一种摆式谐振加速度计的微杠杆结构设计与分析

为提升摆式谐振式加速度计性能,设计了一种将质量块与微杠杆结构一体化的摆式微杠杆结构,实现惯性力的敏感与放大,提升结构的鲁棒性。首先建立了微杠杆结构力学模型,并进行了关键参数计算。其次,根据微杠杆结构放大倍数影响机理,分析了质量块、支撑梁及微杠杆结构尺寸参数对放大倍数的影响;理论分析与有限元仿真结果均表明,支点梁与输出梁的宽度应作为该类微杠杆的关键优化参数。最后,根据上述结论对现有结构尺寸进行优化,优化后的微杠杆放大倍数为15.68,系统放大倍数为12.88,标度因数为70.52 Hz/g,较优化前分别提升了36.94%、36.87%和36.88%,验证了优化方法的有效性。

基于MEMS加速度计与磁力计的位移计设计

基坑水平位移监测是基坑安全的重要检测项目之一。针对现有的阵列式位移计在基坑水平位移监测中容易产生扭转误差的问题,设计了一种基于MEMS加速度计与磁力计的位移计,能够同时满足基坑水平位移与沉降位移监测的需求。介绍了位移计自动化实时监测系统组成。对位移计的结构以及监测节的硬件电路进行了设计,并制作完成了位移计样机。阐述了位移计通过对加速度计与磁力计的数据进行融合,计算位移坐标的测量原理和扭转误差校正的方法。最后通过模拟监测节间发生扭转时位移计水平位移监测的实验,以及位移计沉降位移监测试验。实验结果表明,该位移计能够精确测量水平与沉降位移,并能够有效校正位移计竖直安装时监测节扭转带来的扭转误差。

基于FPGA的多通道加速度计频率信号采集系统设计

文章设计了一种基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的多通道加速度计频率信号采集系统,以FPGA芯片Artix7 XC7A35T为核心,利用FPGA实现高精度、多通道频率测量功能,通过FT232H芯片将采集数据传输至计算机存储。测试结果表明:该系统可以实现多达12通道的频率测量,测量精度能够达至0.01μs,可以实现10~100 kHz范围内的频率测量,精度可达1×10^(-4) Hz,在整个频率范围内测量精度一致。通过与Keysight 53230A高精度测频仪器数据对比,结果证明系统能够达到等精度测量的目的。

MEMS加速度计全温性能优化方法

针对微机电系统(MEMS)加速度计全温性能低的问题,提出锚区应力对消方法、低应力粘接工艺和温度补偿方法。首先,通过调整两个键合的锚区面积大小实现锚区应力对消,使得加速度计的温度性能得到改善;然后,建立加速度计堆叠封装模型并对专用集成电路(ASIC)粘接参数、加速度计敏感结构点胶方式与点胶参数进行仿真分析,从而确定了加速度计的低应力粘接形式和粘接工艺;最后,对加速度计零偏和标度因数设计了三阶温度补偿方法并进行了实验测试。实验结果表明,加速度计全温零偏稳定性达到47.3μg(1σ)、全温标度因数稳定性达到43.6 ppm(1σ),提高了加速度计的全温性能。

工程化硅微谐振加速度计设计与实现

提出一种基于MEMS敏感结构芯片与专用集成电路芯片(ASIC)集成封装的硅微谐振加速度计设计方案。敏感结构主要包括敏感质量块、一级微杠杆放大结构和双端固定音叉谐振器。整体结构采用左右差分对称布局,实现器件高灵敏度。敏感结构芯片基于全硅晶圆级封装工艺,实现敏感结构芯片的低应力与批量化加工。敏感结构芯片与ASIC芯片采用堆叠式集成封装,实现器件的小型化与低功耗。所设计加速度计的谐振频率约为18.2 kHz,量程为±20 g_(n),标度因数为216 Hz/g_(n),标度因数稳定性为5×10^(-6),零偏稳定性为6.5μg_(n)(1σ,10 s)。所提方案实现了器件的小型化、低功耗与集成化。

基于单质量块微纳光栅泰伯效应的双轴MOEMS加速度计

对一种基于单质量块微纳光栅泰伯效应双轴微光机电系统(MOEMS)加速度计进行了设计、加工与测试。利用有限元分析和时域有限差分法分别对双轴加速度计的敏感结构和光栅参数进行仿真优化。在保证加速度计高集成度的同时,为了实现双轴加速度的高精度测量,采用不同周期的两组光栅进行双轴加速度检测,通过磁控溅射工艺将两组光栅结构沉积在质量块的不同区域,最终通过阳极键合方式实现该双轴MOEMS加速度计的制备。实验结果表明,光栅泰伯效应双轴MOEMS加速度计x轴与y轴的灵敏度分别为3.36和3.54 V/g,零偏稳定性分别为25.53和20.91μg@1 s。该研究为实现高精度多轴加速度计提供了一种新的方法。

微纳光栅MOEMS加速度计优化设计与测试

提出了一种基于微纳光栅泰伯效应的微光机电系统(MOEMS)加速度计,通过Comsol软件对加速度计结构和光栅结构参数进行优化,使其在20g量程范围内获得较大的结构灵敏度和衍射效应灵敏度,同时通过仿真分析了该结构的交叉轴串扰情况。由于受外界温度起伏影响,双层光栅结构间距受热膨胀系数的影响产生相对位移。为了减小由于温度起伏对光栅加速度计零偏的影响,采用温度闭环反馈控制技术将加速度计温度变化控制在±10 mK范围内。经实验测试,加速度计零偏稳定性达3.7μg,相较于无温控情况提升了近7倍。最终实现光栅MOEMS加速度计的灵敏度达5.23 V/g,线性相关系数为99.9%,分辨率达286.8μg。

光栅MOEMS加速度计温度特性

由于硅微机械加速度计受温度影响,导致硅弹性模量和热膨胀系数发生变化,造成微光机电系统(MOEMS)加速度计标度因数漂移、测量稳定性下降等问题。首先,采用COMSOL软件对光栅MOEMS加速度计微机械结构部分进行了温度特性仿真,分析了硅弹性模量温度系数和热膨胀系数对光栅MOEMS加速度计微机械结构标度因数和零位的影响。其次,设计了温控精度达0.1℃的温度控制系统,并利用该系统对加速度计进行温度控制。最后,对光栅泰伯效应MOEMS加速度计温度特性展开测试,结果表明,加速度计的标度因数随温度升高而增大,零偏稳定性随温度的升高而降低,加速度计标度因数温度系数为0.30 V·g^(-1)·℃^(-1),零偏稳定性温度系数为-7.78μg/℃,其变化趋势与仿真结果一致。这为实现全温范围下高精度MOEMS加速度计奠定了基础。

基于4H-SiC的开槽四梁式压阻式加速度计设计及仿真研究

基于4H-SiC设计了一种开槽四梁式的压阻式加速度计,通过分析开槽位置、开槽大小对传感器灵敏度及固有频率的影响确定了开槽的相关参数,并对该结构采用有限元方法进行了热-力耦合仿真,确定了该结构在不同温度场下施加不同载荷时的理论电压输出。研究结果表明:该结构相较于传统双端四梁结构输出灵敏度提升51.4%,固有频率仅下降14.2%,在ANSYS 600℃的稳态温度场环境下,传感器输入载荷与输出电压成线性关系,理论满量程输出为39.71 mV。

利用加速度计数据在轨标定重力卫星质心偏差

针对重力卫星质心偏差在轨标定的问题,提出了一种仅使用加速度计数据进行质心在轨标定的方法:以1A级加速度计数据作为输入,采用Butterworth滤波去除数据中的噪声,提取质心标定机动产生的线性加速度和角加速度信号,最后结合最小二乘原理对质心偏差进行标定。利用GRACE-FO C星的加速度计数据对提出的质心标定方法进行验证,估计了C星发射至今的质心偏差。结果显示,三轴的标定精度均优于10μm,与利用姿态数据计算的质心偏差在三轴方向上的互对比差异(RMS)为[9.6,9.3,7.9]μm,与喷气推进实验室(JPL)公布结果的RMS为[7.4,3.8,4.7]μm。与传统方法不同,由于仅使用了加速度计测量数据,该方法可用于卫星姿态缺失情况下的质心在轨标定。

基于硅酸镓镧高温压电剪切加速度计的设计与制备

随着航空航天、原子能技术、汽车电子、冶金与石油化工等工业的迅猛发展,迫切需要能够在高温环境下对振动、压力及噪声等进行监测的传感器。本文设计并制备了基于硅酸镓镧(LGS)压电单晶材料的压电加速度传感器。实验结果表明,该传感器的谐振频率约为3 kHz,在常温~800℃,工作频率为80~1 000 Hz范围内,传感器的电荷灵敏度保持稳定,平均值为0.081 pC/g_(n)。该传感器能在800℃高温下稳定工作。

基于果蝇优化算法的加速度计温控系统研究

针对硅微谐振式加速度计在复杂的常温环境下输出不稳定问题,设计了基于改进的模糊PID控制的加速度计温控系统。通过对加热片的热分析和加速度计的温度场仿真,验证了温控系统加热片放置的有效性。采用果蝇优化算法(FOA)和积分分离对模糊PID控制进行优化,给出了优化后温控系统的整体设计。搭建温控系统实验装置,对优化方案进行验证。与PID控制相比,改进的模糊PID控制算法使得温控系统收敛时间减少到60s,超调量减少了9.8℃,稳态误差减少到0.1℃。与无温控相比,加速度计在40℃恒温下启动20min后的零偏稳定性值减少了71.4%。实验结果表明:基于改进模糊PID控制的温控系统可显著提高温度控制的精度。

基于IWOA-BP的石英振梁加速度计温度补偿研究

在温度变化的环境中,石英振梁加速度计(QVBA)的输出会发生漂移。为了改善QVBA的温度稳定性,提出了基于改进鲸鱼算法(IWOA)优化BP神经网络的温度补偿模型。IWOA通过优化BP神经网络的初始权值和阈值,克服了BP神经网络易陷入局部最优的缺点,增强了BP神经网络在训练中的准确性和鲁棒性。全温实验表明,该方法能够明显抑制QVBA因温度而产生的漂移。经过补偿,全温零偏稳定性从4.161 mg下降至0.196 mg,全温标度因数稳定性从59.676 ppm下降至35.751 ppm,验证了模型的有效性。

微光栅加速度计温度控制研究

微光栅加速度计凭借着极高灵敏度和分辨率等优势成为近几年的研究热点,但外界环境温度的变化会影响其输出精度。为优化其温度特性,提出了一种两级内外温控系统。通过介绍微光栅加速度计的基本原理,分析了由于半导体激光器和MEMS敏感芯片的温度特性对其造成的影响。针对加速度计设计了温控电路,对其搭载两级内外温控系统,使其工作温度保持恒定,最后对该系统进行了实验测试。实验结果表明:在该温控系统下,加速度计的工作温度控制精度可达±0.02℃。对于加速度计的噪声性能而言,在0.01~10 Hz频段,相较于未加温控系统的加速度计,整体信噪比提高了20 dB。

基于加速度计测量幼儿身体活动的国内研究热点与趋势分析

采用科学文献分析工具——CiteSpace软件分析中国知网数据库中2012—2022年运用加速计测量幼儿身体活动的研究热点及趋势,为后续开展相关研究,解决我国幼儿卫生与健康问题提供支持。结果显示研究热点包括“体质健康、执行功能、静坐行为、活动强度、认知能力”等,我国该领域相关研究尚处于发展阶段,部分关系研究已指出良好的身体活动对幼儿身体健康具有促进作用。未来幼儿身体活动的研究还需深挖根因、探索新策,切实促进幼儿健康成长。

基于三轴加速度计对阈值跌倒识别算法的优化

随着社会人口老龄化程度的不断提高,越来越多的人开始关注老年群体的身心健康。老年群体平衡能力较弱、反应较迟钝,失去平衡做出自我调整反应能力弱,非常容易出现意外摔跌的情况。市面上有三类跌倒检测装置[1]:基于视频监控的跌倒检测、基于声学的跌倒检测以及基于传感器的跌倒检测。前两种检测方法受制于环境场景,而现有的传感器检测方法对于跌倒判定准确性不高。本文通过真人多次跌倒实验获得跌倒数据,对数据多角度进行特征提取和分析,选取有价值的判断标准实现算法,最后通过实验验证该算法优于已有的跌倒识别算法。

一种GNSS/加速度计数据融合方法探讨

针对目前桥梁施工合拢过程中的关键技术挂篮安全监测的方法主要利用全站仪和水准仪等传统设备,人员成本高,效率低,且难以满足实时监测等问题,提出一种GNSS/加速度计数据融合方法:分析全球卫星导航系统(GNSS)由于其具有无须通视、全天候以及能够直接测量点的三维坐标等优点,已广泛应用于变形监测领域,但受多路径、采样率等因素影响,对高频振动不敏感,而加速度计具有高采样率、性能稳定等优点,但其对低频信息不敏感;结合2种传感器的优势,利用基于Rauch-Tung-Striebel(RTS)平滑的多速率抗差卡尔曼滤波方法对GNSS和加速度数据进行融合处理。实验结果表明,该方法可有效提高GNSS挂篮振动监测的采样率和精度。

高g值加速度计恶劣环境下测试信号处理方法

针对国产高g值加速度计应用环境恶劣的问题,提出了一种使用阈值改进的小波变换处理加速度计输出信号的方法。加速度计主要应用在弹丸侵彻及火炮膛内参数测试等恶劣环境下,测试信号受到干扰较大,需对其进行降噪处理。本文根据加速度计测试信号的特点对小波降噪阈值函数进行修改,提出了一种新的小波降噪阈值函数;其降噪效果优于小波变换原有阈值函数,对加速度计信号的处理有着明显的优势。为验证本文所提数据处理方法的效果,设计相关实验进行分析并采用计算信噪比及均方差的方法对其进行验证。结果表明,新的方法对于高g值加速度计测试信号的降噪取得了更好的效果。

基于塑封的加速度计无引线键合封装设计

针对MEMS中传统陶瓷封装造成的封装体积大以及耦合问题,设计了一种基于塑封的加速度计无引线键合封装,该封装通过阳极键合和各向异性导电胶实现无引线封装。对敏感结构进行力学分析,求解敏感结构在量程下的最大振动位移为6.4μm,从而优化封装结构。阐述基于塑封的加速度计无引线键合封装的工艺路线,经仿真验证,该封装有效缩小了封装尺寸,提高了封装效率,增加了MEMS加速度计封装的可靠性。

动热源摆式单轴MEMS热加速度计敏感机理的研究

该文揭示了一种动热源摆式单轴微机电系统(MEMS)热加速度计的敏感机理。在给出敏感结构原理的基础上,通过建立二维物理研究模型、划分网格、加载加速度等方法对敏感结构内的温度场进行了计算。结果表明,开机1.8 s后在敏感结构内形成了一个稳定的以动热源为中心的温度场;输入加速度a时,动热源沿着加速度方向偏移,温度场随之偏移,敏感轴方向上对称设置的两个热线温差ΔT X随着输入加速度a的加大而呈线性增长,温度灵敏度为7.1×10^(-2)mK/g。根据输入-输出(a-V X OUT)特性曲线给出数学模型,得到该加速度计灵敏度为0.5 V/g,非线性度为2.8%,从而揭示了敏感机理。