高灵敏度低频光学加速度计的设计

在结构健康监测、地震监测和航空航天等领域,需要准确测量频率低于10 Hz和振幅小于1 mm的低频微振动,对应的加速度在mg~μg量级。现有商用加速度计的灵敏度多低于0.5 V/g,无法满足要求,故开展了高灵敏度低频光学加速度计的研究。基于加速度计的测量原理,通过理论建模确定了低频加速度计设计相关的技术要求,采用簧片和柔性铰链作为弹性元件,搭配使用单质量块和多质量块,构建了一维、二维和三维弹性机构;基于像散、激光三角法和激光自准直等高精度光学传感原理,设计了高灵敏度的光学传感系统;最终完成了一维、二维和三维低频光学加速度计的设计,并通过实验验证了所设计加速度计的性能,其灵敏度均优于9 V/g,分辨力均优于1 mg,可以用于低频微振动的测量。

低频加速度计在特定温度下的灵敏度修正方法研究

高低温试验是考核装备可靠性的一项基本试验,在高低温工作试验过程中,如何正确地获取装备的性能参数是验证装备高低温条件下工作适应性的必要步骤。该文从装备在低温条件下的性能测试需求入手,提出采取灵敏度修正的方法拓展低频加速度计的工作温度范围。依据该方法,对某型低频加速度计温度特性进行试验,并对超出其正常工作温度范围的低温条件对传感器灵敏度的影响进行测试。试验结果表明,灵敏度修正方法对于低频加速度计在超出其正常工作温度的应用上是可行及有效的。

高灵敏度ZnO纳米梁谐振式加速度计

针对谐振式加速度计灵敏度较低的问题,设计了一种基于化学气相沉积(CVD)法制备的ZnO纳米线作谐振梁的谐振式加速度计,采用了双谐振梁的差分结构,利用混频检测方式进行谐振梁的激振和拾振。实现了超高灵敏度加速度检测。使用COMSOL Multiphysics软件建立加速度计结构原型,仿真得到谐振梁的谐振频率分别为1926.480 kHz和1926.499 kHz;在±5 gn的量程范围内,单根梁的检测灵敏度为40.218 kHz/gn,差分检测灵敏度达到80.437 kHz/gn;分析了加速度计的温度特性,差分输出模式有效抑制加速度计的零点漂移,灵敏度随温度变化为2.424 Hz/(gn·K^(-1))。

HEMT高灵敏度微加速度计的设计与测试

根据压阻传感原理设计了GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)器件与Si基悬臂梁-质量块结构集成的微加速度。通过ANSYS结构应力仿真,GaN基HEMT作为敏感单元置于微悬臂梁结构根部的应力最大处。同时对微加速度计的关键研制工艺进行了设计和研究,成功制备出具有力电耦合特性的传感结构。并且测试了微结构在静态0～10g的惯性测试,结果表明GaN基HEMT器件具备明显的力电耦合效应,该微加速度计的灵敏度为0.24 mA/g,线性度为12.4%,适合研制高灵敏度的微加速度计。

高灵敏度双轴加速度计结构设计与仿真

该文设计了一种具有高灵敏度、低交叉耦合的双轴谐振式微加速度计,使用工型梁作为解耦梁,通过微杠杆机构实现力的放大,结构呈中心对称形式,采用差分检测工作方式。通过仿真分析对结构进行优化并完成加速度计整体结构设计,进而提高加速度计灵敏度,降低交叉耦合。对加速度计结构进行模态分析、灵敏度分析、交叉耦合分析和谐响应分析,结果表明,在±20 g量程范围内,x向标度因数为423.6 Hz/g,y向标度因数为421.8 Hz/g,x向交叉灵敏度为0.000047%,y向交叉灵敏度为0.00078%。仿真结果验证了所设计结构的可行性。

基于机器视觉的无标记图像低频加速度计动态校准方法

针对现有的低频加速度计校准方法存在系统复杂、精度有限和校准类型限制的问题,难以满足日益增长的高性能低频加速度计动态校准需求。因此,提出一种基于机器视觉的无标记图像低频加速度计校准方法,通过高精度摄像机拍摄运动序列图像,并建立参考图像与目标图像的感兴趣区域,使用数字图像相关方法进行振动台激励的高精度复现,实现低频加速度计的校准。为验证该方法的有效性和可靠性,与激光干涉法在0.1~10 Hz频率范围内进行对比实验,灵敏度幅值校准平均误差为0.7696%,最大相对误差为1.536%。实验结果表明,机器视觉法可实现在0.1~10 Hz范围内的灵敏度幅值高精度校准。

超低频动圈换能伺服加速度计的研究

动圈换能有源伺服式加速度拾振器是利用伺服放大和速度反馈的原理来提高弹簧质量系统的阻尼,它可以实现无源电动式速度摆加速度拾振器无法达到的超大阻尼,从而实现动圈换能的超低频加速度测量。介绍了一种利用此种方法实现的低频下限达到0.01Hz的2005型加速度计。阐述了其原理和标定方法,并介绍了其主要技术性能及试验结果和分析。试验结果表明:伺服加速度计在其频带内频率误差小于0.1%,线性度为0.15%。

一种有源伺服式超低频转动加速度计研究

为了满足地震转动和工程结构扭转振动测量的需要,研制了一种超低频有源伺服式转动加速度计,本文阐述了该转动加速度计的基本原理,给出了其频率特性及灵敏度的表达式以及其主要技术指标。转动加速度计采用了惯性式旋转弹簧系统,有效提高了转动加速度计抵抗水平振动干扰的能力;转动加速度计采用了动圈闭环伺服式双摆结构,拓展了转动加速度计低频特性,且不需要调零。采用调理和合成电路,可方便的调整灵敏度并进一步提高抗水平振动干扰的能力。自校准测试和角振动台校准结果验证了理论推导结果的正确性,可实现超低频转动分量的测量,该仪器已在海洋平台上获得应用。

石英挠性加速度计在超低频振动国家基准研制中的应用研究

介绍了超低频振动国家基准装置。采用改进型石英挠性加速度计SA704和研发的适配器MSA—I组成的振动套组，作为超低频振动台负反馈控制的拾振器和装置性能测试的标准器，有效地降低了振动台台面输出加速度波形的失真度，抑制了环境振动的影响，实现了0．002Hz以上加速度失真度小于1％；解决了1Hz以下超低频段无测量传感器的问题。该套组可作为低频和超低频振动基标准装置量值传递的标准器和核查标准。

加速度计及其融合高采样GNSS的低频信号测量特性研究

搭建了一套振动台系统,模拟不同频率振动信号对加速度计进行测试,并从信号功率谱密度和积分位移2个方面对其低频测量特性进行分析。实验表明,当振动信号频率高于0.05 Hz时,对加速度计信号进行高通滤波并积分能够恢复出较准确的振动位移;反之,随着信号频率的降低,积分位移误差增大。因此,为解决加速度计低频测量能力不足的问题,利用高采样GNSS与加速度计数据融合的方法,成功恢复了极低频振动信号。研究表明,振动台系统能够为地震监测研究提供良好的基础平台;加速度计准确恢复位移信号的低频下限在0.03~0.05 Hz左右,研究方法及结果可为加速度计频带的合理选择提供参考;同时,利用高采样GNSS与加速度计融合方法能够有效弥补加速度计低频测量能力不足的缺点,使地震低频位移更加准确可靠。

基于地球重力法的低频加速度计校准

ISO 16063-16描述的地球重力法只能用于低频加速度计灵敏度幅值静态校准,无法用于灵敏度幅值与相位的动态校准。采用机器视觉方法测量激励加速度相位,并得到对应时刻的加速度计输出信号相位,该方法可同时实现基于地球重力法的灵敏度幅值与相位动态校准。该方法测量时由转台为被校加速度计提供峰值恒定为1g的正弦激励加速度,有效避免了低频时微小激励加速度引起的加速度计输出低信噪比信号对校准精度的影响。实验结果表明,地球重力法可实现从静态(DC)至10 Hz范围内的灵敏度幅值与相位高精度校准。

左右分布式高灵敏硅微谐振加速度计结构设计

提出了一种基于微杠杆原理的左右分布式低交叉耦合、高灵敏度的硅微谐振加速度计结构。该结构采用了一级微杠杆放大机构,左右双音叉谐振器和单质量块布局,实现了力放大和差动频率输出,具有结构简单、易于加工的特点,且两音叉谐振器间相互干扰小。首先,优化了设计参数,并进行了模态分析与谐响应分析。结果表明,左右谐振工作谐振频率分别为149.49 kHz和150.8 kHz,在该工作频率下X方向的最大位移远大于Y和Z方向（两个数量级以上）,表明工作模态具有优良的抗干扰能力。其次,在1 000g加速度载荷作用下进行了极限过载仿真。仿真结果表明,其最大应力为612.69 MPa,表明具有一定的抗冲击能力。最后,在±50g的设计量程内对结构的灵敏度进行了仿真分析。仿真结果表明,其灵敏度为160.51 Hz/g,验证了该设计的正确性。

基于微梁的面内高g值加速度计设计

提出了一种基于微梁的面内高g值加速度计的设计方案。根据材料力学中悬臂梁的相关理论,建立了微梁检测结构的等效模型,推导出了微梁应力和中间主梁应力的比值的表达式。通过改变结构的尺寸来调节比值,可以设计出更高量程和更高灵敏度的压阻式传感器。利用ANSYS软件对微梁和中间主梁的最大应力及电阻区应力进行了仿真分析,验证了设计方案的可行性。完成了一种量程可达15万gn的面内双轴高g值传感器的设计。

双路 Fabry-Perot 干涉式加速度计的研究

Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ干涉仪（简称Ｆ—ＰＩ）通常被用于小光谱范围和相对简单的光谱范围，然而近年来一些研究表明Ｆ—ＰＩ在超频谱范围内已完全可以和Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ干涉仪相媲美。［１］本文描述了一个较新的用Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ干涉法和传统的加速度计相结合的仪器及其技术。它具有较小的尺寸和较高的分辨率。

一种新型压电式加速度计的设计

目前在测量振动的领域里,压电式加速度计已得到了广泛的应用。然而对于象桥梁、厂房结构、基础构件、海上平台等低频微振的测量;对于发电厂电器设备,煤矿等强电磁场下的振动测量以及一些比较危险的工作环境下的测振,普通的加速度计都不能很好地胜任。因而有必要专门设计一种适应上述工程的加速度计。

一种低噪声MEMS加速度计设计与制作

为了提高微加速度计的噪声性能,研究了一种基于绝缘体上硅(SOI)技术的单轴MEMS加速度计的设计和加工方案。该微加速度计采用大面积质量块的电容式检测结构,通过增加检测质量,在保证灵敏度的前提下,有效地降低了微加速度计的机械布朗噪声,增强了信噪比。另外,该微加速度计采用一种基于Al保护层的MEMS SOI工艺技术制造,有利于提高微加速度计的整体精度水平。测试结果表明:微加速度计的本底噪声为20μgn/√Hz,灵敏度为2.5 V/gn。

基于镜像结构光子晶体的微加速度计设计

镜像结构光子晶体能够在一定范围的频带内形成单一的透射峰,受其他频率的光子影响小且易于观察。从理论结果可以看出,这种光子晶体透射率与所受的轴向应力在一定范围内呈简单的线性关系。据此,该设计以典型的单悬臂梁结构为基础设计一种新型加速度计。在单悬臂梁根部所受应力最大处,用镜像结构光子晶体替代以往的力敏电阻器,通过测出透射光强算出透射率,进而可算出加速度的值。从模态分析图中可以看到这种加速度计具有更好的稳定性和抗干扰性。

基于C8051F350单片机的三轴低频加速度的高精度测量

为了实现微小加速度的测量,提出了一种以SCA610加速度计和C8051F350单片机为核心的高精度加速度测量方法。采用软硬件结合的方式,实现低频振动的三轴加速度的测量。利用C8051F350单片机内置的24位ADC,保证测量精度。通过硬件设计实现的模拟量差分输入和上位机中的数字滤波,抑制了噪声的干扰。实测结果显示,系统加速度测量可准确到1 mg,满足微小加速度的测量需求。

基于MEMS加速度计的波高测量装置

利用加速度计浮标对海洋特定的参数波高进行监测。加速度计浮标运用三轴加速度计、陀螺仪、强磁场计以及电磁罗盘模块作为核心电路,利用惯性导航原理,采用四元素法进行坐标转换,并用低通滤波算法对采集信号进行处理,将滤波后的信号值进行二次积分可获取轴向位移,其中Z向位移用来计算波高,同时运用倾角测量原理计算上跨零点处浮标与水平面倾角,并用电子罗盘进行校正,以此来判断波向的方法。使用该波高测量装置对一系列波浪进行测量,并与电容波高传感器进行对比,实验结果表明:运用加速度计浮标测得竖直方向位移曲线,与电容式波高传感器实测曲线相比一致性较好,针对测量结果进行对比发现频域内分析方法误差更小。因此基于陀螺仪和加速度计的波浪观测装置能够满足波浪实验测量需求。

用于运动姿势捕捉的可穿戴MEMS微型化加速度计研制

在人体上穿戴加速度计能够实现对人体运动姿势捕捉,进而在体育教学和运动训练中有利于提升教学和训练效果,而加速度计的固有频率和测量灵敏度存在相互制约的关系。为此,研制一种孔缝复合八梁结构的MEMS加速度计。该加速度计质量块由四根宽大的支撑梁和四根短小的敏感梁共同支撑,在敏感梁上引入应力集中孔。采用离子注入、背腔干法刻蚀、ICP刻蚀、金属溅射、阳极键合等工艺制作加速度计芯片,并对芯片进行封装。分别采用离心机测试法和简谐激励法对加速度计的静态性能和动态性能进行测试。结果表明,该加速度计的单位电压灵敏度达到0.21 mV/(g·V),固有频率高达14.22 kHz,同时拥有高灵敏度和高频响性能。