加速度计在振动测量中的效果

杭州爱华为了验证加速度计在振动测量中的效果,对MEMS电磁式加速度计的动态灵敏度、线性度、重复性、量程等参数指标进行了测试,使用信号放大器产生正弦激励信号,然后通过功率放大器对激励信号进行放大并驱动振动台在Z轴方向产生正弦振动。在测量中,由一个恒流源电路为商用集成电路压电加速度计供电,用于在测试MEMS电磁式加速度计前产生参考加速度。

将该加速度作为电磁式加速度计的输入,经过低通滤波放大后通过数字万用表测得对应输出电压(Vout),可以看到有两个尖峰,分别对应加速度计的一阶、二阶模态频率,在66Hz下输出电压达到峰值4.3V。拟合后的电压输出,决定系数R2=0.998;在谐振频率66Hz处,加速度计在0~3g加速度下的输出电压,动态灵敏度最高为263mV/g、非线性误差为3.3%。加速度计在不同振动频率下的灵敏度和线性度,在63~69Hz频率范围内灵敏度相近且线性度较为一致。

振动实验结果表明,该加速度计可以准确检测0~3g量程范围内的加速度信号,测量不同频率和加速度的振动时,均表现出良好的性能。

针对加速度计谐振频率和抗过载能力对敏感结构进行有限元仿真,得出其固有频率为74.91Hz,最大可承受7g加速度。通过光刻、刻蚀、沉积、溅射、研磨、抛光及键合等MEMS微加工工艺实现加速度计的制备。同时建立了振动测试系统,对加速度计的动态特性进行测试分析。测得该加速度计在谐振频率66Hz下,0~3g量程在范围内,动态灵敏度最高为263mV/g,非线性误差为3.3%,可实现63~69Hz频率范围内的振动测量。

本文基于电磁感应原理,设计并制备了一种用于振动测量的微机电系统(MEMS)电磁式加速度计,其具有无源、集成度高、对加工工艺精度要求低及不受温度、湿度影响等优势。

该加速度计在恶劣环境下低g值的振动测量领域具有较好的应用前景。未来可通过在悬臂梁结构上布置特殊膜层材料或者施加预应力的方式,使加速度计谐振频率在一定范围内可调谐,以此来实现在特定频率范围内的高灵敏度测量。