加速度計可用于不同的應用領域。例如，在汽車應用中，加速度計用于激活安全氣囊系統。相機使用加速度計來主動穩定圖片。計算機硬盤驅動器還依靠加速度計來檢測可能損壞設備讀/寫磁頭的外部沖擊。在這種情況下，加速度計會在發生外部沖擊時暫停驅動操作。這些只是一些加速度計應用。

這些設備的用途實際上是無窮無盡的。微制造技術的巨大進步使當今小型、低成本的微機械加速度計成為可能。事實上，小尺寸和低成本是使我們能夠將這些設備應用于如此廣泛的應用的兩個主要因素。

在本文中，我們將了解測量加速度的物理原理。我們將看到質量-彈簧-阻尼器（也稱為質量-阻尼-彈簧）結構如何將加速度轉換為位移量，以及如何應用電容傳感方法將此位移轉換為與位移成正比的電信號。施加加速度。

使用質量彈簧阻尼器測量加速度

如圖 1 所示的質量-彈簧-阻尼器結構可用于測量加速度。

圖 1. 質量-彈簧-阻尼器結構

已知數量的質量，通常稱為檢驗質量（或測試質量），通過彈簧連接到傳感器框架。

盡管阻尼器是該系統的重要組成部分，但我們將把它擱置到本系列的下一篇文章，因為它對于 EE 來說可能有點神秘，并且可能需要幾段來介紹阻尼器的基本概念。

讓我們看看圖 1 所示的結構如何檢測加速度。

當傳感器框架因外力而加速時，檢測質量由于其慣性而趨于“后退”。這會改變質量塊相對于傳感器框架的相對位置，如下圖所示。

圖 2. （a） 沒有外力時，質量塊處于靜止位置。（b） 當框架向右加速時，傳感器框架中的觀察者觀察到檢測質量移動到其靜止位置的左側。

圖 2（a） 顯示了沒有外力時，質量塊處于靜止位置。當對框架施加外力時，如圖 2（b） 所示，框架向右加速。質量塊最初傾向于保持靜止，這會改變質量塊相對于框架的相對位置 （d 2 《 d 1 ）。

傳感器非慣性（即加速）坐標系中的觀察者觀察到檢測質量移動到其靜止位置的左側。彈簧由于質量塊位移而被壓縮，并在質量塊上施加與位移成比例的力。彈簧施加的力將質量塊向右推，并使其在外力方向上加速。

如果為系統的不同參數選擇適當的值，則質量塊位移將與框架加速度的值成正比（在系統的瞬態響應消失后）。

總而言之，質量-彈簧-阻尼器結構將傳感器框架的加速度轉換為質量塊位移。剩下的問題是，我們如何測量這種位移？

測量證明質量位移：電容傳感方法

質量塊位移可以通過多種方式測量。一種常見的方法是圖 3 中描述的電容感應方法。

圖 3

有兩個電極固定在傳感器框架上，還有一個可移動的電極連接到質量塊上。這將創建兩個電容器 C s1和 C s2，如圖 3 所示。

隨著檢測質量沿一個方向移動，可移動電極和其中一個固定電極之間的電容增加，而另一個電容器的電容減小。這就是為什么我們只需要測量感應電容的變化來檢測與輸入加速度成正比的質量塊位移。

使用同步解調的加速度計信號調理

為了準確測量檢測電容的變化，我們可以應用同步解調技術。圖 4 顯示了 ADI公司的 ADXL 系列加速度計中采用的信號調理的簡化版本。

圖 4. 圖片（改編）由Analog Devices提供

為什么我們不使用單個感應電容器？

圖 3 所示的電容式感應具有差分特性：當 C s1增加時，C s2 減少，反之亦然。

也可以采用單端電容感應，其中一個固定電極被省略，因此只有一個可變電容器。在這種情況下，我們可以對系統進行建模，如圖 5 所示。

圖 5

這個單端版本似乎是一個更簡單的解決方案。那么，我們為什么不使用單個感應電容器呢？

如您所見，在差分結構中，輸出電壓是質量塊位移 Δd 的線性函數。請注意，盡管我們可以使用軟件來消除傳感器線性誤差，但具有線性響應是可取的，因為它可以提高測量精度并有助于系統校準。

結論

我們看到了質量-彈簧-阻尼器結構如何將加速度轉換為位移量，以及如何應用電容傳感方法將該位移轉換為與施加的加速度成比例的電信號。