微惯性技术(第二讲)惯性元件

要测量差动电容的变化，可以将电容 值转化为电压、电流或者频率等容易 测量的物理量，其中最常用的是转换 成电压。
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4.3 隧道式微机械加速度计
由物理学可知，将尺寸很小 （10－9m）的极细探针和被 研究物质表面作为两个电极， 当它们之间非常接近（＜ 1μm）时，在外电场作用下， 电子会穿过这两个电极从一 极流向另一极，这就是隧道 效应。
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（2）挠性加速度计
虽然液浮摆式加速度计已经发展 得相当成熟，但是随着发展低成 本惯导系统的要求，在六十年代 中期出现了非液浮的所谓干式加 速度计。由于这种仪表采用挠性 支承技术，结构与工艺大大简化， 至今在精度及可靠性方面，己完 全达到了现代惯导系统中应用的 要求。 挠性加速度计也是一种摆式加速 度计，它与液浮加速度计的主要 区别在于它的摆组件不是悬浮在 液体中，而是弹性地联接在某种 类型的挠性支承上。因而，消除 了类似宝石轴承和轴尖间的摩擦， 从而使仪表获得优良的动态性能。
零点温度补偿
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u (1 R4 / R1 )[ R3 /(R2 R3 )]U 1 ( R4 / R1 )U 0
漂移电压源灵敏度温度补偿
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1.2 电容式加速度计
特点
敏感器件制作简单
不受温度影响 读出电路复杂 易受寄生参数影响 非线性
电极
a
m
解调
Vo
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电容式传感器需掌握的几个公式
（2）谐振梁本身的特性有关。相应地增大两个谐 振梁刚度，提高谐振梁的固有频率，也可提高传 感器的分辨率，但梁刚度则又影响到了加速度作 用时梁的变形量，所以必须综合考虑梁的刚度影 响。
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电路设计及计算机仿真
该电路主要包括三个部分：一是谐振驱 动电路，二是频率检测电路，第三部分 为差频电路
幅值整形电路
1 1 f 2 ' f1 ' ( f 2 f1 ) ( f 2 F2 S 2 f1 F1 S1 ) [ f 2 ( F2 S 2 ) 2 f1 ( F1 S1 ) 2 ] 2 8
42
1 2
1 2
加速度传感器的分辨率跟下列因素有关：
（1）加速度计的加工工艺。 工艺精度越高，加工 出两个谐振梁的特性可以更加接近，固有频率近 似相等，即可以大大地提高传感器输出信号的分 辨率。
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按信号检测方式来分
压阻效应
电容效应
隧穿效应
压电效应 电感效应 谐振效应 热效应 光学效应
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1.1 压阻式加速度计
特点
读出电路非常简单 压敏电阻制作难度大
温度系数大
＋V
a
m
－V
Vo
压敏电阻
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典型压阻式微加速度计结构图
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压阻式微加速度传感器温度补偿电路设计
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差频电路
先用乘法器，使得两个频率信号相乘。然后用一个低通滤 波器滤除掉高频信号，则可以得到所要的差频信号
Y sin 2f1t B sin 2f 2 t cos 2 f1 f 2 t cos 2 f1 f 2 t AB / 2
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4.5 热对流式加速度计
电压反馈
电压放大 40
4.4 谐振式加速度计
特点
直接数字输出 潜在的高精度
a
m
振梁
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工作原理
1 1 f1 ' f1 (1 F1 S1 ) f1 1 F1 S1 ( F1 S1 ) 2 8 2
1 1 f 2 ' f 2 (1 F2 S 2 ) f 2 1 F2 S 2 ( F2 S 2 ) 2 8 2
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1.3 微加速度计的分类
按检测质量的运动形式来分：
有角振动式和线振动式加速度计
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按检测质量支承方式来分：
有扭摆式、悬臂梁式和弹簧支承方式
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按控制方式来分：
有开环式和闭环式。
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根据梁的个数
单梁结构、单端双梁结构、双端双梁结构、 多梁结构
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根据敏感轴数量
单轴、双轴、三轴
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实验发现，当这两极间距减少0.1nm，隧道电 流将增加10倍，利用这种效应可以测量加速度。 电子隧道型加速度计通常由检测质量、支承梁、 隧道探针和控制电路等部分组成。它的工作原 理是，当被测加速度使检测质量与隧道探针之 间距离发生变化时，两极间将产生巨大的电流 变化，检出这一变化信号就可测得加速度。
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s
hdx h z 0 s b ln z 0 x z 0 s
s
动极板角位移引起敏感极板电容量的变 化为
A2s b C C 2 C1 2 z0
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4.2.3 梳齿式电容微机械加速度计
31
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在没有加速度输入时
C 0 Ct10 Ct 20 GS Gh1 4n1 d0 d0
加速度a作用时, 摆片将移动一个小位移
Gh1 C t1 4n1 d 0 d
Gh1 Ct 2 4n1 d 0 d
2d C Ct1 Ct 2 C 0 d0
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4.2.3 用于微弱差动电容的检测方法
4
加速度计的原理
加速度计是按照惯性原理相对惯性空间工作的。加速度(即速 度的变化率)本身很难直接测量，实际上现有的传统加速度计 都是借助敏感质量变成力进行间接测量的。 加速度计测量原理基于牛顿第二定律：作用于物体上的力等于 该物体的质量乘以加速度。换句话说，加速度作用在敏感质量 上形成惯性力，测量该惯性力，间接测量载体受到的加速度。 在惯性空间加速度计无法区分惯性力和万有引力．因此加速度 计的输出反映的是单位检测质量所受的惯性空间的合力，即惯 性力与万行引力之和。惯性技术领域将单位敏感质量所受的力 称为比力，加速度计的输出直接反映比力信息，因此加速度计 也称作比力传感器。
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（3）摆式积分陀螺加速度计(PIGA)
PIGA的基本工作原理就是应 用由陀螺运动产生的力矩来 平衡摆在加速度作用产生的 惯性力矩。 第一个PIGA是由德国研制的 并在第二次世界大战中用在 V2火箭上。后来根据这一原 理研制出了高精度加速度计 Honeywell和Litton两家制造 商目前正在生产PIGA，法国 和前苏联也生产了一些不同 类型的PIGA。 PIGA具有很高的精度，但也 非常昂贵。
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无加速度输入式
有加速度输入时，活动极板绕其挠性轴 产生偏转角
C1
C1
s b
A C1 C 2 z0
dA z 0 z
dA hdx
C2
dA z 0 z
C2
s b
z x
hdx h z 0 s b ln z 0 x z 0 s
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加速度计分类 按惯性检测质量的运动方式分类，可分为线加速度计和摆 式加速度计； 按支撑方式分类，可分为宝石轴承支承加速度计、液体悬 浮支承加速度计、气体悬浮支承加速度计、挠性支撑加速 度计、磁悬浮支承加速度计和静电支撑陀螺加速度计等； 按有无反馈信号分类，可分为开环加速度计和闭环加速度 计； 按加矩方式分类，可分为模拟加矩式加速度计和脉冲加距 式加速度计； 按敏感信号方式分类，可分为电容式加速度计、半导体压 阻式加速度计、电感式加速度计、压电式加速度计； 按工作原理分类，可分为振弦式加速度计、摆式陀螺加速 度计等。
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特点
极高的灵敏度 不受稳定影响
低频噪音太大
必须闭环工作
I ve
A
A x
B
a
m
硅尖
C
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38
Au Au p++ epi Si SiO2 Nitride Ti-Pt-Au Si
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信号检测
△a
uout 隧道效应传感器 信号检测
反馈控制
A-V转换 偏 置 电 压 电压跟随
驱动电路 1振ຫໍສະໝຸດ 1驱动电路 2振梁 2
差 频 电 路
输出
幅值整形电路
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驱动电路
利用锁相环电路或反馈回路来控制振荡电路的频 率，使得两谐振梁在各自的固有频率下共振，这 样两个谐振梁的振幅达到最大值，从而输出频率 信号的幅值达到最大值。
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频率检测电路
频率检测电路是间接地通过测电容的变化来测 得输出信号频率的。主要由电荷放大器构成， 用以将电容的电荷量转换成电压信号。
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检测电路
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4.6 压电式加速度计
压电传感器是一种利用压电效应进行机 电能量转换的变换器。广泛应用于振动、 冲击的测量，是一种拾取力信号，输出 电信号的能量转换部件。常和电荷或电 压放大器一起组成测量电路,在电子产品 检验部门的振动台及其检定中起着重要 的作用。
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特点
结构简单 无法测直流（常加速度）
A C ε z0
1 u F A 2 2 d
2
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1.2.1 平板电容式加速度计
当无加速度输入时， 检测质量处于中间 位臵，上下极板与 活动极板的间隙均 为。此时，极板间 电容量C1和C2相等， 即
A C1 C 2 z0
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图a
C s1
0 A
d 0 d
Cs 2
特点
结构和读出电路简单 响应较慢
线性工作范围小
受温度影响大
加热电阻 a
＋V
Vo
－V
热敏电阻
气腔
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工作原理
热对流加速度计包含一个密闭的腔体， 腔体中充有 流体，其中有一个加热元件把腔体中加热元件周围的 流体加热， 加热后的流体发生膨胀而密度下降，在 重力的作用下上升，周围相对冷的流体填补到空位臵 上，这样反复循环而造成热对流传导。 加热元件和两个敏感元件都是悬空的