一種壓阻式線加速度計 2

1、1應(yīng)用背景介紹應(yīng)用背景介紹慣性傳感器是檢測和測量加速度、傾斜、沖擊、振動、旋轉(zhuǎn)和多自由度運(yùn)動的傳感器。慣性傳感器是解決導(dǎo)航、定向和運(yùn)動載體控制的重要部件。MEMS慣性傳感器體積小，重量輕、價格低及耐沖擊加速度高的特點(diǎn)，使許多常規(guī)戰(zhàn)術(shù)武器裝備慣性測量裝置的應(yīng)用成為可能。如：智能炮彈、短程戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、精確制導(dǎo)炸彈、魚雷、水雷；各類常規(guī)火控系統(tǒng)火箭彈、航彈的姿態(tài)控制和穩(wěn)定系統(tǒng)。此外，在航空航天飛行旗控制領(lǐng)域、艦船測控技術(shù)領(lǐng)域、汽車自動駕駛技術(shù)領(lǐng)

2、域、工業(yè)測控技術(shù)領(lǐng)域、橋路建設(shè)技術(shù)領(lǐng)域、地質(zhì)勘探技術(shù)領(lǐng)域等都得到了廣泛的應(yīng)用。例如，小型飛行器的制導(dǎo)、穩(wěn)定系統(tǒng)，無人機(jī)的航姿系統(tǒng)及航模的自動控制系統(tǒng)都已逐漸開始使用角加速度和線加速度傳感器。工業(yè)機(jī)器人、攝像機(jī)、航空攝影、地震監(jiān)測、醫(yī)用器械、體育器械、氣象觀測、電視轉(zhuǎn)播等行業(yè)也越來越多地使用MEMS慣性傳感器。MEMS慣性傳感器可分為角速率陀螺和線加速度計。線加速度計是指將受控或被測對象沿某一直線方向的運(yùn)動加速度轉(zhuǎn)換成電信號或其它形式信號

3、的裝置。所有加速度計的工作原理都可以用牛頓第二運(yùn)動定律描述。敏感質(zhì)量體是加速度檢測中的關(guān)鍵部件，一個質(zhì)量塊被加速時，就存在一個正比于加速度作用的力，通過測量該力即可檢測到加速度。線加速度計經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)發(fā)展已經(jīng)變得更精確、更廉價、更小、更輕、耗能更少，全數(shù)字化、小型化、固體化和耐高過載是今后線加速度計的主要發(fā)展方向。而且由于電子技術(shù)的大幅度發(fā)展，通過使用數(shù)字電子電路和計算機(jī)技術(shù)可以使得線加速度計變得更簡單。線加速度計又可分為機(jī)械式線加

4、速度計；撓性線加速度計；MEMS硅﹑石英線加速度計（含壓阻﹑壓電線加速度計）；石英撓性線加速度計等。具體來說，由發(fā)展時間的先后依次是：三、四十年代的擺式積分陀螺加速度計和寶石軸承增加，受壓縮式減小；外接電阻R?和R?與R?和R?構(gòu)成惠斯通電橋，U為穩(wěn)壓的直流電源電壓，e為與被測加速度成正比的輸出信號電壓；外殼?（與底座?固定連接）內(nèi)充滿阻尼油?；?是裝在?上的塑料泡沫阻尼器。加速度計的工作原理是依據(jù)牛頓第二定律建立的，即質(zhì)量塊在加速度作

5、用下將產(chǎn)生一個相對的慣性力。如圖?中的敏感結(jié)構(gòu)（質(zhì)量塊m)可將這個慣性力轉(zhuǎn)換成一個與之相應(yīng)的應(yīng)變梁?的變形，梁的變形引起貼在其上下的兩塊電阻的阻值變化，進(jìn)一步引起輸出信號電壓e的變化，如此便可利用壓阻應(yīng)變計將這一變形檢出，以此實現(xiàn)對外界線加速度的測量。3理論分析理論分析3.1懸臂梁結(jié)構(gòu)分析圖2為敏感結(jié)構(gòu)示意圖，、、和、、分別為梁和質(zhì)量塊的長、1a1b1h2a2b2h高和寬，質(zhì)量塊的質(zhì)量為m。當(dāng)芯片以加速度運(yùn)動時，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力za為