CN102539827A - 一种小波变换式低插损声表面波延迟线型加速度传感器 - Google Patents

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本发明公开了一种小波变换式低插损声表面波延迟线型加速度传感器，其特征在于，包括基片，基片的左端固定，右端加载质量块，基片的上表面从左至右依次设有第一输入换能器、第一输出换能器，第一输入换能器和第一输出换能器分别与第一反馈放大器连接，基片的下表面从左至右依次设有第二输入换能器、第二输出换能器，第二输入换能器和第二输出换能器分别与第二反馈放大器连接；所述的第一反馈放大器、第二反馈放大器分别与混频器连接；所述的混频器与低通滤波器连接。本发明具有抗干扰能力强、低插入损耗，适应于便携式移动设备中惯性识别应用需求的特点。

Description

一种小波变换式低插损声表面波延迟线型加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种小波变换式低插损声表面波延迟线型加速度传感器，属于加速度传感器技术领域。
背景技术
加速度传感器是利用物体的惯性性质来测量物体运动情况的一类惯性传感器。它输出与运动载体的运动加速度成比例或有一定关系的信号。加速度传感器的种类很多，发展也很快，目前应用比较成熟的有压阻式加速度传感器和电容式加速度传感器。压阻式加速度传感器是利用硅材料的压阻效应来敏感被测加速度的，其关键技术是设法通过某种机械装置将被测加速度转换为硅材料电阻率的变化。压阻式加速度传感器具有频率响应特性好、测量方法易行、线性度好等优点，其缺点是温度效应严重、灵敏度低。电容式加速度传感器是将被测加速度转换成电容的变化来进行加速度测量的。其基本特征是工作性能稳定，温度漂移小。然而，电容式加速度传感器在将被测加速度转换为对应的电容器电容变化量时，加速度惯性力引起电容极板位移的敏感度和速度总是慢于和小于悬臂梁等支承梁上应力变化的敏感度和速度。
声表面波加速度传感器对被测加速度的敏感度和响应速度要高于和快于电容式等其他类型的加速度传感器，能够直接输出频率信号。同时，声表面波加速度传感器具有结构简单、制作方便，耐冲击、性能稳定可靠、灵敏度高等许多优点，它是现有加速度传感器的有力竞争者，是一种具有光明应用前景的加速度传感器。
发明内容
本发明的目的是解决部分不规则的环境噪声对声表面波加速度传感器测量结果的精度影响的问题，提供一种抗噪声干扰能力强，损耗低，适应于便携式移动设备中惯性识别的应用需求的加速度传感器。
为了达到上述目的，本发明提供了一种具有小波变换功能的低插损声表面波延迟线型加速度传感器，其特征在于，包括基片，基片的左端固定，右端加载质量块，基片的上表面从左至右依次设有第一输入换能器、第一输出换能器，第一输入换能器和第一输出换能器分别与第一反馈放大器连接，基片的下表面从左至右依次设有第二输入换能器、第二输出换能器，第二输入换能器和第二输出换能器分别与第二反馈放大器连接；所述的第一反馈放大器、第二反馈放大器分别与混频器连接；所述的混频器与低通滤波器连接。
所述的基片采用压电材料制作而成。
优选地，所述的基片为石英晶体悬臂梁结构。
所述的基片上下表面设有具有小波变换功能的单相单向结构声表面波延迟线。
所述的第一输入换能器、第二输入换能器、第一输出换能器和第二输出换能器均采用单相单向换能器结构。
所述的质量块为正方体质量块。
所述的第一输入换能器和第二输入换能器为输入叉指换能器；所述的第一输出换能器和第二输出换能器为输出叉指换能器。
优选地，所述的输入叉指换能器为小波变换式换能器；所述的输入叉指换能器导条包络按照Morlet二进小波函数的包络确定。
所述的第一输入换能器和第二输入换能器采用切趾加权；所述的第一输出换能器和第二输出换能器为不加权的等指长宽带换能器。
本发明的核心部件为一端固定的石英晶体悬臂梁，其自由端通过一边长为Y的正方体质量块加载，悬臂梁上下表面利用半导体平面工艺制成具有小波变换功能的单相单向结构声表面波延迟线，两个延迟线分别与放大器构成单模振荡器，然后通过混频器混频形成差动结构，有利于减小温度和横向加速度的影响。本发明中的声表面波延迟线的输出频响为Morlet二进小波函数的频响，此声表面波延迟线频响具有消除噪声的滤波器功能，因此该声表面波延迟线型加速度传感器的抗噪声干扰能力强，且插入损耗低，适应于便携式移动设备中惯性识别的应用需求。因此，本发明具有抗干扰能力强、低插入损耗，适应于便携式移动设备中惯性识别应用需求的特点。
附图说明
图1为一种小波变换式低插损声表面波延迟线型加速度传感器的结构示意图。
图2为本实施例中一端固定的石英晶体悬臂梁结构的俯视图。
图中：
1、基片；                               6、第二反馈放大器；
2、第一输入换能器；                     7、第二输出换能器；
3、第一反馈放大器；                     8、质量块；
4、第一输出换能器；                     9、混频器；
5、第二输入换能器；                     10、低通滤波器。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例
如图1所示，为一种小波变换式低插损声表面波延迟线型加速度传感器，由两个输入换能器、两个输出换能器、两个反馈放大器、基片1、质量块8、混频器9和低通滤波器10组成。基片1采用温度系数较高的压电材料石英制成的石英悬臂梁，基片1表面设有具有小波变换功能的单相单向结构声表面波延迟线，声表面波延迟线采用单相单向换能器-单相单向换能器结构(SPUDT-SPUDT结构)，包括输入换能器和输出换能器。声表面波延迟线的两个换能器采用的加权方式为，输入换能器采用切趾加权，输出换能器为不加权的等指长宽带换能器。基片1的左端固定，右端加载质量块8，基片1的上表面从左至右依次设有第一输入换能器2、第一输出换能器4，第一输入换能器2和第一输出换能器4分别与第一反馈放大器3连接，基片1的下表面从左至右依次设有第二输入换能器5、第二输出换能器7，第二输入换能器5和第二输出换能器7分别与第二反馈放大器6连接；第一反馈放大器3、第二反馈放大器6分别与混频器9连接；混频器9与低通滤波器10连接。
基片1上表面的第一输入换能器2、第一输出换能器4和第一反馈放大器3构成的振荡器，对外部加速度信号敏感；基片1下表面的第二输入换能器5、第二输出换能器7和第二反馈放大器6构成的振荡器，对外部加速度信号敏感，但下表面的振荡器仅作为参考，两个声表面波延迟线形成差动结构，有利于减小温度和环境噪声干扰。两个声表面波延迟线结构完全相同，输出端相连并经过混频器9混频，可将外部加速度的变化转化为频率的变化输出。
基片1的自由端通过一边长为Y的正方体的质量块8加载，悬臂梁上下表面利用半导体平面工艺制成具有小波变换功能的单相单向结构声表面波延迟线，两个延迟线分别与第一反馈放大器3、第二反馈放大器6构成单模振荡器，然后通过混频器9混频形成差动结构，有利于减小温度和横向加速度的影响，然后经过低通滤波器10滤除高频噪声信号输出。
基片1为声表面波延迟线结构，第一输入换能器2和第二输入换能器5，即左边叉指换能器，为小波函数切趾加权；第一输出换能器4和第二输出换能器7，即右边叉指换能器，为不加权的等指长宽带换能器。图2中声表面波延迟线的中心频率为68MHz，因此声表面波延迟线振荡器的中心频率为68MHz。具有滤波器功能的延迟线的相对带宽小(窄带)，并且是低插损器件。只要放大器的增益能够补偿延迟线的损耗又满足一定的相位条件，振荡器就能够起振。
图2为一端固定的石英晶体悬臂梁结构的俯视图。该悬臂梁为等腰三角形结构，基片1的材料采用石英。图2中显示的仅是石英悬臂梁的上表面，石英悬臂梁的下表面结构与上表面完全相同。
本发明具有灵敏度高和线性度好的优点，同时此发明中的声表面波延迟线的输出频响为Morlet二进小波函数的频响，此声表面波延迟线频响具有消除噪声的滤波器功能，因此该声表面波延迟线型加速度传感器的抗噪声干扰能力强，且插入损耗低，适应于便携式移动设备中惯性识别的应用需求。

Claims (9)

1.一种小波变换式低插损声表面波延迟线型加速度传感器，其特征在于，包括基片(1)，基片(1)的左端固定，右端加载质量块(8)，基片(1)的上表面从左至右依次设有第一输入换能器(2)、第一输出换能器(4)，第一输入换能器(2)和第一输出换能器(4)分别与第一反馈放大器(3)连接，基片(1)的下表面从左至右依次设有第二输入换能器(5)、第二输出换能器(7)，第二输入换能器(5)和第二输出换能器(7)分别与第二反馈放大器(6)连接；所述的第一反馈放大器(3)、第二反馈放大器(6)分别与混频器(9)连接；所述的混频器(9)与低通滤波器(10)连接。
2.如权利要求1所述的一种小波变换式低插损声表面波延迟线型加速度传感器，其特征在于，所述的基片(1)采用压电材料制作而成。
3.如权利要求2所述的一种小波变换式低插损声表面波延迟线型加速度传感器，其特征在于，所述的基片(1)为石英晶体悬臂梁结构。
4.如权利要求1所述的一种小波变换式低插损声表面波延迟线型加速度传感器，其特征在于，所述的基片(1)上下表面设有具有小波变换功能的单相单向结构声表面波延迟线。
5.如权利要求1、4所述的一种小波变换式低插损声表面波延迟线型加速度传感器，其特征在于，所述的第一输入换能器(2)、第一输出换能器(4)、第二输入换能器(5)和第二输出换能器(7)均采用单相单向换能器结构。
6.如权利要求1所述的一种小波变换式低插损声表面波延迟线型加速度传感器，其特征在于，所述的质量块(8)为正方体质量块。
7.如权利要求1所述的一种小波变换式低插损声表面波延迟线型加速度传感器，其特征在于，所述的第一输入换能器(2)和第二输入换能器(5)为输入叉指换能器；所述的第一输出换能器(4)和第二输出换能器(7)为输出叉指换能器。
8.如权利要求7所述的一种小波变换式低插损声表面波延迟线型加速度传感器，其特征在于，所述的输入叉指换能器为小波变换式换能器；所述的输入叉指换能器导条包络按照Morlet二进小波函数的包络确定。
9.如权利要求1所述的一种小波变换式低插损声表面波延迟线型加速度传感器，其特征在于，所述的第一输入换能器(2)和第二输入换能器(5)采用切趾加权；所述的第一输出换能器(4)和第二输出换能器(7)为不加权的等指长宽带换能器。
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