（机械工程专业论文）三轴高g加速度计的测试理论与实验研究.pdf

国防科学技术犬学研究生院硕士学位论文 摘要 高g 加速度计是在爆炸、冲击测试及导弹侵彻等试验中不可或缺的惯性测繁 器件。研究高g 加速度计的标定理沦和测试标定方法，准确标定出它的灵敏度等 各种参数，已经成为高g 加速度计设计中需要解决的关键问题和最后环节。 本文以m e m s 压阻式高g 加速度计为研究对象，对高g 加速度计的标定理论 和测试标定方法进行了深入的研究。主要内容概括如下： 1 理论分析了高g 加速度计灵敏度的频率特性，当灵敏度容许变化士5 时， 计算得出了加速度计的带宽范围。依据高g 加速度计冲击信号的特点，设计出了 测试实验用的数据采集系统。 2 。分析了应力波方面的一些基础知识，两杆共轴撞击及应力波在杆中传播的 过程，以及应力波在传播过程中的弥散效应。简要介绍了h o p k i n s o n 杆实验装置， 详细分析了h o p m n s o n 杆法测试标定的实验原理，并利用a n s y s 软件对h o p k i n s o n 杆撞击过程进行了运动仿真。 3 详细分析了h o p k i n s o n 杆撞击得到的典型的采集数据波形。对三轴高g 加 速度计各性能指标参数进行了测试标定，得到z 、x 、y 三轴灵敏度分别为 2 2 0 4 9 v g 、2 0 0 9 9 v g 和1 9 5 3 y g ，各交叉轴灵敏度小于2 5 ，三轴非线 性度分别为2 0 8 、1 7 3 和1 8 5 。 4 利用标准加速度计对标定结果进行了验证实验，得出三轴单元灵敏度的标 定的相对误差分别为7 6 、6 7 和9 7 。分析了影响测试标定结果的误差来源。 丰题词：高g 三轴加速度计测试标定h o p m n s o n 杆应力波撞击 第i 贞 国防科学技术大学研究生院硕 学位论文 a b s t r a c t h i g h - ga c c e l e r o m e t e ri st h ei n d i s p e n s a b l ei n e r t i a lm e a s u r i n gd e v i c ei nt h ef i e l do f e x p l o s i o n ，s h o c kt e s ta n dm i s s i l ep e n e t r a t i o nt r i a l i nt h ep r o c e s so fd e s i g nw o r kf o r h i g h ga c c e l e r o m e t e r r e s e a r c h i n gc a l i b r a t i o nt h e o r y a n dc a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t a l m e t h o d ，a n dc a l i b r a t i n gi t sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa c c u r a t e l y ，e g 。i t ss e n s i t i v i t y p a r a m e t e r ，a l r e a d yb e c o m e st h ek e yi s s u ea n dt h el a s ts t e pt h a tn e e dt ob es o l v e d t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p st h er e s e a r c hb a s e do nm e m sp i e z o r e s i s t i v eh i g h g a c c e l e r o m e t e r ，g i v e sa n a l y s i so fc a l i b r a t i o nt h e o r ya n de x p e r i m e n t a lm o t h e di n - d e p t h t h em a i nc o n t e n ts u m su pa sf o l l o w s ： 1 f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c o fs e n s i t i v i t yf o r h i g h g a c c e l e r o m e t e rh a sb e e n a n a l y z e d ，a n dt h eb a n d w i d t h i sc a l c u l a t e dw h e nt h ep e r m i s s i v ec h a n g e m e n to f s e n s i t i v i t yi s5 d a t ac o l l e c t i n gs y s t e mf o rc a l i b r a t i n ge x p e r i m e n th a sb e e nd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fs h o c ks i g n a lf o rh i g h ga c c e l e r o m e t e r 2 s o m ef u n d a m e n t a lk n o w l e d g eo ns t r e s sw a v e ，c o a x i a ls t r i k eb e t w e e nt w ob a r s ， p r o p a g a t i o no fs t r e s sw a v ei nt h eb a ra n da t t e n u a t i o ne f f e c tw h e ns t r e s sw a v es p r e a di n t h eb a rh a sb e e nd i s c u s s e d h o p k i n s o nb a re x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti si n t r o d u c e d ，a n d t h ep r i n c i p l eo fc a l i b r a t i o nu s i n gh o p k i n s o nb a ri sa n a l y z e di nd e t a i l t h e ns i m u l a t i o n r e s u l t so ft h es t r i k ep r o c e s si sl i s tb ya n sy ss o f t w a r e 3 t y p i c a lw a v e f o r mc o l l e c t e db ys t r i k i n go fh o p k i n s o nb a rh a sb e e na n a l y z e di n d e t a i l t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft r i a x i a lh i g h - ga c c e l e r o m e t e rh a v eb e e nt e s t e d a n dc a l i b r a t e d t h es e n s i t i v i t i e so fz 、x 、ya x i sa r e2 2 0 4 a v g 、2 0 0 9 y ga n d 1 9 5 3l z v gr e s p e c t i v e l y c r o s s a x i ss e n s i t i v i t e sa r ea l lb e l o w2 5 t h el i n e a r i t i e sa r e 2 0 8 、1 7 3 a n d1 8 5 r e s p e c t i v e l y 4 v a l i d a t i n ge x p e r i m e n tf o rc a l i b r a t i o nr e s u l t sh a sb e e nd o n eu s i n gas t a n d a r d a c c e l e r o m e t e r ，a n dt h er e l a t i v ee r r o r so fs e n s i t i v i t i e sc a l i b r a t e da r e7 6 、6 7 a n d 9 7 r e s p e c t i v e l y e r r o rs o u r c e st h a ti n f l u e n c et h er e s u l t so fc a l i b r a t i o nh a v eb e e n a n a l y z e di nt h ee n d k e yw o r d s ：h i g h - g t r i a x i a l a c c e l e r o m e t e rc a l i b r a t i o n h o p k i n s o n b a rs t r e s sw a v es t r i k e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 表目录 表1 1 几款典型高g 加速度计产品的主要技术性能参数2 表4 1z 轴单元不同撞击速度计算的棚应灵敏度数值4 2 表4 2h o p k i n s o n 杆法的计算冲击加速度值4 3 表4 3x 轴单元不同撞击速度计算的相应灵敏度数值4 4 表4 4 三轴单元标定的灵敏度参数4 5 表4 5 三轴高g 加速度计各交叉轴灵敏度测试结果4 7 表4 6 三轴高g 加速度计各轴向谐振频率参数4 8 表4 7z 轴单元非线性度测试结果4 9 表4 8 三轴高g 加速度计标定测试结果汇总5 0 表5 1 标定实验和验证实验的灵敏度参数对比5 3 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图目录 图1 1 高g 加速度计7 2 7 0 a 芯片封装及结构示意图2 图1 2日本丰桥大学研制的三轴加速度计3 图1 3带曲面过载保护的悬臂梁结构高g 加速度计4 图1 4 三梁双岛结构高g 加速度计4 图1 5霍普金森杆法校准测试系统5 图1 6自由落杆绝对法、比较法测试系统6 图1 7马希特锤测试装置示意图6 图2 1压阻式加速度计加速度信号传递流程图9 图2 。2 加速度计二阶系统等效模型9 图2 3归一化灵敏度随归一化频率兄及阻尼比f 的变化规律1 2 图2 4 三轴高g 加速度计芯片整体结构示意图1 3 图2 5微梁直拉直压结构及变形示意图l4 图2 6z 轴加速度计结构示意图1 5 图2 7 陶瓷封装的三轴高g 加速度计1 5 图2 8 三轴高g 加速度计的等效输出电路1 5 图2 9电桥结构一l6 图2 1 0 测试标定系统流程图1 7 图2 1 1 接口处理电路原理图l8 图2 12 接口处理电路实物图18 图2 1 3 数据采集系统实物图1 9 图3 1应力波在杆中的传播、反射作用示意图2 1 图3 2 杆中微元在一维应力下的变形示意图2 2 图3 3两弹性杆的共轴撞击过程示意图2 3 图3 4 h o p k i n s o n 压杆试验中实测到的代表性波形2 7 图 网 图 图 h o p k i n s o n 杆实验装置示意图2 8 h o p k i n s o n 杆实验装置实物图2 9 典型的应变计、加速度计冲击实验波形图2 9 几何实体建模及软件界面3 1 图3 , 9 仿真两杆樟击响应的麻变曲线3 2 网3 1 0 仿真曲杼撞击响虚的j j l i 速度曲线3 2 图3 1 l 导入的整形后的实测廊变脉冲f h l 线3 3 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图3 12 仿真的敏感加速度曲线3 3 图4 。l 应变计电桥电路3 6 图4 2 一次典型的冲击加速度和应变脉冲曲线3 7 图4 3h o p k i n s o n 杆装置实际尺寸参数3 7 图4 4 脉冲整形前后的波形对比3 8 图4 5 黄铜材料脉冲整形器3 8 图4 6 应力波在杆中来回反射的应变计、加速度计波形图3 9 图4 7 加速度计的安装方式4 0 图4 8z 轴单元灵敏度计算处理波形4 l 图4 9x 轴单元测试波形4 3 图4 。1 0x 轴单元灵敏度计算处理波形4 4 图4 1 1 非共轴撞击造成的交叉轴灵敏度4 5 图4 1 2 交叉轴灵敏度的测试波形4 6 图4 1 3 谐振频率分析的时域波形曲线4 7 图4 1 4 时域波形对应的频域谱线4 8 图4 1 5z 轴单元非线性度测试结果的线性拟合4 9 图5 1s t i 冲击实验台5 2 图5 2 标准加速度计的计算机采集波形5 2 图5 3z 轴单元高g 加速度计的冲击采集波形5 3 图5 4 加速度计的安装刚度5 4 图5 5 等效四阶系统5 5 图5 6 输入和响应加速度脉冲5 6 图5 7 安装刚度因素影响的测试波形5 6 图5 。8 应变计冲击波形误差分析5 7 图5 9 炮筒内撞击杆工作原理5 8 第v 贞 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 学位论文作者签名：日期：尹年，f 月菇日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名：塞圣j 墨2 日期：a l 酣r 年ff 月“日 日期：咿年，月弼日 国防科学技术大学研究乍院硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 课题研究背景与意义 目前的研究现状和发展趋势表明，微机电系统的m e m s 加速度计的应用越来 越广泛l l 圳，其研究有向着“小”和“高”两个极限方向发展的趋势。“小”就是 向着小量程、高分辨率方向发展，如用于惯性导航的高精度加速度计；“高”就 是向着量程在1 0 0 0 0 0 9 - - - 2 0 0 0 0 0 9 的方向方展，如用于爆炸冲击的高量程加速度计， 这种加速度计一般被称为高g 加速度计。 高g 加速度计有相当广泛的用途，可以应用在爆炸、冲击测试以及导弹侵彻 试验等方面。目前国内对高g 加速度计的研究还不是很成熟，与国外相比性能还 比较低。而国外对高性能的高g 加速度计实行产品禁运和技术封锁，因此自主开 发研制高性能的高g 加速度计，对于打破国外禁运、增强国防能力具有重要的战 略意义。 本课题依托已经研制出的一种基于硅微机械加工技术的压阻式三轴高g 加速 度计【5 】，对其进行各性能参数的标定工作。在高g 加速度计的整个设计开发过程中， 研制出性能优良的加速度计是其中至关重要的一步，但不是终点，还要对其各性 能参数进行测试标定，加速度计才能成为成品。可以说，加速度计各参数标定的 准确度和精度，也直接决定了加速度计产品的性能。到目前为止，高g 加速度计 的测试标定还没有形成统一的标准，其测试标定方法和实验设备也是多种多样的。 高g 加速度计的测试与低量程加速度计的测试有很大的不同。低量程的加速 度计可以采用振动台等仪器校准。但高g 加速度计量程范围很大，如果采用振动 台校准高g 加速度计，可能需要利用放大器把信号放大上千倍甚至更高，这样可 能包含了很多测量噪声，对测试电路的要求比较高。另一方面，对于量程为1 0 5g 水平的高g 加速度计，在数十g 的加速度水平下校准，其可信度不高。因此，低 量程加速度计的校准方法满足不了高g 加速度计的校准，常用的加速度计测试标 定设备也不能用于高g 加速度计的标定。 由于测试实验要求高冲击性，从向给高g 加速度计的校准测试带来了很多困 难和文际问题，如高g 值冲击的产生、冲击加速度大小的标定、冲击噪声的抑制 测试交叉轴灵敏度时单一轴向冲击的产生等等，所以高g 加速度计的测试校准本 身就是非常值得深入研究的问题。因此高g 加速度计测试标定方法的研究对于提 高高g 加速度计产品整体精度和性能具有非常重要的作用。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕i 学仃论文 121 高g 加速度计的国内外研究现状 1 2 1 1 国外研究现状 目前，国外生产比较成熟的高g 加速度计产品的公司 要有美围的e n d c v c o 、 瑞士的k i s t l e r 、丹麦的b & k 及美国的p c b 等。 e n d e v c o 公司的高g 加速度计型号为7 2 7 0 a ，是h l j “性能堆好、应用最广泛的 一种高g 加速度计，其量程可达2 0 0 0 0 0 9 ，但足价格1 ：常 d 贵。并且美国埘这种高 性能的高g 加速度计实行了严格的出口限制。e n d e v c 0 7 2 7 0 a 足在( 1 1 0 1 硅片上采用 湿法腐蚀j 兰制作的，采用压阻检测方式，封装尺，j 为1 42 2 m m x 7 l m m 27 9 r a m 重量仪为15 e ，具有零阻尼及高谐振频率的优点，幽此可以精确的响应快速瞬变 冲击。翻11 为e n d e v c 0 7 2 7 0 a 的封装及芯片结构示意图。 n ) 产品封装( b ) 内部结构示意图 图1l 高g 加速度计7 2 7 0 a 芯片封装段结构示意图 丹麦b & k 公司的8 3 3 9 是种压屯式的高g 加速度计，其量程为8 0 0 0 0 9 ，但 是非线性度稍大，给出的性能参数为 1 5 。瑞士k i s d e r 公司的8 7 4 3 a 1 0 0 和8 0 4 2 是压电式的高g 加速度计。美国p c b 公司的3 5 0 8 2 1 是种量程为1 0 0 0 0 0 9 的高g 加速度计，采用压电陶瓷材料制作。 表l1 几款典型高g 加速度计产品的主耍技术性能参数 检测方式压阻 压i u 压电 量群 2 0 0 0 0 0 9 8 0 0 0 0 91 0 0 0 0 0 9 灵敏应 i _ 曲s 州 讲0 v 0 0 5 + 2 0 m v g 00 5 m v g 1 5 0 k h z ( 5 1 带宽i 2 0 k h d 5 105 1 0 k h z ( 1 0 、 2 0 0 k h z ( 1 d b 、 安装特振频率 m 线件度 横向灵敏度 第2 页 圃防科学技术大学研究生院硕 ：学位论文 上面提到的儿种典型高g 加速度计的主要技术性能参数列于衷1l 中。可以看 出，在高2 测试领域，与垤电式加速度计相比，压阻式加速度汁的谐振频率耍高 出很多，从而带宽也比较大。 在一o ! 测试应用场台，经常需要同时测量= 个轴向的加速度m 】m 】竹片集成 的三轴加速度汁则具有体秘小、成本低以及由光刻丁艺所带来的轴删对准精度高 等优点。f 本丰桥技术大学的t a k a o 等人提出了一种基丁s o l 的町以应刚丁高温 环境的压阻式三轴加速度计嘲。中间支撑，质量块布置于四周，四个 j 、敏电阻制作 在连接中问支撑体与四刷质量块的梁上，中间支撑体上有一个参考b 阻用来消除 压敏电阻的温度漂移。 m a s s s u p p o r t bc r 【， 、 l n j f jc i d ” 1 圈i2 日本丰桥大学研制的三轴加速度训 美围加州大学伯克利分校与s a r l d i a 国家实验室采用表面微机械i ：艺制作了两 种结构的屯容式三轴加速度计l ”，分别采用单质量块和三质量块检测方式。 1 2 1 2 国内研究现状 为了打破国外对高性能高g 加速度计的出口限制敷技术封锁，田内许多单位 也开始了对高g 加速度计的研究，主要研究单位有中科院上海微系统所、中北大 学、电子 三所、北京理工大学、东南大学、中国工程物理研究院等。 中科院上晦微系统所别岛g 加速度的研究i 上鞍多，已经研制秆艘了几种不 同结构的高g 加速度t i ，均为压阻检测方式，量程为1 0 0 0 0 0 9 。土要有董健、李听 欣等人研制的带曲面过载保护的悬臂梁结构高g 加速度计，如图13 其谐振频 率为8 0 k h z ，灵敏度为3 p v g s v 。t 钻开、陆德仁等人研制的三梁一双岛结构高g 加速度汁j ，如幽14 ，其谐振翱率为2 2 0 k h z ，走敏度为14 3 9 v g ：5 v 。 巾北大学研制了种四端固支粱结合质量块结构的高g 加速度训l ，检测方 式为压阻式，测试的是敏度为0 1 3 1 j v g 5 v ，a n s y s 仿真的崮有频率为3 9 5 k h z 。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 电子十三所研制的是电容检测方式的高g 加速度计【1 3 j ，其量程也为1 0 0 0 0 0 9 ， 测量精度很高，可以达到0 0 1 ，但其频率响应稍低，带宽大于l k h z 。 北京理工大学设计了种电容检测方式的高g 加速度计i l 引，其量程大于 2 0 0 0 0 0 9 ，仿真固有频率高于6 0 0 k h z 。 图1 3 带曲面过载保护的悬臂梁结构高g 加速度计 p i a 豫嵋嘶 图1 4 三梁一双岛结构高g 加速度计 1 2 2 高g 加速度计测试方法的国内外研究现状 高g 加速度计的动态特性测试可以检测它的灵敏度、线性度等参数，还可以 获取传感器的频响等重要指标。常用的动态特性测量装置有激振台、落锤、 h o p k i n s o n 杆、爆炸冲击、马希特锤、自由落杆等。 1 2 2 1 国外研究现状 目前，国外一般采用霍普金森杆法1 1 5 , 1 6 1 来校准量程大于1 0 0 0 0 0 9 的加速度计， 比如美国的s a n d i a 国家实验室f 1 7 】、a r i 。实验室【1 8 】、p c b 公一j 【1 9 l 。利用霍普金森 杆获得的冲击加速度可以高达2 0 0 0 0 0 9 ，校准精度也比较高，但是其测试系统复杂、 设备比较昂贵。 图1 5 所示为美国p 毗实验室的霍普金森杆校准测试系统。在利用霍普金森 第4 贞 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 杆校准高g 加速度汁时，各实验窄的具体测试系统可能略有差别，但搬都是将 被校准的加速度计周定1 。校准杆的端部，用高速飞行的子弹去撞击校准杆的尾部 以获得高冲击，饺准轩的速度可| 三i 通过两种方式获得：一是利用激光多普勒测振 仪：二是在朴的中部贴应变片测量杆的应变。第二种方式足基于一维应力波传播 理论的。 闰i5 霍普金森杆法校准测试系统 通过对应力波理论的研究和h o p k i n s o n 杆冲击实验过程中得到的应力应变、加 速度等波形曲线，通过分析和数据处理工作从而可以测试标定出高g 加速度计 灵敏度数值。 但国外h o p l d n s o n 杆法的研究和文献资料表明，他们只进行了单一轴向的灵敏 度参数测试标定没有研究三轴高g 加速度计三轴轴向的测试标定工作，标定的 也只是其灵敏度参数，而没能进行三轴轴向问的交叉轴灵敏度参数，三轴谐振频 率等参数的标定工作。存在的这些问题都将是本文研究的重点工作。 1 2 2 2 国内研究现状 国内也有少数单位利用霍普金森杆法进行校准高g 加速度计的研究，如西北 工业大学结构强度研究所和兵器工业部2 1 2 研究所 2 0 1 、中北大学口”、中科院力学 研究所瞎。这些科研单位取得了一定的研究成果，但他们主要是用来标定传感 器的灵敏度，也没有深入研究应力波传播对测试结果可能造成的影响，还有他们 没有对三轴高g 加速度计的交叉轴灵敏度进行测试标定工作。 虽然霍普会森杆获得的冲击加速度叫以高返2 0 0 0 0 0 9 ，校准精度也比较高，但 由于其测试系统复杂、设备比较昂贵，很多争 研单位还没囱这套设备。骨些单位 自主研制了测试设备，如中科院上海微系统所等单位研制的自由落杆装置田1 。其 自由落杆测试方法又分绝对测试法和相对测试法两种类型，两类方法的装置如图 l - 6 ( a ) 和( b ) 所示。 它的原理是落杆从高度h 处自由落体，与底座铜砧产生正碰，落杆与钢砧碰 第5 页 ”“墼叫“”“4 _ l 、 。i 9申。9 鼎 l 嵩【? 慧鬻1 w 一匿二：耋淘恻”u r 习 卢备圆 删：槲；。 御篓2 善譬r 堕 豳扣晶 图i7 马希特锤测试装置示意幽 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕十学何论文 具体的j 二作过程足：把马希特锤上的齿轮扳剑某一。齿上，然后搬动开关，锤 头落下，产生冲击加速度，这时待测传感器的电桥失衡产生电压输 j ，经过放大 器放大后，输入波存。然后由波存把数据再传送到计算机，接下来进行数据处理。 马歇特锤实验操作比较简单，但也有许多不足的地方。设备的自身设计比较 简单，防护、缓冲措施有限，无精确测试系统。掺杂很多人为因素，造成冲击不 单一，不重复，数据采集困难和信号干扰大等缺点。由于冲击噪声比较大，需要 在砧上垫一定厚度的橡皮，橡皮垫主要起到了减振的作用，但同时也使得作用在 传感器上的加速度减小。马希特锤能达到的最大冲击加速度也只有3 0 0 0 0 9 左右。 1 3 论文主要研究内容 本文基于研制出的某型号的三轴高g 加速度计，借鉴国内外在高g 加速度计 测试领域的成功经验，深入的研究与分析了测试标定理论和实验标定方法，结合 了对三轴高g 加速度计性能参数标定的实际需要。对样品模型进行了简单的介绍， 设计制作了满足测试采集要求的接口处理电路：分析了应力波的一些相关理论， 论述了利用h o p k i n s o n 杆法的实验原理；对采集到的一系列测试数据进行了处理计 算，得出了各性能参数的标定结果：进一步进行了标定验证实验，并讨论分析了 测试误差来源和解决方法。 具体章节安排如下： 1 第一章绪论部分介绍课题研究的背景与意义，高g 加速度计和高g 加速度 计测试方法的国内外研究的现状； 2 第二章分析加速度计的基本工作原理，简单介绍某型号三轴高g 加速度计 模型，并设计测试标定用的接口处理电路： 3 第三章分析应力波在杆中传播的一些相关理论，包括两弹性杆共轴撞击、 应力波在杆自由端面的反射、应力波在杆中传播的弥散效应等，讨论分析利用 h o p k i n s o n 杆法的实验方法原理，并利用a n s y s 有限元软件对撞击过程进行动态 运动仿真； 4 第四章论述测试数据处理原理，分析典型的测试数据波形，对采集的测试 数据进行处理计算，得出并列写各性能参数的测试结果； 5 第五章利用标准加速度计对测试结果进行验证实验，讨论分析测试误差来 源，论述解决方法； 6 第六章对小义的研究上作进行总结概况，并对将来进一步的上作进行了展 望。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕十学化论文 第二奄高g 加速度计的工作原理与接口电路设计 2 1 加速度计的工作原理 加速度计是按照惯性原理，借助敏感质量块将加速度转换成惯性力来测量的， 其测量原理就是基于牛顿第二定律，作用在物体上的惯性力等于该物体的质量与 其加速度的乘积。针对压阻式加速度计，这种惯性力又通过敏感结构被转化为检 测压阻所受的应力，从而引起检测压阻阻值的变化。单个压阻很少采用，一般都 是构成惠斯通电桥的形式。所以，检测压阻阻值的变化最终体现在惠斯通电桥的 电压压差输出上。加速度信号的传递流程如图2 1 所示。 圈 图2 1 压阻式加速度计加速度信号传递流程图 2 1 1 等效的理论模型和受迫振动分析 加速度计一般可以等效为一个理想的二阶弹簧质量块阻尼器系统来分析，它 的等效模型如图2 2 所示： 图2 2 加速度计二阶系统等效模型 测试时，加速度计与被测物体刚性连接在一起。被测加速度一般是基于惯性 第9 页 困防科学技术大学研究生院硕十学何论文 坐标系计算和测量的，加速度计町以等效看作在外部振动驱动下的受迫振动。 o - - x 为在惯性空间里建立的坐标轴，假设被测物体的位移为五，加速度计质 量块的位移为x 2 ，则加速度计质量块相对于框架的位移x = x ：一而。根据牛顿第二 定律，有： r r f f = 一h c 2 ( 2 1 ) 其中m 为质量块的质量，k 为弹簧的弹性系数，c 为阻尼系数，可得： ，戚+ 西+ h = 一n f f l ( 2 2 ) 置就是在惯性坐标系里被测物体的加速度a ，如果把坐标系建立在加速度计的 框架上，则方程( 2 2 ) 是二阶弹簧质量块阻尼器系统在惯性力f = 一所口下的受迫 振动。 设外部驱动力的幅值为磊，频率为缈，则驱动力的表达式为： f = f os i n ( c o t l ( 2 3 ) 式( 2 。2 ) 可写为： ，戚+ 西+ k x = f os i n ( o j t l ( 2 4 ) 这是一个二阶线性非齐次方程，其解为对应齐次方程的通解与其本身的一个 特解之和。在欠阻尼的条件下，解的表达式为2 6 】： x = a e 一“s i n ( 4 a ，0 2 一疗2 ，+ 口1 + b s i n ( c o t - f o ) ( 2 5 ) 广 其中嘞：j - 5 ，为系统的固有频率，即系统在无阻尼状态下的自然振动频率： im 甩= ，称为系统的阻尼系数。 2 m 解的表达式的第一项为方程的瞬态解，由于瞬态解会迅速衰减，从而可以只 考虑稳态解的作用。 对于稳态解x 2 = b s i n ( c o t 一汐) ，幅值的大小为： 口：丝一 ( 簖一国2 ) 2 + 4 n 2 国2 相位滞后为： 缈= a r c t a n ( 毒) o j o 一彩 由稳态解可知，受迫振动的频率与驱动力的频率一致。 2 1 2 灵敏度的频率特性分析 式( 2 6 ) 可以写为： ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第1 0 页 国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 b =( 2 8 ) 其中b o = _ r o ，可以认为是在静态驱动力条件下的质量块位移，) o t - ：o h 速度计， 这可以等效为恒加速度下的灵敏度。f ：旦，称为阻尼比。 令名：导，称为归一化频率，f l = i b ，称为归一化振幅。反应了驱动力频 率为缈时振动幅值与静态驱动力情况下的幅值之比，对加速度计，等效为被测加 速度频率为国时的灵敏度与受恒加速度( 加速度的频率为0 ) 时的灵敏度之比，所以 又可以称为归一化灵敏度。 利用上面定义的两个变量，式( 2 8 ) 又可以写为【2 6 】： f l = 而丽1 2 9 式( 2 9 ) 就描述了加速度计的灵敏度的频率特性曲线，对曲线进行分析如下： l 、低频段( 力：竺 1 ) 此时，口石1 ，所以随着激励频率的增加，加速度计的灵敏度会很快衰减。 当阻尼比分别为0 。2 、0 。7 0 7 和5 时，归一化灵敏度随归一化频率的变化曲 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 线示f 图2 3 中。 2 。 夕 1 51 ，l 。一 j o 5 i、f = 5 。l 二二二二： 0o 20 4o ，e0 8 图2 3 归一化灵敏度随归一化频率五及阻尼比f 的变化规律 对所有传感器包括加速度计，灵敏度的频率特性曲线越平稳越好。根据精度 要求不同，加速度计的带宽可以分别规定为灵敏度变化5 、1 0 或+ 3 d b 的频 率范围。阻尼比为o 7 0 7 时，加速度计的灵敏度频率特性曲线最平坦。然而实际的 加速度计与理想模型还存在一些差别，并且在实际工艺中，也很难精确地控制阻 尼比，所以对一个具体的加速度计还要具体分析或者通过工艺实验确定究竟阻尼 比为多大时，加速度计具有最大的带宽。 由于阻尼比的定义为f = 兰，其中阻尼系数又定义为n = 二，将阻尼系数的 2 m 定义带入阻尼比的定义，可得【2 6 】： f 2 去 眩11 ) 高量程的加速度计比低量程的加速度计结构尺寸会小些，阻尼力系数c 与质量 块质量 , 也会小些，但一般不会有数量级上的区别。固有频率则会相差比较大， 低量程的加速度计在几k h z 的数量级，高g 加速度计则有可能做到上百k h z ，甚 至上m h z ，所以其阻尼比会相当小，甚至接近于零。 f = 0 时，令= 1 0 5 ，可得： 南= 1 0 5 ( 2 1 2 ) 可以解得，名= 0 2 1 8 2 ，即：理论上，即使加速度计的阻尼比为零，其灵敏度 变化5 的带宽也可以做到固有频率的l 5 左右。 第1 2 页 、， l i 、 ， f 国防科学拉术大学研究_ 院颤士学何论文 22 1 检测方式 m e m s 硅微加速度计的检测方式柯：眶阻式、压电式、电窖式、谐振式等口”， 在高g 测试领域以前三种检测方式研究的最多。 压阻式加速度计经过二十多年的研究和开发，它的设计已经形成了一套比较 成熟的理论体系。具有加工工艺简单，测量方法易行、线性度好等优点，并且已 经于8 0 年代得到广泛应用。本文待校准的高g 加速度计的检测方式即采用压阻式 的。 压阻检测方式虽然有比较明显的温漂稳定性问题，因为压敏电阻的压阻系数 对温度变化的响应很大。但由于高g 加速度计敏感的足瞬间动态高冲击信号，在 很短的时间内，系统环境内部的温度变化很小，动态冲击瞬间，可阻认为是绝热 的过程：另外高g 加速度计敏感的是高冲击信号，在高冲击瞬间，高冲击信号相 比于温漂等噪声信号的信噪比比值很高，也不会影响高g 加速度计的测试性能参 数。在接口处理电路的设计中，对温度效应进行补偿；并在数据处理时，过滤掉 比较明显的温漂、零漂数据即可。所以压阻式的温漂稳定性问题在高g 测试领域 不会有太大的影响。 2 22 总体模型 z 批 圈2 4 三轴高e 加遮度计芯片整体结构示意围 第13 砸 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 本文中待校准的三轴高g 加速度计是一种单片集成的三质量块结构i ) j ，米用雎 阻检测方式，如图2 4 所示，x 、y 轴单元采用微梁直拉直压结构【2 8 , 2 9 l ，其检测方 向在硅片面内，仅需在互相垂直的方向上布置两个同样的加速度计就可以实现x 、 】，轴向上的加速度检测；z 轴单元采用三梁双岛结构1 3 0 , 3 1j ，检测垂直于硅片表面 方向上的加速度。这种单片集成的三轴加速度计则具有体积小、成本低以及由光 刻工艺所带来的轴间对准精度高等优点。如果三轴加速度计是单质量块的结构， 则各轴之间的交叉耦合是一个需要重点解决的问题【2 9 】。而三质量块结构则是通过 三个不同的单元分别检测三个轴向的加速度，不存在轴间耦合问题，但需要重点 考虑三个检测单元之间的工艺一致性，尽可能的利用相同的工艺步骤与工艺参数 同时完成三个检测单元的制作。 ( 1 ) x 轴、y 轴加速度计模型简介 如图2 5 所示，x 、】，轴加速度计的检测部分采用微梁直拉直压结构：主梁、 质量块、两个质量腿、两个压阻微梁。为了构成惠斯通电桥，在框架上还制作了 两个参考电阻。其敏感方向如图中所示。 两参 两压 量块 l j a x ( 口y ) l 图2 5 微梁直拉直压结构及变形不恿图 在主悬臂梁的两侧，对称地布置了两根微梁，在微梁上通过硼离子注入工艺 制作了压阻。当承受敏感方向上的冲击加速度时，一个微梁受拉，另一个微梁受 压，所以阻值一个变大，另一个变小。在加速度计的框架上还制作了两个参考电 阻，其电阻形状及阻值与检测压阻完全一致。这四个电阻构成惠斯通电桥，电桥 的输出就反映了冲击加速度的大小。 ( 2 ) z 轴加速度计模型简介 么轴加速度计采用一种i 梁双岛结构。群论计算表i ! j j 。中间粱卜的麻力比与 两端梁上的应力要大并且更为均匀，所以把四个乐阻全部布置在中问梁上，如图 2 6 ，有更大的灵敏度。 第1 4 页 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 图2 6z 轴加速度计结构示意图 三轴高g 加速度计的芯片，划片后的尺i r 大小为44 咖2 3 m m l n u n - 芯片 用陶瓷管壳封装，实物照片如图27 所示，其重量小于1 9 。 223 等效输出电路 图27 陶瓷封装的三轴高g 加速度计 幽2 8 三轴高g 加速度训的等效输出电路 根据上面总体模型的介绍，可得出三轴高g 加速度计的等效输出电路。x 轴、 y 轴加速度计的惠斯通电桥由两个参考基准电阻、两个阻值反向变化的检测电阻 组成为半桥结构。而z 轴加速度计的惠斯通电桥由四个两两反向变化的检测电 第15 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 阻组成，构成全桥结构。二个惠斯通电桥共用同一个电源供电，如图2 8 所示。芯 片有效管脚八个，其中两个为电源和地线管脚，还有三对电桥压差输出信号管脚。 由于加速度计的输出电路为电桥结构，而电桥结构本身就对压阻的温漂效应有很 好的抑制作用，这也是信号检测常用的结构形式。 下面先对电桥工作原理进行简单分析，如图2 9 所示，在理论上呵以认为电桥 的四个电阻形状吲沮值完全一致。 g n dg n d ( a ) x 、y 轴的双电桥结构( b ) z 轴的全电桥结构 图2 9 电桥结构 ( 1 ) x 、y 轴电桥输出压差 x 、y 轴电桥为两臂差动变化的双电桥结构，当a r r l 时，可推出 u = 鱼竺( 2 1 3 ) 2r 可见它不存在非线性误差，同时还具有温度特性漂移的补偿作用。 ( 2 ) z 轴电桥输出压差 z 轴电桥为相邻桥臂差动变化的全桥结构，当叫月 1 时，可推出 u ：e 竺( 2 1 4 ) r 可见全桥结构比双桥结构的灵敏度提高了一倍，且同样不存在非线性误差和 具有特性漂移的补偿作用。因而在非电量电测技术中，在条件允许时应尽量采用 全桥结构。 2 3 数据采集系统设计 整个测试标定系统的加速度信号流程如图2 1 0 所示，其中虚线框内的数据采 集系统就是这一节的主要工作。 第1 6 页 国防科学技术人学研究牛院硕士学位论文 2 3 1 接口电路设计 图2 1 0 测试标定系统流程图 对电桥所敏感的瞬时高冲击加速度信号特性进行简要分析，即对电桥压差输 出信号进行分析，以便为接口电路的设计作指导。典型的高冲击加速度信号为半 正弦高频微弱信号【3 2 】，脉宽为1 0 0 9 s 量级，频率1 0 k h z ，信号微弱；由于冲击强 度的变化可以很大，所以其信号幅值的变化范围也将很大，要求放大电路的放大 倍数可调；冲击信号的频率成分比较复杂，存在很多冲击产生的高频噪声；在无 加速度输入信号的情况下，电桥输出信号也会有一个直流偏置量，经放大电路放 大后，直流偏置将会比较明显，所以要求接口电路有零偏调零的功能。 由于可承受的冲击加速度范围可以在0 1 0 0 0 0 0 9 内变化，