一种小尺寸惯性式矢量水听器的振速放大结构设计

矢量水听器是一种测量水下声场信息的传感器,工作在低频段的惯性式矢量水听器拾振敏感元件常采用检波器。针对目前由检波器制作的惯性式矢量水听器结构尺寸偏大、灵敏度较低且不便于工程应用的问题,提出一种双锥形声速喇叭的振速放大结构,可提高灵敏度且降低整体尺寸。首先通过分析惯性式矢量水听器的工作原理,制作出一种直径为φ56 mm的小尺寸二维惯性式矢量水听器;然后,基于理论分析与有限元仿真,设计并制作出一个边长为20 cm的二维双锥形声速喇叭以验证喇叭对振速的放大作用。通过对比测试有无喇叭悬挂结构时的矢量水听器输出的灵敏度,得到有喇叭悬挂时可提升5 dB的灵敏度,验证其对振速的放大效果。测试结果表明设计指标与理论基本相符,适合搭载在平台用于水声低频探测和定位。     

一种基于双压电晶片的低噪声加速度计

针对航空矢量声纳浮标对低噪声、低成本、小体积惯性传感器的需求,研究了一种基于双压电晶片的双轴压差分式压电加速度计。首先从理论上分析了矢量水听器中加速度计的工作模式,基于压电加速度计自噪声模型,提出了利用双压电晶片与独立质量块结构实现低噪声加速度计的方法;通过有限元方法对加速度计的灵敏度和谐振频率开展优化设计,确定了加速度计各部件的结构参数;根据优化结果研制了一只加速度计样机及前置放大电路。样机测试结果表明,该压电加速度计整体尺寸为56 mm×56 mm×35 mm,一阶谐振频率约为7.4 kHz,两个轴向的灵敏度分别为1556 pC/g及1363 pC/g(100 Hz),横向灵敏度小于轴向灵敏度的2%。压电加速度计的自噪声为38 ng/Hz~(1/2)(1 kHz,等效噪声声压级为39 dB/Hz~(1/2)),低于零级海况下的海洋环境噪声。     

深海惯性式组合型矢量水听器设计

为进一步提高矢量水听器的承压能力、并实现轻量化，将声压和矢量通道组合成一体，设计了一种小尺寸深海惯性式组合型矢量水听器。首先，分析了惯性式矢量水听器的工作原理；其次，设计了一种带加强圈的圆柱壳结构，使其矢量通道比纯圆柱壳承压提高7.68?MPa，通过仿真验证其可承受50?MPa的压力，表明此轻量化结构可提高矢量水听器的工作深度；最后，将充油结构的声压通道与矢量水听器设计成一体，方便使用。根据设计指标最终制作出一只工作频带为20?Hz~5?kHz的深海惯性式组合型矢量水听器。50?MPa的静水压力试验表明，其矢量通道灵敏度为-184?dB@1?kHz，凹点深度大于20?dB，声压通道灵敏度为-206?dB。测试结果表明，通过采用加强圈结构可显著提高矢量水听器的工作深度和实现轻量化，将充油声压水听器与深海矢量水听器组成一体，极大方便了工程应用。     

基于MEMS电容加速度计的声矢量传感器小型化设计

针对传统压电型声矢量传感器无法兼顾小体积与高灵敏度的问题,利用MEMS电容加速度计作为拾振器,实现矢量传感器的小型化设计。首先采用机电类比分析的方法得到内置加速度计的刚硬球体的声致振动响应;然后进行硅微电容加速度计选型和参数分析、设定,并设计制作了一只二维球形矢量传感器样机;最后对样机进行了参数测试,结果表明两矢量通道均具有良好的方向性,声压灵敏度分别为?185 d B和-186 d B(1 k Hz,0 d B ref 1 V/μPa),通道间相位差与理论值保持一致,验证了利用MEMS电容加速度计设计矢量传感器的可行性。     

压电套筒式拉压双向受力主动杆件设计及测试

压电堆具有体积小、频响快、能耗低以及集传感与驱动于一体等优点。结合二次驱动机械设计原理,开发了适应于结构振动控制的压电套筒式拉压双向受力主动杆件。本文介绍了主动杆件的设计方法及构成部件,并给出了详细的工作原理图,阐述了主动杆件为充分发挥压电堆良好受压性能而将拉力转化为压力的传力途径,并运用Hamilton原理,对主动杆件进行了有限元建模。通过对压电堆的性能测试,得到了压电堆的电压-位移输出关系以及动态性能曲线;通过对压电主动杆件的动力性能测试,得出压电主动杆件适宜于在20Hz～50Hz频段范围内工作;由驱动性能测试,得到了主动杆件的增益函数。本文结论可为进行结构抗振提供设计参考。     

高性能氮化铝差分谐振式加速度计的结构设计

提出了一种高性能氮化铝(Al N)差分谐振式加速度计结构。通过引入两级微杠杆来放大质量块的惯性力,提高灵敏度;采用"I"形支撑梁来降低横向灵敏度;利用差频检测方案降低温度共模误差的影响。该加速度计主要由质量块、支撑梁、双级微杠杆和谐振器组成,并通过理论分析和有限元仿真优化了它们的结构参数。模态分析表明两个谐振器的基频大约为373.3 k Hz,与干扰模态的频率差大约为9.4 k Hz,有效地实现了模态隔离。根据灵敏度的仿真结果,Al N差分谐振式加速度计的灵敏度64.6 Hz/g,线性度为0.787%,横向灵敏度为0.0033 Hz/g。热仿真的结果表明单个谐振器的温度灵敏度约为490 Hz/℃,加速度计输出差频的温度灵敏度为–0.83 Hz/℃,证明了差频检测方案可以降低温度共模误差的影响。上述所有仿真结果验证了该加速度计结构设计的可行性。     

一种集成式石英谐振加速度计信号处理与融合方法

谐振式加速度计能够将加速度直接转化为稳定的频率信号,可以获得优良的性能。针对目前石英谐振加速度计灵敏度偏低,以及温度变化等因素引起的频率漂移等难题,提出了一种基于多电极谐振器的集成式石英加速度计的信号处理与融合的方法。集成式石英加速度计输出多路谐振信号,形成差频信号,融合后可以得到高精度的数字信号,设计了基于FPGA的电路实现方案。通过实验测试结果,输出数据响应时间为125 ms的条件下,传感器标度因数从传统的100 Hz/g以下提升到1742.5 Hz/g,线性相关系数为R~2=0.9985。提出的信号处理与融合方法具有较高的信号处理实时性,显著提高了石英谐振加速度计的灵敏度,可以应用于集成式石英谐振加速度计数据信号处理以及实时测量系统中。     

三轴压阻微加速度计的结构力学分析

为了提高三轴加速度计机械精度和加工过程中硅片的一致性,设计了基于SOI的单质量块四边八梁结构的三轴加速度计。通过连接扩散在梁上的压敏电阻构成得惠斯通电桥检测三个方向的加速度信号。电桥设计为开环形式,并给出三个方向的电桥输出。结合材料力学和振动力学中的相关理论,建立了结构的数学模型,并对其进行了系统的力学分析,从而得出结构参数对加速度计的一阶固有频率、灵敏度等性能的影响。利用有限元ANSYS仿真软件对结构模型进行了静态和模态分析,验证了力学分析的正确性。最后设计了八张版图及一套可行的工艺流程并加工出加速度计裸片。该微加速度计可同时检测三维加速度矢量,且电桥和结构的设计均较好的抑制了横向效应。     

一种微型矢量水听器姿态测量系统

矢量水听器姿态校正的通常做法是将姿态测量系统捷联安装在声纳平台上,这种方案无法准确测量矢量水听器的姿态变化。针对这个问题,设计了一种微型姿态测量系统,并将其捷联封装在矢量水听器内部。系统采用MEMS陀螺测量角速度,用毕卡迭代算法解四元数姿态更新方程。用MEMS加速度计和磁力计分别测量重力方向和磁北方向,再使用扩展卡尔曼滤波对解算姿态角进行实时校正。经测试,该系统横滚角和俯仰角的静态误差小于0.2°,航向角的静态误差小于0.8°。摇摆实验中,横滚角和俯仰角的动态相对误差小于2.9%,航向角的动态相对误差小于3.6%。海上试验结果证明该姿态测量系统应用于矢量水听器可明显提高目标方位估计的精度。     

压电质量传感器检测灵敏度分析

压电质量传感器是一种利用压电谐振器对质量的敏感性,通过谐振器吸附待测物后频率的变化实现对被测物质进行检测的传感器。由于附着物质引起的质量变化很小,因此测试精度将强烈依赖于结构频率对质量变化的敏感程度,而敏感程度与传感器感知部分的几何尺寸密切相关。本文主要研究压电材料悬臂梁式质量传感器的检测敏感度分析问题,推导传感器自振频率变化对质量变化的灵敏度与传感器各部分结构几何尺寸设计参数依赖关系的计算格式,并讨论了结构尺寸、截面形状以及谐振模态对传感器检测灵敏度的影响。     

硅微谐振式加速度计结构设计与仿真

硅微谐振式加速度计以易于检测的准数字信号作为输出,是微传感器的一个研究热点.提出一种基于一级微杠杆放大机构和DETF谐振器的硅微谐振式加速度计的结构设计,在分析工作机理以及误差来源的基础上阐述硅微谐振式加速度计的设计要点;结合现有加工工艺水平完成整体结构设计;运用MATLAB分析结构参数对性能的影响并对参数进行优化设计;运用ANSYS对加速度计整体结构进行仿真验证.所设计加速度计的谐振频率约29 kHz,标度因数为95 Hz/g,量程为±50g,其差分输出频率的线性度为0.099%.经研究表明,在加速度计的结构设计中,量程范围要与谐振嚣原理性误差协调考虑;谐振器振幅不宜过大;在现有加工工艺条件下,谐振器振梁的宽度产生的加工误差最大,对谐振器的性能影响最大.     

硅微隧道式加速度计的输出反馈控制电路设计

为提高硅微隧道式加速度计的灵敏度,必须设计出高灵敏度的输出和反馈控制电路。在电路设计中,通过采用行之有效的措施来降低噪声和干扰可达到提高灵敏度的目的,如：将隧道式加速度计敏感单元的参考地设置为同一的大地;采用能抑制隧道式加速度计敏感单元和半导体器件所产生的1/f噪声的低噪声运算放大器;在电压信号放大过程中,尽量抑制干扰和噪声;且在电压反馈电路设计中,保护敏感单元不受损坏等措施。测试结果为标定因数1.2659V/g,其非线性度小于1%,可见在提高线性度的基础上也提高了灵敏度。     

基于电容检测接口ASIC的闭环微机械加速度计

对于采用微传感器和接口ASIC两芯片方案来实现的电容式微机械加速度计来说,寄生电容是影响其性能的重要因素之一。采用采样电荷结构,设计实现了电容检测接口ASIC电路,该电路具有对寄生电容不敏感的特点,并在0.35-μm CMOS标准工艺下流片实现。基于流片得到的电容检测ASIC样片,以梳齿式硅微传感器为敏感元件,采用滞后比例积分调节器,通过力平衡反馈方案设计实现了一种闭环微机械加速度计。实验结果表明:该闭环微加速度计的灵敏度为650 mV/g,噪声基底为23.17μg Hz。     

浮筏多通道协调振动主动控制实验研究

在浮筏上引入主动吸振器可以有效地改善其低频减振性能.建立了带有4个主动吸振器的浮筏振动主动控制实验系统;以提高系统低频减振性能为目标,研究了4个主动吸振器的协调控制问题.首先,通过实验建模获得系统的时域脉冲序列模型;在此基础上设计了基于多通道滤波x-最小均方(Least Mean Square,LMS)算法的自适应前馈控制律;最后,在实验系统上进行了4个目标点的多通道协调主动吸振控制实验,在15～25Hz频段内基本上都取得了15dB以上的主动减振效果.实验结果证明了多吸振器协调主动控制对提高浮筏低频减振能力的有效性.     

静电负刚度调谐加速度计的力平衡闭环检测控制方法

静电负刚度调谐加速度计(EFMA)在设计原理上具有兼顾电容式加速度计和谐振式加速度计相关优点的潜力。然而由于静电刚度对应的极板位移具有明显的非线性效应,使得EFMA在大量程应用中标度因数非线性较差,成为了当前制约EFMA量程提升的重要因素。基于EFMA频率输出的特点,推导了力平衡控制量并开展了力平衡控制环路的设计与研究;结合EFMA敏感器件完成实验室样机的调试与性能测试,对比了有、无力平衡闭环检测电路的量程与标度因数非线性,在保证EFMA零偏稳定性、标度因数稳定性不受影响的情况下将其标度因数从5 Hz/g提升到了24.5 Hz/g,量程从±1 g提升到了±25 g,结果验证了基于频率检测的力平衡闭环检测控制方法的可行性和优越性。     

大跨越输电线路防振锤和Bate阻尼线联合防振试验研究

为了掌握防振锤和Bate阻尼线联合防振对大跨越输电导线微风振动的影响,基于IEEE输电导线振动测试指南,设计制作了大跨越输电导线-防振锤-Bate阻尼线联合防振体系的微风振动试验平台;分析了联合防振条件下大跨越输电导线的振动响应,研究了防振锤型号和数量对大跨越输电导线防振体系的微风振动影响。试验结果表明:防振锤和阻尼线能有效降低大跨越输电导线的振动位移,防振锤和Bate阻尼线联合消振效果优于单一的防振锤或阻尼线;在相同激励条件下,防振锤和Bate阻尼线的防振频段不同,防振锤在20Hz中频段防振效果较好,而Bate阻尼线在低频段和高频段的防振效果较好。对称型FR-4和非对称型FD-5防振锤均能有效降低导线振幅,但防振锤型号不同,其防振效果不同,FD-5型防振锤在20Hz和25Hz时消振效果稍好;防振锤的安装数量对输电线防振体系的抑振效果影响较大。     

低速水流下不同截面形状质量块压电能量收集器的实验研究

本文设计了一种适用于低流速水流中的悬臂梁式压电能量收集器，利用明渠流弯道水槽对五种质量相同、截面形状不同质量块的压电能量收集器进行实验研究，通过改变水的流速，得到不同质量块能量收集器收集功率和频率随流速的变化规律并进行分析。结果表明：在实验流速范围内，各质量块均存在起振流速，当低于起振流速时，收集的均方根功率（RMS Power）约为零，超过起振流速后，收集功率随流速增加而改变；形状相似的质量块，起振流速较为接近，四棱柱的起振流速最低，圆柱次之，三棱柱的最大；质量块截面形状不同，能量收集器性能不同，其中以三棱柱（70°）的输出性能最好，在流速为0.54 m/s时收集到的最大功率为2.02mW，分别是圆柱、四棱柱（50）和三棱柱（60°）的1.06、2.58、1.36倍。本文的研究可以为类似压电能量收集器的设计提供借鉴。     

基于碰撞升频的MEMS压电振动能量采集系统

本文提出了一种基于碰撞升频机制的微型压电能量采集系统，由一对共振频率不同的悬臂梁平行叠放组成。在外界低频振动激励下，底部低频S形金属曲梁产生共振，在运动过程中碰撞顶部高频微型压电直梁，从而将低频环境振动转换为高频压电梁的振动，解决了压电直梁的固有频率与外界激励频率不匹配问题，同时提高能量收集的效率。本文建立了悬臂梁受迫振动和碰撞耦合振动的动力学模型，讨论了压电悬臂梁的电压输出特性。通过实验测试了压电能量收集系统和单个压电悬臂梁的开路电压并计算了输出功率，结果表明当振动加速度为1.0 g时，升频式压电能量采集系统在25 Hz的激振下输出功率达到8.6 μW，高于单个压电悬臂梁的最大输出功率。     

一种谐振式微加速度计表芯非线性动力学分析及实验

在研制基于静电刚度谐振式微加速度计过程中,发现增大激励电压可以提高输出信噪比,但响应的振动幅度将不稳定,同时谐振频率也将会出现漂移。针对上述问题,建立了静电驱动微机械谐振系统等效行为模型,非线性动力学理论分析结果与实验现象一致,总结出需要从加速度计结构参数优化和减小激励电压两个方面来减小频率漂移和提高分辨率。将结构优化准则应用到制造的微加速度计上,实验结果表明:在5 V敏感电压下,闭环条件下单梁加速度计灵敏度为58 Hz/g,分辨率为3.5 mg。     

高精度硅微谐振加速度计工程化设计与实现

硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。工程化设计是硅微谐振加速度计从原理样机向成熟产品转化过程中的关键步骤之一。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从工程实用化设计角度出发,提出了一种高精度硅微谐振加速度计工程化设计方法。分别从系统设计、结构设计、控制电路设计和测试与补偿技术等方面进行了分析和对比,讨论了误差来源与改进方法。测试表明,设计的高精度硅微谐振加速度计质量块基频大于3 k Hz,谐振音叉中心频率约18 k Hz,标度因数大于100 Hz/g,量程±40 g,死区小于0.67 mg,带宽大于200 Hz,振动整流误差0.344 mg,零位一次通电稳定性优于50μg,测试结果基本满足工程化应用指标。