姜志國(guó)， 陳玉玲 ， 史巖峰， 于 洋， 方賀興

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

高頻響小體積三軸加速度計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜志國(guó)， 陳玉玲 ， 史巖峰， 于 洋， 方賀興

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

設(shè)計(jì)了一種基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的高頻響三軸加速度計(jì)，內(nèi)部集成濾波電路和放大電路，實(shí)現(xiàn)了傳感器與變換器的一體化。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，功耗低，穩(wěn)定性好。電路板的結(jié)構(gòu)采用剛撓結(jié)合印制板的設(shè)計(jì)，保證了傳感器輸出的高精度和低噪聲特性。整機(jī)結(jié)構(gòu)體積小巧，剛性好，3個(gè)方向的頻率響應(yīng)均可以達(dá)到5 kHz，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向高頻加速度參數(shù)的測(cè)量。通過性能指標(biāo)校驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明傳感器具有測(cè)量精度高、熱靈敏度漂移小、橫向效應(yīng)低等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。

微機(jī)電系統(tǒng)； 加速度計(jì)； 敏感芯體； 頻率響應(yīng)

0 引 言

機(jī)械振動(dòng)信號(hào)按頻率大小可以分為低頻、中頻和高頻信號(hào)，高頻振動(dòng)信號(hào)為頻率大于1 kHz的信號(hào)。通常在高頻范圍內(nèi)，主要測(cè)量振動(dòng)的加速度，它表征振動(dòng)部件所受沖擊力的強(qiáng)度，沖擊力的大小與加速度值正相關(guān)[1]。為了檢測(cè)高頻振動(dòng)信號(hào)，通常需選用高頻響加速度計(jì)，傳統(tǒng)的電容式和壓阻式三軸加速度計(jì)動(dòng)態(tài)范圍有限，而壓電式加速度傳感器不易實(shí)現(xiàn)敏感芯體和變換電路一體化設(shè)計(jì)[2]。目前，國(guó)內(nèi)同行業(yè)高頻振動(dòng)傳感器的頻響特性僅可以達(dá)到2 kHz，不能滿足航天型號(hào)的使用要求。

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的深入發(fā)展和應(yīng)用，基于MEMS技術(shù)的壓阻式和電容式傳感器的頻響范圍越來越寬[3]。MEMS傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、靈敏度高和易生產(chǎn)等特點(diǎn)，加上低能耗、高功率、低成本等優(yōu)勢(shì)，特別適合在航空、航天等領(lǐng)域使用[4，5]。

本文針對(duì)傳統(tǒng)加速度傳感器存在的問題，設(shè)計(jì)了一種高頻響的三軸加速度傳感器，選用3塊基于MEMS技術(shù)的傳感器芯片ADXL001[6]作為敏感元件，并與調(diào)理電路一體化設(shè)計(jì)，整機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，剛性好，頻率特性可以達(dá)到5 kHz，橫向效應(yīng)低，且體積小巧，便于安裝使用，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

1 高頻響三軸加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

傳感器的結(jié)構(gòu)主要由剛撓結(jié)合電路板、3塊敏感元件、殼體、頂蓋、束線管及電纜插頭等組成。剛撓結(jié)合板由4塊剛性板和3塊撓性板組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)機(jī)械圖如圖1所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)遵循“輕重量，小體積，高頻響”的原則，以滿足機(jī)械和電氣接口要求為前提，同時(shí)進(jìn)行了密封設(shè)計(jì)，避免了潮氣等進(jìn)入到傳感器內(nèi)部。外殼材料采用鋁7A04,該材料質(zhì)量輕且工藝性好，表面經(jīng)導(dǎo)電氧化處理后具有更好的耐腐蝕性。殼體的尺寸僅為30 mm×30 mm×25 mm，體積小，剛性好，使用2個(gè)M3的螺釘便可安裝使用。殼體的厚度直接影響著傳感器的整機(jī)性能:殼體過薄，傳感器會(huì)在較低的頻率點(diǎn)出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，過厚會(huì)增加整機(jī)的重量，也將影響產(chǎn)品的頻響特性。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，殼體采用了最佳厚度1.5 mm。頂蓋和殼體上端結(jié)合的地方設(shè)計(jì)有臺(tái)階，保證了兩者的正確卡位和裝配。

X,Y,Z3個(gè)方向的敏感元件分別焊接在剛撓結(jié)合板的3塊剛性電路板上，通過膠粘的安裝方式將帶有敏感芯體的3塊剛性板分別固定在殼體的3個(gè)正交垂直的內(nèi)面上，焊接有濾波電路和變換電路的第4塊剛性板膠粘固定在殼體的另外一個(gè)內(nèi)側(cè)面。殼體的內(nèi)面在生產(chǎn)過程中保持了嚴(yán)苛的機(jī)加垂直度，電路板在粘接過程中使用先進(jìn)的張弛夾具，可以保證電路板和殼體內(nèi)面的平整粘接，從而將3個(gè)方向的最大橫向靈敏度比控制在一個(gè)很小的比例范圍內(nèi)(<2 %)。

1.3 結(jié)構(gòu)分析

模態(tài)分析技術(shù)可用于振動(dòng)測(cè)量和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，能測(cè)得精確的固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼、模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度等參數(shù)[7]。運(yùn)用模態(tài)分析技術(shù)對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，使用HyperWorks軟件建立了有限元模型。將設(shè)置好求解器參數(shù)的有限元模型提交相應(yīng)求解器，求解出該結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)參數(shù)。由于結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性主要由前幾階模態(tài)決定，所以，模態(tài)分析時(shí)只需要識(shí)別其前幾階模態(tài)[8]。該結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型主要分為三大類，即前后彎曲、左右扭轉(zhuǎn)及上下擺動(dòng)。圖2分別為該結(jié)構(gòu)前4階的模態(tài)振型圖，前4階模態(tài)頻率分別為14.412，18.775，21.836，23.629 kHz，可看出,各階模態(tài)頻率都在14 kHz以上，說明該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的剛性和動(dòng)態(tài)特性，可以滿足航天型號(hào)的使用要求。

圖2 模態(tài)振型圖

2 高頻響三軸加速度計(jì)電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器內(nèi)部供電電源設(shè)計(jì)

敏感元件需要+5 V的電壓供電，功耗電流為8 mA，濾波電路的供電電壓也是+5 V，額定功耗電流7 mA，這樣就需要+5 V電源提供大約15 mA的電流，一般的+5 V的基準(zhǔn)源的供電電流在10 mA以內(nèi)，不能滿足功率設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)的供電電壓為+15 V，壓差為10 V，一般低壓差的電壓變換器也不適用。電壓調(diào)整器MAX6043的供電電壓在4.5～40 V之間，輸出為2.5，3.3，4.096，5，10 V可選擇使用，工作電流可以達(dá)到20 mA[9]，滿足電流功耗的設(shè)計(jì)要求。其封裝形式為6管腳的表面安裝，體積非常小，節(jié)約電路板的布線面積，也符合整個(gè)傳感器的小體積的設(shè)計(jì)要求。

2.2 敏感芯體電路設(shè)計(jì)

敏感元件ADXL001的頻率響應(yīng)寬，線性度好，橫向靈敏度比小，具有優(yōu)良的性能特征。為了保證產(chǎn)品輸出具有高精度、低噪聲特性，敏感芯體的電路設(shè)計(jì)如圖3所示，敏感芯體需要穩(wěn)定的+5 V電壓供電，電容Ci濾除穩(wěn)壓源MAX6043輸出電壓中摻雜的噪聲信號(hào)，從而為電路提供更加穩(wěn)定的供電電壓。敏感芯體的輸出端接有電容器Co改善電路的抗電磁干擾能力，Co的大小直接影響著去噪的效果，經(jīng)過反復(fù)篩選比較及匹配測(cè)試，當(dāng)選用容值為0.1 μF的I類片式瓷介電容器作為濾波電容時(shí)，敏感芯體的輸出較為理想，紋波電壓在20 mV以內(nèi)。

圖3 敏感芯體輸出方式

2.3 濾波電路設(shè)計(jì)

傳感器要求的頻率響應(yīng)范圍在10～5 000 Hz,因此，需要設(shè)計(jì)濾波電路，經(jīng)過多方面查找資料并綜合比較，選用了MAX公司生產(chǎn)的8階低通開關(guān)電容濾波器MAX291。該元件所需外圍元器件少，在2倍截止頻率點(diǎn)，衰減可達(dá)到48 dB/倍頻程[10]。MAX291可以用外接電容器與內(nèi)部的振蕩器組成振蕩電路，通過調(diào)節(jié)外部電容，調(diào)整濾波器的截止頻率。MAX291的應(yīng)用電路如圖4，C61為調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率的外接電容器，截止頻率f=1 000/(3C61)。所以，通過調(diào)節(jié)C61 (pF)可以滿足不同的截止頻率的需要。通過計(jì)算可以得出，當(dāng)截止頻率為5 kHz時(shí)，C61的容值為66.8 pF。

圖4 MAX291應(yīng)用電路

2.4 電壓調(diào)整電路的設(shè)計(jì)

在電壓調(diào)整電路中如圖5，Vin為濾波電路的輸出電壓，Vo為最終輸出電壓，+2.5 V為零位偏置電壓，Rg1和Rt1用于調(diào)整電壓增益，C71，R71用于調(diào)整傳感器帶寬的起始頻率點(diǎn)。其中電壓增益Av為

(1)

圖5 電壓調(diào)整電路

3 性能指標(biāo)校驗(yàn)

為了驗(yàn)證傳感器設(shè)計(jì)的合理性，生產(chǎn)了4只樣機(jī)，編號(hào)為01～04，量程均為±400gn，對(duì)傳感器的性能指標(biāo)進(jìn)行了多次校驗(yàn)，所有指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，具體項(xiàng)目如下：

1)靈敏度和線性度校驗(yàn)

靈敏度校驗(yàn)在160 Hz,施加10gn的標(biāo)準(zhǔn)加速度，采集傳感器的輸出。線性度校驗(yàn)在160 Hz的頻率點(diǎn)分別施加不同量級(jí)的加速度值，采集傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過與靈敏度值的比較，計(jì)算出線性度。具體結(jié)果如表1。靈敏度范圍和線性度指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

表1 靈敏度和線性度校驗(yàn)結(jié)果

2)幅頻特性校驗(yàn)

在振動(dòng)傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)上對(duì)傳感器在10～5 kHz的范圍內(nèi)進(jìn)行了幅頻特性的校驗(yàn)，4只傳感器的帶內(nèi)曲線平穩(wěn)，不平度小，帶外衰減快，符合設(shè)計(jì)要求。圖6為01#傳感器X方向頻響曲線圖。從圖中可看到，傳感器的截止頻率達(dá)到了5 kHz，幅頻性能良好。

圖6 幅頻特性校驗(yàn)結(jié)果

3)橫向靈敏度校驗(yàn)

施加與敏感振動(dòng)方向垂直的頻率為160 Hz、量級(jí)為1gn的正弦加速度，采集傳感器的輸出，并記錄下輸出最大值Smax。最大橫向靈敏度比TSR[11，12]的計(jì)算公式為

(2)

式中 Sx為傳感器的軸向靈敏度值。結(jié)果如表2，可看出：傳感器的橫向靈敏度比小于3 %，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種高頻響、小體積三軸加速度計(jì)，選用3塊基于MEMS技術(shù)的傳感器芯片作為敏感元件，通過正交安裝的方式實(shí)現(xiàn)3個(gè)方向加速度參數(shù)的測(cè)量。敏感芯體和調(diào)理電路一體化設(shè)計(jì)，整個(gè)傳感器電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠。整機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，剛性好，諧振頻率高，橫向效應(yīng)低，且體積小巧，便于安裝使用。經(jīng)性能指標(biāo)的校驗(yàn)考核，證明本文設(shè)計(jì)的三軸加速度計(jì)頻響特性能夠達(dá)到5kHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前國(guó)內(nèi)同行業(yè)的水平(2kHz)，可用于航天多種型號(hào)3方向加速度參數(shù)高精確性的測(cè)量。

表2 橫向靈敏度校驗(yàn)結(jié)果

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Design and implementation of small-scale triaxial acceleration sensor with high frequency response

JIANG Zhi-guo, CHEN Yu-ling, SHI Yan-feng, YU Yang, FANG He-xing

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering,Beijing 100076,China)

A high frequency response triaxial acceleration sensor based on MEMS technology is designed.Filtering circuit and amplifier circuit are integrated in the sensor to realize integrative design of sensor and convertor.The design of circuit is simple,reliable,low power consumption and high stability.The design of flexible-rigid PCB is introduced into the structure of circuit board,which ensures high precision and low noise characteristics.Structure of whole sensor is small and has good rigidity,frequency response of three-directions reach 5 kHz.The triaxial acceleration parameter can be measured synchronously using the sensor at one measuring point.By the checkout of property and validation of experimentation,the sensor is proved to have the characteristic of high precision,small thermal sensitivity drift and low transverse effect,and it can be used in the fields such as aerospace.

MEMS; acceleration sensor; sensitive chip; frequency response

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0120—03

2016—09—13

TP 212

B

1000—9787(2017)05—0120—03

姜志國(guó)(1983-)，男，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹教煊谜駝?dòng)類傳感器的研制和設(shè)計(jì)工作。