目 录
第1章 摘要 ………………………………………………………4
第2章 引言 ………………………………………………………………4
第3章 基本原理………………………………………………… 5
第4章 电路结构设计…………………………………………………… 5
4.1总体设计结构…………………………………………………… 5
4.2.加速度检测装置………………………………………………… 6
4.3.电桥电路分析：…………………………………………………… 7
4.5电压比较器分析………………………………………………… 7
4.5逻辑电路分析…………………………………………………… 9
第5章 参数设计与误差分析………………………………………………12
第6章 结论……………………………………………………………15
第7章 心得体会…………………………………………………………15
参考文献 ………………………………………………………………… 15
第1章 摘要
本课程设计通过机械装置感应加速度的变化，引起位移变化并连接在差动式电容中，通过引起电容的变化达到使电桥输出电压变化的目的，再将电桥输出的电压通过逻辑电路，最终智能输出数字信号，控制精密仪器的保护装置，从而达到保护精密仪器免受冲击，震动的目的。
第2章 引言
硬盘防震装置是近几年新出现的技术，由IBM公司早先提出，经过几年的发展，现在已经在硬盘应用中普及。硬盘内置的加速度传感器检测是否有可能导致硬盘损坏的情况发生，如果检测到这样的情况，那么保护系统将会使硬盘停转，并可能把读写磁头移动到没有数据的区域。这样，硬盘在工作时，受损的几率将大大降低。振动传感器会持续检测震动情况，当判断环境相对比较稳定时（摇动、震动、加速度比较小时），并不触发传感器，硬盘可以正常工作，当产生较大震动时，触发传感器，使传感器发出保护硬盘的信号，让硬盘的保护装置实现保护措施。
受到到以上启发，本课程设计要达到的目的是，感应加速度，并判断加速度的大小程度是否会对仪器产生损坏，如果加速度过大，则输出控制信号（高电平），控制一起上有的保护装置。而为了防止振动过大以及其有的随机性和持续性而导致产生的信号过快，设计的传感器有延时功能，即一旦检测到有过大震动，输出一段时间的保护信号（高电平），这样就避免了直接由震动产生的信号过快而导致的保护装置的机械部分反应不及的缺陷，起到整波作用。
第3章 基本原理
本课程设计的基本原理为，当产生加速度时，将设计元件中的机械振动转化为电容变化，并将电容接入电桥电路中，将电容的变化转化为电压的输出，再通过电压比较器，控制转换阈值，这样就将一个波形输出转变为一个脉冲信号，经过逻辑电路后，判断当电容超过阈值电容时，输出高电平，而当小于阈值电容时，输出低电平，即由电容的变化，可判断器件受到加速度的变化，而通过高低电平的输出，即可驱动其他系统中保护电路或保护装置
第4章 电路结构设计
4.1．总体设计结构如图：
4.2. 加速度检测装置：
如图所示,本装置由上下两固定极板和中间活动极板组成，由两根绝缘弹簧相连接。设中间极板质量为M，弹簧系数为k，中间极板在中间状态时距上下极板距离为L，受摩擦力恒定f。忽略空气阻力作用，物体
设本装置在静止时突然感受到加速度时位移为X，则有
设中间极板向上移动时,物体突然下落时:
有 Ma = 2kX +Mg
所以有 X=M（a-g）/2k
若物体突然上升 则有
Ma= 2kX - Mg
X=M（a+g）/2k
而当上升时，a与g同向，符号相同，且必有|a|>g，所以a-g表示a与g相差值
当下降时，a与g反向，符号相反，所以a+g实际也表示a与g相差值。
且X与a一一对应，成线性关系，通过知道X的变化量就可知a的大小。
4.3.电桥电路分析：
如图所示，将电容接入电路中，组成如图的半桥电路，设四个电容都相等，即有
C = εS/L
这样就形成了惠斯通电桥，且输出的桥路一端接地，当如图接入两差动电容时，电容产生的应变有△Z，所以输出的电压u为
u = U △Z /2 Z
而 Z = 1/ J ω C
△Z = 1/ J ω △C
所以 u= U C / 2 △C
又 因为 C = εS/L 、△C = εS/△L
所以 u = U△L / 2 L
即 u与△L成线性关系，系数是 U / 2 L 。
因为输出的为交流信号，后接AD637交直流专用转换芯片，将其转换为电流有效值
4.4 电压比较器分析
如图，当电桥电路输出的电压u通过电压比较器后，就完成了有阻尼的正弦波形到脉冲信号的转换过程。U0为比较电压，当u > U0时 u1输出高电平，当u< U0时 u1输出低电平。当u的大小不断变化时，随着u与U0的大小关系不断变化，最终生成脉冲输出。如图：
由 u = U△L / 2 L 当U、L一定时，△L越大，u越大，而由加速度感应装置可知，△L=△X，且在平衡位置时△X=0，当装置产生振动时，△X开始变化，从而引起u的变化，而在震动开始后，在回复力和阻力的作用下，△X逐渐减小，u的振幅也逐渐减小，当振幅小于某值时，u的峰值不会超过U0，u1的输出总会回到低电平。
所以，u1的输出平衡状态是输出低电平，只有在u的峰值大于U0时，才会产生脉冲信号的上升沿，而u1一旦产生上升沿时，必有下降沿随之而来。
4.5 逻辑电路分析
电路如图，有u1=u2，即电压比较器的输出信号等于逻辑电路的输入信号，本逻辑电路由：上升沿触发器、下降沿触发器，施密特触发器，电容，电阻，四—十译码器，门电路等组成。
此逻辑电路要实现的功能为：当u2完成一个脉冲周期时，通过此逻辑电路，将输出一段时间的高电平，最后回到低电平。
这样做的目的是，由于本传感器的适用范围是比较精密的仪器，比如硬盘等等需要防震的物件中，而以硬盘为例，将本传感器的输出端接入硬盘的磁头电机开关电路中，当产生振动时，尤其是震动剧烈时，没有此逻辑电路，u1的高低电平变化较快，硬盘磁头电机的机械装置响应时间大于u1的变化时间，这样就导致产生剧烈震动时硬盘保护装置没有时间反应，而导致保护装置失效。而经过了此逻辑电路后，u1每产生一个上升沿时，电路会锁存输出高电平直到下降沿到来后的一段时间，这段锁存输出高电平的时间由电路控制，是个常量，这样避免了脉冲信号变换过快引起的种种不稳定的问题，也给了精密仪器保护装置的响应时间。
下面分析电路：设上升沿触发器输出的电平为A2，下降沿触发器的输出电平为A1，初始状态时，u2为低电平，Uc1与Uc2小于2/3Vcc1,2/3Vcc2,故在初始条件下，D1、D2为高电平。当u2从低电平变为高电平时，电路下方的上升沿触发器触发，因为D2为高电平，所以使A2置为高电平，这时使电容C2充电，当Vc2>2/3Vcc2的时候，D2跳转为低电平。
当u2由高电平变为低电平的时候，此时A2、D2电平不变，下降沿触发器触发,由于D1初始时为高电平，故A1置为高电平，使C1充电，待C1两端电压Vc1>2/3Vcc1的时候，D1置为低电平。
当u2由低电平再变为高电平的时候，上升沿触发器触发，由于D2为低电平，所以A2变为低电平，使电容C2放电，当C2电压为小于2/3Vcc2时，D2将跳变成高电平。
当u2由高电平第二次变成低电平时，下降沿触发器触发，由于D1为低电平，所以A1将置为低电平，这使C1放电，当Vc1小于2/3Vcc1时，D1将跳变成高电平。至此电路恢复到初始状态，完成一个周期的循环。
故此电路至少将两个脉冲周期作为一个信号处理周期。
下面进行电路的逻辑分析：如图：
将电信号D1，A1, A2，D2分别接入四---十译码器a1,a2,a3,a4端口中 。则有如下对应关系：
且有： 1001B= 9D 0101B=5D 0110B=6D 1010B=10D
因为 四----十译码器，1010输入为伪码，且四----十译码器有屏蔽位码的特点，即当输入伪码时，输出均为零，故选择7引脚作为输出。当输入为1001B时，9号引脚输出高电平，其余为低电平；当输入为0101B时，5号引脚输出高电平，其余为低电平；当输入为0110B时，6号引脚输出高电平，其余为低电平当输入为1010B时，7号引脚输出高电平，其余为低电平。
接入逻辑电路，5号、7号引脚连接与非门，后接非门，6、9号引脚连接与非门，后两输出接与门。如此连接，可确保当D1、A1、A2、D2
变为表中上升沿的输入后，总输出为1，而当D1、A1、A2、D2为表中下降沿所示的输入后，总输出为0。这样就实现了对脉冲信号的延时过程，确保了给精密仪器的保护装置足够的反应时间。
个
第5章 参数设计与误差分析
1． 参数：
本传感器可根安装不同的仪器设置不同的数值。
有如下分析：
有参数 L(两极板间距) M（中间极板质量） K（绝缘弹簧系数） S（极板横截面） U（交流电桥的输入电压） u （交流电桥的输出电压） u’（经交直流转换后的直流电压） U0（电压比较器的门限电压）
R1、C1、R2、C2（逻辑电路中如图） Vcc1、Vcc2（施密特触发器的门限电压）
有如下公式： X=M（a-g）/2k
u = UX / 2 L
因为经过交直流转换 其有效值 为 u’ = u/√2
所以 u’ = UM（a-g）/4kL√2
或 u’ = UM（a+g）/4kL√2
这样，通过设定U0门限电压的值，可以调整触发传感器的加速度的大小；通过控制M/K的大小可以控制震荡的振幅与频率；
所以有触发传感器的灵敏度为
= u’/a=
下面看一下逻辑电路中输出有效高电平的时间：
设T2为C2电容从0充电到2/3Vcc2的时间，T2’为C2从Vcc2放电到3/2Vcc时间；设T1为C1电容从0充电到2/3Vcc1的时间，T1’为C1从Vcc1放电到3/2Vcc1时间
当A2跳转为高电平的时候，C2开始充电，充电时间为
T2~R2C2
当R2C2充电到 Vc2 > 2/3Vcc2时，D2跳转低电平。
当A2跳转为低电平的时候，C2开始放电，放电时间为
T2’~R2C2
当R2C2放电到 Vc2 <2/3Vcc2时，D2跳转为高电平。
当A1跳转为高电平的时候，C1开始充电，充电时间为
T1~R1C1
当R1C1充电到 Vc1 > 2/3Vcc1时，D1跳转低电平。
当A1跳转为低电平的时候，C1开始放电，放电时间为
T1’~R1C1
当R1C1放电到 Vc1 <2/3Vcc1时，D1跳转为高电平。
则在逻辑电路的前半个周期中，D2从1到0之间时间有T2，D1从1到0之间时间有T1，所以在前半个逻辑电路周期中有效电平输出时间有：
T=T1+T2+t
（式中 t为脉冲信号上下沿之间相隔的时间）
在逻辑电路的后半个周期中，D2从0到1有T2’，D1从0到1有T1’
所以在前半个逻辑电路周期中有效电平输出时间有：
T=t-T2’+T1’
所以可以通过设定Vcc和RC来控制输出高电平的时间。
注意：当面对非常激烈震动时即 t < T1、T2时，T1、T2充电时间不足，使D1，D2不会跳变，即一直输出高电平，这也符合实际要求。但第一次震动的t尽量大于T2，这可以确保逻辑电路正确进入循环，所以在设计时T2时间的控制应该尽量短，这对整个系统的延时无影响。
2．误差分析
a) 在检测装置中，弹簧的极限长度不能忽略，差动电容电桥的最大值输出值会减小。
b) 不能忽略空气阻力和滑动摩擦力对震动时间和频率的影响。
c) 在电路传输中有压降。
d) 交直流转换过程有系统误差。
第6章 结论
精密仪器加速度感应传感器，感应加速度（震动）的大小，智能输出控制精密仪器及自身的保护装置的信号，大大降低了精密仪器的损坏风险，通过感应装置，转换装置，逻辑运算电路，实现了对加速度的智能检测，做到智能防护，提升了工作效率，又减少了仪器损坏风险。
第7章 心得体会
电容传感器广泛的应用于多种检测系统中 ,用以测量诸如液位、压力、位移、加速度等物理量。电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量，温度稳定性以及动态响应性好；但其容量受其电极的几何尺寸等限制，使传感器的输出阻抗很高，因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，必须采取屏蔽措施，这就对电容测量电路提出了更高的要求。
随着科学技术的迅猛发展 ,非物理量的测试与控制技术 ,已越来越广泛地应用于生产生活的各个技术领域。可以说 ,测试技术与自动控制水平的高低,是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志 ,是现代信息技术的重要支柱技术之一。目前 ,越来越多的新型传感器 出现在我们的生活中 ,传感器的发展前景真是潜力无穷
参考文献
[1] 黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用 .北京：高等教育出版社，1999
[2] 谢文和.传感技术及其应用 .北京：高等教育出版社，2004
[3] 雪文.传感器原理及应用. 北京：北航出版社，2004
[4] 阎石.数字电子技术基础.北京高等教育出版社，2006.5
[5] 吕泉. 现代传感器原理及应用.北京：清华大学出版社，2006.
第二篇：加速度传感器
