專利名稱：壓阻加速度傳感器的模態(tài)共振頻率的半橋測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提供一種基于壓阻加速度傳感器的模態(tài)共振頻率的測試方 法，更確切地說涉及中高量程的微加工制造的壓阻加速度傳感器的模態(tài)共振 頻率的半橋測試方法，屬于微傳感器的力學(xué)測試分析領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在微納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中，模態(tài)是指一種結(jié)構(gòu)所具有的振動模式，不同 的振動模式對應(yīng)不同的特征振動頻率。微結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析是獲取器件幾何結(jié) 構(gòu)信息和驗(yàn)正器件工作狀態(tài)的一種重要分析方法[黃衛(wèi)東彩霞徐步陸程兆 年，封裝對MEMS高G值傳感器性能的影響，功能材料與器件學(xué)報，2002， 8 (3)， pp251-258]。量程在2000g(^9.8m/V)以上的微加工制造的壓阻加速 度傳感器在許多領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，是目前研究的一個主要方面[V.T. Srikar, Stephen D. Senturia, The reliability of microelectromechanical systems(MEMS) in shock environments, Journal of microelectromechanical systems, 2002,V11(3), pp206-214]。加速度傳感器敏感方向一階模態(tài)的共振頻率是衡量其工作帶寬 的一個重要參數(shù)。 一階共振頻率越高，則器件就具有越寬的工作頻率范圍， 因此，常采用不同的方式以獲取共振頻率這一器件的重要信息。然而微結(jié)構(gòu) 其它模態(tài)的共振頻率信息的獲取對器件和材料的設(shè)計(jì)、實(shí)施和應(yīng)用起到了重 要的作用[R.Rabe, K. Janser, and W.Arnold， Vibrations of free and surface-coupled atomic force microscope cantilevers: theory and experiment, Rev.Sd.Instmm.67(9),1996,pp3281-3293]。因?yàn)?，不同模態(tài)對應(yīng)了器件相同結(jié) 構(gòu)的不同運(yùn)動形式，從相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和模擬試驗(yàn)中，可以獲取器件的力學(xué)結(jié)構(gòu) 信息和工作過程中所激發(fā)出來的有用信息。因?yàn)?，器件在?shí)驗(yàn)室條件下的測 試和在真正工作環(huán)境下的測試具有較大的差異性。因此，獲取加速度傳感器 的共振頻率是一種重要的分析途徑，對識別器件的本征振動和獲取外界特征 振動和沖擊具有重要意義。壓阻加速度傳感器一般采用惠斯通全橋或半橋電路的連結(jié)方式用于加速 度信息的提取。如壓阻加速度傳感器，在全橋測量電路中，是將受力性質(zhì)相 同的壓阻接入電橋的對邊，不同的壓阻接入鄰邊，其輸出靈敏度比半橋結(jié)構(gòu) 提高一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。因此，敏感電阻全橋電路結(jié) 構(gòu)廣泛應(yīng)用于多種信號的獲取中，其原因在于全橋形式的結(jié)構(gòu)輸出具有很多 優(yōu)點(diǎn) 一個是具有較大的輸出信號，即具有較大的靈敏度輸出，另外一個更 為主要的原因是，全橋結(jié)構(gòu)在電學(xué)上具有能夠消除共模成分的輸入信號和噪 聲，使得有用的差分信號的輸入能夠被有效地輸出。目前，在微機(jī)電系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)和實(shí)施中， 一般都將敏感結(jié)構(gòu)或者敏感方式設(shè)計(jì)成全橋電路的形式，或 者將微機(jī)械慣性器件設(shè)計(jì)成一對相同的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，然后再在其上面加工制 造全橋的敏感電阻或者電容結(jié)構(gòu)，這些構(gòu)成方式同樣用來消除振動和沖擊所 帶來的共模影響。全橋結(jié)構(gòu)還具有實(shí)施簡單等特點(diǎn)，是獲取外界有效敏感信 息的主要途徑。
雖然全橋結(jié)構(gòu)通常是作為抑制共模成分的有效途徑，但是，在信息提取 過程中，有關(guān)器件內(nèi)部的一些相關(guān)動態(tài)信息卻被掩蓋。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在中高量 程加速度傳感器中，壓阻加速度傳感器其它模態(tài)的共振波一般也被抑制了。 而在半橋?qū)嶒?yàn)中，不同受力方向的壓阻接入電橋作為鄰邊，電橋輸出具有靈 敏度高，非線性較好等特性。但對共模成分不具有抑制作用，因此，可以利 用半橋輸出的形式獲取更豐富的微結(jié)構(gòu)模態(tài)的信息。
一般的模擬工具如有限元分析軟件ANSYS,可以對微結(jié)構(gòu)的前幾階模態(tài)
進(jìn)行分析。在實(shí)施上，可以通過振動臺或者激光頻閃測試等方法獲取微結(jié)構(gòu)
的模態(tài)信息，同樣受到驅(qū)動方式和驅(qū)動頻率等限制，這些方法對彈性系數(shù)比
較小的結(jié)構(gòu)較為有效，對中高量程加速度傳感器的模態(tài)獲取上存在一定難度。
因此，本發(fā)明擬在不改變原有加速度傳感器的電路結(jié)構(gòu)上，采用外接半橋輸
出方式，利用金屬碰撞共振激發(fā)的方式，結(jié)合富麗葉變換分析等手段對原始
數(shù)據(jù)提取分析，獲取加速度傳感器敏感方向和非敏感方向相關(guān)振動結(jié)構(gòu)的模 太，自

發(fā)明內(nèi)容
綜上所述，本發(fā)明的目的在于提供一種中高量程的壓阻加速度傳感器的 模態(tài)共振頻率的測試方法。本發(fā)明特征在于在保持壓阻加速度傳感器原有全橋電路連接結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用金屬碰撞沖擊產(chǎn)生豐富的頻譜作為激勵源， 通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，采用半橋輸出的形式，以獲得器件模態(tài)的共振頻率信 息，然后利用獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，再綜合理論分析和相應(yīng)的測試 數(shù)據(jù)，獲得微結(jié)構(gòu)的模態(tài)共振頻率。模態(tài)的共振頻率包括器件在敏感方向和 非敏感方向的同一結(jié)構(gòu)的不同共振頻率。本發(fā)明不僅給出了中高量程加速度 傳感器器件模態(tài)共振頻率的測試方法,而且還可確定加速度傳感器不同模態(tài) 的一階共振頻率，由此可以獲取微結(jié)構(gòu)加工制造的結(jié)構(gòu)參數(shù)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)尺寸設(shè) 計(jì)的正確性，以及分析器件工作狀態(tài)的正確性。此測試并不排除全橋結(jié)構(gòu)測試 的結(jié)果，并適合于具有全橋結(jié)構(gòu)的高量程壓阻、電容等類型的加速度傳感器、 壓力傳感器等。
不同敏感結(jié)構(gòu)其共振頻率具有不同的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。圖1是一種最簡單 的懸臂梁式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，懸臂梁結(jié)構(gòu)存在著撓曲、扭轉(zhuǎn)等模 態(tài)。圖1中的數(shù)字1表示懸臂梁，數(shù)字2表示懸臂梁上的四個敏感電阻區(qū)域， 數(shù)字3表示傳感器的敏感法向方向，數(shù)字4表示傳感器的非敏感橫向方向。 對于這種懸臂梁結(jié)構(gòu)，敏感方向3的一階撓曲形式的共振頻率，即模態(tài)l的
共振頻率是
其中，k為懸臂梁的法向彈性系數(shù)，m為懸臂梁的有效質(zhì)量，h為懸臂梁 的厚度，L為長度，E和p分別是硅的楊氏模量和密度。
而非敏感橫向方向4的一階撓曲共振頻率，即模態(tài)2的共振頻率為
式中，ka為懸臂梁橫向彈性系數(shù)，w為懸臂梁的寬度。因?yàn)椋瑢挾葁要 遠(yuǎn)大于厚度h，也就是說，懸臂梁橫向共振頻率A要遠(yuǎn)比敏感方向的共振頻
率/高很多，因此，懸臂梁橫向共振頻率波和高階頻率波不容易激發(fā)出來； 尤其是全橋結(jié)構(gòu)的輸出形式，在某種程度上從電學(xué)和力學(xué)上會抑制高階頻率
的出現(xiàn)。
壓阻加速度傳感器由四個敏感電阻構(gòu)成，加速度傳感器的四個敏感電阻 和相應(yīng)的放大電路連接方式如圖2和圖3所示，其中電壓(通常為5V)是加 在由敏感電阻組成的惠斯通電橋上。圖2是加速度傳感器和運(yùn)算放大器以全橋信號連接輸出的示意圖。在全橋連接中，將兩對同側(cè)敏感電阻的中間輸出 分別連接到運(yùn)算放大器的兩個輸入端。針對全橋敏感結(jié)構(gòu)對振動沖擊具有共 模抑制作用，尤其對高階模態(tài)有一定的抑制作用。因此，在保持原有加速度 傳感器的全橋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在電路上采用半橋輸出形式用來獲取敏感結(jié)構(gòu)的 輸出特性。圖3是傳感器和運(yùn)算放大器以半橋形式連接的輸出示意圖。在半 橋輸出中，四個敏感電阻與運(yùn)算放大器的連接同全橋形式相同，只是將連接 到運(yùn)算放大器的兩個輸入端中的一個輸入端與地相連接，以構(gòu)成半橋輸出。 這樣，實(shí)際上就只有半個橋路的信號輸入給運(yùn)算放大器，也就是相當(dāng)于傳感 器只有半個橋路在工作。這樣的結(jié)果是半橋輸出的信號幅度會損失一半，由 于傳感器敏感方向的輸出波形的特性可以由振動和沖擊所帶來的器件響應(yīng)會 充分體現(xiàn)出來，不會受到抑制。此方法并不排除全橋結(jié)構(gòu)能夠獲取模態(tài)共振 頻率的途徑，只是通過半橋形式更容易觀察到傳感器固有波形特征和獲取振 動模態(tài)的共振頻率，是一種有效的方法。
在本發(fā)明中，利用一個金屬桿在下落時與地面上的金屬鋼砧相互碰撞用 來產(chǎn)生高加速度和高頻率成份波的激發(fā)源，金屬桿的碰撞端端面首先被減速， 然后向上加速。碰撞端端面發(fā)生速度變化并產(chǎn)生應(yīng)力波(固體中的聲波)，應(yīng) 力波向金屬桿的另一端傳播。當(dāng)t二A/C時(A是金屬桿的長度，C是金屬桿 中的聲速)，聲波傳到金屬桿的傳感器端。如果傳感器與金屬桿直接剛性連接， 聲波就能完全傳遞給傳感器。
圖4是器件的3種安裝示意。順著管腳方向(圖中y方向)即為加速度 傳感器的敏感方向。圖4(a)是當(dāng)安裝的器件管腳12方向與金屬桿10的軸向 一致時，即沿重力加速度方向y方向，在金屬桿自由下落與金屬砧碰撞就記 錄了加速度傳感器在敏感方向的輸出；同樣，圖4(b)是當(dāng)管腳12方向與金 屬桿10垂直時，就獲得了器件在非敏感方向，即橫向方向(x方向)的輸出。 圖4(c)是器件安裝在金屬桿頂端非敏感z方向的示意圖；圖4(d)表示器件的 坐標(biāo)。
整個試驗(yàn)裝置簡圖如5所示。實(shí)驗(yàn)中，將傳感器以一定的方式固定在金 屬桿的尾端。金屬砧碰撞過程中產(chǎn)生應(yīng)變波，應(yīng)變波將沿著金屬桿傳遞給加 速度傳感器，加速度傳感器記錄這一碰撞過程。最終對數(shù)據(jù)進(jìn)行富麗葉變換 分析，得到器件輸出的功率譜，即幅值平方與頻率的關(guān)系，從頻譜的峰位上 即可判斷，從中就可以獲得所需要器件模態(tài)和相應(yīng)的共振頻率。具體實(shí)施步驟
(1) 加速度傳感器的安裝、連接總體布局
首先，將被測試的壓阻加速度傳感器按照圖4所示的三種安裝方式中的
一種安裝，利用雙面膠或者502膠將加速度傳感器11安裝固定在一定長度和 直徑的金屬鋁桿10的尾端上。然后，然后將加速度傳感器與放大電路5連接， 構(gòu)成全橋或者半橋形式；按照圖2連接就為全橋輸出形式，按照圖3的連接 就為半橋輸出方式。最后是放大電路5與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)18連接，總體 布局如圖5所示意。啟動計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件為Topview 400，開啟相應(yīng)的電源使器件和運(yùn)算放大器以及計(jì)算機(jī)處于正常工作狀態(tài)。
(2) 實(shí)驗(yàn)過程
實(shí)驗(yàn)中，按照圖5將固定加速度傳感器的金屬鋁桿10從一定高度自由落 下沖擊碰撞一個固定在地面上的金屬砧17。金屬桿和地面上的金屬鋼砧碰撞 沖擊產(chǎn)生較高的加速度和頻率豐富的激勵信號，激發(fā)的高頻波中含有頻率與 加速度傳感器共振頻率一致的波，這樣就可以將器件在敏感方向和橫向方向 不同模態(tài)的共振波激發(fā)出來，以此獲得加速度傳感器在敏感方向和非敏感橫 向方向不同模態(tài)下的共振頻率信息。圖6和圖8分別是加速度傳感器在敏感 方向和橫向沖擊下輸出電壓信號幅值與時間的關(guān)系。
試驗(yàn)中金屬鋼砧的尺寸為長29.8cm，寬26.7cm，高19.2 cm;金屬 鋁桿長為lm、直徑1. 5cm;傳感器13(或者14位置)安裝固定在金屬鋁桿的 尾端，傳感器所產(chǎn)生的小信號通過細(xì)軟電纜7與運(yùn)算放大器5連接，經(jīng)過放 大的信號又通過電纜線與具有數(shù)據(jù)采集功能的計(jì)算機(jī)18連接，碰撞過程產(chǎn)生 的波形顯示于計(jì)算機(jī)屏幕上。
(3) 數(shù)據(jù)采集和分析
金屬碰撞過程中產(chǎn)生應(yīng)變波，應(yīng)變波將沿著金屬鋁桿傳遞給加速度傳感 器，當(dāng)相互碰撞產(chǎn)生的應(yīng)力波高于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)定的閾值電平時，計(jì)算機(jī) 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將開始自動記錄輸出的電壓波形。
圖6和圖8分別是利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的加速度傳感器在敏感 方向和橫向沖擊下輸出電壓信號幅值與時間的原始數(shù)據(jù)關(guān)系。這一原始數(shù)據(jù) 是輸出電壓信號幅值與時間的關(guān)系，即是時域上的對應(yīng)關(guān)系，其中，電壓信號幅值的大小直接對應(yīng)加速度的大小。為了獲得相應(yīng)頻率和輸出特性的關(guān)系， 還需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。即利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分析功能，將得到的原始 數(shù)據(jù)利用富麗葉變換分析方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即得到頻域上的輸出強(qiáng)度和
頻率的對應(yīng)關(guān)系，也就是得到功率頻譜，圖7和圖9分別是圖6和圖8經(jīng)過
富麗葉變換后得到的功率頻譜，從功率頻率上分析可以發(fā)現(xiàn)明顯對應(yīng)的不同 頻率位置的波強(qiáng)度等信息，獲得最終加速度傳感器模態(tài)共振頻率的信息。 當(dāng)敏感方向與加速度方向平行時，即管腳方向和金屬桿的軸向一致時(如
圖4(a)所示)，圖6所示記錄了加速度傳感器在敏感方向的輸出。為了驗(yàn)證 輸出結(jié)果的正確形，可以將該器件在橫向放置進(jìn)行安裝測試，當(dāng)加速度傳感 器的管腳方向與金屬桿軸向垂直時(圖中4(b)所示)，圖8所示記錄了加速度 傳感器橫向方向的輸出，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行富麗葉變換分析，得到器件輸出的 功率譜，即幅值平方與頻率的關(guān)系，從頻譜的峰位上即可判斷分析加速度傳 感器相應(yīng)的模態(tài)共振頻率。
綜上所述，本發(fā)明所述的壓阻加速度傳感器的模態(tài)共振頻率的半橋測試 方法，其特征在于測試歩驟是
a. 將被測試的壓阻加速度傳感器按照下述三種安裝方式中的任一種安裝 在金屬鋁桿的尾端上
(1) 加速度傳感器的管腳方向與金屬桿的軸向一致(敏感方向)；
(2) 加速度傳感器的管腳方向與金屬桿的軸向垂直(非敏感方向)；
(3) 加速度傳感器水平放置安裝在金屬桿頂端的非敏感方向；
b. 然后，將加速度傳感器與運(yùn)算放大器連接，構(gòu)成半橋輸出形式，在所 描述半橋輸出中，四個敏感電阻與運(yùn)算放大器的連接與全橋輸出時相同，只 是連接到運(yùn)算放大器的兩個輸入端的一個輸入端與地相連接；
c. 將步驟a安裝有加速度傳感器的金屬鋁桿自由落下沖擊碰撞固定在地 面上的金屬鋼砧，產(chǎn)生頻率豐富的激勵信號；
d. 步驟c所述的由加速度傳感器產(chǎn)生的激勵信號，通過電纜與運(yùn)算放大 器連接，經(jīng)放大的信號通過電纜線與計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 自動記錄輸出的電壓波形，通過富麗葉變換分析，得到輸出的功率譜，獲得 所需加速度傳感器模態(tài)和相應(yīng)的共振頻率。本發(fā)明所述的壓阻加速度傳感器的量程為大于2000g的中高量程，通過
確定加速度傳感器不同模態(tài)的一階共振頻率，還可以獲取微結(jié)構(gòu)加工制造的 結(jié)構(gòu)參數(shù)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的正確性，可用來分析器件工作狀態(tài)。測試方法 適合于具有全橋結(jié)構(gòu)的高量程壓阻、電容等類型的加速度傳感器、壓力傳感器等。


圖l.一種懸臂梁式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；l表示懸臂梁，2表示 懸臂梁上的四個敏感電阻區(qū)域，外接連線沒有畫出，3表示傳感器的敏感法 向方向，4表示傳感器的非敏感橫向方向。
圖2.傳感器的全橋連接方式示意圖；5是運(yùn)算放大器，6是信號輸出端， 7是金屬線連接，8是金屬線連接點(diǎn)，9表示接地，Vdd為施加在運(yùn)算放大 器上的電源電壓。
圖3.傳感器的半橋連接方式示意圖(各數(shù)字代表與圖2同)。
圖4.器件的三種安裝方式，圖中金屬鋁桿10和加速度傳感器11均是非 比例的示意，圖4a，器件安裝在金屬桿側(cè)壁，器件的敏感y方向安裝，管腳12 方向與金屬桿平行；圖4b，器件安裝在金屬桿側(cè)壁敏感非敏感x方向，管腳 方向與金屬桿垂直；圖4c，器件安裝在金屬桿頂端非敏感z方向的示意圖； 圖4d，表示器件的坐標(biāo)。
圖5.自由落桿沖擊測試裝置示意圖，13表示器件敏感方向安裝(旋轉(zhuǎn) 90度可以得到非敏感方向的一種安裝)，14表示非敏感方向的另外一種安裝， 15表示加速度方向，16表示金屬桿和金屬砧之間的高度差，17表示金屬砧， 18表示計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
圖6.敏感方向安裝在金屬鋁桿上量程為6000g的加速度傳感器從5cm高 度處自由落體的半橋輸出波形。
圖7.圖6中傳感器的半橋輸出波的功率頻譜(簡稱功率譜)(下半圖)。
圖8.非敏感z方向安裝在金屬鋁桿上量程為6000g的加速度傳感器從 5cm高度處自由落體的半橋輸出波形。
圖9.圖8中傳感器的半橋輸出波的功率譜(下半圖)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l.敏感方向安裝、量程為6000g的加速度傳感器的模態(tài)共振頻率
針對量程為6000g壓阻加速度傳感器，由計(jì)算機(jī)軟件Ansys進(jìn)行理論計(jì) 算分析，得到加速度傳感器不同模態(tài)所對應(yīng)的一階共振頻率。其中，敏感方 向的一階共振頻率為24. lKHz，而橫向的一階共振頻率為58. 0KHz。
按照圖4(a)的方式，利用雙面膠或502膠將器件在敏感方向安裝固定在 金屬桿上，器件的四個管腳按照一定順序連接電源的正極、負(fù)極和兩個輸出 端以半橋形式輸出(如圖3所示)，由運(yùn)算放大器和相應(yīng)的電阻電容構(gòu)成的放 大電路具有較寬的頻帶。然后將信號放大器的輸出電纜線連接到計(jì)算機(jī)，啟 動計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)采集軟件(Topview 400數(shù)據(jù)采集軟件)，取樣頻 率不小于625KHz;從5cm高度處將金屬鋁桿自由釋放與金屬砧相互碰撞；相 互碰撞后，產(chǎn)生的應(yīng)力波高于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)定的閾值電平時，計(jì)算機(jī)的數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)將開始自動記錄輸出的電壓波形。
圖6和圖7是該加速度傳感器在敏感方向輸出波形示意圖和相對應(yīng)的功 率頻譜圖。圖6中，敏感方向的輸出存在一個明顯的主波，以及主波后的余 波，余波中存在有規(guī)律的波形輸出。通過富麗葉變換得到功率頻譜圖7，在 圖7的強(qiáng)度隨頻率的變化譜圖中，可以發(fā)現(xiàn)在低于100KHz的頻率，存在兩個 明顯尖銳的峰，經(jīng)確認(rèn)分別是敏感方向的一階共振頻率為24KHz，非敏感橫 向方向的一階共振頻率為58KHz，且敏感方向的一階共振峰強(qiáng)度要比橫向方 向的一階共振峰強(qiáng)度高，圖中標(biāo)出的是特征峰位；而100KHz到300KHz之間 處有多個峰，但不是很明顯，更高階振動模態(tài)的共振頻率需要通過理論計(jì)算 核定，這里不予考慮。
實(shí)施例2.非敏感橫向方向安裝、量程為6000g的加速度傳感器的模態(tài)共振 頻率
步驟同例l，保持傳感器的電路連接方式，只是把同一傳感器按照圖4(b) 的非敏感方向安裝在金屬鋁桿上。同樣從5cm高度處將金屬桿自由釋放與金 屬砧相互碰撞；計(jì)算機(jī)的軟件自動記錄輸出波形；通過富麗葉變換得到功率 頻譜。
圖8和圖9是該加速度傳感器在非敏感橫向安裝下輸出電壓波形隨時間的關(guān)系以及經(jīng)過富麗葉變換后所對應(yīng)的功率頻譜圖。圖9中的輸出強(qiáng)度和頻
率的關(guān)系譜圖中，可以發(fā)現(xiàn)在低于lOOKHz的功率譜圖中，存在兩個明顯尖銳 的峰，即為共振峰，經(jīng)確認(rèn)，敏感方向的一階共振頻率為24KHz，非敏感橫向 方向的一階共振頻率為58KHz，結(jié)果同例1 一致。但圖6和圖8比較，圖8中 非敏感方向安裝碰撞的輸出波形不存在明顯的主碰撞波(半正弦輸出波形)； 而圖7和圖9的功率(強(qiáng)度)譜比較中，圖9中橫向方向的共振峰(58KHz)比敏 感方向共振峰(28KHz)強(qiáng)度要高，這也驗(yàn)證了該器件的測試結(jié)果的正確性。同 樣在100KHz到300KHz之間有峰值但不是很明顯，也需要進(jìn)一步通過理論計(jì) 算標(biāo)定出，這里不予考慮。
權(quán)利要求
1、壓阻加速度傳感器的模態(tài)共振頻率的半橋測試方法，其特征在于保持壓阻加速度傳感器全橋電路連接結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，利用金屬碰撞沖擊產(chǎn)生豐富的頻譜作為激勵源，通過外接電路，采用半橋輸出形式，獲取壓阻加速度傳感器模態(tài)共振頻率的信息，通過數(shù)據(jù)采集和分析而獲得器件的模態(tài)和相應(yīng)的共振頻率。
2、 按權(quán)利要求1所述的壓阻加速度傳感器的模態(tài)共振頻率的半橋測試方法，其特征在于測試步驟是a. 將被測試的壓阻加速度傳感器按照下述三種安裝方式中的任一種安裝在金屬鋁桿的尾端上(1) 加速度傳感器的管腳方向與金屬桿的軸向一致；(2) 加速度傳感器的管腳方向與金屬桿的軸向垂直；(3) 加速度傳感器水平放置安裝在金屬桿頂端的非敏感方向；b. 然后，將加速度傳感器與運(yùn)算放大器連接，構(gòu)成半橋輸出形式，在所 描述半橋輸出中，四個敏感電阻與運(yùn)算放大器的連接與全橋輸出時相同，只 是連接到運(yùn)算放大器的兩個輸入端的一個輸入端與地相連接；c. 將步驟a安裝有加速度傳感器的金屬鋁桿自由落下沖擊碰撞固定在地 面上的金屬鋼砧，產(chǎn)生頻率豐富的激勵信號；d. 步驟c所述的由加速度傳感器產(chǎn)生的激勵信號，通過電纜與運(yùn)算放大 器連接，經(jīng)放大的信號通過電纜線與計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 自動記錄輸出的電壓波形，通過富麗葉變換分析，得到輸出的功率譜，獲得 所需加速度傳感器模態(tài)和相應(yīng)的共振頻率。
3、 按權(quán)利要求2所述的壓阻加速度傳感器的模態(tài)共振頻率的半橋測試方 法，其特征在于所述的模態(tài)共振頻率包括加速度傳感器在敏感方向和非敏感 方向的同一結(jié)構(gòu)的不同共振頻率。
4、 按權(quán)利要求2所述的壓阻加速度傳感器的模態(tài)共振頻率的半橋測試方 法，其特征在于被測試的壓阻加速度傳感器是用雙面膠或502膠安裝固定在 金屬鋁桿的尾端上。
5、 按權(quán)利要求2所述的壓阻加速度傳感器的模態(tài)共振頻率的半橋測試方法，其特征在于所述的金屬鋁桿長度為lm，直徑為1. 5cm。
6、 按權(quán)利要求2所述的壓阻加速度傳感器的模態(tài)共振頻率的半橋測試方 法，其特征在于所述的金屬鋼砧尺寸長為29. 8cm，寬為26. 7cm，高為19. 2cm。
7、 按權(quán)利要求1或2所述的壓阻加速度傳感器的模態(tài)共振頻率的半橋測 試方法，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)的軟件為T叩view 400。
8、 按權(quán)利要求1或2所述的壓阻加速度傳感器的模態(tài)共振頻率的半橋測 試方法，其特征在于所述的壓阻加速度傳感器的量程大于2000g。
全文摘要
本發(fā)明涉及提供一種壓阻加速度傳感器的模態(tài)共振頻率的測試方法。其特征在于在保持壓阻加速度傳感器原有全橋電路連接結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用金屬碰撞沖擊產(chǎn)生豐富的頻譜作為激勵源，通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，采用半橋輸出的形式，以獲得加速度傳感器模態(tài)的共振頻率信息，利用獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，獲得微結(jié)構(gòu)的模態(tài)共振頻率。加速度傳感器模態(tài)的共振頻率包括器件在敏感方向和非敏感方向的同一結(jié)構(gòu)的不同共振頻率。通過確定加速度傳感器不同模態(tài)的一階共振頻率，還可以獲取微結(jié)構(gòu)加工制造的結(jié)構(gòu)參數(shù)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的正確性，可用來分析器件工作狀態(tài)。測試方法適合于具有全橋結(jié)構(gòu)的高量程壓阻、電容等類型的加速度傳感器、壓力傳感器等。
文檔編號G01P21/00GK101539588SQ20091004963
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月21日
發(fā)明者民 劉, 宋朝輝, 李昕欣, 鮑海飛 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所