使用质量弹簧阻尼器测量加速度

如图1所示的质量-弹簧-阻尼器结构可用于测量加速度。

图 1. 质量-弹簧-阻尼器结构

已知数量的质量，通常称为检验质量（或测试质量），通过弹簧连接到传感器框架。

尽管阻尼器是该系统的重要组成部分，但我们将把它搁置到本系列的下一篇文章中，因为它对于 EE 来说可能有点神秘，并且可能需要几段文字来介绍阻尼器的基本概念。

我们来看看图1所示的结构是如何检测加速度的。

当传感器框架因外力而加速时，检测质量由于其惯性而趋于“向后移动”。这会改变检测质量相对于传感器框架的相对位置，如下图所示。

图 2. (a) 当没有外力时，检验质量处于静止位置。 (b) 当框架向右加速时，传感器框架中的观察者观察到检验质量移至其静止位置的左侧。

图 2(a) 显示了没有外力时处于静止位置的检验质量。当框架受到外力时，如图2(b)所示，框架向右加速。检验质量初倾向于保持静止，这改变了检验质量相对于框架的相对位置(d 2  < d 1 )。

传感器非惯性（即加速）坐标系中的观察者观察到检验质量移至其静止位置的左侧。弹簧由于检测质量的位移而被压缩，并在检测质量上施加与位移成比例的力。弹簧施加的力将检验质量推向右侧，并使其沿外力方向加速。

如果为系统的不同参数选择适当的值，则检验质量位移将与框架加速度的值成正比（在系统的瞬态响应消失之后）。

总而言之，质量-弹簧-阻尼器结构将传感器框架的加速度转换为检验质量位移。剩下的问题是，我们如何测量这个位移？

测量检验质量位移：电容传感方法

检验质量位移可以通过多种方法测量。一种常见的方法是图 3 中所示的电容传感方法。

 
图3  

有两个电极固定在传感器框架上，还有一个可移动电极连接到检测质量块。这将创建两个电容器 C s1和 C s2，如图 3 所示。

当检测质量块沿一个方向移动时，可移动电极和固定电极之一之间的电容增加，而另一个电容器的电容减小。这就是为什么我们只需要测量感应电容器的变化来检测检验质量的位移，该位移与输入加速度成正比。

使用同步解调的加速度计信号调节

为了准确测量感应电容的变化，我们可以应用同步解调技术。图 4 显示了 Analog Devices 的ADXL 系列加速度计中采用的信号调节的简化版本。

图 4. 图片（改编）由Analog Devices提供

在这种情况下，使用1MHz方波作为感测电容器C s1和C s2的交流激励。施加到固定电极的方波具有相同的幅度，但彼此相位差 180°。当可移动电极处于静止位置时，放大器输入端的电压为零伏。

当可移动电极靠近其中一个固定电极时，来自该电极的激励电压的大部分出现在放大器输入端 V桥上，这意味着放大器输入端出现的方波与激励电压同相较近的电极。

例如，在图 4 中，放大输出是与 Vdrive +同相的方波， 因为 C s1大于 C s2。

V桥的振幅是检测质量位移的函数；然而，我们还需要知道V桥相对于Vdrive + 和Vdrive-的相位关系 ，以确定质量块向哪个方向位移。

同步解调器基本上将放大器输出乘以激励电压（Vdrive + 或Vdrive- ），将放大器输出处的方波转换为直流电压，从而显示位移量及其方向。