高頻響小體積三軸加速度計設計與實現

姜志國， 陳玉玲 ， 史巖峰， 于 洋， 方賀興

(北京強度環境研究所，北京 100076)

高頻響小體積三軸加速度計設計與實現

姜志國， 陳玉玲 ， 史巖峰， 于 洋， 方賀興

(北京強度環境研究所，北京 100076)

設計了一種基于微機電系統(MEMS)技術的高頻響三軸加速度計，內部集成濾波電路和放大電路，實現了傳感器與變換器的一體化。電路設計簡單可靠，功耗低，穩定性好。電路板的結構采用剛撓結合印制板的設計，保證了傳感器輸出的高精度和低噪聲特性。整機結構體積小巧，剛性好，3個方向的頻率響應均可以達到5 kHz，實現了一個測點3個方向高頻加速度參數的測量。通過性能指標校驗和實驗驗證，證明傳感器具有測量精度高、熱靈敏度漂移小、橫向效應低等優點，可應用于航空航天等領域。

微機電系統； 加速度計； 敏感芯體； 頻率響應

0 引 言

機械振動信號按頻率大小可以分為低頻、中頻和高頻信號，高頻振動信號為頻率大于1 kHz的信號。通常在高頻范圍內，主要測量振動的加速度，它表征振動部件所受沖擊力的強度，沖擊力的大小與加速度值正相關[1]。為了檢測高頻振動信號，通常需選用高頻響加速度計，傳統的電容式和壓阻式三軸加速度計動態范圍有限，而壓電式加速度傳感器不易實現敏感芯體和變換電路一體化設計[2]。目前，國內同行業高頻振動傳感器的頻響特性僅可以達到2 kHz，不能滿足航天型號的使用要求。

隨著微機電系統(MEMS)技術的深入發展和應用，基于MEMS技術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、質量輕、響應快、靈敏度高和易生產等特點，加上低能耗、高功率、低成本等優勢，特別適合在航空、航天等領域使用[4，5]。

本文針對傳統加速度傳感器存在的問題，設計了一種高頻響的三軸加速度傳感器，選用3塊基于MEMS技術的傳感器芯片ADXL001[6]作為敏感元件，并與調理電路一體化設計，整機結構質量輕，剛性好，頻率特性可以達到5 kHz，橫向效應低，且體積小巧，便于安裝使用，滿足技術指標要求。

1 高頻響三軸加速度計的結構設計

1.1 結構組成

傳感器的結構主要由剛撓結合電路板、3塊敏感元件、殼體、頂蓋、束線管及電纜插頭等組成。剛撓結合板由4塊剛性板和3塊撓性板組成，整機結構機械圖如圖1所示。

圖1 傳感器結構圖

1.2 結構設計

傳感器機械結構的設計遵循“輕重量，小體積，高頻響”的原則，以滿足機械和電氣接口要求為前提，同時進行了密封設計，避免了潮氣等進入到傳感器內部。外殼材料采用鋁7A04,該材料質量輕且工藝性好，表面經導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性能:殼體過薄，傳感器會在較低的頻率點出現諧振現象，過厚會增加整機的重量，也將影響產品的頻響特性。經實際驗證，殼體采用了最佳厚度1.5 mm。頂蓋和殼體上端結合的地方設計有臺階，保證了兩者的正確卡位和裝配。

X,Y,Z3個方向的敏感元件分別焊接在剛撓結合板的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個正交垂直的內面上，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內側面。殼體的內面在生產過程中保持了嚴苛的機加垂直度，電路板在粘接過程中使用先進的張弛夾具，可以保證電路板和殼體內面的平整粘接，從而將3個方向的最大橫向靈敏度比控制在一個很小的比例范圍內(<2 %)。

1.3 結構分析

模態分析技術可用于振動測量和結構動力學分析，能測得精確的固有頻率、模態振型、模態阻尼、模態質量和模態剛度等參數[7]。運用模態分析技術對傳感器的結構進行了分析，使用HyperWorks軟件建立了有限元模型。將設置好求解器參數的有限元模型提交相應求解器，求解出該結構的自由模態參數。由于結構的動態特性主要由前幾階模態決定，所以，模態分析時只需要識別其前幾階模態[8]。該結構的模態振型主要分為三大類，即前后彎曲、左右扭轉及上下擺動。圖2分別為該結構前4階的模態振型圖，前4階模態頻率分別為14.412，18.775，21.836，23.629 kHz，可看出,各階模態頻率都在14 kHz以上，說明該結構具有優良的剛性和動態特性，可以滿足航天型號的使用要求。

圖2 模態振型圖

2 高頻響三軸加速度計電路設計

2.1 傳感器內部供電電源設計

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的基準源的供電電流在10 mA以內，不能滿足功率設計要求。系統的供電電壓為+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，工作電流可以達到20 mA[9]，滿足電流功耗的設計要求。其封裝形式為6管腳的表面安裝，體積非常小，節約電路板的布線面積，也符合整個傳感器的小體積的設計要求。

2.2 敏感芯體電路設計

敏感元件ADXL001的頻率響應寬，線性度好，橫向靈敏度比小，具有優良的性能特征。為了保證產品輸出具有高精度、低噪聲特性，敏感芯體的電路設計如圖3所示，敏感芯體需要穩定的+5 V電壓供電，電容Ci濾除穩壓源MAX6043輸出電壓中摻雜的噪聲信號，從而為電路提供更加穩定的供電電壓。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，經過反復篩選比較及匹配測試，當選用容值為0.1 μF的I類片式瓷介電容器作為濾波電容時，敏感芯體的輸出較為理想，紋波電壓在20 mV以內。

圖3 敏感芯體輸出方式

2.3 濾波電路設計

傳感器要求的頻率響應范圍在10～5 000 Hz,因此，需要設計濾波電路，經過多方面查找資料并綜合比較，選用了MAX公司生產的8階低通開關電容濾波器MAX291。該元件所需外圍元器件少，在2倍截止頻率點，衰減可達到48 dB/倍頻程[10]。MAX291可以用外接電容器與內部的振蕩器組成振蕩電路，通過調節外部電容，調整濾波器的截止頻率。MAX291的應用電路如圖4，C61為調節濾波器的截止頻率的外接電容器，截止頻率f=1 000/(3C61)。所以，通過調節C61 (pF)可以滿足不同的截止頻率的需要。通過計算可以得出，當截止頻率為5 kHz時，C61的容值為66.8 pF。

圖4 MAX291應用電路

2.4 電壓調整電路的設計

在電壓調整電路中如圖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用于調整電壓增益，C71，R71用于調整傳感器帶寬的起始頻率點。其中電壓增益Av為

(1)

圖5 電壓調整電路

3 性能指標校驗

為了驗證傳感器設計的合理性，生產了4只樣機，編號為01～04，量程均為±400gn，對傳感器的性能指標進行了多次校驗，所有指標均符合設計要求，具體項目如下：

1)靈敏度和線性度校驗

靈敏度校驗在160 Hz,施加10gn的標準加速度，采集傳感器的輸出。線性度校驗在160 Hz的頻率點分別施加不同量級的加速度值，采集傳感器的數據，經過與靈敏度值的比較，計算出線性度。具體結果如表1。靈敏度范圍和線性度指標均符合設計要求。

表1 靈敏度和線性度校驗結果

2)幅頻特性校驗

在振動傳感器校準系統上對傳感器在10～5 kHz的范圍內進行了幅頻特性的校驗，4只傳感器的帶內曲線平穩，不平度小，帶外衰減快，符合設計要求。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到了5 kHz，幅頻性能良好。

圖6 幅頻特性校驗結果

3)橫向靈敏度校驗

施加與敏感振動方向垂直的頻率為160 Hz、量級為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]的計算公式為

(2)

式中 Sx為傳感器的軸向靈敏度值。結果如表2，可看出：傳感器的橫向靈敏度比小于3 %，滿足設計要求。

4 結 論

本文設計了一種高頻響、小體積三軸加速度計，選用3塊基于MEMS技術的傳感器芯片作為敏感元件，通過正交安裝的方式實現3個方向加速度參數的測量。敏感芯體和調理電路一體化設計，整個傳感器電路設計簡單可靠。整機結構質量輕，剛性好，諧振頻率高，橫向效應低，且體積小巧，便于安裝使用。經性能指標的校驗考核，證明本文設計的三軸加速度計頻響特性能夠達到5kHz，遠遠高于目前國內同行業的水平(2kHz)，可用于航天多種型號3方向加速度參數高精確性的測量。

表2 橫向靈敏度校驗結果

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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(1983-)，男，碩士研究生，高級工程師，研究方向為航天用振動類傳感器的研制和設計工作。