǎn)生1mV的偏置電壓(加到運放的實際偏置電壓上)。R2接 2.5V的參考電壓,設(shè)定運放的靜態(tài)輸出電壓。運放是ISL28158(或任何其他具有超低輸入偏置/泄漏電流的器件)。運算放大器使用+5V DC電源供電。直流增益由R3和R4設(shè)定,在這個電路中是+2V/V。1μF的電容器(C3)構(gòu)成了低通濾波器,減小了電路對更高頻振動的響應(yīng)。這里最好用薄膜電容器,因為陶瓷電容器可能引入附加的討厭的壓電效應(yīng)(即常說的顫噪效應(yīng))。如果需要額外的低通濾波,在運放的輸出端,即圖中的R5和C4,可以增加一個額外的極點。
把X1安裝到電路板上,這樣重力就會加到電路板的下面,傳感器會在所要測量加速度的方向上彎曲。
調(diào)小R1可提高靈敏度。調(diào)整C3和C4可改變低通濾波器的時間常數(shù)。
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