基于柔性微杠杆机构的加速度计结构设计优化

根据谐振式微加速度计的测量原理，将质量块产生的惯性力通过微杠杆机构放大后作用于谐振器上，检测谐振器的谐振频率随加速度变化的变化率，进而感知加速度变化量。根据柔性微杠杆机构的结构可以设计出不同结构的加速度计。

图5.38为笔者团队设计的一种基于两级柔性铰链微杠杆机构的谐振式加速度计平面结构示意图。其工作原理是：将质量块产生的惯性力经柔性铰链微杠杆机构放大后加载于谐振元件的轴线方向上，谐振元件的谐振频率将随之变化；以检测谐振器的谐振频率变化量来检测加速度值。在图示方向加速度作用下，惯性力经过放大机构转换后使左右两个谐振元件分别受同等大小的轴向拉力和轴向压力作用。左右两个谐振元件构成的差动机构中，受轴向拉力作用的谐振元件固有频率将增大，而受压谐振元件的固有频率将减小。

图5.38　一种加速度计结构示意图

图示的差动结构的设计一方面提高了加速度计的检测灵敏度，同时又消除了谐振频率随温度的改变对测量值的影响。这是因为当有加速度a作用时，受拉谐振器固有频率的增大量为

式中，f1a为受拉谐振器在加速度a作用下的固有频率；

f10为受拉谐振器的原固有频率，则Δf拉为正。

而受压谐振器固有频率的变化（减小）量为

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式中，f2a为受压谐振器在加速度a作用下的固有频率；

f20为受压谐振器的原固有频率，则Δf压为负值。

那么，在加速度a作用下，加速度计检测频率的总变化量Δf为

而当外界温度变化时，将致使结构中两个谐振器的谐振频率作相同变化，也就是说两个谐振器的谐振频率随温度的改变将产生大小和方向相同的变化量，由式（5.17）可以看出该变化量将不能反映到加速度计谐振频率的总变化量Δf中。

对于所设计的微加速度计结构中的微杠杆参数，为使两级柔性微杠杆总传力系数最大，也就是为了得到最大扩力比，根据5.2.3节分析，将两级微杠杆机构的各参数设计成表5.1和表5.2所示。

表5.1　某加速度计第一级微杠杆各参数设计值

表5.2　某加速度计第二级微杠杆各参数设计值