压阻式加速度计的阻尼分析

　　0　前　言

　　通常的压阻式加速度传感器均采用惯性式传感器的力学原理,由质量块,弹性元件组成一惯性系统,通过悬臂梁结构将被测体的振动能量转换成弹性元件的势能及质量元件的动能之和。势能的变化必将引起弹性元件中应力应变的变化,通过压阻元件可将弹性体应变的变化检测出来,并转换成电压形式输出,这样就可以定量地检测振动。

　　有关这种传感器的原理和设计在很多书上都有介绍,采用这种原理制作的传感器也已在工业、航空等领域广泛应用,从各种资料上可以看到如果振动系统的相对阻尼系数被调整在0.6~0.7之间,则加速度计的幅频特性,相频特性均佳,性能比较优异,因此对于惯性式传感器适当的调整阻尼可以改善传感器的性能。

　　以往的加速度传感器,有的采用空气阻尼,有的采用填加硅油的方法调整阻尼,对改善加速度计的阻尼状态有一定的作用,美国的Entran公司及国内的东北传感技术研究所所做的压阻式传感器均采用硅油调阻尼方法[1],传感器的性能比较优异,但长期以来对压阻式加速度计的阻尼调整很少有专门的文献给以分析指导。人们只是凭经验对其进行调整,缺乏理论依据。本文试图通过声学理论,用类比的方法对加速度计的阻尼进行分析,从而给出阻尼调整的理论依据,以便更好地指导实际设计工作,使传感器的设计更趋合理化,性能更加优良。

　　1　理论基础

　　声学是研究声音的产生、传播、接收、作用和处理重现的学科[1]。声音是一种机械扰动在气态、液态和固态物质中传播的现象,究其根本,声学研究的是一种机械振动的物理运动规律,包括它的产生(声源)辐射、传播、接收等等,古老的振动学理论是研究声源的理论基础,而压阻式加速度计所测量的恰恰是一种机械振动,其原理是通过其组成部分———质量块在中心点附近的微幅振动将振动体的振动转换成可测量输出量,因此可以将介质(空气或阻尼液)中质量块的振动等效为声学中的摆动球声源或平面活塞式声源,从而把加速度计的阻尼问题等效到摆动球声源或活塞式声源的各个物理过程中去考虑,用声源的阻尼作用规律类比加速度计的阻尼问题,从理论上对其作用机理、相关要素做一下分析。

　　压阻式加速度计遵从惯性式传感器的力学原理,其简化的力学模型如图1所示,设振动体位移Y = Y(t)质量块相对仪器外壳位移为X(t)则运用牛顿第二定律,并假设振动体作简谐振动,可推得描述此单自由度系统运动规律的方程:

　　此式表明传感器的质量块相当于其外壳的位移X的幅值Xm正比于被测振动体加速度的幅值,系数为1/p2[2]。