一種大量程加速度傳感器的性能測試*

周智君，石云波* ，唐 軍，丁宇凱

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051;2.中北大學電子測試技術(shù)重點實驗室，太原030051)

大量程加速度傳感器是指具有大動態(tài)測量范圍的加速度計，范圍可以在幾百gn到上萬gn，甚至高達幾十萬gn。目前主要用在炮彈引信和航空、航天慣性導航等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中需要進行大量的振動和沖擊測試，測試環(huán)境比較惡劣，采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的加速度傳感器難以實現(xiàn)。而采用微機械加工工藝制造的MEMS大量程加速度傳感器由于具有耐沖擊、抗過載能力強、響應快、穩(wěn)定性高等特點，能滿足惡劣環(huán)境下的測試要求，因此大部分的大量程加速度傳感器都采用MEMS加工工藝。大量程加速度傳感器在軍事領(lǐng)域當中具有非常重要的應用價值，是MEMS技術(shù)在軍事武器裝備，尤其在引信侵徹過程的慣性測試和控制應用中的關(guān)鍵技術(shù)之一［1－3］。

目前，國內(nèi)外已成功地研制出了性能優(yōu)良的高g值加速度傳感器，并已成功裝備到侵徹彈并應用于工程實際中。美國NASA中心研制的單晶6HSiC 壓阻式加速度傳感器［4－5］，量程可達 105gn，固有頻率600 MHz以上，傳感器靈敏度為343 nV/gn。浙江工業(yè)大學董健等人設計的整體式懸臂梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器［6］，靈敏度達到 3.024 μV/gn(5 V 工作電壓)，工作頻率帶寬達到0～81 kHz，程達到0～5 ×104gn。

本文介紹的一種大量程加速度傳感器，采用一對雙端固支結(jié)構(gòu)［7］:質(zhì)量塊、懸臂梁、外框組成，用于測量硅平面內(nèi)的加速度。設計量程為15×104gn，抗過載20 ×104gn，頻率響應大于20 kHz。

1 傳感器結(jié)構(gòu)

設計的加速度傳感器基于是壓阻效應，采用硅梁外加質(zhì)量塊的雙端固支結(jié)構(gòu)，如圖1所示，質(zhì)量塊由懸臂梁支撐連接在硅基框架上，其敏感方向在硅平面內(nèi)，在受到敏感方向的加速度時，質(zhì)量塊會在敏感方向上帶動懸臂梁結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲，使得懸臂梁產(chǎn)生軸向的拉伸和壓縮變形，在梁上變形區(qū)內(nèi)布置壓敏電阻，形成惠斯通電橋，懸臂梁上電阻值隨應力作用發(fā)生變化，引起測量電橋輸出電壓變化。該傳感器芯片設計量程為105gn，抗過載能力為15×104gn。圖2是加速傳感器芯片的裸片圖。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳感器裸片圖

該傳感器的最大特點是，實現(xiàn)了硅平面內(nèi)對加速度進行測量的構(gòu)想，為單芯片上集成三質(zhì)量塊獨立結(jié)構(gòu)的三軸加速度傳感器奠定了基礎(chǔ)。

2 馬歇特錘沖擊測試試驗

馬歇特錘結(jié)構(gòu)簡單，沖擊試驗裝置如圖3所示，利用馬歇特錘可對傳感器的靈敏度進行標定。

圖3 馬歇特錘試驗裝置示意圖

本文采用被測傳感器與標準傳感器對比的方法對傳感器進行沖擊測試，標定傳感器的靈敏度。將被測傳感器和標準傳感器固定在特制鋁夾具上，然后將其安裝在馬歇特錘錘頭上，將傳感器的調(diào)理電路、信號輸出線固定在連接馬歇特錘的錘桿上。在試驗中，標準傳感器選擇為204所研制的988壓電加速度傳感器，靈敏度為0.253 pC/gn，988傳感器輸出通過外接KISTLER 5015A型電荷放大器后與Tektronix TDS3054B四通道示波器一路通道相連接，電荷放大器放大倍數(shù)10，000 pC/V;被測傳感器通過調(diào)理電路將輸出電橋電壓信號放大18.56倍的后，接入示波器的另一路通道輸出。測試結(jié)果如表1所示。

表1 馬歇特錘沖擊測試結(jié)果

對988傳感器輸出的加速度值與被測傳感器輸出的電壓值通過最小二乘法進行線性擬合，得到擬合直線如圖4所示。

圖4 傳感器靈敏度擬合曲線

由圖4，根據(jù)加速度值與電壓之間的線性關(guān)系式，測得傳感器的靈敏度為 0.126 μV/gn。

3 Hopkinson 桿激光干涉沖擊測試［8－11］

本文利用Hopkison桿激光沖擊試驗測試平臺對研發(fā)的傳感器進行頻響校準測試試驗，測試平臺的工作原理如圖5所示。

圖5 Hopkinson桿激光干涉測試原理圖

將被測傳感器安裝在Hopkinson桿的尾部，由壓縮空氣發(fā)射一子彈，經(jīng)炮管，同軸撞擊Hopkinson桿的起始端的墊片，將會在Hopkinson桿中產(chǎn)生近似半正弦的壓應變脈沖，并沿Hopkinson桿縱向傳播。子彈選用直徑為16 mm，材料為45鋼的平頭彈，采用鋁制墊片，可以獲得激勵脈沖脈寬小，幅值能量高的加速度激勵信號，能夠?qū)⒈恍氏到y(tǒng)的全部模態(tài)頻率都能進行激發(fā)，以期能得到被校傳感器完整的動態(tài)響應。圖6(a)為激光干涉儀測得的多普勒頻移信號經(jīng)相位解算法得到的激勵加速度值，峰值為 85 673.6 gn，脈寬 27 μs。圖 6(b)為待校準的電壓輸出信號。

圖6 Hopkinsion桿實驗測試數(shù)據(jù)

利用鏡像映射法［12］對上述的數(shù)據(jù)進行處理得到傳感器的對數(shù)幅頻特性曲線如圖7所示。

圖7 對數(shù)幅頻特性曲線

從圖7可知，封裝后傳感器的通頻帶 ωb為90.85 kHz，諧振頻率 ωx為 66.24 kHz，諧振峰值 Lm為11.15 dB，幅值誤差在5%內(nèi)的工作頻帶 ωg為21.92 kHz。對有峰值的對數(shù)幅頻特性曲線，諧振峰值Lm與阻尼ζ的關(guān)系為

固有頻率ωn與諧振頻率ωx和阻尼ζ的關(guān)系為

根據(jù)式(1)和式(2)，可求出傳感器的阻尼和固有頻率分別為 ζ=0.13 和 ωn=67.33 kHz。

調(diào)整壓縮空氣，產(chǎn)生不同幅值的激勵脈沖對傳感器進行校準，校準數(shù)據(jù)見表2所示。

表2 大量程加速度傳感器校準數(shù)據(jù)

工作頻帶平均值

工作頻帶的標準差

工作頻帶的動態(tài)重復性

4 結(jié)論

本文介紹了一種實驗室研制的大量程加速度傳感器，實現(xiàn)了硅平面內(nèi)測量加速度的構(gòu)想。在實驗室現(xiàn)有的條件基礎(chǔ)上，對傳感器進行了馬歇特錘沖擊測試試驗，標定其靈敏度;進行了Hopkinson桿激光干涉沖擊試驗，對其進行動態(tài)校準。試驗結(jié)果表明，實驗室設計的傳感器結(jié)構(gòu)合理，可滿足實際的應用要求，為實現(xiàn)單芯片集成三獨立質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的三軸加速度傳感器提供了參考數(shù)據(jù)。

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