SAW加速度计量程调整及计量标定方法研究
悬臂梁式SAW加速度计差频信号系统分析与设计
Ｏｎ Ｍ ｉｉ ｇ ａ ｄ Ｄｉ ｅ ｅ ｃ ｒ ｑ ｅ ｃ ｌ ｒｎ ｏ ｈ ＡＷ ｘ ｎ ｎ ｆ ｒ ｎ ｅ Ｆ ｅ ｕ ｎ ｙ Ｆｉ ｅ ｉ ｇ ｆ ｒ ｔ ｎ ｉ ｖ ｒ Ｂｅ ｍ ｃ ｌｒ ｍ ｔ ｒ ｗｉｈ Ｃａ ｔｌ ｅ ａ ｅ
维普资讯
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《 测控技术》 ｏ ８年 第 ２ ２ｏ ７卷第 ７期
悬臂梁 式 Ｓ Ｗ 加速度计差频信号 系统分析 与设计 Ａ
刘骏跃 ，苗国耀 韩小 菊 ， ，马惠成 ，陈
（ ・西安文理学 院 机电系 ， １ 陕西 西安 ３ ．西北工业大学 自动化 学院 ， 陕西 西安 ７０ ７ ） １０ ２
２．Ｓ ｈ ｏ ｆＥｌ ｃｒｃ ｌａ ｄ Ｃ ｎ ｒ ｌＥｎ ｉ ｅ ｒ ｇ Ｘｉ ａ ｉｅ ｓｔ ｆＳ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ Ｘｉ ａ １ ０ ４， ｈ ｎ ； ｃ ｏ ｌｏ ｅ ｔ ａ ｎ ｏ ｔ ｇ ｎ ｅ ｎ ， ’ ｎ Ｕｎ ｖ ｒｉ ｏ ｃ ｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｉ ｏ ｉ ｙ ’ ｎ ７ ０ ５ Ｃ ｉ ａ
明
７０５ ： １０ ４
７０ ６ ２ １０ ５； ．西安科技大学 电控学院 ， 陕西 西安
摘要 ： 于现 有声表 面波 （Ａ 器件的制作工 艺和技术水 平， 鉴 Ｓ Ｗ） 进一 步改进 了 Ｓ Ｗ 加速度 计 的设计方案 。尽 管改进 方案降 Ａ 低 了一些灵敏 度 ， 但容 易使 实 际制作的一对 Ｓ ＷＲ具 有尽 可能相 同的频 率响应 特性 ， 而把 实现 其抑制 ／ ｚ － Ｌ Ａ 进 ｇｇ ｆ ｂ ￣优 点
落 实 到 了工程 实处 。 由于 改 进 方 案 浮 动 零 点 Ｓ ＷＲ 的 谐 振 频 率 相 对 固 定 ， 而便 于 借 鉴 无 线 通 信 理 论 的 现 成技 术 成 果 Ａ 因
加速度计的测量方法与准确性改进措施
加速度计的测量方法与准确性改进措施加速度计是一种能够测量物体加速度的仪器，广泛应用于科学实验、工程测量和导航等领域。
而加速度计的测量方法和准确性对于许多应用至关重要。
本文将探讨加速度计的测量方法和准确性改进措施，以及在不同应用场景下的应用。
一、常见的加速度计测量方法常见的加速度计测量方法包括压电式、气体阻尼式和MEMS式等。
压电式加速度计是指通过应变致电效应将物体的加速度转化为电信号进行测量的一种方法。
气体阻尼式加速度计则是利用加速度对液体或气体的阻力产生的压力差使测得的压力差信号与加速度成正比，最后通过电子仪器转化为电信号。
二、加速度计测量准确性的改进措施为了提高加速度计的测量准确性，可以采取以下几种改进措施。
1. 温度补偿加速度计在不同温度下的测量结果可能存在偏差，因此需要进行温度补偿。
通过在加速度计中引入温度传感器，可以实时监测温度变化，并根据预先设定的补偿算法对测量结果进行校正，从而提高测量准确性。
2. 去除噪声加速度计在实际应用中往往会受到来自环境和仪器本身的噪声干扰。
为了提高测量准确性，可以通过滤波算法去除这些噪声。
常用的滤波算法包括低通滤波、高通滤波和带通滤波等，可以根据具体应用需求选择合适的滤波算法。
3. 陀螺仪联合测量为了提高加速度计的测量准确性，可以将其与陀螺仪进行联合测量。
陀螺仪用于测量角速度，通过将加速度计和陀螺仪的测量结果进行融合，可以得到更准确的加速度信息。
这种联合测量的方法被广泛应用于惯性导航系统和运动控制系统等领域。
三、不同应用场景下的加速度计应用加速度计的应用广泛且多样，下面将分别介绍在科学实验、工程测量和导航等领域中的加速度计应用。
1. 科学实验在科学实验中，加速度计常用于测量物体的加速度和振动等物理量。
例如，加速度计可以用于测量地震的震级和地面振动的频率。
此外，加速度计还可以用于实验室中的物体运动和力学实验，帮助研究人员了解物体的动力学性质。
2. 工程测量在工程测量中，加速度计常用于测量结构物的振动和冲击等物理量。
物理实验技术中加速度计测量与标定技巧
物理实验技术中加速度计测量与标定技巧加速度计是物理实验中常用的一种仪器，用于测量物体的加速度。
在物理实验中，准确测量和标定加速度计是非常重要的。
本文将介绍加速度计的测量原理以及标定技巧，帮助读者更好地理解和应用加速度计。
一、加速度计的测量原理加速度计是一种用来测量物体加速度的设备，主要通过测量物体的惯性变化来实现。
常见的加速度计有压电式加速度计、光电式加速度计等。
压电式加速度计是利用压电材料的特性实现的。
压电材料在受到力或压力时会产生电荷，从而产生电压信号。
当加速度计受到加速度时，压电材料也会产生变形，并相应地产生电压信号。
通过测量产生的电压信号的大小，即可计算出物体的加速度。
光电式加速度计则是利用光电传感器测量物体的位移变化来实现的。
光电传感器通过光电效应将光信号转化为电信号，当加速度计受到加速度时，物体会发生位移变化，从而导致光电传感器测量到的光信号发生变化。
通过测量光信号的变化，即可计算出物体的加速度。
二、加速度计的标定技巧标定加速度计是为了使其输出的电信号与真实的物体加速度之间有一个准确可靠的对应关系。
下面介绍几种常见的标定技巧。
1. 零点校准零点校准是指在没有受到加速度时，将加速度计的输出调整为零。
可以将加速度计放在静止的平面上进行校准，通过调整仪器上的相关设置使输出为零。
经过零点校准后，可以保证在没有受到加速度时，加速度计的输出为零。
2. 常重校准常重校准是指在受到固定加速度（常重）下，将加速度计的输出调整为一个已知的数值。
首先需要提供一个已知的固定加速度，例如放置在重力水平方向的斜面上，使其受到斜面上固定的加速度。
然后通过调整加速度计的相关设置，使其输出与已知的加速度值相等。
3. 多点标定多点标定是指在多个已知加速度点上进行标定。
可以准备多个已知加速度的实验环境，然后将加速度计分别放置在这些实验环境中进行测量，记录加速度计的输出值。
根据已知的加速度和加速度计的输出值，可以建立起一个加速度与输出值之间的对应关系。
无源SAW加速度计及加速度测试方法[发明专利]
![无源SAW加速度计及加速度测试方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/1a851f8fa98271fe900ef972.png)
专利名称：无源SAW加速度计及加速度测试方法
专利类型：发明专利
发明人：林丙涛,卜继军,马晋毅,丁毅,杜波,赵建华,翁邦英申请号：CN201210574101.0
申请日：20121226
公开号：CN103018484A
公开日：
20130403
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种无源SAW加速度计及加速度测试方法，所述的加速度计由力转换装置2、SAW器件1、天线8及信号连接线9构成，SAW器件1包括换能器3、第一反射栅4a和第二反射栅4b，换能器的两个电极通过信号连接线与用于信号收发的天线相连；力转换装置2包括悬臂梁5、质量块6、固定块7，有加速度输入时，质量块产生惯性力和对固定块的惯性力矩，该力矩使得悬臂梁绕固定块挠曲变形和SAW信号在基片表面传输时间的变化，通过解算传输时间变化量即可得到输入加速度的值，信号的收发及能量的传递均通过天线完成，实现了加速度量的无源化检测。
申请人：中国电子科技集团公司第二十六研究所
地址：400060 重庆市南岸区南坪花园路14号
国籍：CN
代理机构：北京同恒源知识产权代理有限公司
代理人：赵荣之
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加速度计误差标定流程
误差系数标定算法：1．单个加速度计测量模型：10i o po p a E k k a k a k a ==+++ （1）a —加速度计输出指示值：g 。
ia pa oa —沿加速度计输入轴，摆轴，输出轴向作用的加速度分量： g 。
E —加速度计的输出：一般为V 或者mA 。
0k —加速度计偏值：g 。
1k —刻度因素：V g 或者m A g 。
o k ，p k —输出轴，摆轴灵敏度系数：无量纲。
2．非质心处的加速度计输出模型：[()]i T ia A r r ωωωθ=+⨯⨯+⨯⋅ （2） [()]o T oa A r r ωωωθ=+⨯⨯+⨯⋅ （3） [()]p T pa A r r ωωωθ=+⨯⨯+⨯⋅ （4） 其中，[()]A r r ωωω+⨯⨯+⨯ 代表位置r 处的加速度值，iθ，oθ，pθ分别为加速度计的敏感轴，输出轴和摆轴的方向向量。
将（2）（3）（4）带入（1）式并令[()]TA r r f ωωω+⨯⨯+⨯= ，可得： ()10iopo p a E k k f k k θθθ==+⋅+⋅+⋅ （5）当存在安装方位误差时，即：i i i l θθθ=+∆，o o ol θθθ=+∆，pppl θθθ=+∆ （6）其中，il θ为加速度计敏感轴的理论设计安装方向向量；iθ∆为加速度计敏感方向误差，其余两轴类似。
将（6）带入（5），整理可得：()10iiopopl o l p l o p a E k k f k k k k θθθθθθ==+⋅+∆+⋅+⋅+⋅∆+⋅∆令 i iopopl o lplopd k kkk θθθθθθ=∆+⋅+⋅+⋅∆+⋅∆，上式可变为：()10iil l a E k k f d θθ==+⋅+ （7）（7）式两边乘以刻度因子1k ，得：()110i il l E k k f k d θθ⎡⎤=⋅+⋅⋅+⎣⎦，令100K k k =⋅，单位：V 或者mA ，代表等效零偏；()1iis l lk d θθθ=⋅+，单位：Vg 或者m A g ，代表等效敏感方向向量。
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
定等问题进行了有益地探讨， 针对电容器静电力的非线性扩程特点， 提出了查询表式的在线实时测量换算读值方案。
关键 词 ： 悬臂梁式声表面波加速度计； 声表面波滤波器 ； 扩大量程： 计量校准和标定
Ｅｎ ａ ｇ ｎ ｅ ｓ ｒ ｎ ｅａ ｄ Ｒｅ ｔｆ ｉ ｇ ａ ｄ Ｄｅ ｒ ａ ｉ ｇ ｌ ｒ ｉ ｇ Ｍ ａ ｕ ｅＲａ ｇ ｎ ｃ ｉｙｎ ｎ ｍａ ｃ ｔｎ
ｔ ｈ ｃ ｌｒ ｍ ｅｅ ｔ ｎ ｉ ｖ ｒ Ｂｅ ｍ ｏ ｔ ｅＡｃ ｅｅ ｏ ｔｒ ｗｉｈ Ｃａ ｔｌ ｅ ａ ｅ
生电容器 中的静 电吸引力来抵 消部分加速度惯性 力 ， 同样大小的质量块位移量 （ Ｓ Ｗ 谐振器谐 使 或 Ａ 振频率偏移量） 代表着更 大的或不同的待测加速度
值。
Байду номын сангаас
１ 用静 电力扩大加速度计的量程
１ １ 悬臂梁式 Ｓ Ｗ 加速度计 ． Ａ
悬臂梁式加速度计是否能够实时地扩大或调整 其量程 ， 赖于对质量块位移量 和静 电力驱动 依
ＥＥ ＡＣＣ： ２ ０； ３ Ｏ １ ７ ７ ２ Ｅ
用静 电力 和 Ｓ ＡＷ 滤波器对悬臂梁式 Ｓ ＡＷ 加速度 计 的扩程及其计 量标定
刘骏跃 ， 明 陈
（ 西北 工业 大学 自动 化学 院 ， 西安 ７ ０ ７ ） １０ ２
摘 要 ： 提出了用声表面波滤波器测知加速度方向和大小的原理和方法， 了电容器中的静电吸引力对加速度计敏感质 研究
梁式加速度计量程 的方法之一 ， 就是利用静 电力发
电压 Ｕ的实时测量 。由于 Ｓ Ｗ 滤波器信号处理速 Ａ
加速度计的使用方法
加速度计的使用方法随着科技的不断进步，加速度计成为了现代各行业中不可或缺的仪器。
无论是汽车制造、航天航空、还是智能手机等消费电子产品的设计与生产，加速度计都扮演着重要的角色。
本文将介绍加速度计的使用方法，并探讨其在不同领域的应用。
首先，要了解加速度计的基本原理。
加速度计是一种测量物体加速度的仪器，其工作原理基于牛顿第二定律。
当物体受到加速度的作用时，加速度计会测量到相应的机械振动信号，并转换为对应的电信号。
通过测量这些电信号的变化，我们可以获得物体的加速度信息。
在使用加速度计之前，我们需要根据具体应用场景选择合适的类型和规格。
加速度计的种类众多，常见的有三轴加速度计、微机电系统(MEMS)加速度计和谐振加速度计等。
三轴加速度计能够同时测量物体在三个方向上的加速度，适用于需要全方位监测的场合。
而MEMS加速度计则具有小巧、低功耗等特点，广泛应用于智能手机、手持设备等电子产品中。
在实际应用中，我们通常会将加速度计与其他传感器结合使用，以获得更为准确和全面的数据。
例如在汽车制造领域，加速度计常与陀螺仪联合使用，以检测车辆的姿态和运动状态。
在航天航空领域，加速度计可与其他导航设备集成，用于飞行控制和航向稳定。
这些组合使用的技术可以大大提高系统的性能和可靠性。
对于普通用户而言，使用加速度计主要是通过操作相应的软件来实现。
例如，在智能手机中，用户可以通过内置的陀螺仪和加速度计，利用重力感应功能实现屏幕自动旋转、游戏控制等功能。
此外，加速度计还可应用于健身追踪、步数统计等领域。
通过下载相应的应用程序，用户可以将手机变成一个方便实用的健康管理工具。
对于更专业的使用者，熟悉加速度计的校准和数据处理技巧至关重要。
在使用加速度计之前，我们需要对其进行校准，以消除由于制造工艺等原因引起的误差。
校准的方法有多种，常见的包括静态校准和动态校准等。
通过合理选择校准方法，我们可以有效提高加速度计的测量精度。
值得一提的是，加速度计的使用也存在一些限制。
加速度计标定方案
加速度计标定过程一、为避免多次安装引入误差，对加速度计只进行一次安装，将惯性组件的坐标系XYZ对应安装到转台零位上，使惯性组件X轴与分度头x轴平行，Y与y平行，Z与z轴平行。
利用十二位置法对加速度进行标定，每个位置采样时间1分钟。
二、数据处理1、采用以下误差项模型其中，Ax,Ay,Az为参考加速度值，Na=[Nax.Nay,Naz]’为三敏感轴输出加速度值。
Da=[Dax,Day,Daz]’为敏感轴的零位误差，Kax,Kay,Kaz为刻度因数。
Eaxy,Eaxz,Eayx,Eayz,Eazx,Eazy为误差耦合因数。
2、在12个不同位置测量，各个位置比力表如下(单位:g)。
根据比力表可得到12组参考加速度值Ax,Ay,Az。
3、 每个位置上采样1分钟，并对每个位置所得数据取平均值，获得一组Nax.Nay,Naz ，共有12组数。
根据以上误差项模型，利用最小二乘法得最后有效系数Kax,Kay,Kaz,Eaxy,Eaxz,Eayx,Eayz,Eazx,Eazy,Dax,Day,Daz 。
三、实验结果利用MATLAB 编写最小二乘法程序，最后得到误差项模型数据如下。
a 1.00040.01200.00660.0016=0.0135 1.00100.00210.00250.00310.0008 1.01210.0534Kxx Exy Exz D x Eyx Kyy Eyz Day EzxEzy Kzz Daz -⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥---⎣⎦⎣⎦ 根据以下误差模型，利用实际测量的值Nax,Nay,Naz,便可得到实际值Aax,Aay,Aaz 。
-1a ax 0.99950.0120-0.0065a 0.0*-=-0.01350.9988-0.0020-0.00310.00080.9880Aax Kxx Exy Exz N x D N x Aay Eyx Kyy Eyz Nay Day Nay Aaz Ezx Ezy Kzz Naz Daz Naz ⎛⎫⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤ ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥= ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥ ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎝⎭0200.0025-0.0528⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦。
加速度的测量原理及其方法
加速度的测量原理及其方法宝子！今天咱们来唠唠加速度的测量原理和方法，可有趣啦！先说说加速度的测量原理吧。
你可以把加速度想象成是速度变化的“小调皮”。
如果一个物体的速度在变，那它就有加速度。
根据牛顿第二定律，力等于质量乘以加速度（F = ma）。
要是我们能知道物体受到的力和它的质量，就能算出加速度啦。
不过这是一种间接的办法。
还有一种更直接的思路哦，那就是从速度的变化入手。
如果我们能测量出一个物体在一段时间内速度的改变量，用这个改变量除以时间，就得到加速度了。
就像你看一辆车，它从慢悠悠的速度突然变快了很多，这个变快的程度和变快所用的时间一对比，就知道加速度的大小了。
那测量加速度都有啥方法呢？有一种很常见的工具叫加速度计。
这个小玩意儿可神奇了。
它就像是加速度的小侦探。
加速度计里面有一些很精密的结构哦。
比如说，有的加速度计是利用电容的变化来检测加速度的。
当有加速度的时候，加速度计里面的一些小部件会因为惯性而发生位移，这一移位，电容的值就改变了。
通过测量电容的变化，就能算出加速度啦。
还有的加速度计是利用压电效应呢。
简单说就是，当加速度让某些晶体受到压力的时候，晶体就会产生电信号，这个电信号的大小就和加速度有关啦。
另外一个办法就是通过测量位移和时间来间接得到加速度。
咱们可以用一些测量距离的仪器，像激光测距仪之类的。
先测量出物体在不同时刻的位置，这样就能算出速度的变化，进而得到加速度。
这就像是给物体的运动轨迹画一幅超级详细的地图，从地图里就能分析出加速度这个小秘密。
还有哦，在一些实验里，我们可以用打点计时器。
这个东西就像一个小鼓手，它会按照固定的时间间隔在纸条上打出小点。
物体拖着纸条运动，根据点与点之间的距离变化，就能算出速度，再算出加速度。
是不是很像在玩解谜游戏呀？加速度的测量虽然听起来有点复杂，但只要掌握了这些原理和方法，就像打开了一扇了解物体运动奥秘的小窗户呢！。
提高加速度计校准精度的方法与系统[发明专利]
![提高加速度计校准精度的方法与系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/1bc035c0a5e9856a571260e3.png)
专利名称：提高加速度计校准精度的方法与系统专利类型：发明专利
发明人：黄钦文,王蕴辉,李向光
申请号：CN201410060702.9
申请日：20140221
公开号：CN103823083A
公开日：
20140528
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种提高加速度计校准精度的方法与系统，针对特定的稳速台输出加速度，设定随动台处于0度位置和180度位置，并分别测量固定在随动台上的加速度计的输出值。
设定多个输出加速度，可以获得多组加速度计输出值，可实现对校准过程中加速度计的工作半径误差进行测试评估，由所获得的结果，可以对所校准的加速度计性能参数进行修正，消除工作半径误差所带来的影响，提高校准精度，降低校准过程中对加速度计的安装要求。
申请人：工业和信息化部电子第五研究所
地址：510610 广东省广州市天河区东莞庄路110号
国籍：CN
代理机构：广州华进联合专利商标代理有限公司
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加速度参数的校准指令
加速度参数的校准指令Acceleration parameter calibration instructions are crucial for ensuring the accuracy and reliability of various devices and systems that rely on precise measurements of motion. The calibration process involves adjusting the parameters of the accelerometer or other motion-sensing device to match the actual acceleration experienced by the device. This is achieved through a series of steps that may include placing the device in known acceleration fields, comparing the device's output to that of a reference device, and making adjustments as necessary.加速度参数的校准指令对于确保依赖精确运动测量的各种设备和系统的准确性和可靠性至关重要。
校准过程涉及调整加速度计或其他运动传感设备的参数，以匹配设备实际经历的加速度。
这通过一系列步骤实现，可能包括将设备放置在已知的加速度场中，将设备的输出与参考设备的输出进行比较，并根据需要进行调整。
Proper calibration of acceleration parameters is essential for a wide range of applications, from automotive engineering to aerospace technology. In the automotive industry, accurate acceleration measurements are crucial for ensuring the safety and performance of vehicles. For example, calibration of the accelerometer in a vehicle's airbag system is essential for ensuring that the airbags deploy at the correct moment during a collision.加速度参数的正确校准对于从汽车工程到航空航天技术等各种应用都至关重要。
新的加速度计校准方法
.
二
了压
图
l
用随机激励的背 靠背 F 公 司生 产的 2 0 3
2
FT
校准系 统
不 不 万万
。
丁
=
8 5 (
%)
,
B & K
/ 2 0 3 4 型 双 通 道信号
,
尽 管 在一 般 情 况 下 够了 的
, ,
5
% 的 不 确 定度 是 足
分 析仪 能显 示 8 0 线 的 频谱
图
2
能提 供一 个 其 频
,
8
%
。
置 信 度 均取 9
4
.ห้องสมุดไป่ตู้
9
内进 行校 准
成 一 个 良好 设计 的校 准系 统
F T
那 么该 系 统利 用
,
改进 的 替 代法 F
校准
,
: 替 代法 在 S H
到s k
H
Z
范 围内 可以 实 现精确 的快 它还 具 有非 常
,
速校 准 但在此 时 另 而 参 考传 感
。
如果 系统 使 用 计 算 机
度均 取 9 %
5
.
。
假 设在 两 次 测 量期 间
没 有改 变
,
横 向运 动和 温 度都 确定 度 U
。。
结语
我们 就 可以找 出系统 不
.
结 合 使 用 现 代信 号 分析 仪 的 自校 正 方 法 能 够 提 高 比 较 测量 的准 确 度
,
由 实验 数 据 和 计 算 得
U。
=
0
48
%
。
所 以 它是 一 种很 好
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第27卷 第9期2006年9月仪器仪表学报Chinese Journal of Scientific InstrumentVol127No19Sep12006SAW加速度计量程调整及计量标定方法研究3刘骏跃1,2陈明11(西北工业大学自动化学院西安710072)2(西安科技大学电控学院 西安 710054)摘要 提出了用声表面波滤波器测知加速度方向和大小的方法,研究了电容器中的静电吸引力对加速度计敏感质量块的位置稳定作用,以及用它扩大悬臂梁式加速度计量程的原理。
用SAW滤波器和电容器中的静电吸引力扩大和调整了悬臂梁式基本加速度计的量程之后,需要对量程调整后的加速度计测量值进行校准和计量标定。
本文利用精密离心机转速与其向心加速度之间的对应关系对SAW加速度计的测量数据进行了计量标定。
关键词 悬臂梁式SAW加速度计量程调整计量校准和标定离心机中图分类号 TP212.6 文献标识码 A 国家标准学科分类代码 460.4020On adjusting measure range&calibration for the SAW accelerometerLiu J unyao1,2 Chen Ming11(College of A utomatic Cont rol,N orthw estern Pol y technical Universit y,X i’an710072,China)2(S ch.of Elect rical and Cont rol Eng.,X i’an Univ.of Sci.and Technol,X i’an710054,China)Abstract A new met hod using surface acoustic wave filter(SAWF)and electro static force in parallel2plate ca2 pacitor for expanding t he measurement range of accelerometer wit h cantilever beam is p ut forward.The effect of elect rostatic force on stabilizing t he position of t he sensitive mass block in t he accelerometer and t he elemen2 tary principle of expanding t he measurement range using t his effect are discussed.The calibration met hod for calibrating t he accelerometer wit h cantilever beam is st udied.The SA W accelerometer was calibrated using t he relationship between t he rotating speed of t he centrif ugal machine and it s cent ripetal acceleration.K ey w ords SAW accelerometer wit h cantilever beam enlarging measure range of accelerometer rectifying and demarcating centrif ugal machine1引言 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。
利用静电力发生电容器中的静电吸引力来扩大或调整悬臂梁式加速度计量程,就是使同样大小的质量块位移量代表着更大的或不同的被测加速度值。
根据被测加速度大小实时调整测量量程,不仅扩大了基本加速度传感器的量程,而且还提高了其测量灵敏度。
悬臂梁式加速度计实时扩大或调整其量程,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,实现了对待测加速度的大小、方向以及SAW加速度计扩程需求的快速感知和反应。
任何测量仪器和测量过程都存在着计量标定问题。
用SAW加速度计测量加速度值,意味着要确定SAW谐振器的差频输出频率值与作为加速度计量单位的另一同类物理量之间的数值关系。
本文用精密离心机完成了对SAW加速度计的计量标定。
3本文于2005年7月收到。
第9期刘骏跃等:SAW 加速度计量程调整及计量标定方法研究1053 2用静电力扩大加速度计的量程2.1 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:在SAW 谐振器(SAWR )基片应变较小时(ε<10-3),SAW 加速度计的输出频率Δf 与SAWR 基片应变量ε、待测加速度α成正比,即:Δf =f 1-f 2=2f 0ε(k -1)(1) Δf =S Δf αf 0α(2) 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,如图1所示。
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。
为了提高基本加速度计(见2.2节说明(4))的性能,本文设计了如图1所示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被测加速度的方向和大小,判断是否需要扩程或量程调整。
图1悬臂梁式SAW 加速度计系统图2质量块合力特性曲线2.2 静电力的性质及利用 先讨论利用静电力扩大加速度计量程的问题。
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C 1或下极板电容器C 2采用单独驱动方式(要么C 1,要么C 2产生静电力),则其质量块所受静电吸引力F e 为: F e =12εA (U d -Δx)2(3)给C 1加静电力驱动电压时,F e 方向向上;反之,向下。
用外加静电力F e 扩程时,加速度敏感质量块受到了加速度惯性力ma 、静电力F e 和悬臂梁弹性形变回复力F r 的共同作用。
当它们满足一定条件时,质量块将稳定平衡在静电力发生电容器两固定极板之间。
敏感质量块位置稳定的充分条件为: ma =F e +F r(4) 位置稳定的必要条件可以这样考虑:设质量块在某偏移量|Δx 0|处式(4)满足,如果某原因使得质量块的位移量|Δx |小于|Δx 0|,以致: ma >F e +F r(5) 那么加速度惯性力将使质量块的位移量|Δx |增加(F r =K |Δx |也增加),直至力学平衡式(4)成立,如图2所示;同理,如果|Δx |大于|Δx 0|,则悬臂梁弹性回复力会使质量块的位移量|Δx |减小。
可见,使式(4)成立的|Δx 0|是受被测加速度激励时,敏感质量块的动态稳定平衡位置。
说明以下5点: (1)静电力扩大量程时,敏感质量块稳定平衡特性曲线F (Δx )|U 或F (Δf )|U ,如图2所示。
其中,F r 为悬臂梁弹性回复力(F r =KΔx ),F =F e +F r 。
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、大小适当的外加静电力。
图2中,静电力的实际方向取决于对电容器C 1还是对C 2施加静电力驱动电压。
(3)应由灵敏度定义S Δf a =Δf Δa 和图2可知,在静电力驱动电压U 较小时,加速度计的测量准确度和测量灵敏度较高。
(4)当被测加速度a 在基本量程内时,SAW 加速度计的读数Δf 直接反映了被测加速度的大小;反之,需要加上与静电力驱动电压相关的修正量,才是准确的待测加速度值。
为叙述方便,称外加静电力为零时的加速度计为基本加速度计,称基本加速度计的最大测量范围为加速度计的基本量程。
(5)实时扩大或调整加速度计的量程,依赖于对质量块位移量Δx 或加速度计输出频率Δf 和静电力驱动电压U 的实时测量。
由于用于测量频率的频率计只能测正值频率,且测频速度慢,所以本文选用信号处理速度快的SAW 滤波器,实现了对被测加速度大小、方向以及SAW 加速度计扩程需求的快速感知和反应。
3声表面波滤波器3.1声表面波滤波器简介 声表面波滤波器(SAWF )是用集成电路工艺,制作在压电基片表面的一种新型信号处理器件。
由于SAWF1054 仪 器 仪 表 学 报第27卷的中心频率和带宽等滤波器参数是由其叉指换能器(ID T )的叉指数目、叉指周期以及叉指换能器掩膜图案等几何参数决定的,因而设计和制作都十分方便。
其工作过程可简述为:当给SAW 滤波器输入交变电信号时,发射ID T 能够将电信号转换为声表面波信号,沿压电晶体表面传播到输出叉指换能器,再由接收ID T 将其转换为电信号。
由于篇幅所限,此处略谈SAW 滤波器的滤波机理,仅指出利用声表面波滤波器(SAWF )的带通滤波特性及其辅助电路,可以实现对加速度方向和大小的实时判断;将单片机与特定滤波参数的声表面波滤波器组相配合,可以实现对悬臂梁式加速度计量程的实时调整及扩程后的计量校正和标定。
均匀间距、等叉指长度的SAWF 如图3所示。
由于SAWF 的滤波性质,当把SAW 加速度传感器的准数字频率信号输入SAWF 时,只有频率范围与SAWF 匹配的那些频率信号才能通过SAWF ,并在其输出负载电阻上引起电压响应,如图1、图4和图5所示。
3.2SAW滤波器参数及设计图3声表面波滤波器 图3所示是等指宽度、等指间距(都为b )、等指加权的SAW 滤波器。
由文献[1]知,该SAW 滤波器的中心频率为: f 0=v sλ=v s4b(6)式中:v s 为声表面波传播速度,λ为SAW 波长。
可见对于v s 一定的SAWF 基片,通过调整其ID T 的指间距b ,即可使SAWF 的中心频率满足实际需要。
SAWF 的带宽是由发射ID T 带宽确定的,ID T 的带宽ΔF 与其叉指对数目N 的关系为:ΔF =f 0/N (7)4用SAW 滤波器扩大基本加速度计的量程4.1用SAW 滤波器组判断加速度方向 考虑到不同方向的加速度在SAW 谐振器SAWR1上引起的频移方向是相反的(对应ε或-ε),所以可利用适当的SAW 滤波器组来分辨被测加速度的方向。