用静电力和SAW滤波器对悬臂梁式SAW加速度计的扩程及其计量标定

　　对于一个结构确定的悬臂梁式声表面波(SAW)加速度计而言,其敏感质量块的自由运动范围,制约着它的测量范围或量程。扩大或调整悬臂梁式加速 度计量程的方法之一,就是利用静电力发生电容器中的静电吸引力来抵消部分加速度惯性力,使同样大小的质量块位移量(或SAW谐振器谐振频率偏移量)代表着 更大的或不同的待测加速度值。

　　悬臂梁式加速度计是否能够实时地扩大或调整其量程,依赖于对质量块位移量Δx和静电力驱动电压U的实时测量。由于SAW滤波器信号处理速度比较 快,所以本文通过新型设计,利用SAW滤波器的带通滤波特性,实现了对被测加速度大小和方向、以及SAW加速度计扩程需求的快速感知和反应。

　　1　用静电力扩大加速度计的量程

　　1.1　悬臂梁式SAW加速度计

　　悬臂梁式加速度计的悬臂梁具有将被测加速度转换为悬臂梁形变或应变量的功能,由文献[3]知:

　　显然,图1所示悬臂梁式SAW加速度计敏感质量块在静电力发生电容器固定极板间的运动范围制约着悬臂梁式加速度计的量程。然而,利用静电力对加 速度惯性力的抵消作用,可使同样大小的悬臂梁形变或SAWR基片应变量ε代表着更大的被测加速度,达到扩大或调整悬臂梁式加速度计量程的效果。图1所示是 本文提出的、可自动调整量程的悬臂梁式SAW加速度计系统,使用SAW滤波器(SAWF)组的目的,是为了实时检测待测加速度的方向和大小、判断是否需要 扩程或量程调整。

　　1.2　静电力的性质和作用

　　扩大加速度计量程的静电力来自静电力发生器。若用加速度敏感质量块偏离其中心平衡点的偏移量Δx表示其实际位置,且对上极板电容器C1或下极板电容器C2采用单独驱动方式(要么C1,要么C2产生静电力),则其质量块所受静电吸引力Fe为:

　　1.3　扩大量程时的几点说明

　　(1)静电力扩大量程时,敏感质量块稳定平衡特性曲线如图2所示。其中,Fr为悬臂梁弹性回复力(Fr= KΔx),F= Fe+Fr。考虑到加速度敏感质量块的偏移量Δx与悬臂梁形变和SAWR基片应变ε成比例,SAWR基片应变ε与SAW加速度计输出频率Δf成比例,所以本文暂不区分Δx、ε和Δf。

　　(2)静电力是吸引力,所以扩大加速度计量程时,应施加与被测加速度方向相反、且大小适当的外加静电力。图2中,静电力的实际方向取决于是对电容器C1、还是对C2施加电力驱动电压。

(3)应由灵敏度定义SΔfa=ΔfΔa和图2可看出,在驱动电压较小时,加速度计的测量准确度和测量灵敏度较高。