【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(lái)說(shuō)可能有點(diǎn)神秘，并且可能需要幾段文字來(lái)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。
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(guò)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(lái)說(shuō)可能有點(diǎn)神秘，并且可能需要幾段文字來(lái)介紹阻尼器的基本概念。
我們來(lái)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。
圖 2. (a) 當(dāng)沒(méi)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(méi)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?，則檢驗(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(wèn)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(guò)多種方法測(cè)量。一種常見(jiàn)的方法是圖 3 中所示的電容傳感方法。
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(lái)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。
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(lái)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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