1 陕西科技大学 机电工程学院，西安 710021
2 西安交通大学 机械工程学院，西安 710049
3 西安交通大学 精密微纳制造技术全国重点实验室，西安 710054
针对商用低精度惯性测量单元具有高成本、制造工艺复杂、废弃后污染环境、不能生物降解等缺点，提出一种低成本、可生物降解的木制惯性测量单元。该设计包含平衡振子和非平衡振子单元，分别用于测量3轴加速度和3轴角加速度。采用激光诱导石墨烯的工艺在木梁上制备应变传感器阵列，并形成多组惠斯顿电桥测量电路。结果表明：加速度方面，X轴灵敏度为0.006 mV/g，Y轴灵敏度为8.695×10-4 mV/g，Z轴灵敏度为0.200 mV/g；角加速度方面，X轴灵敏度为0.285 mV/（rad/s2），绕Y轴旋转的灵敏度为0.305 mV/（rad/s2），绕Z轴旋转的灵敏度为0.765 mV/（rad/s2）。与有限单元法仿真结果对比，实验测量误差在10%以内，且具有良好的重复测量精度。该惯性测量单元在木制船舶、木制载具、木制家具等方面具有潜在的应用前景。
惯性测量单元 激光诱导石墨烯 陀螺仪 加速度计 木材 Inertial measurement unit Laser induced graphene Gyroscope Accelerometer Wood 光学 精密工程
2023, 31(19): 2867
华中光电技术研究所- 武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430223
基于光子晶体微腔的腔光机加速度计将机械谐振子及高品质因数光子晶体腔相结合, 其中的机械振子在机械震荡模式下对微弱力/位移敏感的特性, 可以实现极低的噪声水平, 理论上能够达到标准量子噪声极限, 是高精度加速度计的重要发展方向。对拉链式光子晶体腔光机加速度计的原理和结构特点进行分析, 设计了一种应用于加速度计的硅基拉链式光子晶体腔和机械振子结构。分析了拉链腔的结构参数对光学Q值的影响, 通过调节结构参数将光腔的谐振频率控制在195 THz附近, 并分析了机械振子和光腔的机械谐振特性, 光腔的有效质量为 30 pg, 加上机械振子后有效质量为3.1 ng, 光机耦合率达到GHz/nm量级, 为基于硅基拉链腔加速度计的制造和表征提供了指导。
微型光机电系统 加速度计 高精度 拉链腔 光子晶体 micro-optical electromechanical (MOEMS) accelerometer high precision zipper cavity photonic crystal
高温压电加速度传感器被广泛应用于振动与冲击测试、故障诊断与监测方面。针对传统压电加速度传感器灵敏度温度漂移过大的问题，该文设计了一种高温压电加速度传感器，该加速度传感器采用正负温度系数的压电元件堆叠设计，以抵消温度变化的影响，进而降低温度漂移。5层YCOB压电元件和1层GdCOB压电元件堆叠构成压缩型压电加速度传感器。应用ANSYS对传感器的性能进行仿真优化，并对提出的降低灵敏度温度漂移的方法有效性进行了仿真验证。结果表明,在常温~800 ℃全温度范围内，该传感器的灵敏度温度漂移小于±3%，其具有高温稳定性好、测量精度高的优点。
高温压电 加速度传感器 灵敏度温度漂移 正负温度系数 high temperature piezoelectric accelerometer sensitivity temperature drift positive and negative temperature coefficient
山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049
为了便于驱动谐振梁的反对称模态，提高加速度检测灵敏度，该文提出了一种分布式的电极驱动方式，利用分布式电极更易驱动谐振梁的反对称模态并检测信号。设计了弹性梁质量块系统，用作感知外部加速度的敏感质量，并将谐振梁作为测量加速度的敏感元件。建立了谐振梁前两阶动力学方程。实验测量了不同加速度下谐振梁一阶、二阶的频率变化。实验表明，二阶模态检测正向灵敏度比一阶模态检测正向灵敏度提高了49%，负向灵敏度提高了89%，且二阶模态品质因数是一阶模态品质因数的3.19倍。最后分析了偏置直流电压对灵敏度的影响：随着电压提高，正向加速度检测灵敏度提高，负向加速度检测灵敏度降低。
加速度计 灵敏度 谐振传感 反对称模态 MEMS MEMS accelerometer sensitivity resonant sensing antisymmetric mode
1 北京信息科技大学 传感器重点实验室，北京100101
2 北京信息科技大学 自动化学院，北京100101
温度影响加速度计的性能，误差来源主要由石英材料及封装工艺产生的热应力引起。针对加速度计温度漂移现象，该文介绍了集成式石英谐振加速度计低温漂结构设计和补偿方法。首先通过对称的差分结构消除一阶温度系数，并进行工艺优化，降低封装工艺对谐振器产生的热应力；其次采用随机森林拟合算法建立温度模型来补偿加速度计的温漂。在-20~80 ℃温度范围内对加速度计样机进行温漂测试，结果表明，工艺优化及补偿后的样机偏置稳定性提高了一个数量级。
谐振式加速度计 差频 温度补偿 低温漂 随机森林 resonant accelerometer difference frequency temperature compensation low temperature drift random forest
1 中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060
2 重庆市固态惯性技术企业工程技术研究中心, 重庆 401332
3 重庆市固态惯性技术工程实验室, 重庆 401332
雷达测姿系统实际上是一种惯性导航系统, 长时间未标定会发生加速度计零位变化, 直接影响水平测量精度。针对此问题, 该文分析了系统误差机理及可观测性, 根据实际雷达天线的运动范围, 提出了一种免拆卸加速度计零位基准误差补偿方案。此方案的标定方法简便, 能够有效地识别并估计三轴加速度计的零位误差, 补偿后的动态水平基准精度由2′提升至0.5′, 适合在不方便拆卸的雷达车等大型设备上使用。
三轴加速度计 可观测性分析 免拆卸标定 triaxial accelerometer observability analysis disassembly-free calibration
1 石家庄铁道大学 河北省交通安全与控制重点实验室, 河北 石家庄 050043
2 石家庄铁道大学 交通运输学院, 河北 石家庄 050043
3 石家庄铁道大学 河北省大型结构健康诊断与控制实验室, 河北 石家庄 050043
4 石家庄铁道大学 机械工程学院, 河北 石家庄 050043
5 石家庄铁道大学 材料科学与工程学院, 河北 石家庄 050043
为实现中高频振动信号的测量，本文设计了一种基于轴承和柔性铰链结构的光纤布拉格光栅加速度传感器。首先，基于理论力学模型推导出其固有频率、灵敏度与结构参数的数学模型，然后进行结构优化设计，并制作了传感器实物。在此基础上，对所设计传感器动态特性进行有限元仿真和实验测试。研究结果表明：传感器工作频率为10～1200 Hz，加速度灵敏度达17.25 pm/g，测量误差小于0.3 g，线性度大于0.99，重复性误差为2.33%，且能实现温度补偿。
传感器 加速度传感器 光纤布拉格光栅 中高频 轴承 柔性铰链 sensor accelerometer fiber Bragg grating mid-high frequency bearing flexure hinge 光学 精密工程
2023, 31(16): 2395
东南大学 仪器科学与工程学院, 江苏 南京 210096
为了给国内重力梯度仪的实物制造夯实理论基础, 该文主要研究了伞型全张量旋转加速度计重力梯度仪信号模拟的产生。通过半物理仿真实验模拟了伞型重力梯度仪的测量过程, 并对全张量重力梯度仿真系统进行性能测试。测试数据为MATLAB生成的理想状态下的伞型重力梯度仪三圆盘加速度计数据, 将该数据载入全张量重力梯度仿真系统中, 解调得到交叉和内联重力梯度分量, 经过线性运算得到测量坐标系下的全张量重力梯度值, 再进行坐标系转换, 得到平台坐标系下的重力梯度值。结果表明, 该仿真系统测量精度达到1E(1E=1×10-9 s-2)。
仪器仪表技术 半物理仿真 旋转加速度计 重力梯度 梯度解调 全张量 instrumentation technology semi-physical simulation rotational accelerometer gravity gradient gradient demodulation full tensor
