1 、引言
隨著硅微機械技術的不斷發展,基于壓阻原理的微加速度計已成為商品。由于硅的機械性能優良,這些微加速度計往往具有較高的抗過載能力。然而,有些物理過程存在相差上百倍的多個加速度值需要測量,需要測試的過載值從幾g到上萬g,若在整個過程采用高g 值加速度計進行測量和控制,它對低g值信號不敏感;若采用低量程加速度計,則不能精確測量高過載信號;若采用2個加速度計進行測量控制,由于安裝位置的不同,使其測得的信號會產生位置誤差,而且2個傳感器都存在安裝誤差。因此抗高過載復合量程加速度計更適合現代發展的需求。
2、 設計原理
不同量程的加速度計構成的傳感器陣列,可在不同工作環境下滿足相應測試和控制要求,并實現多參數測量和多功能控制。這里分析一種具有4個量程(10 g、100 g、500g、10000 g)的復合量程微加速度計。綜合考慮加速度計的靈敏度和固有頻率等問題,通過ANSYS仿真加速度計結構參數,得到復合量程加速度計是梁寬分別為 80μm、100μm、190μm、500μm的雙端4梁結構。復合量程加速度計陣列結構如圖1所示。
3 、動態特性分析
壓阻式加速度計可簡化為由彈簧、阻尼、質量塊構成的二階自由振動系統,根據牛頓第二定律,可寫出單自由度二階系統的力平衡方程式:
通過變換式(1)得到系統的傳遞函數為:
式(3)的分子、分母同除以ωs2,可得到系統的幅頻特性:
則系統的幅頻特性和相頻特性可分別表示為:
將結構參數和材料參數代入式(7)得到4個懸臂粱的固有頻率0~10 g量程模塊的固有頻率為7 731.139 Hz,0~100 g量程模塊的固有頻率為8 642.250 Hz,0~500 g量程模塊的固有頻率為15 875.571 Hz,0~10 000 g量程模塊的固有頻率為26 092.304.Hz。
由于結構參數、空氣粘滯系數(η/=1.8x10-5kg/(m.s))、固有頻率已知。所以阻尼比只隨板間距的變化而發生變化。將已知參數代入阻尼比公式:
分別求出4個模塊的阻尼比:0~10 g量程模塊的阻尼比為0.706,0~100 g量程模塊的阻尼比為0.632,0~500 g量程模塊的阻尼比為0.532,0~10 000 g量程模塊的阻尼比為0.467。
固有頻率ωs、阻尼比ζ、K=1/m,從而得到系統幅值、相位與λ之間的關系,分別由maple作圖,如圖2所示。
圖2中,幅頻特性曲線縱坐標表示幅值與剛度之比,橫坐標表示輸入信號的頻率與固有頻率之比。相頻特性曲線縱坐標表示幅頻特性的幅角,橫坐標也表示輸入信號的頻率與同有頻率之比。頻率范圍以幅值3 dB對應頻率為截止頻率。分別計算出4個量程頻響范同為0~2783 Hz,0~2679 Hz,0~4 1 27 Hz,0~5740 Hz。
4 、頻率響應測試
在被測量物理量隨時間變化的情況下,加速度計的輸出能否隨輸入量變化良好是一個很重要的問題。以上通過分析復合量程加速度計的動態特性,得到其理論頻響特性。以下對封裝完成的復合量程加速度計進行動態測試,圖3為封裝后復合量程加速度計(圖中右邊的硬幣用以對比其大小)。
復合量程加速度計的頻率響應實驗:使用振動臺等設備,將復合量程加速度計及用作對比的傳感器同時固定在振動臺上,在10Hz~4 000 Hz范嗣內對加速度計進行掃頻,分別得到復合量程加速度計4個量程的幅頻特性和相頻特性,僅以0~10 g量程單元和0~10 000 g量程單元的頻率響應特性曲線為例,如圖4和圖5所示。
這里頻率范圍均以幅值3 dB所對應的頻率為截止頻率,0~10 g量程單元的頻率響應范圍為0~2 587 Hz,0~10 000 g量程單元的頻率響應范圍大于4 000 Hz,對比理論和計算結果,兩者基本吻合。從相頻曲線可看出:隨著頻率增高,相位滯后也更加明顯,與幅頻曲線相符。
5 、結論
設計一種復合量程微加速度計,首先根據理論分析出其頻率響應范同,然后通過對復合量程加速度計動態特性的分析,建立復合量程加速度計動態測試系統,完成復合量程加速度計動態特性的測試,實驗結果與理論計算結果基本吻合,0~10 g量程單元的頻率響應范圍為0~2 587 Hz,0~10000 g量程單元的頻率響應范圍大于4 000 Hz。
責任編輯:gt
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