一体化结构三维加速度传感器的设计

设计了一种基于单惯性质量块的一体化结构三维加速度传感器。采用一种特殊结构的弹性体元件,实现了三维加速度量都利用剪切应变测量。利用有限元工具对传感器静态和动态特性进行了分析,给出了弹性体的应变分布、固有频率等。有限元分析计算和实验结果表明:所设计的传感器在3个正交方向上都有较高的灵敏度,各加速度分量互相干扰小。其交差灵敏度小于6.5%,非线性误差小于2%,固有频率大于1700Hz。     

多维加速度场中六维力传感器惯性耦合特性研究

六维力传感器的特殊结构决定了各维间耦合存在的必然性,在多维加速度场六维力测试环境中,传感器惯性质量分布又加重了耦合的程度。本文针对多维加速度场中六维力传感器惯性耦合效应,建立传感器力学解析模型和弹性体的应力—应变关系,采用有限元方法(FEM)仿真,分析了多维加速度场中惯性力学特点与耦合效应本质特征,为加速度场中六维力传感器主动设计和惯性耦合补偿提供理论参考依据。     

可重构六维加速度传感器的构型奇异分析

针对六维加速度传感器在工作过程中其弹性体结构可能处于奇异位形的问题,以可重构六维加速度传感器的四种构型为例,分析了构型奇异与基座加速度之间的映射关系。首先,通过建立正向动力学方程和正向运动学方程,构建了基座加速度与质量块相对位姿之间的函数关系。接着,基于Gosselin奇异分析法,推导了弹性体结构的雅可比矩阵,并绘制了奇异曲面散点图。进一步地,分析了质量块的质量与奇异曲面之间的关系。结果表明,12-4、12-6构型可适用较大的加速度范围,而9-3、9-4构型可适用的加速度范围相对较小。研究结论及方法为六维加速度传感器的构型选择及参数优化提供了理论基础。     

基于正交试验的应变式六维力传感器弹性体结构的优化设计

文章介绍了一种应变式六维力传感器弹性体的结构,利用SloidWorks软件建立了该传感器弹性体的有限元分析模型,采用正交试验方法全面分析了弹性体主要结构参数对弹性体灵敏度和固有频率的影响,并采用极差分析方法分析各结构参数的优水平及对指标的主次关系,得出各结构尺寸的最佳方案,从而达到了优化弹性体结构的目的,提高了传感器的动、静态特性。     

单片三轴大量程加速度传感器性能测试与分析

对设计的单片三轴MEMS大量程加速度传感器进行了马歇特锤冲击测试和Hopkinson杆冲击校准试验,得到了三轴加速度传感器冲击过载信号及其各轴向的横向灵敏度比、线性度等关键参数。测试结果表明该三轴传感器在受到117 395.95 gn以上的冲击信号作用时,传感器各轴仍然能够正常工作;其三轴轴向灵敏度均能达到0.1μV/gn以上,各敏感轴受到轴向加速度时其线性度小于6%,轴间横向灵敏度比小于10%。     

六维力传感器的结构设计分析

为了改善现有六维力传感器的动态性能，提出了一种新型的六维力传感器弹性体结构。建立了结构模型，并采用有限元方法进行了静力学分析以及模态分析，分析了该传感器弹性体在各工况下的应变分布特征；随后对弹性体的关键尺寸参数进行了详细的设计，基于响应面分析法对数值计算结果进行拟合，建立了各工况下响应值与弹性体关键尺寸的回归方程。分析结果表明，该传感器具有良好的动态性能，其一阶固有频率高达3196.3 Hz，各个力分量的灵敏度均有提高，其中x方向力的灵敏度提高了26.09%。通过实验验证了该设计方案的可行性，该传感器的研制为高速作业机器人用多维力传感器的发展奠定了基础。     

MEMS面内大量程加速度传感器设计与分析

针对目前导弹引信等武器系统领域对大量程加速度传感器的迫切需求,设计了一种测量平面内加速度的大量程压阻式加速度传感器.该传感器结构双端固支梁-质量块结构,可有效消除敏感轴轴间的交叉干扰,提高了测量精度.仿真分析表明传感器在敏感轴轴向灵敏度为1.41 μV/gn,可实现对150 000 gn的加速度载荷的测量.     

三肢体机器人足部力传感器弹性体分析

提出将传感器传递矩阵条件数和行范数两项指标综合的方法,对一种三肢体机器人的足部三维力传感器弹性体结构进行优化,使传感器在具有低传递误差的同时具有较高的灵敏度.并应用有限元法分析了弹性体各结构尺寸对传感器性能的影响,得到了弹性体在单向受力时的应力、应变分布状态及其静、动态特性,为传感器的结构设计和进一步分析提供了依据.     

高灵敏度谐振式微加速度传感器的设计与制作

为提高加速度传感器灵敏度,提出一种新的加速度敏感机制,并基于此原理设计了一种新的微机械谐振式加速度传感器结构.分析了加速度传感器的数学模型及影响灵敏度的关键参数,并以此为依据对传感器结构参数进行优化设计.采用扩散硅层作为谐振子,提高器件性能的同时简化了制作工艺,利用KOH溶液湿法腐蚀硅在各晶向上的各向异性,实现了支撑梁...     

结构监测的无线加速度传感器设计与制作

提出了一种用于土木工程结构监测的无线加速度传感器的模块化设计方法,并研制开发了一种无线加速度传感器.首先,详细地阐述了组成无线传感器的各单元的测试原理和设计原则,并对各组成单元进行了集成;其次,给出了节点的软件设计流程;最后,对节点进行了测试.研究结果表明:该无线加速度传感器具有良好的精度;而且还具有自校准、集数字模拟信号采集于一体、稳定等特点,适合在土木工程结构监测中应用.     

一种基于双E型膜片的微小六维力传感器的设计

基于双E型膜片结构的六维力传感器用于常规环境下的机器人操作已有成熟应用,探讨将该结构应用于微纳环境下的机器人操作的可能性。首先介绍了该弹性体结构的测力原理,并用有限元分析软件对弹性体的静态和动态特性进行了仿真。结果表明此种结构的六维力传感器可在微纳环境下测力,并具有各向灵敏度高、线形好、维间耦合小等优点。     

Single- and Triaxis Piezoelectric-Bimorph Accelerometers

This paper describes the novel single- and triaxis piezoelectric-bimorph accelerometers that are built on parylene beams with ZnO films. The unamplified sensitivity and the minimum detectable signal of the fabricated single-axis accelerometer are measured to be 7.0 mV/g and 0.01 g, respectively, over a frequency range from 60 Hz to subhertz. The linearity of the sensitivity as a function of acceleration is measured to be 0.9% in the full scale. A highly symmetric quad-beam bimorph structure with a single proof mass is used for triaxis acceleration sensing and is demonstrated to produce high sensitivity, low cross-axial sensitivity, and good linearity, all in a compact size. The unamplified sensitivities of the X-, Y-, and Z-axis electrodes (of the triaxis accelerometer) in response to the accelerations in X-, Y-, and Z-axes are 0.93, 1.13, and 0.88 mV/g, respectively. The worst-case minimum detectable signal of the triaxis accelerometer is measured to be 0.04 g over a bandwidth ranging from subhertz to 100 Hz. The cross-axial sensitivity among the X-, Y-, and Z-axis electrodes is less than 15% in the triaxis accelerometer. The theoretical analyses of the charge sensitivities and resonant frequencies along with the effects of residual stress on the charge sensitivities are presented for both the single- and triaxis accelerometers.     

三轴高g加速度计的测试方法及实验研究

研究了高g加速度计的校准测试方法,并针对一种量程为105gn的三轴高g加速度计,测试标定了其主要性能参数。分别利用自由落杆绝对法和比较法测试了三轴高g加速度计的灵敏度;分析了影响交叉轴灵敏度测试的两种影响因素,进而分别指出了解决方法,并测试了其交叉轴灵敏度;通过提取叠加在主波上的锯齿波波形,测试出其谐振频率;最后利用东菱冲击机标定了三轴高g加速度计的非线性度。     

Fiber Bragg grating accelerometer with enhanced sensitivity

A cantilever based optical accelerometer with enhanced performance characteristics has been proposed. The sensitivity of the accelerometer has efficiently been enhanced by about twice as compared to the conventional design by tailoring the effective distance between the sensor axis to the neutral axis of the cantilever. The sensitivity enhancement has been done without affecting the characteristic resonant frequency of the system. A sensitivity of about 450 pm/g is achieved for a specific cantilever-mass arrangement. The architecture requires much simpler design as compared to optical accelerometers based on similar working principle and having sensitivities of this order.     

微加速度计冲击可靠性及防护

通过实验研究了梳齿电容微加速度计器件在大过载冲击下的失效模式,发现了失效的主要原因是由于弹性梁的断裂,并对实验现象进行了分析和讨论,指出了微加工工艺的不确定性对器件失效的影响。检验了在结构设计中对可动质量块进行限位的作用,可以明显提高器件的抗冲击能力。提出了金属橡胶这一新材料在微加速度计冲击防护中的应用,并对其作用进行了实验验证,结果表明金属橡胶除了靠金属螺旋卷接触点之间的相互摩擦来耗散能量外,还可以明显增加冲击脉冲的宽度,有效的缓冲和吸收冲击能,提高器件的抗冲击能力和可靠性。     

基于正交计算灵敏度的极大似然估计算法*

本文基于正交计算灵敏度的极大似然估计算法研究了弹性飞行器的气动参数辨识问题。文中利用指示函数(indicial function)的概念和Duhamel积分描述任意的非定常气动力过程,借助于正交试验的正交表解决了递推计算灵敏度的数值计算问题。最后给出了弹性飞行器气功参数估计的一个仿真算例。     

微机电加速度计的六位置标定

加速度计是惯性导航系统测量载体加速度和影响惯性导航系统精度的主要元器件.为提高惯性导航系统的精度,在使用加速度计以前需要进行加速度计的标定测试[1].主要介绍了微机电(Micro Electro Mechanical Systems,简称MEMS)加速度计的六位置标定法,以便从MEMS加速度计的误差模型中分离出MEMS加速度计的各项标定参数.这些参数包括MEMS加速度计的标度因数、零位漂移以及安装误差系数.并且在得到MEMS加速度计的各项标定参数后将其封装在C函数中进行了验证实验.实验结果表明MEMS加速度计的六位置标定法的原理简单并且在工程应用中容易实现,所得到的MEMS加速度计的输出不但反映了MEMS加速度计的实际输出,而且使MEMS加速度计的线性度得到改善.     

A three-axis SOI accelerometer sensing with both in-plane and vertical comb electrodes

A three-axis capacitive accelerometer based on silicon-on-insulator is designed and fabricated. In the accelerometer, totally eight groups of capacitors are compactly arranged around an octagonal proof mass. The four groups of capacitors along orthogonal direction with in-plane comb electrodes detect XY acceleration, while the other four groups of capacitors along diagonal direction with vertical comb electrodes detect Z acceleration. Measurements of in-plane and vertical motion by the respective in-plane and vertical comb electrodes enable direct detection for all the three axes with differential capacitive sensing scheme. For the fabricated accelerometer in the size of 4 × 4 mm², the capacitance sensitivities of in-plane and out-of-plane accelerometers are 145.3 and 9.1 fF/g, respectively.     

弹性梁刚度矩阵算法及应用

通过实例介绍了一种实用简单的弹性梁结构刚度矩阵计算方法,可广泛应用于含有弹性梁结构的惯性器件如传感器的设计中。最后介绍了该算法的一种应用,并用ANSYS有限元软件分析验证了其正确性。     

Design and simulation of a high-performance Z-axis SOI-MEMS accelerometer

This paper presents a new micromachined z-axis accelerometer as well as a new method to sense the out-of-plane displacement capacitively via comb finger arrays. The new design built the z-accelerometer using eight folded beam suspension to minimize the off axis sensitivities in both the x- and y- directions. The proposed method implements the sensing electrode as a comb finger arrays surrounding the sensor. This method enables the realization of the sensor by bulk micromachining process, increases the sense capacitance and reduces the off-axis sensitivity. This process allows building the micromachined accelerometer with large inertial mass. This work introduces the design and simulation for this accelerometer. The introduced method results in a high sense capacitance as well as high sensitivity. The simulated sense capacitance is 19.6627 pF. The sensor sensitivity is 2.037 μm/g with a very small total noise equivalent acceleration of 3.096 μg/ $ \sqrt {Hz} $ .