壓電陶瓷正弦激勵加速度計的校準方法及裝置的製作方法

2023-04-28 04:32:46

專利名稱：壓電陶瓷正弦激勵加速度計的校準方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明壓電陶瓷正弦激勵的加速度計校準方法及裝置，是屬於微機電系統中 微機械加速度計領域。
背景技術：
微機電系統加速度計是微機電系統較早開發出來到產品之一，其測量範圍從 數^lg到數萬g(g為重力加速度單位)，目前正得到越來越廣泛的應用。隨著加速度 計的發展，對加速度計的校準工作也提出了新的要求。對於小量程的加速度計， 目前常採用重力場翻轉法、衝擊擺衝擊法及精密離心機來進行校準；對於大量 程的加速度計， 一般採用衝擊的方法來實現對加速度計的校準，如黃俊欽，顧 建雄在《高g值加速度計和壓電式力傳感器的動態校準》 一文中介紹了基於瞬態 衝擊的高g值加速度計的動態校準方法和裝置，Bradford S. Davis等人在《High-G
中介紹了美國Sandia國家實驗室對高g值加速度傳感器的衝擊標定與校準方法。 對於重力場翻轉法標定，其僅能實現lg加速度範圍的校準工作；採用精密離心 機校準加速度計時，設備佔地面積大，成本高；衝擊法校準加速度計，由於其 衝擊時間很短，容易受到較多的外界幹擾，影響結果；對於產生高g值加速度的 衝擊設備，設備成本高、佔地面積大，且校準過程中噪聲大，衝擊過程不易控 制，測試結果穩定性差。

發明內容
本發明的目的是提供一種加速度計校正方法與裝置，降低加速度計校準成
本，提高加速度計的校準精度。
本發明採用的技術方案是 一種壓電陶瓷正弦激勵加速度計的校準方法與 裝置，其校準方法是將被測加速度計1通過安裝螺釘2安裝在由壓電陶瓷4與安
裝盤3組成的正弦激勵裝置上，對壓電陶瓷4的壓電陶瓷引線正極7，壓電陶瓷引 線負極8上施加一個頻率為/W正弦驅動電壓t/嚴t/xos(2兀/什^))，正弦激勵裝置便 會產生一個相應的正弦輸出位移&^Vcos(27u/什^)，則正弦激勵裝置產生的加 速度為其輸出位移對時間的二階導數，即輸出加速度為 『dS /d ^。'4兀V/cos(2兀:/^+A)，獲得壓電陶瓷4輸出位移幅值j。後，便可以確 定正弦激勵裝置輸出加速度峰值為 ^^4(r4兀V7;此時，被測加速度計l的被測 加速度計輸出線正極5和被測加速度計輸出線負極6之間測得的是正弦激勵裝置 輸出的加速度值，被測加速度計l輸出亦為正弦信號t/。^'cos(2兀:/^+^)，其峰值 j對應於正弦激勵裝置輸出加速度峰值；獲得了穩態正弦激勵裝置輸出加速度峰 值 。,=為4712^/與被測加速度計1輸出峰值^後，便可對被測加速度計l靈敏度進 行校準，得到靈敏度Y為Y二J/(4"(T兀2//)。通過改變壓電陶瓷4驅動電壓C/,的頻 率/，可以改變正弦激勵裝置的輸出加速度值；通過選用不同系列的壓電陶瓷， 壓電陶瓷的工作頻率可在數Hz到數百KHz的頻率範圍內工作，相應的正弦激勵 可產生數g到上萬g加速度輸出，可以實現對量程數g到上萬g的加速度傳感器的 校準。
壓電陶瓷正弦激勵加速度計的校準裝置，該裝置由壓電陶瓷4、安裝盤3與 基座9組成，壓電陶瓷4與安裝盤3之間採用樹脂膠粘接，壓電陶瓷4通過樹脂膠 安裝在基座9上。
本發明的有益效果是通過改變壓電陶瓷正弦激勵裝置的輸入驅動電壓頻率/， 便可以實現輸出加速度值的大幅度改變。該發明能實現較大範圍內的加速度值
的改變，可以針對不同量程的加速度計進行校準，且裝置簡單、成本低。


附圖1為基於壓電陶瓷正弦激勵的加速度計校準裝置示意圖。
圖中1-被測加速度計，2-安裝螺釘，3-安裝盤，4-壓電陶瓷，5-被測加速度 計輸出線正極，6-被測加速度計輸出線負極，7-壓電陶瓷引線正極，8-壓電陶瓷 引線負極，9-基座，M-壓電陶瓷驅動電壓，t/。-被測加速度計輸出電壓，5V壓電
陶瓷輸出位移。
具體實施例方式
結合附圖1詳細說明本發明的具體實施方式
， 一種壓電陶瓷正弦激勵的加速 度計校準方法，將待測加速度計1通過安裝螺釘2安裝於安裝盤3上，安裝盤3 通過樹脂膠與壓電陶瓷4連接，壓電陶瓷4用樹脂膠粘接在基座9，由壓電陶瓷 4、安裝盤3與基座9組成正弦激勵裝置。採用壓電陶瓷4組成的穩態正弦激勵 裝置，在加速度計諧振頻率與壓電陶瓷工作頻率範圍內，對壓電陶瓷4的壓電 陶瓷引線正極7，壓電陶瓷引線負極8上施加一個頻率為/、幅值為t/正弦驅動 電壓t/屍"'cos(2;r/什,)，則由壓電陶瓷組成的正弦激勵裝置便會產生一個相應 的正弦的位移輸出So^4(/cos(27r/什^)。壓電陶瓷正弦激勵裝置產生的輸出加速 度應為其輸出位移對時間的二階導數，其輸出加速度為 『d^/d一^。'4兀^/cos(2兀;^+A)，輸出加速度為隨時間變化的正弦信號，其輸出 最大加速度值即為其峰值為^^=^4兀2//。此時，被測加速度計1的被測加速 度計輸出線正極5和被測加速度計輸出線負極6之間測得的是壓電陶瓷正弦激 勵裝置輸出的加速度值，被測加速度計輸出電壓信號也為正弦信號 t/。^4'cos(2兀;^+^)，被測加速度計此時測得的加速度幅值為壓電陶瓷正弦激勵
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裝置產生的加速度值。正弦激勵裝置輸出峰值加速度時，對應被測加速度計此 時輸出也為其峰值輸出A獲得了正弦激勵裝置輸出加速度峰值與加速度計輸出 峰值後，便可以完成對加速度計的校準工作，得到被測加速度計的靈敏度y為
formula see original document page 6。由於壓電陶瓷正弦激勵裝置輸出加速度值與壓電陶瓷輸入驅動
電壓頻率的平方成正比，與輸出位移量成正比，通過改變壓電陶瓷驅動電壓頻 率/，便可大幅度改變壓電陶瓷正弦激勵裝置的輸出最大加速度值，即可以實現 對不同量程的被測加速度計的校準。採用壓電陶瓷作為正弦激勵裝置，雖然壓 電陶瓷輸出位移很小，只有數微米，但壓電陶瓷可以工作在數百KHz的高頻位 移輸出條件下，此時輸出加速度值能達到數萬g，因此可以實現對高g值加速度 計的校準。
通過選用不同型號的壓電陶瓷，壓電陶瓷可以在數Hz到數百KHz的頻率 範圍內工作，由於壓電陶瓷正弦激勵裝置可輸出的加速度與壓電陶瓷的工作頻 率的平方成正比，因此可以實現對量程在數g到上萬g範圍內的加速度計的校 準。儘管壓電陶瓷的輸出位移很小(只有數微米)，但壓電陶瓷能在數百KHz條 件下工作，且其輸出的最大加速度值是與其輸出頻率的平方成正比的，因此壓 電陶瓷通過其快速交變位移輸出所產生的加速度值是很大的。以本實施例中壓 電陶瓷的輸出位移為5microns，工作在50KHz的正弦輸出狀態，則其輸出的最大加 速度為formula see original document page 6，此時的高g值加速 度輸出，完全能滿足高g值加速度計校準的要求。
權利要求
1、一種壓電陶瓷正弦激勵加速度計的校準方法與裝置，校準方法其特徵是將被測加速度計(1)通過安裝螺釘(2)安裝在由壓電陶瓷(4)與安裝盤(3)組成的正弦激勵裝置上，對壓電陶瓷(4)的壓電陶瓷引線正極(7)、壓電陶瓷引線負極(8)上施加一個頻率為f的正弦驅動電壓Ui＝U·cos(2π·f·t+0)，正弦激勵裝置便會產生一個相應的正弦輸出位移S0＝A0·cos(2π·f·t+s)，則正弦激勵裝置產生的加速度為其輸出位移對時間的二階導數，即輸出加速度為a＝dSo2/dt2＝A0·4π2·f·f·cos(2π·f·t+s)，獲得壓電陶瓷(4)輸出位移幅值A0後，就確定了正弦激勵裝置的輸出加速度峰值為amax＝A0·4π2·f·f；此時，被測加速度計(1)的被測加速度計輸出線正極(5)和被測加速度計輸出線負極(6)之間測得的是正弦激勵裝置輸出的加速度值，被測加速度計(1)輸出亦為正弦信號Uo＝A·cos(2π·f·t+a)，其峰值A對應於正弦激勵裝置輸出加速度峰值；獲得了穩態正弦激勵裝置輸出加速度峰值amax＝A0·4π2·f·f與被測加速度計(1)輸出峰值A後，便可對被測加速度計(1)靈敏度進行校準，得到靈敏度γ為γ＝A/(4·A0·π2·f·f)動；通過改變壓電陶瓷(4)驅動電壓Ui的頻率f，可以改變正弦激勵裝置的輸出加速度值；通過選用不同系列的壓電陶瓷，壓電陶瓷的工作頻率可在數Hz到數百KHz的頻率範圍內工作，相應的正弦激勵可產生數g到上萬g加速度輸出，實現對量程數g到上萬g的加速度傳感器的校準。
2、 根據權利要求l所述的壓電陶瓷正弦激勵的加速度計校準方法的裝置，其 特徵是該裝置由壓電陶瓷(4)、安裝盤(3)與基座(9)組成，壓電陶瓷(4)與 安裝盤(3)之間採用樹脂膠粘接，壓電陶瓷(4)通過樹脂膠安裝在基座(9)上。
全文摘要
本發明壓電陶瓷正弦激勵的加速度計校準方法及裝置，是屬於微機電系統中微機械加速度計領域。一種壓電陶瓷正弦激勵加速度計的校準方法與裝置，將被測加速度計通過安裝螺釘安裝在由壓電陶瓷與安裝盤組成的正弦激勵裝置上，對壓電陶瓷施加一個頻率為的正弦驅動電壓，正弦激勵裝置便會產生一個相應的正弦輸出位移。校準裝置由壓電陶瓷、安裝盤與基座組成，壓電陶瓷與安裝盤之間採用樹脂膠粘接，壓電陶瓷通過樹脂膠安裝在基座上。降低加速度計校準成本，提高加速度計的校準精度。裝置簡單、成本低。
文檔編號G01P21/02GK101101306SQ20071001224
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月21日 優先權日2007年7月21日
發明者佘東生, 孫屹博, 濤 王, 王曉東, 王立鼎 申請人:大連理工大學