悬臂梁式SAW加速度计差频信号系统分析与设计

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SAW加速度计量程调整及计量标定方法研究

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。

悬臂梁加速度传感器设计讲解

悬臂梁加速度传感器设计组员：陈曦雷钰琛李峰殷思民周志成CONTENTS设计思路设计任务及技术指标悬臂梁与质量块设计设计结果一、设计思路SETP1机械振动带动传感器的质量块振动，并且他们有共同的加速度aSETP2根据公式F=ma，把加速度的变化转为力的变化。

力就作用悬臂梁使粱横向拉长或压缩，从而带动应变片电阻的变化。

一个应变片受拉，电阻增大，另一个受压，电阻减小SETP3 通过电桥把位移的变化转为电压的变化，通过电压放大用电压表测出相应的电压，从而就可以得到相应的加速度CONTENTS设计思路设计任务及技术指标悬臂梁与质量块设计设计结果二、设计任务及技术指标测量范围：800g精度：1%频响：1~1000HZ~重量：不大于200g电桥电压：5VCONTENTS设计思路设计任务及技术指标悬臂梁与质量块设计设计结果三、悬臂梁与质量块设计整体结构图~三、悬臂梁与质量块设计梁结构设计根据设计指标估计如下结构参数梁长度为16.5mm,伸出部分为12.5mm，固定端为8mm 梁厚度为1mm，体积约为95mm3~材料初选为普通碳钢，密度ρ=7.8g/cm3普通碳钢性能表三、悬臂梁与质量块设计~三、悬臂梁与质量块设计梁零件图~三、悬臂梁与质量块设计质量块设计质量块分为上下两个质量块，材料选择铍青铜，密度ρ=8g/cm3~铍青铜性能表三、悬臂梁与质量块设计上下质量块零件图~三、悬臂梁与质量块设计计算梁的最大绕度绕度反映了梁与质量块的活动空间~三、悬臂梁与质量块设计有限元分析~位移图应力图应变图通过算出质量块的等效质量M=1.707g ，质量块产生的最大惯性力F a =Ma max其中a max =800g =7840m s 2 所以F a =13.379N三、悬臂梁与质量块设计相关计算~三、悬臂梁与质量块设计相关计算~电桥输出电压：U0≈−14U Eδ,其中U E为供桥电压，δ为应变片电阻变化率电桥电压灵敏度，与静态灵敏度S g和灵敏度系数成正比S v≈14U E Ks g=0.0012 v g满足条件三、悬臂梁与质量块设计连结件明细表~CONTENTS设计思路设计任务及技术指标悬臂梁与质量块设计设计结果四、设计结果梁材料普通碳钢 ~质量块材料铍青铜壳体材料透明硬质塑料阻尼材料甲基硅油，阻尼比δ=0.5应变片硅应变片，基底尺寸5×4mm 2，硅片尺寸3×0.4×0.06mm 2四、设计结果读书的好处1、行万里路，读万卷书。

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

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。还对静电力扩程之后，速度计测量值的校准、加计量标
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
ＥｎａｇｎｅｓｒｎｅａｄＲｅｔｆｉｇａｄＤｅｒａｉｇｌｒｉｇＭａｕｅＲａｇｎｃｉｙｎｎｍａｃｔｎ
ｔｈｃｌｒｍｅｅｔｎｉｖｒＢｅｍｏｔｅＡｃｅｅｏｔｒｗｉｈＣａｔｌｅａｅ
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（ＳＷ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
１１悬臂梁式ＳＷ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
ＥＥＡＣＣ：２０；３Ｏ１７７２Ｅ
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
刘骏跃，明陈
（西北工业大学自动化学院，西安７０７）１０２
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ＳＷ滤波器信号处理速Ａ

悬臂梁实验报告

实验报告
实验名称：悬臂梁固有频率测试
实验目的：
1)熟悉基于Labview的数据采集过程
2)掌握时频域的信号分析
实验仪器设备：
1)悬臂梁实验模型：钢尺（宽：mm，厚：mm）；涡流传感器；前置放大电路及电源
2)数据采集卡，计算机，示波器，改锥等
3)基于Labview的数据采集程序及分析程序
实验过程：
1)准备工作：接好涡流传感器，加合适激励观察示波器输出波形；连接采样系统的硬件部分后，应用计算机中的采集程序观测输出波形是否正常。

2)调节悬臂梁实验模型即钢尺的长度（20cm，24cm，28cm），三个不同长度上加入两种激励方式（冲激、阶跃），应用采集系统采集两种激励方式下的涡流传感器输出数据，存储。

冲激：应用改锥敲击实现；阶跃：应用手按动实现。

3)应用数据分析软件进行数据分析。

实验结果及分析：
1)不同长度不同激励方式下采集的数据如下：
图a1钢尺长度：20cm，改锥敲击
图a2钢尺长度：20cm，手按动
图b1钢尺长度：24cm，改锥敲击
图b2钢尺长度：24cm，手按动
图c1钢尺长度：28cm，改锥敲击
图c2钢尺长度：28cm，手按动
2)数据分析及思考
思考题：
1)总结在实验和数据处理操作时需要注意的问题？
2)不同激励方式造成测试结果的误差有多大？哪种最好？
3)在上面实验中，最高能够找到第几阶固有频率？
4)比较悬臂梁频率测量的理论值和实验值，分析误差及来源？
5)查找一篇相关文献，该文献的测试对象以悬臂梁为原型，简要总结它的测试方案。

悬臂梁式微电子加速度计有限元建模与动力学分析

悬臂梁式微电子加速度计有限元建模与动力学分析本文简要分析了微电子加速度计的工作原理，建立了悬臂梁式微电子加速度计的实体模型，采用有限元分析软件ANSYS8.0对其进行模态分析、瞬态响应分析以及静电-结构耦合分析，考虑不同设计尺寸条件下器件的灵敏度特性，在瞬时激励下的位移和应力响应情况，并分析了静电力对器件性能的影响。

标签：微电子加速度计；模态分析；瞬态响应1 微电子加速度计工作原理微加速度计是用来测量加速度的惯性器件，按照传感原理划分，它的类型有压阻式加速度计、压电式加速度计、电容式加速度计、电子隧道式加速度计、谐振式加速度计、热式加速度计等。

一般来说加速度计的机械部分可以等效为一个惯性质量弹簧阻尼系统，如图1所示，检测质量为M，梁的有效刚度为K，还有影响动态性能的阻尼系数D。

外部加速度将使质量块和梁产生位移，同时将改变梁的内部应力，这个位移和应力都可用于测量加速度。

表示加速度计性能的参数典型的有：灵敏度，最大量程，频率响应，分辨率，满量程非线性漂移，横向灵敏度以及抗冲击能力等，对加速度性能的要求取决于他们的用途。

显然，可以通过减少质量或增加刚度来增加自然频率；同时，减小阻尼，增加质量及刚度可以提高品质因数；最后，减小刚度可以提高静态灵敏度。

2 悬臂梁式微加速度计有限元建模与仿真2.1 实体模型的建立本文建立两种加速度计模型如图2所示，同时表1给出了结构尺寸参数。

第一种是简单的单悬臂梁结构，其上同时包含了检测质量与敏感元件；第二种是四悬臂梁结构，检测质量加在平行的四悬臂梁的末端。

灵敏度Sq的表达式近似给出如下：，d31是横向的压电耦合系数，？籽是梁的密度，b是梁的宽度，L是梁的长度，te是弹性悬臂梁基底的厚度，tp是压电层的厚度，假设tp＜<te且弹性模空间的弹性模量和压电薄膜弹性模量相同（Ezno=Esi）。

对于实际设计中，不能完全认为假设是正确的，然而简单的分析仍旧有利于我们目前所讨论的最佳设计方案。

(参考资料)悬臂梁振动参数测试实验

fn
≈ 45.3Hz
>
f 时
≈ 41.56Hz
误差产生的原因有多方面，分析如
a)实验仪器存在误差本实验采用的是速度计作传感器，由于长时间使
用，传感器没有经过重新标定和校，固定端牢固，或是固定没放整，
都有能导致振动信号采集时产生误差，使得采集信号波形在周期幅值和相位
方面存在一定的偏差，进而影响到实验结果外，振动信号分析软件的设置偏
程度涉和影响振动信号采集的质量，从而影响到分析结果的准备性
式中 E ——梁的弹性模量 I0 ——梁横截面惯性矩 L ——悬臂梁长度 S ——梁的横截面积 A ——振型常数 A = 3.52 一阶 ρ ——梁材料单位体积质量
五悬臂梁振动参数的测试
图 1 实验测试悬臂梁
图 2 测试实验场
1.用时域波形曲线确定梁的ωn 和ξ 由实验测量信号分析软件如图 3 所示
2
理论式计算结果相比较，分析误差产生的原因
本振动实验中，选用的悬臂梁材料 45#钢，物理尺参数如
L ——悬臂梁长度，L=23.2cm
B——悬臂梁宽度，B=3cm H——悬臂梁厚度，H=0.3cm
S ——梁的横截面积 E ——梁的弹性模量，E=200GPa I0 ——梁横截面惯性矩， I0 = B ⋅ H 3 / 12 A ——振型常数， A = 3.52 一阶 ρ ——梁材料单位体积质量，7.89ｘ103kg/m3
将以各参数代入式，计算得
fn
=
A 2π L2
EI0 (HZ ) = 3.52
ρS
2π × 0.2322
200×109 × 0.03× 0.0033
12
= 45.383(Hz)

悬臂式坐标测量机的设计和误差补偿

IEEE Transactions on Image Processing , 1996 , 8(5) : 1266 1271. [11 ]Fischler M , Bolles R. Random sample consensus : a paradigm for model fitting with applications to image analysis and auto2 mated cartography[J ] . Comm. Assoc. Comop . Mach. , 1981 , 24 (6) : 381 - 395.
0 δ x ( z ) - zaxz 0 δ y ( z ) - zayz 1 0
z +Δ z ( z)
0 0 0
立在工作台基座上 , O3 X3 Y3 Z3 建立在测头上。可以认为测量时工作台坐标系 OXYZ 与被测件的相对位置不变 , 且在其它轴运动时也是不动的。在图 2 中 ,为方便建立数学模型 , X 、 Y 轴坐标系都通过连接杆与 X 滑台和 Y 滑台相连 ,使这四个坐标系在原始位置时是重叠在一起的 , 这对确定各坐标系的相对位置没有影响。刚体上某点的位移可以看成为刚体的角位移和刚体上参考点的线位移的矢量和 , 可以用齐次坐标变换矩阵来确定测头的空间位置。
2010 年第 44 卷 № 1
99
部分组成 , 其工作范围为 600mm × 600mm × 700mm 。
X 轴基座的材料为球墨铸铁 , 宽度设计得较宽 , 以增
的名义值 ,这一误差常称为几何误差。对于单一坐标轴 ,运动件之间存在定位、直线度和转角共 6 项误差。因此测头在沿 3 个坐标轴做空间运动时一共有
基金项目 : 马鞍山钢铁股份有限公司第三炼钢厂横向课题 (08 - 2101 收稿日期 :2009 年 4 月

悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的特性研究的开题报告

悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的特性研究的开题报告
尊敬的评委老师：
我是XXX，我的论文题目是《悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的特性研究》，我很荣幸能在这里向大家介绍我的研究题目。

近年来，随着工业技术的不断发展，传感器在生产线上的作用变得越来越重要。

光纤光栅传感器是一种新型的传感器技术，具有高灵敏度、小型化和抗干扰能力强等
优点。

其中，悬臂梁式光纤光栅加速度传感器由于具有精度高、响应速度快、易于制
造和使用等优点而备受关注。

其主要结构由光纤光栅和悬臂梁组成，可用于地震预警、飞行器姿态控制、车辆运动检测等。

本研究主要是对悬臂梁式光纤光栅加速度传感器进行性能研究，主要包括以下三个方面：
1. 基于MATLAB的仿真模拟：通过MATLAB软件对悬臂梁式光纤光栅加速度传
感器进行仿真模拟，研究其工作原理、灵敏度等性能参数，探讨加速度检测敏感度和
检测频率响应等特性。

2. 悬臂梁加速度传感器的制备：根据理论研究结果，制备出悬臂梁式光纤光栅加速度传感器原型。

通过对其物理性能测试和电路调试，分析并优化其精度和灵敏度。

3. 实验评估：将悬臂梁式光纤光栅加速度传感器应用到地震预警、飞行器姿态控制、车辆运动检测等场景中，对其实际性能进行评估。

通过对实验结果的分析，进一
步验证其实用性。

基于上述研究方向，本篇论文旨在从理论到实践全方位展示悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的性能优势和应用前景，为后续传感器技术的研究和发展提供参考。

最后，谢谢评委老师的关注和支持，期待今后的交流和指导。

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ＯｎＭｉｉｇａｄＤｉｅｅｃｒｑｅｃｌｒｎｏｈＡＷｘｎｎｆｒｎｅＦｅｕｎｙＦｉｅｉｇｆｒｔｎｉｖｒＢｅｍｃｌｒｍｔｒｗｉｈＣａｔｌｅａｅ
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６・
《测控技术》ｏ８年第２２ｏ７卷第７期
悬臂梁式ＳＷ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７０７）１０２
２．ＳｈｏｆＥｌｃｒｃｌａｄＣｎｒｌＥｎｉｅｒｇＸｉａｉｅｓｔｆＳｉｎｅａｄＴｃｎｌｇＸｉａ１０４，ｈｎ；ｃｏｌｏｅｔａｎｏｔｇｎｅｎ， ’ ｎＵｎｖｒｉｏｃｅｃｎｅｈｏｏｙｉｏｉｙ ’ ｎ７０５Ｃｉａ
明
７０５：１０４
７０６２１０５；．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ＳＷ）进一步改进了ＳＷ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ＳＷＲ具有尽可能相同的频率响应特性，而把实现其抑制／ｚ－ＬＡ进ｇｇｆｂ￣优点
落实到了工程实处。由于改进方案浮动零点ＳＷＲ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
，
进行混频和差频滤波电路设计。
关键词：悬臂粱式ＳＷ加速度计；Ａ器件制作能力；ＡＳＷ混频；波滤中图分类号：Ｐ１．Ｔ２２６文献标识码：Ａ文章编号：００—８２（０８００００１０８９２０）７— ０６— ３
ｏＡｃｅｅｏｔｒｒｓｓｉｇｔｍｐｒｔｒｉｔｒａｃ．ｗｉｇｔｈｓｎｎｅｆｅｕｎｙｏｏｔｇｚｒＡＷＲｉｃｒｅｐｎｉｇｆＷａｃｌｒｍｅｅｅｉｔｅｅａｕｅｄｓｕｂｎｅＯｎｏｔｅｒｏａｃｒｑｅｃｆａｉｅｏＳＳｎｅｌｆｎｓｏｒｓｏｄｎｃａｇｌｓ，ｔｉｒｔｅｏｖｎｅｔｔｔｉｅａａａｌｉｌｓｏｈｎｅｅｓｉｓａｈｒｃｎｅｉｎｏｕｌｖｉｅｗｒｅｓｃｍｍｕｉａｏｅｈｉｕｏｄｓｇｒｑｅｃｘｎｉｃｉｏｗｉｚｌｂｅｎｃｔｎｔｃｎｑｅｔｅｉｆｅｕｎｙｍｉｉｇｃｒｕｔｆｔｏｉｎＳＷＲｎｓｄｆｒｎｅｆｅｕｎｙｆｔｒＡａｄｉｉｅｅｃｒｑｅｃｉｅ．ｔｌＫｅｒｓＳｙｗｏｄ：ＡＷｃｅｅｏｔｒｗｔａｔｅｅｅｍ；ＡＷ・ｐａａｕ－ａｔｒｂｌｙｍｉｉｇｆｔｒｇａｃｌｒｍｅｅｈｃｎｉｖｒｂａＳｉｌ－ｐｒｔｓｆｃｕｅａｉｔ；ｘｎ；ｉｅｎａ－ｉｌｉ
ＬＵＪｎｙｏ，ＭＩＯＧｏｙｏ，ＨＡｉｏｊＩｕ —ａＡｕ —ａＮＸａ－，ＭＡＨｕ—ｈｎ。ＨＥｎｕｉｅｇ，ＣＮＭｉｇｃ
（．Ｄｐｒｅｔｆｃａｉａ＆ＥｅｔｎｃＥｇｎｅｎ，ｉａｉｅｓｙｏｒｎｃｅｃ，ｉａ７０６．ｈｉ；１ｅａｔｎｈｎｃｌｍｏＭｅｌｃｏｉｎｉｅｒｇＸ’ ｎＵｎｖｒｉｆｔａｄＳｉｅＸ ’ｎ１０５ＣｎａｒｉｔＡｓｎ
ｃｅｐｎｅｃａｃｒｔｆｗｕｆｃｃｕｔａｅｒｏａｒＳＷＲｏｂｓａｓｐｓｉｅａｄｔｅｈｎｅｈｌｉｔｙｒｏｓｈｒｔｉｉｏｏｓｒｅａｏｓｃｖｓｎｔｓ（Ａｓａｅｓｃｔａｉｗｅｏ）ｔｅａｓｍｅｏｓｌ，ｎｎａｃｅｒｉｌｙａｂｏｔｅａｉｂ
，
３Ｓｈｌｏｔｍａｉｎ，ｒｅｔｒｌｔｃｎｅｌＵｎｖｒｉ．ｃｏＥＡｕｏｔｏＮｏｔｓｅｎＰｏｙｅｈｉａｉｅｔｈｗｓｙ
，
Ｘ ’ｎ７０７，ｈｎ）ｉａ１０２Ｃｉａ
ＡｓａｔＡｐｏｅｅｉｒｅｔｂｕｃｅｅｏｅｒｉａｔｅｅｅｍｉｐｔｏｗｒｃｎｉｅｉｇｔｅｃｕｌｔｅｏａａｂｔｃ：ｎｉｒｖｄｄｓｎｐｏｃａｏｔｃｌｒｍｔｔｃｎｉｖｒａｕｒａｏｓｒｔａｓｔｆｖｉ．ｒｍｇｊａｅｗｈｌｂｓｆｄｄｎｈａａａｌｂＡａｐｒｔ — ｃｕｅｔｃｎｑｅａｄａｉｔ．ｌｏｇｉｎｗｐｏｃｒｄｃｓｏｅｓｎｉｖｙｉｉｅｓａｅｔｅｒｑｅ— ｌＳＷ‘ｐａａｓｆｔｒｅｈｉｕｎｂｌｙＡｔｕｈｔｓｅｒｊｔｅｕｅｍｅｓｉｔ，ｔｓａｙｔｍｋｅｕｎｅｕａｉｈｈｅｓｔｉｏｈｆ