电容式微机械加速度计系统动态特性研究

建立了电容式微机械加速度计闭环系统的二阶近似模型,分析了伺服电路增益和带宽对闭环系统动态特性的影响,提出了调节伺服电路参数来补偿系统动态性能的方法,给出了不同输入条件下系统初始启动稳定时间和输出误差的计算方法。

利用磁强计及微机械加速度计和陀螺的姿态估计扩展卡尔曼滤波器

提出了一种用于惯性测量组合(IMU)姿态估计的扩展卡尔曼滤波器。此滤波器的状态转移阵利用基于四元数的等效旋转矢量来计算姿态。等效旋转矢量法可以避免欧拉角的奇异问题,并能有效抑制不可交换误差。测量四元数是利用高斯-牛顿迭代法解算以加速度计和磁强计输出数据为变量的方程组得出的。用从实际IMU 采集的数据对滤波器进行测试,并比较了带有滤波器和没有滤波器的结果。

基于谐振原理的硅微机械加速度计

基于力学振动原理 ,导出敏感梁类谐振振动的微分方程 ,给出了振梁型加速度计的设计原理。指出了加速度计谐振梁频率的相对变化量与梁的厚度无关 ;为避免输出非线性频率信号 。

微机械加速度计自动测试系统

为了精确、高效地测量微机械加速度计的各项性能指标,并尽可能地降低地线干扰,系统采用DAQ-2213数据采集卡采集加速度计输出电压,使用多个独立电源及差模接法来降低地线干扰;温度敏感元件采用Pt100,电阻到电压变换电路采用三线制接法,选择PCI-(A)9114数据采集卡采集变换电路输出的电压值;采用Labview7.0接口函数实时显示加速度计输出电压和温度值,并输出有图表的Word文档。系统经过标定,输出电压精度为40μV,温度精度为0.277℃。实验表明,系统能实时测量微机械加速度计的输出电压和温度值,而采用独立电源和差模输入可有效减少各路信号之间的干扰。

微机械加速度计失准角的精确测量

在与国家军用标准测试方法对比分析的基础上,由空间解析几何理论建立了微机械加速度计外壳坐标系和敏感部件坐标系的数学模型,提出一种测量失准角的“六位置法”:利用六面体翻滚,测量加速度计在六个不同位置下的输出电压,通过一系列公式运算可以精确测得失准角。实验结果表明:该方法在失准角为1度的情况下,标度因数准确性可提高3.046×10^(-4),失准角准确性提高2.539×10^(-4),从而表明了计算方法的可行性和实际应用价值。目前该方法已经应用于实验室成表测试。

灌封对高量程微机械加速度计封装的影响

灌封是高量程微机械加速度计实用化的一个关键步骤。文中根据自制的一种压阻式高量程micro electro me chanicalsystem(MEMS)加速度计芯片及一种实用的封装结构 ,对其有限元模型进行模态分析和高g值加速度载荷下的响应分析。封装结构的模态频率随着灌封胶弹性模量的增大而增大。但弹性模量过小时 ,模态频率反而比未灌封时低 ,可能会干扰输出信号。对器件加载 10万g加速度表明 ,器件的模拟输出电压值随着灌封胶弹性模量或密度的增加而缓慢减小。模拟输出电压值与解析解很接近。

电容式高过载微机械加速度计的设计与实验

针对某些高过载应用场合对微机械加速度计抗冲击能力的要求,设计了一种三轴向抗冲击的梳齿电容式闭环微机械加速度计。通过分析带止档的闭环加速度计冲击响应过程,提出在敏感方向使用悬臂梳齿结构作为柔性缓冲止档可以缓冲冲击过程中微结构间的接触碰撞;在非敏感方向采用结构模态和阻尼分离的设计可减小冲击变形,耗散冲击能量。马歇特锤冲击实验表明,该加速度计能够分别承受3个轴向幅值为13 200g,脉宽约102μs的的加速度冲击,冲击前后偏置漂移在5mV以内。该闭环加速度计在±10g的非线性优于500×10-6,1.5h偏置稳定性为0.27mg。设计的样机基本满足高过载环境下惯性测量的要求。

谐振式微机械加速度计设计的关键技术

谐振式微机械加速度计直接输出频率信号,具有稳定性好、精度高的特点。分析了谐振式微机械加速度计的工作机理,建立了第一级敏感结构、杠杆机构和第二级敏感结构的数学模型,指出了实现高灵敏度加速度测量的关键技术在于支撑梁、质量块、谐振器和杠杆机构的设计。提出了一种谐振式微机械加速度计结构,进行了结构的优化设计和仿真计算,得出的性能指标:谐振频率98858Hz,Q值673.9,灵敏度24.52Hz/gn。

磁强计和微机械陀螺／加速度计组合定姿的扩展卡尔曼滤波器设计

微机械陀螺近年来获得广泛应用,但是由于其性能较低,并不能提供长时间的稳定的姿态,必须和其它传感器组合使用。提出了一种基于磁强计和微机械陀螺／加速度计组合姿态确定的四元数卡尔曼滤波算法,该算法利用加速度计的输出判断是否使用卡尔曼滤波器计算姿态,并在卡尔曼滤波器中利用加速度计和磁强计计算的姿态角补偿陀螺的漂移。仿真和实验结果表明了该算法的有效性。

梳齿式微机械加速度计的研制

微机械加速度计作为微机电系统(MEMS)的一个重要产品,目前已经得到了广泛应用。本文首先从整体上提出了微机械加速度计的工作原理和数学模型,并着重讨论了各个部分之间的关系;然后根据敏感元件的特性,对伺服回路的几个关键参数,即预载电压、PID校正参数和反馈增益,进行了分析;本文最后给出了一种加速度计整体性能的测试结果,结果表明:微机械加速度计的量程为±15gn,非线性度为0.041 9%,阈值为0.15 mgn,2 h稳定性误差为0.084 5 mgn,逐次启动重复性误差为0.156 mgn。

灌封胶对高量程微机械加速度计封装的影响

封装是高量程微机械加速度传感器高可靠性的重要保障,而灌封工艺是高量程微机械加速度传感器封装流程中一个非常重要的环节,对实现加速度传感器产业化具有重要的影响。根据一种自制的、量程为XX的压阻式高量程微机械加速度传感器的封装模式,利用有限元分析(FEA)方法建立加速度传感器的封装模型,基于FEA方法分析了灌封热应力及灌封工艺对加速度传感器性能的影响。分析结果表明:灌封胶的热膨胀系数和弹性模量是影响封装热应力的主要因素,而灌封胶的密度与封装热应力无关;灌封胶弹性模量及密度的变化对加速度传感器输出信号的影响很微弱,可以忽略不计。

一种减小微机械加速度计振动偏移的方案

为降低敏感元件对称性较差的微机械加速度计的振动偏移,对加速度计振动偏移产生的原因和抑制方案进行研究。首先,分析了系统学模型,并得出对于不对称的敏感元件采用对称的电容检测电路时,检测电路输出和敏感元件动极板位移关系函数中存在明显偶次项系数,进而造成振动零偏;其次,讨论了力矩器的非线性,通过理论分析得出,外加静电力等效对称方案无法抑制力矩器环节的振动偏移,提出了敏感元件等效对称补偿方案以及静电力发生器等效对称化方案,通过理论分析得出该方案大大降低了敏感元件不对称带来的振动偏移;最后,对静电力对称方案和等效对称补偿方案进行了对比试验。试验结果表明,对于对称性较差的敏感元件,等效对称补偿方案在保证线性度的同时,大大减小了振动时输出均值的偏移。

有限元法在谐振式硅微机械加速度计设计中的应用

谐振式硅微机械加速度计是新型高精度的微机电系统传感器.作者选用双端固定音叉作为谐振器,设计了一种硅微谐振式加速度计.设计中,使用了有限元分析软件进行了大量辅助分析,对传感器的工作情况进行了仿真.通过模拟和计算,预先估算出谐振器固有频率、应力分布情况以及传感器基本性能参数,这对传感器工艺流程设计及结构改进具有重要意义.有限元分析结果显示,传感器的灵敏度大约为2Hz/g.

力反馈式微机械加速度计刚度的自适应调整

为了提高模拟力平衡式电容微机械加速度计的鲁棒性和分辨率,对系统的非线性进行了研究。通过分析系统的数学模型,认为力发生器的非线性会引入一个可变负刚度。在传统方案中,为保证加速度计满量程时总刚度大于0,预载电压要小于失稳预载的0.707,这就造成在加速度输入较小时其总刚度较大,从而影响其阈值以及小输入时的分辨率。为弥补传统方案中力矩器非线性对系统分辨力的影响,本文应用自适应理论,提出一种基于总刚度不变的变预载自适应调整方法来提高闭环系统的鲁棒性和分辨率。设计了一种基于DSP的数字式微机械加速度计并进行了试验。试验结果表明,采用自适应调整方案后,加速度计在0g附近的分辨率由43.2μg提高到11.3μg,1g附近的分辨率由36.4μg提高到12.1μg,这些数据验证了自适应调整方案对系统性能的改进。

微机械加速度计挠性梁机械刚度的实验研究

在使用开环频率响应实验求取微机械加速度计挠性梁机械刚度时,不可避免地受到静电负刚度的影响。通过分析预载电压和扫频信号幅值对静电负刚度的影响,提出了从系统刚度中分离出挠性梁机械刚度的计算方法。通过不同实验条件下得到的实验结果,验证了该方法的正确性。

硅基谐振式微机械加速度计的设计与仿真计算

分析了硅基谐振式微机械加速度计的工作机理,提出了一种新颖的结构形式,进行了结构的优化设计和仿真计算.用MATLAB软件分析了结构参数对性能指标的影响,用ISIGHT优化软件优化出结构参数,用ANSYS仿真软件对结构进行了静态分析和模态分析,验证了所提出结构的设计思想和优化参数的可行性.

一种双轴电容式微机械加速度计

提出一种双轴电容式微机械加速度计的结构形式.采用一个质量块敏感两个正交方向的加速度,设计的弹性支撑结构巧妙地实现了正交方向的解耦,且结构稳定性好,以梳齿电容实现差动的静电驱动、电容检测.利用MATLAB软件对敏感结构参数、性能参数进行了计算、分析,用ANSYS仿真软件对敏感结构进行了静态和模态分析,从理论上验证了所提出的双轴电容式微机械加速度计整体结构的可行性.

大量程微机械加速度计非线性的弱闭环修调

大量程微机械加速度计在制导炮弹等大动态武器的组合导航系统上具有重要的应用需求。开环工作的大量程微机械加速度计由于敏感单元的大变形,支撑梁机械刚度的非线性、差动电容器的非线性以及电容检测电路的非线性等会造成较大的全量程测量误差。设计提出一种利用静电力进行弱闭环修调的简单方法,改善大量程加速度计的非线性,有利于提高其测量精度和动态范围。Simulink仿真和原理性验证实验证明了该方法的有效性。基于该弱闭环修调的方法研制了一种单5 V供电的大量程微机械加速度计,其分辨率优于2 mg,2 h偏置稳定性5 mg,±200g范围内的非线性度为0.68%。

谐振原理在硅微机械加速度计中的应用

将谐振原理应用于硅微机械加速度计中 ,可以改善后者输出信号的质量 ,降低检测难度。随着微机电系统工艺的发展 。

微机械加速度计的集成化数字接口

在传感器技术的发展过程中,传统模拟输出传感器由于具有一些固有局限,正在逐渐被数字输出传感器所取代。数字技术的应用使传统传感器成为智能传感器,并具有集成化、智能化、网络化、系统化等新特点。介绍以传统模拟传感器技术为基础,在惯性测量器件———微机械加速度传感器上集成数字接口,使之成为智能化传感器的一种设计方案。