[发明专利]一种无方向性力平衡加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及中低频振(震)动和结构振动测试领域的传感器技术，尤其涉及一种无方向性力平衡加速度传感器。 

背景技术

加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器，常用于工业、国防等许多领域中对冲击、振动进行测量。采用这种设计原理的传感器在振动信号测量领域已经得到广泛应用，该种传感器特别适合地震、建筑、军事、交通、机械、航海等领域的振动测量。 

力平衡加速度传感器是目前发展比较成熟的一种加速度传感器产品，其基本特征为：借助于激励信号调制、解调，通过差动电容结构提取出表征加速度变化的电压信号，加入力反馈进行电压输出，其输出电压的大小与电容极板运动位移成正比，而电容极板的位移量与传感器外壳体运动的加速度成正比，因此电容中间极板的输出电压就是传感器壳体的运动加速度。在实际利用力平衡加速度传感器对地震信号振动量进行测量中，由于地震信号的动态范围较大、信号频率较低，例如动态范围可高达120dB，频率范围一般从0Hz～80Hz，借助于这种传感器的动态范围大、低频性能好、灵敏度高、体积小、低功耗、高阻抗、本身不发热和结构简单等优点，通过捕捉电容的极距变化来获得电容值，并通过电子线路将电容变化值提取出来，用以测量振动加速度等机械量。 

图1为现有力平衡加速度传感器原理及结构示意图，如图1所示，该加速度传感器采用差容作为传感器的闭环式传感器，内部被设计成单自由度振动系统，其中加速度计惯性元件即活动电极和两个固定电极组成可变电容器，当由于加速度而使惯性元件产生位移时，所述电容器就把位移变化转换成静电电容 的变化，再利用差动脉冲幅度调制电路将电容变化转化成电压输出量。如图所示，所述变极距电容结构是以空气为介质的两个平行金属板组成的平行板电容器，当不考虑边缘电场影响时，其电容量可用下式表示： 

C=ϵrϵ0Ad(F)]]>

式中：ε₀代表真空介电常数(ε₀＝8.85×10^-12(F/m))； 

ε_r代表极板间介质的相对介电常数，对空气介质而言ε_r＝1； 

A代表两个平行极板相互覆盖的面积(m²)； 

d代表两个平行极板间的距离(m)； 

由式(1)可知，平行电容器的电容量是极板覆盖面积、极板间距、相对介电常数的函数，如果保持极板覆盖面积、相对介电常数这两个参数不变，仅仅改变极板间距就构成了变极距式电容传感器，即一个极板固定，另一个极板与被测物体相连，当被测物体做上下位移时，将引起电容量的变化，通过测量电路将这种电容变化转化为电压变化，即可测定出物体位移的大小，而物体位移的大小可以代表了物体运动加速度。 

假设当极板间初始间隙为d₀时，则 C0=ϵ0Ad0,]]>当极板间距减小Δd时，电容量增加ΔC见式(2)：