用浮动零点法消除温度对SAW加速度计测量准确度的影响

　　传统微型声表面波( SAW) 加速度计依靠两个完全对称的声表面波谐振器( SAWR) 构成差动方式测量待测加速度、抑制和消除温度等共模因素干扰。然而, SAW 加速度计敏感元件) ) ) SAWR 的谐振频率会随温度漂移变化而变化。也就是说SAWR的环境温度与待测加速度是耦合在一起共同决定其谐振频率的。显然, 在SAW 加速度计实测值中应设法消除温度对测量真值的干扰。然而, 常规温度补偿方法需要对温度的精确测量, 难度大、成本高。本文基于分析实验, 给出SAWR 谐振频率的一种时变非线性解耦模型, 提出一种新的双差动SAW加速度计设计方案, 用以消除温度等复杂共模因素对微SAW 加速度计测量准确度的影响。

　　1 SAWO 的频率稳定度和传统SAW加速度计的缺陷

　　通常, 两个SAWO 的频率漂移和稳定度是不一致的。由于SAWR 是SAW 加速度计的敏感元件, 所以SAWO ( 由SAWR 及外围匹配电路组成[ 1 ] ) 的频率稳定度是其性能指标中最重要的一项。

　　按惯例, SAWO 的稳定度分为短期( 1 s) 、中期( 约1h) 和长期( 约1 y) 三类。

　　文献[ 2] 指出, 通过适当的SAWO 设计, 即选用低噪声系数和大饱和功率输出的放大器就可以获得良好的短期频率稳定度。然而, 处理主要由温度变化引起的频率漂移) ) ) 中期频率稳定度、和由于基片或封装等复杂因素引起的频率漂移) ) ) 长期频率稳定度问题要比短期频率稳定度问题复杂得多。

　　由文献[ 1] , [ 4] 知, 传统差动式SAW 加速度计是依靠两个性能完全对称的SAWR1 和SAWR2 来抑制和消除大小相等、变化方向相同的共模干扰的。但由于设计和制作工艺上的原因, 任意两个SAWR在性能上总存在一定的差异, 以致传统SAW 加速度计测量值仍会受到温度因素的影响。为了将剩余的温度共模干扰抑制或消除掉, 须对传统SAW 加速度计进行改造。

　　从式( 5) 还可看出, 即使假定两个SAWR 或SAWO 具有完全一致的温度特性, 传统SAW 加速度计的测量准确度仍与f 0 的温度和时间稳定性有关。因此, 我们不仅应通过更好的SAWO 设计和工艺提高其谐振频率稳定度, 还需寻求新的设计方案提高SAW 加速度计的准确度等工作性能。

　　2 双差动SAW 加速度计结构及工作原理

　　如上所述, 不要奢望两个SAWO 性能或其频率稳定特性完全相同。因此, 本文提出一种四SAWR( 或SAWO) 双差动频率输出SAW 加速度计设计方案。如图1 所示。直接以加速度石英悬臂梁为基片制作四个SAWR。其中, SAWR1 和SAWR2 用于敏感加速度惯性力, 为获得较高的测量灵敏度, 应将SAWR1 和SAWR2 设置在悬臂梁对加速度惯性力的最大形变处。SAWR3 和SAWR4 构成浮动基准零点。它们应安置在与悬臂梁应变无关或形变永远为零的地方, 让它们只去敏感环境温度及其漂移变化情况。SAWO1 和SAWO2、SAWO3 和SAWO4 组成两对差动频率输出。