悬臂梁式SAW加速度计的信号特征及测量方案

　　众所周知, 悬臂梁式加速度计的敏感质量块和悬臂梁可等效为一个二阶数学模型, 见图1。为便于加速度测量, 传统设计总是希望把加速度计微机械系统的工作状态保持在临界阻尼或过阻尼状态,然而阻尼问题通常是复杂和时变的, 当实际系统的阻尼作用发生衰退不足而偏离预先设定的理想阻尼状态时, 加速度计悬臂梁在加速度惯性力的激励下将出现短暂的衰减振荡过程( 如图2 所示) , 进而影响加速度测量的实时性和准确性。因此, 研究如何在振动变化的悬臂梁上实时地获得待测加速度值是非常必要的。

　　1 悬臂梁式SAW 加速度计基本原理

　　2 加速度计SAWO的信号特征

　　加速度计悬臂梁和质量块在阻尼介质中的实际工作情况往往是: 当质量块敏感到加速度惯性力后,会获得一定的惯性能量而偏离其平衡位置, 经历一个短暂的动态过程后稳定在某一新的平衡位置, 如图2 所示。实验表明该暂态过程的持续时间与悬臂梁材料性质和系统阻尼有关。

　　由于敏感加速度的SAWR 元件直接制作在加速度计悬臂梁上, 因此其谐振频率随梁的应变状态变化。显然, SAWO 实际输出频率f ( t) 随时间t 的变化关系可分为两个阶段:

　　( 1) 悬臂梁受激后, 离开平衡位置直至达到最大偏离时所对应的时刻t0 , 这一时间段可看作线性调频阶段。设待测加速度a 为阶跃信号, 则在该时段, SAWO的输出频率f ( t) 可近似表示为:

　　( 2) 当悬臂梁经过其第一( 或最大) 峰值位置后,悬臂梁将围绕其新的平衡位置往返振动。由于阻尼, 梁的振动幅度随时间逐渐减小, 最终稳定在新的平衡位置。显然, 该新平衡位置与待测静载加速度相对应。设在t0 时刻之后悬臂梁SAWO 的输出频率为

　　3 SAW加速度信号的测量

　　3. 1 SAW加速度计频率信号测量方案

　　SAW 加速度计输出的准数字信号经调理后用数字频率计来计量。按照频率的定义, 频率测量就是在单位时间T 内, 累计被测信号的重复次数N ,则f = N / T 便是被测信号的频率。其原理如图3所示。频率计利用高精度晶振f c 控制计数器闸门的开闭状态, 在闸门开放时基T1 或T2 内, 待测信号f x 才允许进入计数器进行有效计数。

　　根据加速度计SAWO 输出信号对待测阶跃加速度的响应特征, 可制定图4 示意的测频方案: 在SAW 加速度计悬臂梁稳定前, 用短时闸门时间T 1测量SAWO 频率信号以掌握悬臂梁的动态进程; 当得知SAWO 输出频率增大到与梁最大形变对应的最大频率后, 单片机将门控改为长时闸门时间T 2。当T2 取加速度计悬臂梁的固有振动周期T 2 =1/ f m 时, 在SAWO 上测出的频率值可认作为就是当前的待测加速度, 理由在3. 2 节详述。显然, 该测量方案比等待悬臂梁完全稳定后再测量能早一些得知待测加速度值, 因而有着较好的测量实时性。