中北大学2009届毕业设计说明书
感器质量大造成附加质量大等缺点。 （2）电容式加速度传感器
图2.2 电容式加速度传感器原理
采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速力，其结构如图2.2所示。图中只画出了一个基本单元。它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构（图2.2只给出其剖面示意图）。图中的质量块是加速度传感器的执行器，与质量块相连的是可动臂；与可动臂相对的是固定臂。可动臂和固定臂形成了电容结构，作为微加速度传感器的感应器。其中的弹簧并非真正的弹簧，而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构，它在加速度传感器中的质量块左右相当于弹簧。它实际上是变极距差动电容式位移传感器，配接“m-k-c”系统构成的。
图2.3 “m-k-c”系统原理图
电容式加速度传感器的等效原理图如图2.3所示。图2.3中，右侧标尺表示与
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大地保持相对静止的运动参考点，称为静基准，x表示被测振动体2及传感器底座1相对于该参考点的位移，称为绝对位移，y 表示质量块m 相对于传感器底座1的位移，称为相对位移。x和y 之间关系可用典型二阶比常系数微分方程描述：
dy2 dt2?2??0dydt??y?20dxdt22 （式2.1）
C2mk式中：?0为自振角频率；?0?k/m；?为阻尼系数，??；C为空气
阻尼。而位移x，速度v，加速度a三者之间的关系为：
a?代入式(2.1)得：
dydt22dydt?dxdt22 （式2.2）
?2??0dydt??0y?a （式2.3）
2经拉氏变换得“m-k-c”系统得传递函数：
y(s)A(s)?1S?2??0S??022 （式2.4）
令S=jω，可求得质量块相对运动得位移振幅ym与被测振动体绝对运动得加速度振幅am的关系为：
ymam?21/?0221??/?0?(2???0 （式2.5）
)式(2.5)具有低通滤波特性。由此可见，当?n
传感器壳体2的位移y与C1，C2关系为：
C1?C2C1?C2?yd0 （式2.7）
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式中，d0为不振动时，电容C1和C2的初始极距。若差动电容接入图2.4所示变压器式电桥中，则电桥开路输出电压幅值U0为：
U0?将式(2.7)代入式(2.8)得 U0?E2d0?20E2*C1?C2C1?C2?Ey2d0 （式2.8）
*am
（式2.9）
可见，当ω<
图2.4 变压器式电桥
基于MEMS（微电子微机械系统）技术的硅微电容式加速度传感器，构成高性能高精度单轴测量系统。具有噪声小，功耗低，温漂少等特点。采用表面贴装工艺，整块尺寸较小。能测量动态加速度（如振动），或者静态加速度（如惯性力，重力和倾角）。该加速度传感器性能稳定，可广泛运用在加速度测量，倾角测量和振动测量中。
2．2 系统总体方案设计
本设计要求以AT89C51单片机为控制核心，设计振动测试系统，并根据相应情况提供实时显示和数据存储分析功能。
基于MEMS加速度传感器的振动测试系统结构图如图2.5所示。
振动信号由ADXL150加速度传感器转换为电信号,先经过放大电路将微弱的振动信号放大至符合后级电路需求，再经过12位高速AD完成模数转换,通过并行总线,输出数字信号送入AT89C51单片机进行数据存储处理。同时进行检波、电压比
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较产生中断触发信号和进行简单数据量化处理以提供给AT89C51单片机进行实时的数据处理。AT89C51单片机机实现数据采集、存储、处理、传输，采用Keil C51完成软件设计。数据输出部分通过串行通信方式完成振动数据的存储、将数据传输到PC机进行数据分析，构成了一个振动测试系统。
加速度传感器 放大电路 双向检波电路 A/D采集电路 电压比较电路 单片机电路 串行接口电路 存储器电路 D/A转换电路 PC机 模拟输出电路 图2.5 系统结构图
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3 系统硬件设计
振动测试系统的整体硬件电路如图3.1所示：系统以AT89C51为核心控制器，包括信号放大电路、AD采集电路、双向检波电路、电压比较电路、模拟输出电路和存储器电路，下面就每个模块详细介绍：
ADXL150加速度传感器 ADS774 P0.0~P0.3 P1.0~P1.7 LM358 放大电路 P2.0~P2.7 AT89C51 TXD RXD LM358 检波电路 LM393 电压比较 INTO P3.6 P3.7 24CXX 存储器电路 RS-232C 串行接口 AD7542 模拟输出 键盘输入
图3.1 系统的硬件连接图
3．1 ADXL150加速度传感器 3.1.1 ADXL150简述
ADXL150是美国模拟器件公司（ANALOG DEVICE）生产的低噪声、低功耗、单轴微MEMS加速度传感器。该器件内部有时钟源、增益放大器、同步解调系统、输出缓冲运放、二阶滤波器和自检系统。可编程控制量程为±25g或±50g，80分贝的动态范围，测量分辨率小于10mg，通过设置Vout和OFFSET NULL端口跳线可以将输出比例系数从38mV/g调节到76mV/g。在工业级温度范围内0g温漂小于0.4g。在使用时外部仅需要一个旁路电容[6]。 3.1.2 ADXL150的封装形式
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