如圖1所示的質(zhì)量-彈簧-阻尼器結(jié)構(gòu)可用于測量加速度。

    

    圖 1. 質(zhì)量-彈簧-阻尼器結(jié)構(gòu)
    已知數(shù)量的質(zhì)量，通常稱為檢驗(yàn)質(zhì)量（或測試質(zhì)量），通過彈簧連接到傳感器框架。
    盡管阻尼器是該系統(tǒng)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中，因?yàn)樗鼘τ?EE 來說可能有點(diǎn)神秘，并且可能需要幾段文字來介紹阻尼器的基本概念。
    我們來看看圖1所示的結(jié)構(gòu)是如何檢測加速度的。

    當(dāng)傳感器框架因外力而加速時(shí)，檢測質(zhì)量由于其慣性而趨于“向后移動”。這會改變檢測質(zhì)量相對于傳感器框架的相對位置，如下圖所示。

    圖 2. (a) 當(dāng)沒有外力時(shí)，檢驗(yàn)質(zhì)量處于靜止位置。 (b) 當(dāng)框架向右加速時(shí)，傳感器框架中的觀察者觀察到檢驗(yàn)質(zhì)量移至其靜止位置的左側(cè)。
    圖 2. (a) 當(dāng)沒有外力時(shí)，檢驗(yàn)質(zhì)量處于靜止位置。(b) 當(dāng)框架向右加速時(shí)，傳感器框架中的觀察者觀察到檢驗(yàn)質(zhì)量移至其靜止位置的左側(cè)。
    圖 2(a) 顯示了沒有外力時(shí)處于靜止位置的檢驗(yàn)質(zhì)量。當(dāng)框架受到外力時(shí)，如圖2(b)所示，框架向右加速。檢驗(yàn)質(zhì)量初傾向于保持靜止，這改變了檢驗(yàn)質(zhì)量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(biāo)系中的觀察者觀察到檢驗(yàn)質(zhì)量移至其靜止位置的左側(cè)。彈簧由于檢測質(zhì)量的位移而被壓縮，并在檢測質(zhì)量上施加與位移成比例的力。彈簧施加的力將檢驗(yàn)質(zhì)量推向右側(cè)，并使其沿外力方向加速。
    如果為系統(tǒng)的不同參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)闹担瑒t檢驗(yàn)質(zhì)量位移將與框架加速度的值成正比（在系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)消失之后）。
    總而言之，質(zhì)量-彈簧-阻尼器結(jié)構(gòu)將傳感器框架的加速度轉(zhuǎn)換為檢驗(yàn)質(zhì)量位移。剩下的問題是，我們?nèi)绾螠y量這個(gè)位移？
    測量檢驗(yàn)質(zhì)量位移：電容傳感方法
    檢驗(yàn)質(zhì)量位移可以通過多種方法測量。一種常見的方法是圖 3 中所示的電容傳感方法。

   

    圖3
    有兩個(gè)電極固定在傳感器框架上，還有一個(gè)可移動電極連接到檢測質(zhì)量塊。這將創(chuàng)建兩個(gè)電容器 C s1和 C s2，如圖 3 所示。
    當(dāng)檢測質(zhì)量塊沿一個(gè)方向移動時(shí)，可移動電極和固定電極之一之間的電容增加，而另一個(gè)電容器的電容減小。這就是為什么我們只需要測量感應(yīng)電容器的變化來檢測檢驗(yàn)質(zhì)量的位移，該位移與輸入加速度成正比。
    使用同步解調(diào)的加速度計(jì)信號調(diào)節(jié)

    為了準(zhǔn)確測量感應(yīng)電容的變化，我們可以應(yīng)用同步解調(diào)技術(shù)。圖 4 顯示了 Analog Devices 的ADXL 系列加速度計(jì)中采用的信號調(diào)節(jié)的簡化版本。

    圖4
    圖 4. 圖片（改編）由Analog Devices提供
    在這種情況下，使用1MHz方波作為感測電容器C s1和C s2的交流激勵。施加到固定電極的方波具有相同的幅度，但彼此相位差 180°。當(dāng)可移動電極處于靜止位置時(shí)，放大器輸入端的電壓為零伏。
    當(dāng)可移動電極靠近其中一個(gè)固定電極時(shí)，來自該電極的激勵電壓的大部分出現(xiàn)在放大器輸入端 V橋上，這意味著放大器輸入端出現(xiàn)的方波與激勵電壓同相較近的電極。
    例如，在圖 4 中，放大輸出是與 Vdrive +同相的方波， 因?yàn)?C s1大于 C s2。
    V橋的振幅是檢測質(zhì)量位移的函數(shù)；然而，我們還需要知道V橋相對于Vdrive + 和Vdrive-的相位關(guān)系 ，以確定質(zhì)量塊向哪個(gè)方向位移。
    同步解調(diào)器基本上將放大器輸出乘以激勵電壓（Vdrive + 或Vdrive- ），將放大器輸出處的方波轉(zhuǎn)換為直流電壓，從而顯示位移量及其方向。