振动加速度计及其应用

5.2.3.1　概述

振动加速度计主要可以分为两种：振弦式加速度计和振梁式加速度计。

振弦式加速度计的敏感元件是拉紧的金属弦,核心部件是弦丝式磁电振荡器。振弦式加速度计通过检测振弦的谐振频率变化来测得加速度。如图5.21所示,其基本原理是：振弦的横向谐振频率与受到的拉伸应力有关系,且拉伸应力是振弦端检测质量块的加速度的函数。如果质量为m的物体在加速运动时,振弦的自然振动频率为f0,则两者之间的关系为

式中,m——检测质量块的质量；

a——加速度；

M——振弦单位长度的质量。

图5.21　振弦式加速度计的基本原理示意

振梁式加速度计的核心元件是采用石英晶体或单晶硅材料通过微细加工技术制作的谐振器敏感结构。它的基本原理是：利用谐振器的力―频特性,将载体加速度通过检测质量转换成惯性力,然后惯性力作用于谐振器,就会使谐振器的固有频率发生变化。通过检测谐振器前后的差频,就可以实现加速度值的测量。

5.2.3.2　石英振梁加速度计

如图5.22所示为一种石英振梁加速度计的原理结构示意,它由配对的石英谐振器、带挠性支承约束的摆片、振荡器与频率检测电路等组成。在激振电路的作用下,石英谐振器产生谐振,当敏感轴方向有加速度作用时,检测质量块上产生的惯性力作用在石英谐振器的轴向上,此时两个谐振器分别受拉力和压力作用,受到拉力的谐振器的自振频率升高,受到压力的谐振器的自振频率降低,通过检测两个谐振器的差频信号,就可以实现对加速度的传感。同时,在设计中采用挤压膜阻尼间隙作为超量程时对检测质量块的进一步约束,挤压膜阻尼间隙还用作机械冲击限位,以保护晶体免受过压而损坏。

图5.22　石英振梁加速度计的原理结构示意

石英振梁加速度计有很多优点。例如,直接频率输出,能满足传感器输出数字化的要求；推挽式的配置有很大的共模抑制能力；量程大、体积小、成本低,且易于批量加工；采用挠性轴承代替了传统加速度计中常见的轴承支承,轴承支承会产生摩擦力矩,挠性轴承将其改变为弹性力矩,可以对弹性力矩进行补偿。振动敏感器的典型性能参数指标如表5.8所示。

表5.8　振动敏感器的典型性能参数指标

5.2.3.3　表面声波加速度计(www.xing528.com)

如图5.23所示为一种表面声波加速度计的原理结构示意。压电石英晶体悬臂梁的一端刚性地连在壳体上；另一端带有检测质量块且可自由运动,上边还布有一对表面声波谐振器电极。当一对金属电极交互数字阵列之间产生正向激励时,可产生一系列表面声波,金属电极之间的距离则决定了该声波的波长。

图5.23　表面声波加速度计的原理结构示意

当悬臂梁受到垂直于其平面的加速度作用时,由于惯性反应会产生相应的弯曲。此时,梁的表面出现应变,而金属电极产生的表面声波的频率变化与该应变成比例。通过检测表面声波的频率与基准频率之间的差值,就可得到加速度的值。表面声波加速度计的典型性能参数指标如表5.9所示。

表5.9　表面声波加速度计的典型性能参数指标

续表

5.2.3.4　MEMS硅微加速度计

硅材料廉价、弹性好、没有磁性、强度质量比高、电气性能极好,元器件可通过扩散或表面沉淀来制造。另外,它可以用电气或化学刻蚀的方法达到精度很高的尺寸公差(微米级)。近年来,国内外一直在进行着用硅制造加速度计的研究,主要有两种方案。

一种方案是利用微型加工技术,在硅空腔内形成二氧化硅悬臂梁,如图5.24所示,B板上的悬臂梁的端部镀金,形成检测质量块。当速度变化或加速度变化达到足够大时,检测质量块受到的惯性力就会超过固定(或支承)它的力,就会发生移动。悬臂梁的上表面镀了一层金属,形成电容器的一个电极；在A 板和C板上形成电容器的另一个电极。B板的移动将带来电容的变化。这种形式的加速度计既可以做成开环器件,也可以做成闭环器件。在开环模式,金属板之间的电容随悬臂梁的弯曲(即输入的加速度)而变化；在闭环模式(图5.24),有一对电极用于消除悬臂梁的弯曲。电容传感器通过检测电容的变化,就可以求出输入的加速度值。闭环模式能提高灵敏度。尽管这类器件的精度不太高,但它们尺寸很小、很结实。

图5.24　硅微电容式加速度计的原理结构示意

另一种研究中的硅加速度计带有频率敏感谐振系杆,系杆与一个硅检测质量块做成一体。这些系杆保持在机械谐振状态,根据不同的结构,谐振频率一般为40～100 k Hz。当沿敏感轴有加速度时,检测质量块在系杆产生应变,使输入的每单位g产生几十赫兹的频率变化。该频率变化基本上是可测的。图5.25给出了这种敏感器的结构示意。硅加速度计的典型性能参数指标如表5.10所示。

图5.25　谐振硅加速度计的结构示意

表5.10　硅加速度计的典型性能参数指标