复合量程微加速度计动态特性分析

文章摘要：复合量程微加速度计动态特性分析随着硅微机械技术的不断发展，基于压阻原理的微加速度计已成为商品。由于硅的机械性能优良，这些微加速度计往往具有较高的抗过载能力。然而，有些物理过程存在相差上百倍的多个加速度值需要测量，需要测试的过载值从几g到上万g，若在整个过程采用高g 值加速度计进行测量和控制，它对低g值信号不敏感；若采用低量程加速度计，则不能精确测量高过载信号；若采用2个加速度计进行测量控制，由于安装位置的不同，使其测得的信号会产生位置误差，而且2个传感器都存在安装误差。因此抗高过载复合量程加速度计更适合现代发展的需求。 2 设计原理不同量程的加速度计构成的传感器阵列，可在不同工作环境下满足相应

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复合量程微加速度计动态特性分析

随着硅微机械技术的不断发展，基于压阻原理的微加速度计已成为商品。由于硅的机械性能优良，这些微加速度计往往具有较高的抗过载能力。然而，有些物理过程存在相差上百倍的多个加速度值需要测量，需要测试的过载值从几g到上万g，若在整个过程采用高g 值加速度计进行测量和控制，它对低g值信号不敏感；若采用低量程加速度计，则不能精确测量高过载信号；若采用2个加速度计进行测量控制，由于安装位置的不同，使其测得的信号会产生位置误差，而且2个传感器都存在安装误差。因此抗高过载复合量程加速度计更适合现代发展的需求。

　　2 设计原理

　　不同量程的加速度计构成的传感器阵列，可在不同工作环境下满足相应测试和控制要求，并实现多参数测量和多功能控制。这里分析一种具有4个量程(10 g、100 g、500g、10000 g)的复合量程微加速度计。综合考虑加速度计的灵敏度和固有频率等问题，通过ANSYS仿真加速度计结构参数，得到复合量程加速度计是梁宽分别为 80μm、100μm、190μm、500μm的双端4梁结构。复合量程加速度计阵列结构如图1所示。

　　3 动态特性分析

　　压阻式加速度计可简化为由弹簧、阻尼、质量块构成的二阶自由振动系统，根据牛顿第二定律，可写出单自由度二阶系统的力平衡方程式：

　　通过变换式(1)得到系统的传递函数为：

　　式(3)的分子、分母同除以ωs2，可得到系统的幅频特性：

　　设则系统的幅频特性和相频特性可分别表示为：

　　将结构参数和材料参数代入式(7)得到4个悬臂粱的固有频率0~10 g量程模块的固有频率为7 731．139 Hz，0～100 g量程模块的固有频率为8 642．250 Hz，0~500 g量程模块的固有频率为15 875．571 Hz，0～10 000 g量程模块的固有频率为26 092．304．Hz。

　　由于结构参数、空气粘滞系数(η／=1．8x10-5kg/(m．s))、固有频率已知。所以阻尼比只随板间距的变化而发生变化。将已知参数代入阻尼比公式：

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