MEMS高量程加速度传感器的动态特性研究

张 洁,付素芳＊

（1.河南科技学院,河南 新乡 453001;2.宁夏职业技术学院,银川 750021）

MEMS高量程加速度传感器的动态特性研究

张 洁1,2,付素芳1＊

（1.河南科技学院,河南 新乡 453001;2.宁夏职业技术学院,银川 750021）

针对MEMS高量程压阻式加速度传感器，进行动态校准;通过一定手段处置实验数据，获得MEMS高量程压阻式加速度传感器的幅频特性，以对数幅频特性曲线为依据，比较不同算法结果，相比FFT算法，镜像映射法更具优势，效果好，计算不复杂，可应用在系统模型参数及模型阶次的辨识中。

MEMS；加速度传感器；动态特性

高重力加速值加速度传感器一般以每秒几千英尺的速度钻入物体当中，承受的工作环境比较苛刻[1]。高重力加速值加速度传感器在民工工业上得到普遍应用，其中，汽车碰撞载荷大小测量就是其中一方面。高重力加速值加速度传感器在一次性仪表当中使用，大力应用在冲击载荷测量中，其中在靶板目标特性等的研究最为多见。务必深究测试系统的动态响应特性，以确保快速瞬变信号的测定无误，传感器在测试系统中尤为重要，当动态特性改变，将不能准确呈现动态被测信号，也不能将准确信息提供给后面系统。处置冲击加速度测试数据时，往往会出现冲击完毕后而加速度积分速度并不协调撞击前弹体速度等的情况，原因往往是，测试系统及加速度传感器的动态特性不再是原有的情况。为此，很有必要研究传感器的动态特性。

1 动态校准试验

实验开始前，校准动态冲击，为得到窄脉冲输入加速度信号，实验中使用相应钢垫片及平头弹，其中钢垫片规格：直径16 mm、厚4 mm，型号45。在动态校准开始前，使用马歇特锤，标定传感器，确保灵敏度符合要求。为得到激励加速度值（111 760 gn，25μ脉宽为s），使用激光干涉仪，对多普勒频移信号实施测量，通过相位解算法，继而获得该数值。

2 分析试验数据

在传感器的频率特性的计算上，只需借助动态校准实验数据便可以获得，下文在具体求解时，主要使用了两种算法：镜像映射法、FFT算法。

2.1 镜像映射法

镜像映射法，基于最小二乘估计而形成，用于差分模型阶次与参数的辨识中，为判定阶次，可直接计算出各阶模型指标函数Min的Jn。这种计算方法的使用，程序并不复杂，无法消耗太大的计算，计算过程涵盖下述:

（1）建造矩阵D，使用实验室收集的x(k)、y(k)的离散数据其中k=1，2，3…．N0。（2）对上述矩阵进行2v+2次镜像映射变换，获得上三角矩阵R，所处为(2v+2)·(2v+2)维。（3），对模型阶次估计值的确定，结合R对角元中所有Jn，其中(n=1，2…v)，采用合适的判阶准则。（4）通过回代Rnθ(n)=Zn，获得θ(n)的估计值。在上述过程中使用了编程软件MATLAB。

相比幅频特性曲线（FFT计算得到），对数幅频特性曲线（模型计算得到）较为规则及光滑，与实际系统真实性较为贴近。通频带ωb（为压阻式高g加速度传感器）=193．6 kHz，幅值误差为±5%及±10%的工作频带各自为ωg2=22．34 kHz、ωg1=24．87 kHz，曲线上Lm（谐振峰值为:Lm=5．33 dB）：谐振峰值及ωx（谐振频率为ωx=46．16 kHz）：谐振频率的读出，需要结合实验对数幅频特性，迅速求解出传感器的阻尼比 ζ（ζ=0．28）与固有频率 ωn（ωn=50．34 kHz）[2]。

2.2 FFT算法

系统幅频特性，y(t)：输出信号；x(t)：输入信号，则输出信号幅度谱/输入信号幅度谱=系统幅频特性。对感器系统幅频特性的计算，当y(t)与x(t)存在傅里叶变换时，便可求得其数值。若x(t)傅里叶变换是X(jω)，且y(t)傅里叶变换是Y(jω)，那么传感器系统的幅频特性是，A(ω)=|H(jω)|=|Y(jω)|(y(t)傅里叶变换 )与 |X(jω)|（x(t)傅里叶变换）的比值。

3 结论

为监测加速度特性，许多运动监控系统均普遍使用加速度传感器，获得测定物体的运动信息，便于分析后续运动[3]。以现有实验条件为依据，针对研制的MEMS高量程加速度传感器做出动态校准，以不同方法处置实验数据，同时对比实验结果，下定结论。（1）通过各自计算方法获得对数幅频特性曲线，因为测量中有噪音出现，算出来的幅频特性曲线没有相比模型计算方法，FFT方法算出的幅频特性曲线缺少一定规则及光滑。（2）镜像映射变换法的应用，在对系统模型参数及模型阶次进行辨识上，可同时进行，这种方法的使用，避免了数值“病态”问题的出现，可充分进行了解。通过数据实验结果指导加速度传感器接下来的优化设计，让其更好地应用于高冲击过载侵彻中。（3）由计算结果得出，加速度计的动态性能指标，有动态性能指标-通频带ωb、动态性能指标-谐振频率ωx等，最终计算出阻尼比和ωn数值，和理论设计值相符。

[1]谌福华,高智浩,王明伟.封装对高量程MEMS加速度传感器性能的影响[J].电子技术与软件工程,2017(07):86-86.

[2]潘龙丽,石云波,周智君等.MEMS高量程加速度传感器的动态特性分析[J].传感技术学报,2012,25(10):1392-1394.

[3]谭杨康.MEMS高g值加速度传感器的失效分析[D].北京理工大学,2016.

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

张洁（1981-）,本科,助理讲师,研究方向：机电工程。

＊为通讯作者