高g 值加速度計(jì)的設(shè)計(jì)與沖擊特性分析*

石云波,朱政強(qiáng),劉曉鵬,杜 康,劉 俊,2

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原030051)

1 引 言

高g 值加速度計(jì)主要用于高速運(yùn)動載體在啟動和著靶過程中速度變化的測量與控制,例如在航空航天領(lǐng)域以及導(dǎo)彈和侵徹引信的精確控制方面已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。美國ENDEVCO 公司研制出了量程可達(dá)2×105g 的高過載壓阻式加速度傳感器7270 A,頻響可達(dá)到200 kH z。我國在高g 傳感器方面還是以壓電結(jié)構(gòu)為主,北京大學(xué)微電子所研制的壓阻式高g 值加速度傳感器,量程為5×104g;對侵徹環(huán)境下超高過載加速度傳感器的需求仍未達(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[1]。鑒于我國在高g 傳感器研究中與國外的差距,以及高g 加速度傳感器的特殊應(yīng)用背景,對該類傳感器及其沖擊特性進(jìn)行深入研究十分重要。本文中設(shè)計(jì)加工了一種新型的壓阻式結(jié)構(gòu)的高g 值加速度計(jì),并對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試與標(biāo)定,測試結(jié)果表明,該高g 值加速度計(jì)具有良好的抗過載能力,可應(yīng)用到?jīng)_擊、爆破、侵徹等惡劣的環(huán)境中。

2 加速度傳感器的結(jié)構(gòu)

圖1 是加速度傳感器模型的截面示意圖,量程為1.5×105g,經(jīng)Ansys 軟件模擬一階固有頻率可達(dá)300 kHz[2]。該結(jié)構(gòu)梁的寬度和質(zhì)量塊的長寬一致,壓阻對稱放置于四梁根部,可以很好地抑制非對稱性結(jié)構(gòu)引起的沿梁長度方向橫向加速度的影響。

圖1 加速度傳感器模型截面圖Fig.1 Sectional drawing of acceleration sensor

考慮到MEMS 加速度計(jì)加工工藝和技術(shù)指標(biāo)的要求,在梁的寬度和質(zhì)量塊寬度相等的前提下,為保證質(zhì)量塊經(jīng)KOH 腐蝕后形成的完整性,以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)力等的影響,采用北京大學(xué)微電子研究所的標(biāo)準(zhǔn)加工工藝進(jìn)行加工。加工好的加速度計(jì)芯片如圖2 所示,整體為“田”字形梁島結(jié)構(gòu),材料為單晶硅。結(jié)構(gòu)的中心為活動質(zhì)量塊,尺寸為800 μm×800 μm,由“十”字梁懸浮連接到邊框上,邊框作為錨區(qū)鍵合在玻璃基底上。傳感器封裝采用電子科技集團(tuán)13 所的陶瓷合金封裝,用氮?dú)饷芊?未封蓋的封裝結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 樣片正表面照片F(xiàn)ig.2 Photo of print surface

圖3 傳感器封裝示意圖Fig.3 Schematic plan of sensor

3 加速度計(jì)的測試

利用H opkinson 桿技術(shù)對加速度計(jì)進(jìn)行沖擊加載,實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示,由H opkinson 桿、多普勒激光干涉儀、動態(tài)信號分析儀組成。Hopkinson 桿用于在校準(zhǔn)端面獲得波形良好、橫向運(yùn)動小的沖擊過程;多普勒激光干涉儀用于檢測由于光柵運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒頻移信號;動態(tài)信號分析儀用來采集多普勒信號和記錄被校加速度計(jì)輸出信號。沖擊過程中的激光多普勒干涉信號經(jīng)計(jì)算,可以得到?jīng)_擊速度曲線;將沖擊速度曲線微分,可以得到?jīng)_擊加速度曲線。

將被測加速度計(jì)芯片安裝在H opkinson 桿的尾部,如圖5 所示。由壓縮空氣發(fā)射一子彈,同軸撞擊Hopkinson 桿的起始端,將會在Hopkinson 桿中產(chǎn)生近似半正弦的壓應(yīng)變脈沖,并沿H opkinson 桿縱向傳播作用到加速度計(jì)上[3-4]。當(dāng)加速度計(jì)承受到?jīng)_擊運(yùn)動時(shí),運(yùn)動速度時(shí)間函數(shù)v(t)和激光干涉系統(tǒng)的多普勒頻移時(shí)間函數(shù)Δfd(t)之間存在確定的數(shù)學(xué)關(guān)系

式中:λ為入射光波長,θ為入射角。

圖4 Hopkinson 桿實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Experimental provision of Hopkinson

圖5 加速度計(jì)的安裝Fig.5 Setting of sensor

測量方向與運(yùn)動方向垂直,光柵的衍射公式為

式中:d 為光柵常數(shù),m、n 為光柵衍射級數(shù)。綜合式(1)、(2),得速度v(t)與多普勒瞬時(shí)頻率Δf(t)數(shù)學(xué)關(guān)系為

因此,只要獲得瞬時(shí)頻率Δf(t),即可求出實(shí)時(shí)速度v(t)。對速度1 次微分可得加速度a(t)。

利用瞬時(shí)頻率定義計(jì)算多普勒信號,進(jìn)而求加速度。信號的瞬時(shí)頻率定義為其解析信號相位對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。多普勒信號為xr(t),其解析信號為xc(t)=xr(t)+j xi(t),實(shí)部為原多普勒信號xr(t),虛部xi(t)為多普勒信號的希爾伯特變換?？捎孟率接?jì)算xc(t)的瞬時(shí)相位[5]

由定義,得瞬時(shí)頻率

圖6 多普勒與傳感器信號圖Fig.6 Doppler and sensor signal charts

由于速度v(t)與瞬時(shí)頻率f(t)成正比

且光柵位移d(t)與速度v(t)有關(guān)系式

綜合式(6)、(7)有

對式(8)進(jìn)行微分即可得速度和加速度。

實(shí)驗(yàn)共對2 只加速度計(jì)芯片進(jìn)行測試,每只芯片進(jìn)行了6 次沖擊,共獲得11 組完整數(shù)據(jù),測試結(jié)果如表1 所示。圖6 所示為其中一次實(shí)驗(yàn)測得的信號。

表1 測試數(shù)據(jù)Table 1 Experimental results

4 測試結(jié)果分析

通過分析表1 中被測傳感器的輸出電壓與輸入加速度之間的關(guān)系,可以認(rèn)為其基本屬于線性關(guān)系,為此采用一元線性回歸模型對被標(biāo)定傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合,其結(jié)果如圖7 所示。擬合直線方程為

圖7 擬合曲線圖Fig.7 Linear fit curves

傳感器的端基線性度δ,即傳感器實(shí)際輸出與擬合直線的最大偏差ΔU max 與傳感器滿量程輸出U F,S 的百分比為

根據(jù)方程(9)可以分析出:N1-1 靈敏度為1.256 μV/g,N1-2 靈敏度為1.287 μV/g。分析表1 中的測試結(jié)果可知,加速度計(jì)在2×105g 左右時(shí)還可測試到正常的電壓輸出信號,表明設(shè)計(jì)的高g 加速度計(jì)的抗過載能力可高達(dá)2×105g。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的高g 加速度傳感器制作工藝相對簡單,具有體積小、功耗低等特點(diǎn),抗過載能力可達(dá)到2×105g。通過進(jìn)一步對該傳感器進(jìn)行工程化應(yīng)用研究,可以有效地滿足侵徹混合土、混凝土、鋼圈復(fù)合靶炮擊試驗(yàn)等高沖擊、強(qiáng)烈振動場合的沖擊測試。

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