加速度传感器课程论文
ADXL05型单片加速度传感器的工作原理及实际应用
姓名：杨锐
电气四班（19）
前言：
单片加速度传感器的典型产品有美国ADI 公司生产的ADXL05、ADXL105.、ADXL190、ADXL202和ADXL210，还有美国Motorola公司生产的MMA1200D、MMA120IP和MMA1220D。

上述产品也称为加速度计( accelerometer)，可广泛用于工业、交通、地矿、建筑及军事领域，既可测量重力加速度，又可以测量由振动、冲击所产生的加速度、速度，位移等参数，还能取代水银式倾斜仪测量倾斜角。

单片加速度传感器分模拟信号输出、数字信号输出两种形式，ADXL05、ADXL105和MMA1200D 均属于模拟电压输出式，ADXL202和ADXL210 则属于数字输出式，或者能输出与加速度成比例关系的占空比信号。

此外，ADXL05、ADXL105均属于单轴加速度传感器，只能测量沿X轴方向的加速度；ADXL202、ADXL210属于双轴加速度传感器，可同时测量沿X轴、Y轴两个方向的加速度。

1、ADXL05的工作原理
1.1 性能特点
（1）在ADXL05芯片中集成了一个完整的加速度测量系统，内部包含用单晶硅制成的电容式加速度传感器和信号调理器。

最大外形尺寸仅为φ9.4x19（mm），质量为5g。

(2)它属于力平衡式加速度传感器，测量加速度时满量程为±1~±5g (lg=9.8m/s),具体量程可通过外围元件来设定。

分辨力可达0.005g。

加速度计的电压比例系数为200mv/g,满量程时的非线性误差为±0.2%，谐振频率为12kHz。

（3）过载能力强，在0.5s内可承受1000g的冲击。

外围电路简单。

利用重力加速度可以校准传感器的极性。

芯片还具有自检功能，可检测传感器或外围元件是否发生故障。

（4）电源电压范围是+4.75～+5.25V，典型值为5V，工作电流约为8mA。

1.2.工作原理
1.2.1 引脚功能
ADXL05采用TO - 100封装，引脚排列如
图1-2-1所示。

图1-2-1 ADXL05的引脚功能
在它的第5、10脚之间有一个敏感轴，传感器对该方向上的惯性力（或振动）最为敏感。

Ucc端接5V电源，COM为公共地。

第2、3脚之间接电容C1，用以设定同步解调器的带宽。

第4脚与地之间接入振荡器的退耦电容C2。

Uref 为内部3.4V基准电压输出端。

ST为自检电平输入端，接高电平后进入自检模式，只要Upr超出规定的电压范围，就判定芯片或外围元件发生
故障。

Upr为前置放大器输出端。

Uo为缓冲放大器的输出端电压端。

Uin-为缓冲放大器的反相输入端，
可接由用户设定的输入电压。

1.2.2 工作原理
ADXL05型单片加速传感器的内部电路框图如图1-2-2-1所示。

图1-2-2-1 ADXL05单片加速度传感器的内部电路框图
主要包括以下6部分：①1MHz方波振荡器；
②加速度传感器；③同步解调器；④前置放大器A1；⑤基准电压源，可产生3.4、1.8V和0.2V 三种基准电压，其中的3.4V基准电压从Uref引脚输出，1.8V作为缓冲放大器的参考电压；⑥
缓冲放大器A2，其输出电压为U0。

需要指出Urp 、Uin、和U0端需通过电阻网络R1-R3相连，改变这些电阻值，即可设定输出电压的比例系数Kg。

根据需要，还可接阻容网络，构成交流耦合式加速度计。

C1用来设定同步解调器-3dB带宽，C2为振荡器退耦电容，C3为电源退耦电容。

加速度传感器的内部结构如图1-2-2-2所示。

图1-2-2-2 加速度传感器的内部结构
在工字梁上分布着46个敏感单元。

图中的
虚线框就表示其中一个敏感单元，内有一对平行板式差分电容Ca、Cb。

电容的中心极板固定在工字梁上。

图中的黑色区域表示支点。

1MHz振荡器产生两路方波电压U1和U2，二者的相位依次为0、180，分别加至Ca、Cb。

的上下极板上。

极板面积为S，介电常数为。

令加速度为零时两极板的距离为d，此时Ca=Cb= S/do.因为Ul、U2的幅度相等，相位差为180。

所以Ul=—U2，二者互相抵消后，该敏感单元的输出电压Uo1=0，表示加速度为Og。

当传感器受到方向向下的惯性力或冲击时，中心极板就产生位移量d1，使差分电容星不对称结构，C。

=eS/(do+d1)，Ch=eS/(do- d1), 即Ca<Cb。

由于两个电容量不相等，就在中心极板上产生电压Uo1。

Uo1的幅度与加速度成正比。

46个敏感单元的总输出电压就等于各敏感单元输出电压的代数和，它与总加速度成正比。

经过同步解调器和前置放大器，得到解调后的电压Upr，其电压比例系数KPn=200mV/g 。

Upr信号分成两路，一路通过内部反馈电路接敏感单元的中心极板，使之恢复到Og的位置；另一路通过缓冲放大器获得输出电压Uo。

UO的电压比例系数为
K g =R
R R R K g mV PR 1
313)/200(= 举例说明，当R3 =R1时，Kg=200mV/g ；当R3| R1=2时，Kg=400mV/g ，依次类推。

2.1 直流耦合式加速度计
直流耦合式加速度计的电路参见图9-15。

取Ri=50k 、R2=274 k 、R3-100k 时，
可以测量-5~ +5g 范围内的加速度。

在Og 时，UO=2.5V ，- 3dB 增益带宽为O--
+ 1.6kHz 。

输出电压的比例系数Kg=400mV/g 。

设被测加速度a=ng ，有公式
U 0=1.8（1+R R R R 3213+）—R R U PR 1
3=K g ng 将Kg=400mV/g 代人式(9-8)中得到，UO=400n(mV)o 假定已知n ≤5，即Uo ≤2000mv ，能直接用2v 两成的数字电压表来测量U0，再将显示值除以nKg ，就得到被测加速度值。

2.2 交流耦合式加速度计
交流耦合式加速度计能够消除由重力加速
度和Og 漂移所造成的影响，其电路如图2-2 所示。

图2-2 交流耦合式加速度计的电路
C4为耦合电容，能起到隔直流的作用。

由R1、C4构成的高通滤波器下限频率为fl=1／（2丁cR．C4），对信号的衰减量为- 2dB。

对低于fL的频率，则按- 6dB/十倍频程的速率进行衰减，即频率降低到原来的I/IO时，信号就被衰减- 6dB。

2.3 ADXL05的校准方法
(1)校准极性。

利用重力加速度即可校准ADXL05的极性。

如图2-3-1所示，
图2-3-1 利用重力加速度可校准ADXL05的极性
(a) 敏感轴水平向右；
（b）敏感轴水平向左；
（c）敏感轴垂直向下；
（d）敏感轴垂直向上；
当敏感轴与地面平行时，传感器的输出电压就对应于Og。

当敏感轴与地面垂直时，输出电压就对应于一lg（敏感轴方向朝下），或者Ig（敏感轴方向朝上）。

利用上述特性很容易校准传感器的极性。

(2)自检。

给自检端ST接上一个TTL或CMOS高电平时，ADⅪD5就进入自检模
式。

此时UPR应变化一IV，若超过(一lt0.15)V，
即认为传感器或外围电路发生了故障。

能校准Og的自检电路如图2-3-2所示。

图2-3-2 能校准Og的自检电路RP为校准Og电平的微调电位器。

R1a用来校准Kg。

由和构成缓冲放大器的单极性后置滤波器。

进行自检时，首先将敏感轴置于如图所示的位置，然后调整RP，使U0=2.5V。

再依次使敏感轴处于如图（c）(d)的位置，U0的变化量就对应于2g的加速度。

9。