CN101101306B - 压电陶瓷正弦激励加速度计的校准方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明压电陶瓷正弦激励的加速度计校准方法及装置，是属于微机电系统中微机械加速度计领域。一种压电陶瓷正弦激励加速度计的校准方法与装置，将被测加速度计通过安装螺钉安装在由压电陶瓷与安装盘组成的正弦激励装置上，对压电陶瓷施加一个频率为的正弦驱动电压，正弦激励装置便会产生一个相应的正弦输出位移。校准装置由压电陶瓷、安装盘与基座组成，压电陶瓷与安装盘之间采用树脂胶粘接，压电陶瓷通过树脂胶安装在基座上。降低加速度计校准成本，提高加速度计的校准精度。装置简单、成本低。
Description
技术领域
本发明压电陶瓷正弦激励的加速度计校准方法及装置，是属于微机电系统中微机械加速度计领域。
背景技术
微机电系统加速度计是微机电系统较早开发出来到产品之一，其测量范围从数μg到数万g(g为重力加速度单位)，目前正得到越来越广泛的应用。随着加速度计的发展，对加速度计的校准工作也提出了新的要求。对于小量程的加速度计，目前常采用重力场翻转法、冲击摆冲击法及精密离心机来进行校准；对于大量程的加速度计，一般采用冲击的方法来实现对加速度计的校准，如黄俊钦，顾建雄在《高g值加速度计和压电式力传感器的动态校准》一文中介绍了基于瞬态冲击的高g值加速度计的动态校准方法和装置，Bradford S.Davis等人在《High-GAccelerometer for Earth-Penetrator Weapons Applications LDRD Final Report》一文中介绍了美国Sandia国家实验室对高g值加速度传感器的冲击标定与校准方法。对于重力场翻转法标定，其仅能实现1g加速度范围的校准工作；采用精密离心机校准加速度计时，设备占地面积大，成本高；冲击法校准加速度计，由于其冲击时间很短，容易受到较多的外界干扰，影响结果；对于产生高g值加速度的冲击设备，设备成本高、占地面积大，且校准过程中噪声大，冲击过程不易控制，测试结果稳定性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种加速度计校正方法与装置，降低加速度计校准成本，提高加速度计的校准精度。
本发明采用的技术方案是：一种压电陶瓷正弦激励加速度计的校准方法，其特征是：将被测加速度计1通过安装螺钉2安装在由压电陶瓷4与安装盘3组成的正弦激励装置上，对压电陶瓷4施加一个频率为f、幅值为U的正弦驱动电压 
正弦激励装置便会产生一个相应的正弦输出位移 
则正弦激励装置产生的加速度为其输出位移对时间的二阶导数，即输出加速度为 
获得压电陶瓷4输出位移幅值A0后，确定正弦激励装置输出加速度峰值为amax＝A0·4π2·f·f；被测加速度计1此时测得的是正弦激励装置输出的加速度值，被测加速度计1输出亦为正弦信号 
其峰值A对应于正弦激励装置输出加速度峰值；获得了稳态正弦激励装置输出加速度峰值amax＝A0·4π2·f·f与被测加速度计1输出峰值A后，便可对被测加速度计1灵敏度进行校准，得到灵敏度γ为：γ＝A/(4·A0·π2·f·f)。通过改变压电陶瓷4驱动电压Ui的频率f，改变正弦激励装置的输出加速度值；通过选用不同系列的压电陶瓷，压电陶瓷的工作频率在数Hz到数百KHz的频率范围内工作，相应的正弦激励产生数g到上万g加速度输出，实现对量程数g到上万g的加速度传感器的校准。
压电陶瓷正弦激励加速度计的校准方法，所采用的校准装置，该装置由压电陶瓷4、安装盘3与基座9组成，压电陶瓷4与安装盘3之间采用树脂胶粘接，压电陶瓷4通过树脂胶安装在基座9上。
本发明的有益效果是通过改变压电陶瓷正弦激励装置的输入驱动电压频率f，便可以实现输出加速度值的大幅度改变。该发明能实现较大范围内的加速度值的改变，可以针对不同量程的加速度计进行校准，且装置简单、成本低。
附图说明
附图1为基于压电陶瓷正弦激励的加速度计校准装置示意图。
图中1-被测加速度计，2-安装螺钉，3-安装盘，4-压电陶瓷，5-被测加速度计输出线正极，6-被测加速度计输出线负极，7-压电陶瓷引线正极，8-压电陶瓷引线负极，9-基座，Ui-压电陶瓷驱动电压，Uo-被测加速度计输出电压，S0-压电陶瓷输出位移。
具体实施方式
结合附图1详细说明本发明的具体实施方式，一种压电陶瓷正弦激励的加速度计校准方法，将待测加速度计1通过安装螺钉2安装于安装盘3上，安装盘3通过树脂胶与压电陶瓷4连接，压电陶瓷4用树脂胶粘接在基座9，由压电陶瓷4、安装盘3与基座9组成正弦激励装置。采用压电陶瓷4组成的稳态正弦激励装置，在加速度计谐振频率与压电陶瓷工作频率范围内，对压电陶瓷4的压电陶瓷引线正极7，压电陶瓷引线负极8上施加一个频率为f、幅值为U正弦驱动电压 
则由压电陶瓷组成的正弦激励装置便会产生一个相应的正弦的位移输出 压电陶瓷正弦激励装置产生的输出加速度应为其输出位移对时间的二阶导数， 其输出加速度为 
输出加速度为随时间变化的正弦信号，其输出最大加速度值即为其峰值为amax＝A0·4π2·f·f。此时，被测加速度计1的被测加速度计输出线正极5和被测加速度计输出线负极6之间测得的是压电陶瓷正弦激励装置输出的加速度值，被测加速度计输出电压信号也为正弦信号 
被测加速度计此时测得的加速度幅值为压电陶瓷正弦激励 装置产生的加速度值。正弦激励装置输出峰值加速度时，对应被测加速度计此时输出也为其峰值输出A，获得了正弦激励装置输出加速度峰值与加速度计输出峰值后，便可以完成对加速度计的校准工作，得到被测加速度计的灵敏度γ为： 由于压电陶瓷正弦激励装置输出加速度值与压电陶瓷输入驱动电压频率的平方成正比，与输出位移量成正比，通过改变压电陶瓷驱动电压频率f，便可大幅度改变压电陶瓷正弦激励装置的输出最大加速度值，即可以实现对不同量程的被测加速度计的校准。采用压电陶瓷作为正弦激励装置，虽然压电陶瓷输出位移很小，只有数微米，但压电陶瓷可以工作在数百KHz的高频位移输出条件下，此时输出加速度值能达到数万g，因此可以实现对高g值加速度计的校准。
通过选用不同型号的压电陶瓷，压电陶瓷可以在数Hz到数百KHz的频率范围内工作，由于压电陶瓷正弦激励装置可输出的加速度与压电陶瓷的工作频率的平方成正比，因此可以实现对量程在数g到上万g范围内的加速度计的校准。尽管压电陶瓷的输出位移很小(只有数微米)，但压电陶瓷能在数百KHz条件下工作，且其输出的最大加速度值是与其输出频率的平方成正比的，因此压电陶瓷通过其快速交变位移输出所产生的加速度值是很大的。以本实施例中压电陶瓷的输出位移为5μm，工作在50KHz的正弦输出状态，则其输出的最大加速度为amax＝4A0·π2·f·f＝4×3.142×5×10-6×(50×103)2≈50,000g，此时的高g值加速度输出，完全能满足高g值加速度计校准的要求。
Claims (2)
1.一种压电陶瓷正弦激励加速度计的校准方法，其特征是：将被测加速度计(1)通过安装螺钉(2)安装在由压电陶瓷(4)与安装盘(3)组成的正弦激励装置上，对压电陶瓷(4)施加一个频率为f、幅值为U的正弦驱动电压
正弦激励装置便会产生一个相应的正弦输出位移
则正弦激励装置产生的加速度为其输出位移对时间的二阶导数，即输出加速度为
获得压电陶瓷(4)输出位移幅值A0后，确定正弦激励装置输出加速度峰值为amax＝A0·4π2·f·f；被测加速度计(1)此时测得的是正弦激励装置输出的加速度值，被测加速度计(1)输出亦为正弦信号
其峰值A对应于正弦激励装置输出加速度峰值；获得了稳态正弦激励装置输出加速度峰值amax＝A0·4π2·f·f与被测加速度计(1)输出峰值A后，对被测加速度计(1)灵敏度进行校准，得到灵敏度γ为：γ＝A/(4·A0·π2·f·f)；通过改变压电陶瓷(4)驱动电压Ui的频率f，改变正弦激励装置的输出加速度值；通过选用不同系列的压电陶瓷，压电陶瓷的工作频率在数Hz到数百KHz的频率范围内工作，相应的正弦激励产生数g到上万g加速度输出，实现对量程数g到上万g的加速度传感器的校准。
2.如权利要求1所述的压电陶瓷正弦激励加速度计的校准方法，所采用的正弦激励装置，其特征是：正弦激励装置由压电陶瓷(4)、安装盘(3)与基座(9)组成，压电陶瓷(4)与安装盘(3)之间采用树脂胶粘接，压电陶瓷(4)通过树脂胶安装在基座(9)上。
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