复合量程微加速度计动态特性分析

　　1　引言

　　随着硅微机械技术的不断发展, 基于压阻原理的微加速度计已成为商品。由于硅的机械性能优良,这些微加速度计往往具有较高的抗过载能力。然而,有些物理过程存在相差上百倍的多个加速度值需要测量, 需要测试的过载值从几 g 到上万 g，若在整个过程采用高 g 值加速度计进行测量和控制，它对低 g 值信号不敏感;若采用低量程加速度计，则不能精确测量高过载信号;若采用 2 个加速度计进行测量控制，由于安装位置的不同， 使其测得的信号会产生位置误差， 而且 2个传感器都存在安装误差。 因此抗高过载复合量程加速度计更适合现代发展的需求[1-2]。

　　2　设计原理

　　不同量程的加速度计构成的传感器阵列，可在不同工作环境下满足相应测试和控制要求，并实现多参数测量和多功能控制。 这里分析一种具有 4 个量程(10 g、100 g、500 g、10 000 g)的复合量程微加速度计。 综合考虑加速度计的灵敏度和固有频率等问题，通过 ANSYS 仿真加速度计结构参数，得到复合量程加速度计是梁宽分别为 80 μm、100 μm、190 μm、500 μm 的双端 4梁结构。 复合量程加速度计阵列结构如图 1 所示。

　3　动态特性分析

　　压阻式加速度计可简化为由弹簧、阻尼、质量块构成的二阶自由振动系统，根据牛顿第二定律，可写出单自由度二阶系统的力平衡方程式[3]:

　　图 2 中，幅频特性曲线纵坐标表示幅值与刚度之比，横坐标表示输入信号的频率与固有频率之比。 相频特性曲线纵坐标表示幅频特性的幅角， 横坐标也表示输入信号的频率与固有频率之比。 频率范围以幅值 3 dB 对应频率为截止频率。 分别计算出 4 个量程频响范围为 0~2 783 Hz,0~2679 Hz,0~4 127 Hz,0~5 740 Hz。

　4频率响应测试

　　在被测量物理量随时间变化的情况下， 加速度计的输出能否随输入量变化良好是一个很重要的问题， 以上通过分析复合量程加速度计的动态特性，得到其理论频响特性。以下对封装完成的复合量程加速度计进行动态测试， 图 3为封装后复合量程加速度计 (图中右边的硬币用以对比其大小)。

　　复合量程加速度计的频率响应实验： 使用振动台等设备，将复合量程加速度计及用作对比的传感器同时固定在振动台上， 在 10 Hz～4 000 Hz 范围内对加速度计进行扫频，分别得到复合量程加速度计 4 个量程的幅频特性和相频特性，仅以 0~10 g 量程单元和 0~10 000 g 量程单元的频率响应特性曲线为例，如图 4 和图 5 所示。