声表面波加速度传感器关键技术的研究.doc
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1、论文题目:声表面波加速度传感器关键技术的研究专 业:检测技术与自动化装置硕 士 生: (签名) 指导教师: (签名) 摘 要加速度传感器广泛应用于工业生产的很多领域,但是传统的加速度传感器由于其自身的一些缺点使得它无法在一些高精尖领域应用。声表面波加速度传感器作为一种灵敏度极高,线性度好以及抗干扰能力极强的惯性传感器已经在航空航天和汽车制造等领域内得到了广泛应用。因此,深入研究声表面波加速度传感器的传感机理及其检测技术,不仅具有理论意义,而且具有工程实用价值。本文改进了传统悬臂梁式声表面波加速度传感器的差动结构,并完善了整个声表面波加速度传感器的信号检测系统。本论文在悬臂梁式SAW加速度传感器
2、研究方面取得的具体成果有:1. 为配合后续的混频电路以及全新的频率测量方法,对传统声表面波加速度传感器的差动方案进行了改进,抑制了温度干扰因素对加速度传感器的影响,而且降低了其加工制作的难度。2. 为了使得频率计数单元能正常工作,设计了低通滤波放大电路,使用Multisim10对其进行了仿真研究,仿真结果表明所设计的滤波放大电路完全满足系统要求,各项参数均接近理论值。3. 通过对于系统输出频率的测量可以计算出相应加速度的大小,传统的等精度测频法存在对标准信号计数的误差,本文将传统等精度测频法进行了改进消除了误差。4.传统的测频法对于低频信号的测量误差较大,本文提出了利用基于声表面波带通滤波器的
3、闸门时间可变测频法,提高了低频信号的测量精度。关 键 词:声表面波(SAW);悬臂梁式SAW加速度传感器;滤波器;等精度;频率研究类型:应用基础研究Subject : The Study on Crucial Technology in SAW Accelemeter SensorsSpecialty : Detection Technology and Automation EquippmentName : Ma Huicheng (Signature) Instructor : Liu Junyao (Signature) ABSTRACTAcceleration sensors are
4、widely used in many areas of industrial production. But due to their own shortcomings, traditional acceleration sensors are impossible in some areas of application of sophisticated. SAW accelerometer as a high sensitivity, excellent linearity, as well as strong anti-interference ability inertial sen
5、sors has been widely used in aviation and aerospace and automotive manufacturing field. Therefore, the in-depth study of SAW accelerometer sensing mechanism and detection technology, not only of theoretical significance, but also of practical engineering value. This paper improves the differential F
6、abric of the traditional cantilever-type SAW acceleration sensor and perfect the whole signal detection system of it。The exact achievements in the cantilever-type SAW acceleration sensor of this paper are following by:1:To tie in with the follow-up mixer circuit and the brand-new measurement method,
7、 the traditional differential programs of the SAW acceleration sensor has been improved, which well restraint the impact on the accelerometer out of the temperature disturbance, and also reduces the difficulty of its manufacture.2: In order to make frequency count unit can work properly, designs low
8、-pass filter amplifier circuit, uses Multisim10 for a simulation research of them. The results show that the designed filter amplifier circuit is fully meet the system requirements, all the parameters are close to the theoretical value.3: We can calculate the corresponding acceleration through the m
9、easurement of the system output frequency. The traditional method of equivalent precision frequency measurement have errors of standard signal, this paper have improved the method to eliminate the error.4: The traditional frequency measurement has a larger bandwidth for low-frequency signals. This p
10、aper presents the gate time variable frequency measurement which applied the all-pass filter of SAW to improve the low-frequency signal measurement accuracy.Key Words : SAW (Surface Acoustic Wave) SAW accelerometer with Cantilever Beam Filter Equal precision FrequencyThesis : Application Fundamental
11、 Research目 录摘 要IABSTRACTII目 录I1 绪论11.1 SAW加速度传感器先进性分析12345811.2 SAW加速度传感器的应用21.3 国内外SAW加速度传感器研究的现状及本论文任务21.4论文的结构安排32 声表面波及声表面波器件52.1 声表面波的种类152.1.1瑞利波52.1.2 电声波、乐甫波、和拉姆波52.1.3声表面波叉指换能器62.2 声表面波器件102.2.1 声表面波延迟线10 13102.2.2 声表面波谐振器1112.2.3 声表面波振荡器1122.2.4 声表面波带通滤波器1314132.3本章小结143 声表面波加速度传感器153.1 SA
12、W加速度传感器的结构形式1153.2 SAW加速度传感器的静态特性分析1163.2.1石英晶体悬臂梁应力分析163.2.2 SAW谐振器敏感应变的原理173.2.3 SAW加速度传感器的灵敏系数推导193.3 SAW加速度传感器的动态特性分析223.3.1加速度传感器的基本数学模型1223.3.2 SAW加速度传感器的信号特征63243.4声表面波加速度传感器误差分析1263.4.1 温度误差分析263.4.2 振动误差分析273.4.3 重力加速度误差分析273.4.3 短期稳定性与老化误差分析273.5本章小结284 声表面波加速度传感器信号检测系统294.1悬臂梁式SAW加速度传感器信号
13、检测系统概述294.2悬臂梁式SAW加速度传感器差动结构的改进方案60304.3有源滤波原理41324.4 Multisim10简介57344.4.1 简介344.4.2 波特图示仪与双通道示波器354.5有源滤波放大电路的设计与分析394.5.1二阶低通滤波器原理41394.5.2滤波放大电路设计及分析424.6本章小结445 声表面波加速度传感器信号检测方法的设计与改进455.1传统测频法的不足61455.2等精度测频法的改进455.2.1等精度测频法原理及误差分析62455.2.2等精度测频的改进方案465.3 基于声表面波带通滤波器的闸门时间可变测频法485.4 本章小结496 结论5
14、16.1 结论516.2 展望51致 谢52参考文献53附 录571 绪论声表面波(Surface Acoustic Wave,简写为SAW)加速度传感器的研制与开发始于上世纪八十年代,其发展非常迅速,它以其特有的准数字化输出、较高的抗干扰能力、高精度、高灵敏度、便于使用等优点,迅速成为市场上主流的加速度传感器。由于声表面波加速度传感器的应用领域十分广泛,例如:信号处理、石油勘探、航天航空和无损检测等1,因此,开展SAW加速度传感器的研究具有十分重要的理论和实际意义。1.1 SAW加速度传感器先进性分析123458加速度传感器是一种能够测量物体加速度的电子设备,它是利用物体的惯性性质来测量物体
15、运动情况的一类惯性传感器。加速度传感器输出与其载体的运动加速度成比例或有一定关系的信号。加速度传感器的原理是基于牛顿经典力学,即牛顿力学第二定理:物体在外力的作用下将产生加速度,物体的加速度跟所受的外力的合力成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向跟合力的方向相同。当今市场上的加速度传感器类型和种类繁多,但声表面波加速度传感器拥有制作方便、结构简单,且具有耐冲击、灵敏度高、性能稳定可靠、准数字输出和结构工艺性好等许多优点。可以预见,声表面波加速度传感器具有广泛的应用前景,由于其具有众多优点,因此它势必成为未来市场上的主流加速度传感器。近年来,开发新型功能材料、探索新型传感机理,已被很多发达国家
16、列为现代和未来科学研究和技术开发规划中的战略重点。利用新材料、新原理和新工艺研制出高性能、低成本、智能化、微型化的传感器是研究新型传感器的主要手段和最终目标。在种类众多的传感器家族中,声表面波传感器是其中比较出色的一员。声表面波传感器是利用其内部的声表面波谐振器来敏感外界因素(如力、温度、加速度等)的扰动,这些外界因素物理量的微扰引起声表面波谐振器谐振频率变化,通过精确测量频率变化来计算出物理量的变化。声表面波加速度传感器是近年来发达国家重点研究的声表面波传感器,相比于其它类型加速度传感器,声表面波加速度传感器具有以下优点:(1) 高精度,高灵敏度。因为声表面波加速度传感器把感受到的加速度惯性
17、力转换成电信号的频率,不需要经过A/D转换便可与计算机接口,因而测量精度很高。例如:SAW压力传感器,其精度可达0.01%,灵敏度可达。(2)便于大量生产。SAW加速度传感器中的关键部件SAW延迟线或谐振器,采用半导体平面工艺,极易集成化、一体化,各种功能电路易组合和简化,结构牢固,质量稳定,重复性及可靠性好,易于大批量生产,为电子技术的发展,为表面安装及组装技术都提供了方便的条件。(3) 可靠性高,抗干扰能力强。由于声表面波加速度传感器输出的是频率量,所以它有极好的耐噪声性能,能够在恶劣环境中工作。(4) 体积小、重量轻、功耗低。由于声表面波加速度传感器使用半导体集成工艺制作,因此体积小,重
18、量轻。又因为SAW90%以上的能量集中在距表面一个波长左右的深度内,因而损耗低。SAW加速度传感器电路简单,所以整个传感器的功耗很小。这对于煤矿、油井或其他有防爆要求的工作场合特别重要。(5) 采用半导体平面工艺制作,容易集成化,一体化。1.2 SAW加速度传感器的应用由于声表面波加速度传感器具有上述独特的优良性能,所以它在军事和民用领域有着广泛的应用前景,它可应用于:导弹和航天器的控制与导航。导弹和航天器是一个国家高科技水平的体现,尤其是弹道导弹,无论是路基、空基还是海基型,都是保卫祖国和震慑他国的有力武器。因此使用更为先进的传感器刻不容缓。声表面波加速度传感器具有高精度、高灵敏度( 10-
19、510-6),体积小和重量轻等优点,非常适合应用在惯性导航和制导系统中(用以代替我国早期研制的各种弹道导弹上的陀螺仪等仪器)。声表面波加速度传感器应用于遥测系统,最突出的特点还是输出频率量。频率信号易于进行计算机处理,抗干扰能力强,适合野外复杂电磁环境下的使用,重量轻,有利于提高弹箭的性能。声表面波加速度传感器还可应用于通用航空、车辆控制、天文测量、大地测量、生物医学测量等重要民用领域。1.3 国内外SAW加速度传感器研究的现状及本论文任务 国外自二十世纪八十年代末开始对SAW加速度传感器进行研究。1981年法国研制出第一台SAW延迟线型加速度传感器的实验样机。1988年底,法国Thomson
20、.CSF研究中心研制出拉-压式、非悬臂梁式、双非悬臂梁式及角形悬臂梁式四种类型的SAW加速度传感器。其中在分辨率方面,除拉-压式外,其余均可达到惯性系统导航应用的要求。由于这些性能指标都是在静基座上测试的结果,而且未给出重复性和稳定性指标,因此还不能完全满足惯性导航的要求。 目前美、日、德等许多国家如国也都在积极从事SAW加速度传感器的开发研制。在实验室条件下,结果令人满意。但在工程实践应用中,还有许多问题未得到解决1 。从上世纪九十年代开始,清华大学精仪系国家重点实验室在国家自然科学基金资助下,王生江博士对悬臂梁式SAW加速度传感器静态特性进行了研究30,进行了样机静态性能测试,并设计了动态
21、测量系统,得到了该传感器的动态响应。但是未见对悬臂梁式SAW加速度传感器动态特性进行深入的理论研究。西北工业大学在国防基金的资助下对悬臂梁式SAW加速度传感器进行了研究。如熊曣研究了悬臂梁式SAW加速度传感器阻尼技术,通过分析空气压膜阻尼在SAW加速度传感器中的应用,建立了一套具体的SAW加速度传感器设计方案31。在此方案中,利用压膜阻尼来改善SAW加速度传感器的动态性能。由于压膜阻尼只有在悬臂梁和极板的空隙很小时才发挥作用,导致加速度传感器的量程比较小,而这又限制了声表面波加速度传感器的对较大加速度的测量。郭琳研究了悬臂梁式SAW加速度传感器的闭环方案,她提出了一种静电式脉宽调制闭环方案32
22、。虽然该方案在一定程度上解决了悬臂梁的保护问题,但没有加速度方向判断功能,在悬臂梁保护的研究上也不够深入。总之,在以往SAW加速度传感器的研究当中,虽然SAW加速度传感器的理论框架已经建立,但还有不少实际工程问题有待解决,现就在总结前人科研的基础上分析出现有SAW加速度传感器理论和实际中存在如下几点问题:(1) 改进的SAW加速度传感器在其悬臂梁的上下表面各附着了一个敏感元件,其输出的信号经过混频后频率范围相对较宽,而真正有用的信号频率范围往往有限,但在以往的研究中没有对如何滤波并设计适合的滤波器做深入的研究;(2) 改进的SAW加速度传感器输出的信号能量一般较弱,达不到频率计的工作要求,但在
23、以往的研究中没有对如何选择和设计放大电路做深入的研究;(3) 以往的研究中对于SAW加速度传感器输出频率的测量有两种方法,即低频测周法,高频测频法。但是SAW加速度传感器输出的频率变化范围大,这两种方法都不能适用于测量频率范围相对较宽的SAW加速度传感器输出的信号;针对现有SAW加速度传感器的不足,本文的主要任务是针对现有SAW加速度传感器信号检测系统的不足,设计出结构简单的滤波电路,反馈式放大电路,以及对现有频率测量系统的改进,具体的研究内容有:(1) 设计了一个二阶滤波电路,将混频信号中的高频组合信号滤去;(2) 利用反馈放大电路不失真的优点,设计放大倍数能满足频率计工作的反馈式放大电路;
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- 关 键 词:
- 表面波 加速度 传感器 关键技术 研究
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