《自动化技术与应用》２００６年第２５卷第１０期
仪器仪表与检测技术
Intrumentation and Measurement
加速度传感器ADXL105的原理及其应用
陈 新
（东南大学 生物科学与医学工程系，江苏 南京 ２１００９６）
摘 要：ＡＤＸＬ１０５是一种单轴容性的加速度传感器，它是一套完全基于单片集成电路上的加速度测量系统，本文详细介绍了ＡＤＸＬ１０５
传感器的结构功能与工作原理，并且给出了传感器电路的设计方案，以及其作为前端传感器在便携式测振仪中的应用。
关键词：加速度传感器 ＡＤＸＬ１０５ 测量振动
中图分类号：ＴＨ８２４．４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３－７２４１（２００６）１０－００６０－０３
Application of the Acceleration Sensor ADXL105
CHEN Xin
(Dept. of Biological Science and Medical Eng.,Southeast Univ.,Nanjing 210096,China)
Abstract:ADXL105 is an acceleration measurement system on single monolithic IC.This paper introduces the structure, function
and the operating principle of the accelerometer ADXL105, as well as its using in the measurement applications.
Key words: acceleration sensor; ADXL105; vibration measurement
１ 引言
微机电系统ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）是在集成电路生产技术和专用的微机电加工方法的基础上蓬勃发展起来的高新科技，是由微传感器、微执行器和微系统三方面组成。具有体积小、质量轻、性能稳定、响应快、易生产、成本低等特点，是当今学科交叉的前沿研究领域。微型硅加速度计正是应用ＭＥＭＳ技术，在硅片上用特殊的加工方法制造成的测量加速度传感器。目前最有吸引力的是电容式力平衡加速度计，典型产品有美国ＡＤＩ公司生产的ＡＤＸＬ０５、ＡＤＸＬ５０、ＡＤＸＬ１０５、ＡＤＸＬ２０２和ＡＤＸＬ２１０，还有美国Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司生产的ＭＭＡ１２００Ｄ、ＭＭＡ１２０１Ｐ和ＭＭＡ１２２０Ｄ。可广泛用于工业、交通、地矿、建筑及军事领域，既可以测量重力加速度，又可以测量由振动、冲击所产生的加速度、速度、位移等参数。
下面就以ＡＤＸＬ１０５为例，简要介绍单片加速度传感器的性能、工作原理及应用。
确度的变间隙差动式结构的差容式力平衡加速度传感器，具有噪声低、外形小巧、方向性好、分辨率高、时漂与温漂小，抗震性能强等特点，特别适合在恶劣的工业环境与汽车测试系统中工作。
单片ＡＤＸＬ１０５有下述特点：①分辨率高，达２ｍｇ。②频率响应范围宽，为ＤＣ ｔｏ １０ＫＨＺ。③测量范围为±５ｇ。④可承受１０００ｇ的剧烈冲击。⑤直流工作电压为＋２．７ ｔｏ ＋５．２５Ｖ。⑥输出灵敏度（可调）：２５０ ｔｏ １５００ｍＶ／ｇ。⑦内置缓冲放大器，可用于输出灵敏度及零加速度输出电平调节。⑧可以测量静态加速度（如重力加速度和惯性），也可以测量动态加速度（如振动和冲击）。
３ 传感器ＡＤＸＬ１０５的工作原理
图１是ＡＤＸＬ１０５加速度传感器在静止状态时的示意图，其中敏感元件ＣＳ１和ＣＳ２是两个差动电容，它们是由两个固定的外侧极板和一个可移动的中间极板构成（中间极板的位置可以用来改变两侧ＣＳ１和ＣＳ２电容值的大小）。图中只给出了传感器部件
２ ＡＤＸＬ１０５简介
ＡＤＸＬ１０５是美国ＡＤＩ公司（Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ）生产的单片集成加速度传感器，是一种ＭＥＭＳ加工技术开发的高性能、高准
的一个敏感单元，实际的传感器由４６个敏感单元组成。所有中间极板固定在一个弹性梁上，弹性梁可带着这些中间极板沿水平方向移动。弹性梁的位移与加速度成正比。传感器中的振荡器产生一对幅值相等，相位相反（相位差１８０°）的１ＭＨＺ方波信号。
收稿日期：２００６－０４－１８Tqcati这一对方波信号加至两个固定外侧极板上。极板面积为Ｓ，介电
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常数为ε。当没有加速度作用时，中间极板与固定的外侧极板距离相等，都为ｄ０，也就是说，中间极板的相对位置刚好在这两个差动电容的正中间，两侧电容ＣＳ１和ＣＳ２相等，为ＣＳ１＝ ＣＳ２＝εＳ／ｄ０，此时，输出电压为零，加速度为０ｇ。
ＵＣＡＯＵＴ＝（２．５－ＡＯＵＴ）×Ｒ２／Ｒ１＋２．５
从上式中可看出，通过改变ＡＤＸＬ１０５外接电阻Ｒ１和Ｒ２的比例关系可调整灵敏度大小。
若想改变传感器的零点偏置电平，可在图４中增加一Ｒ３电阻，它一端与缓冲放大器的反相端连接，另一端与１０ｋ电位器的中间抽头连接，电位器的两个固定端分别接ＶＤＤ和ＣＯＭ端，
那么ＵＣＡＯＵＴ的表达式修改如下：
ＵＣＡＯＵＴ＝（２．５－ＡＯＵＴ）Ｒ２／Ｒ１＋（２．５－Ｖｒ）Ｒ２／Ｒ３＋２．５调节１０Ｋ电位器，即可对零点进行修正。
图１ ＡＤＸＬ１０５加速度传感器静止状态简化示意图
图３ 使用放大器改变ＡＤＸＬ１０５灵敏度
４ ＡＤＸＬ１０５应用
鉴于ＡＤＸＬ１０５的良好性能，设计了一款基于ＡＤＸＬ１０５芯片的便携式测振仪。
图２ ＡＤＸＬ１０５加速度传感器受到加速度作用时示意图图２是ＡＤＸＬ１０５加速度传感器在受到加速度作用时的示意图。弹性梁所受惯性力Ｆ为被待测加速度值ａ与弹性梁及中心极板的惯性质量ｍ之积Ｆ＝ｍａ。当有加速度沿着敏感轴方向施力时，弹性梁发生了位移ｄ１，中间极板也随之朝一侧的外部极板靠近，ＣＳ１＝εＳ／（ｄ０＋ｄ１）， ＣＳ２＝εＳ／（ｄ０－ｄ１）， ＣＳ１＜ＣＳ２，两极板电容值不相等，中间极板产生输出电压，电压不为零，其幅度与加速度成正比，４６个敏感单元的总输出电压等于各敏感单元输出电压的代数和∑Ｕｏｉ，它与总加速度成正比。总输出电压经过同步解调器和前置放大器，得到解调后的电压ＡＯＵＴ。前置放大器的输出振幅反映加速度的大小，其变化和加速度的值成正比。而相位解调技术是用来提取信息，确定加速度的方向。当加速度ａ＝０时，前置放大器的输出ＡＯＵＴ＝２．５Ｖ，当ａ＝＋１ｇ时，ＡＯＵＴ＝２．７５Ｖ。当ａ＝－１ｇ时，ＡＯＵＴ＝２．２５Ｖ。传感器的灵敏度为２５０ｍｖ／ｇ。ＡＯＵＴ被分成两路，一路通过内部反馈电路连到敏感单元的中心极板，使之恢复到０ｇ的位置。另一路通过输出放大器（即缓冲放大器）获得输出电压ＵＣＡＯＵＴ。如图３所示。缓冲放大器同相输入端ＶＮＩＮ接ＶＭＩＤ＝２．５Ｖ（ＶＤＤ／２， ＶＤＤ＝５．０Ｖ），调节外接电阻Ｒ１和Ｒ２的阻值，可改变传感器的输出灵敏度ＳＣＡＬＥ＝（２５０×Ｒ２）／Ｒ１（ｍｖ／ｇ）。一旦传感器的输出灵敏度确定下来，缓冲放大器的输出ＵＣＡＯＵＴ 也随之确定下来：
图４ 便携式测振仪系统框图
测振仪框图如图４所示。旋转机械的振动加速度信号由ＡＤＸＬ１０５加速度传感器拾取经过放大电路放大和滤波电路处理整形，输出加速度信号，并经积分电路输出机械速度信号和位移信号，送Ｃ８０５１Ｆ０２１内的１２位Ａ／Ｄ转换成数字信号，再送给Ｃ８０５１Ｆ０２１的ＣＰＵ进行处理［２］，实现加速度、速度和位移的实时测量，最终利用液晶控制芯片ＰＣＦ８５７６将加速度、速度和位移在ＬＣＤ上显示。同时通过Ｄ／Ａ输出振动波形［３］。
其中，便携式测振仪的加速度传感器主要由ＡＤＸＬ１０５、滤
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便携式测振仪主要用于旋转机械设备（如：泵、压缩机、汽轮机、燃气轮机、水轮机、电动机、风机等）的振动位移、速度（烈度）和加速度等参数的测量，利用该仪器在轴承座上测得的数据，对照国际标准ＩＳＯ２３７３，或者利用企业、机器的标准，使检测人员在现场就能根据测试量值对设备运行的状态作出评价（良好、注意或危险等）。具有功耗低、精度高、可靠性好、整体
３］设计美观、携带方便等特点［１，。
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波放大等电路组成。如图５所示。其最大测量带宽为１０ｋＨｚ。带宽ＢＷ是由低通滤波器的参数确定的。
此时噪声为［１］
ｒｍｓ为均方根值
/2πR2R3C2C3） BW=1（
５ 结束语
基于加速度传感器ＡＤＸＬ１０５在使用中使电路设计简化，系统功耗降低，稳定性提高，设计成本减少，产品开发周期缩短。将它应用于便携式测振仪，实现旋转机械设备的振动测试，越来越受到工厂与企业的青睐，ＡＤＸＬ１０５作为此仪表的关键部分，也
图５ 便携式测振仪前端ＡＤＸＬ１０５电路
然后再设 在设计时首先要确定被测加速度的频率范围，计滤波器的参数。尽量使滤波器的带宽略高于被测频率，这样不仅有利于滤除高频干扰，也有利于降低系统噪声干扰。
ＡＤＸＬ１０５的噪声具有白色高斯噪声特性，用公式表示如下：
会随之具有巨大的发展潜力。随着微电子技术、半导体集成电路工艺的日臻完善，我相信在不久的将来，利用微电子机械系统（ＭＥＭＳ）技术制造的加速度传感器一定会有其更加广阔的应用前景。
BW×K） Noise(rms)=(225µg/HZ)×
其中：ＨＺ
参考文献：
［１］徐基琅，胡建欣．振动与现场动平衡［Ｚ］．江苏省电力试验研究所（内部资料）．
［２］潘琢金，施国君．Ｃ８０５１Ｆｘｘｘ高速ＳＯＣ单片机原理及应用［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００２．
［３］夏兰，等．ＡＤμＣ８１２在振动监控表中的应用［Ｊ］．自动化仪表，２００５（１０）：３０－３３．
代表频率
对一阶滤波器Ｋ≈１．６对二阶滤波器Ｋ≈１．４
可见噪声与带宽的平方根成正比。如果一味提高通频带宽将会给测量带来更多的噪音，降低测量准确度。因此，需将带宽大小限制为实际应用所需的最低频率，也就是说要选择合适的带宽，以使分辨率和加速度计的动态范围达到最大。在本设计中，根据旋转机械振动频率响应的特点，将缓冲放大器设计为二阶有源低通滤波器，其３ｄｂ截止频率为ｆ＝１／２πＲＣ。带宽为１ｋＨｚ，
作者简介：陈新（１９８４－），男，本科生，专业方向：生物医学工程。
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系统软件功能齐全，人机界面友好，使用方便，具有一定推广价值。采用水煤浆这项新洁净煤技术，能够减少环境污染，大幅度降低燃料费用３０％以上，减轻企业负担，经济效益和环境效益显著。
［３］ 组态王６．５使用手册［Ｚ］．北京亚控科技发展有限公司，
２００２．
［４］王洪猛，等．基于ＰＬＣ的过程控制系统设计与实现［Ｊ］．自动化技术与应用，２００４，２３（７）：２５－２７．
参考文献：
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［２］ 王雄，于朝晖，徐用懋 连续退火炉在线优化控制系统［Ｊ］．计算机仿真１９９９，１６（４）：６４－６７．
作者简介：王颖（１９８５－），女，本科生，研究方向：电气工程及自动化。
Tqcati
