MEMS高量程加速度傳感器的動態特性研究

張 潔,付素芳＊

（1.河南科技學院,河南 新鄉 453001;2.寧夏職業技術學院,銀川 750021）

MEMS高量程加速度傳感器的動態特性研究

張 潔1,2,付素芳1＊

（1.河南科技學院,河南 新鄉 453001;2.寧夏職業技術學院,銀川 750021）

針對MEMS高量程壓阻式加速度傳感器，進行動態校準;通過一定手段處置實驗數據，獲得MEMS高量程壓阻式加速度傳感器的幅頻特性，以對數幅頻特性曲線為依據，比較不同算法結果，相比FFT算法，鏡像映射法更具優勢，效果好，計算不復雜，可應用在系統模型參數及模型階次的辨識中。

MEMS；加速度傳感器；動態特性

高重力加速值加速度傳感器一般以每秒幾千英尺的速度鉆入物體當中，承受的工作環境比較苛刻[1]。高重力加速值加速度傳感器在民工工業上得到普遍應用，其中，汽車碰撞載荷大小測量就是其中一方面。高重力加速值加速度傳感器在一次性儀表當中使用，大力應用在沖擊載荷測量中，其中在靶板目標特性等的研究最為多見。務必深究測試系統的動態響應特性，以確保快速瞬變信號的測定無誤，傳感器在測試系統中尤為重要，當動態特性改變，將不能準確呈現動態被測信號，也不能將準確信息提供給后面系統。處置沖擊加速度測試數據時，往往會出現沖擊完畢后而加速度積分速度并不協調撞擊前彈體速度等的情況，原因往往是，測試系統及加速度傳感器的動態特性不再是原有的情況。為此，很有必要研究傳感器的動態特性。

1 動態校準試驗

實驗開始前，校準動態沖擊，為得到窄脈沖輸入加速度信號，實驗中使用相應鋼墊片及平頭彈，其中鋼墊片規格：直徑16 mm、厚4 mm，型號45。在動態校準開始前，使用馬歇特錘，標定傳感器，確保靈敏度符合要求。為得到激勵加速度值（111 760 gn，25μ脈寬為s），使用激光干涉儀，對多普勒頻移信號實施測量，通過相位解算法，繼而獲得該數值。

2 分析試驗數據

在傳感器的頻率特性的計算上，只需借助動態校準實驗數據便可以獲得，下文在具體求解時，主要使用了兩種算法：鏡像映射法、FFT算法。

2.1 鏡像映射法

鏡像映射法，基于最小二乘估計而形成，用于差分模型階次與參數的辨識中，為判定階次，可直接計算出各階模型指標函數Min的Jn。這種計算方法的使用，程序并不復雜，無法消耗太大的計算，計算過程涵蓋下述:

（1）建造矩陣D，使用實驗室收集的x(k)、y(k)的離散數據其中k=1，2，3…．N0。（2）對上述矩陣進行2v+2次鏡像映射變換，獲得上三角矩陣R，所處為(2v+2)·(2v+2)維。（3），對模型階次估計值的確定，結合R對角元中所有Jn，其中(n=1，2…v)，采用合適的判階準則。（4）通過回代Rnθ(n)=Zn，獲得θ(n)的估計值。在上述過程中使用了編程軟件MATLAB。

相比幅頻特性曲線（FFT計算得到），對數幅頻特性曲線（模型計算得到）較為規則及光滑，與實際系統真實性較為貼近。通頻帶ωb（為壓阻式高g加速度傳感器）=193．6 kHz，幅值誤差為±5%及±10%的工作頻帶各自為ωg2=22．34 kHz、ωg1=24．87 kHz，曲線上Lm（諧振峰值為:Lm=5．33 dB）：諧振峰值及ωx（諧振頻率為ωx=46．16 kHz）：諧振頻率的讀出，需要結合實驗對數幅頻特性，迅速求解出傳感器的阻尼比 ζ（ζ=0．28）與固有頻率 ωn（ωn=50．34 kHz）[2]。

2.2 FFT算法

系統幅頻特性，y(t)：輸出信號；x(t)：輸入信號，則輸出信號幅度譜/輸入信號幅度譜=系統幅頻特性。對感器系統幅頻特性的計算，當y(t)與x(t)存在傅里葉變換時，便可求得其數值。若x(t)傅里葉變換是X(jω)，且y(t)傅里葉變換是Y(jω)，那么傳感器系統的幅頻特性是，A(ω)=|H(jω)|=|Y(jω)|(y(t)傅里葉變換 )與 |X(jω)|（x(t)傅里葉變換）的比值。

3 結論

為監測加速度特性，許多運動監控系統均普遍使用加速度傳感器，獲得測定物體的運動信息，便于分析后續運動[3]。以現有實驗條件為依據，針對研制的MEMS高量程加速度傳感器做出動態校準，以不同方法處置實驗數據，同時對比實驗結果，下定結論。（1）通過各自計算方法獲得對數幅頻特性曲線，因為測量中有噪音出現，算出來的幅頻特性曲線沒有相比模型計算方法，FFT方法算出的幅頻特性曲線缺少一定規則及光滑。（2）鏡像映射變換法的應用，在對系統模型參數及模型階次進行辨識上，可同時進行，這種方法的使用，避免了數值“病態”問題的出現，可充分進行了解。通過數據實驗結果指導加速度傳感器接下來的優化設計，讓其更好地應用于高沖擊過載侵徹中。（3）由計算結果得出，加速度計的動態性能指標，有動態性能指標-通頻帶ωb、動態性能指標-諧振頻率ωx等，最終計算出阻尼比和ωn數值，和理論設計值相符。

[1]諶福華,高智浩,王明偉.封裝對高量程MEMS加速度傳感器性能的影響[J].電子技術與軟件工程,2017(07):86-86.

[2]潘龍麗,石云波,周智君等.MEMS高量程加速度傳感器的動態特性分析[J].傳感技術學報,2012,25(10):1392-1394.

[3]譚楊康.MEMS高g值加速度傳感器的失效分析[D].北京理工大學,2016.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.120

張潔（1981-）,本科,助理講師,研究方向：機電工程。

＊為通訊作者