專利名稱：用波形比較法進行沖擊加速度傳感器橫向響應的測試方法
技術領域：
本發明涉及提供一種基于波形可識別的沖擊加速度計的比較測試方法，更確切說是一種用波形比較法進行沖擊加速度傳感器橫向響應的測試方法，屬于微傳感器的力學測試分析領域。
背技軸速傳器顧思是對一個方向敏感，而對其它正交分量，即橫向不敏感的器件，橫向響應是表征器件的一個重要物理參數。橫向響應是指在同樣加速度作用下傳感器非敏感方向的輸出與傳感器在敏感方向的輸出比，或者定義為非敏感方向的靈敏度和敏感方向的靈敏度之比。在器件的設計、制造和使用中應盡量減小或者消除這一效應。事實上，所有單軸加速度傳感器對側向加速度均會或多或少有些響應，這種響應就稱為加速度傳感器(或加速度計)的橫向響應，又稱交叉靈敏度。在加速度傳感器的橫向響應或橫向靈敏度測試過程中，通常是在激振臺上完成的，并且是在低頻(100Hz)和較低的加速度載荷(30g，g＝9.8m/s2)下進行的。即使對于高量程加速度傳感器或高沖擊加速度傳感器的橫向響應測試，有相當一部分的測試也是在此條件下進行的。然而，沖擊和碰撞過程中具有相當大的加速度，是一個瞬時的動態能量傳遞過程，在一些場合下通常達到幾千或上萬的加速度g值，這樣器件的真實橫向響應在振動臺上卻難以得到反映。在ISO標準中在振動臺上進行橫向測試(ISO 5347-111993，即將成為16063-31)，以及橫向沖擊靈敏度的測試(ISO 5347-121993)。這些測試標準中對測試設備要求的精度都很高，測試設備復雜。如需要較為嚴格的單軸振動臺、兩軸振動臺或者三軸振動臺，同樣在實施過程中，如果利用集成在一起的兩軸加速度傳感器或者三軸加速度傳感器，就可以同時測量器件在三個垂直正交方向上的輸出。但是通常的兩軸加速度傳感器具有較低的量程和過載，不適用大量程高沖擊場合下的要求。因此，為了滿足和適應一般場合的需要，方便可靠并且簡易的測試方法和設備是非常急需的。
對加速度傳感器測試的一種方法是直接用一根細長的金屬桿，將加速度傳感器固定于金屬桿的一端，然后將金屬桿自由落下，金屬桿與地面上的金屬砧發生相互碰撞，產生較大的加速度，如20.000g。之所以會產生較大的加速度，是因為金屬桿與金屬砧碰撞時間是通常在微秒量級，這樣在同樣速率變化下，時間越短，加速度就越大。金屬桿與金屬砧碰撞過程中產生應變波，應變波將沿著金屬桿傳遞給加速度傳感器，加速度傳感器記錄這一碰撞過程。金屬桿和金屬鋼砧碰撞過程中會產生復雜的波，除了縱波外，還有彎曲波、扭曲波和表面波等，這些波的產生與主波會混雜在一起，不容易區分和識別，導致在橫向測試過程中模式識別的困難。就是說如何判斷碰撞過程中哪一個是真正的第一個碰撞過程所產生的響應波。另外，碰撞過程中會產生很多高頻波，這些波均會激發器件的一階共振模態，如何消除共振也是需要解決的另外一個問題。另外，當金屬桿從同一高度落下時，在理論上，可以認為在金屬桿和金屬砧的碰撞會產生同樣的加速度，但由于每次落地點都存在偏差，以及落地點表面的粗糙程度，導致每次碰撞接觸面存在一定的差別，這些因素影響橫向響應的測量精度。
發明內容
基于上述考慮，本發明目的在于提供一種用波形比較法進行沖擊加速度傳感器橫向靈敏度響應的測試方法，采用的是波形可識別的高沖擊比較測試法。在加速度傳感器的測試中，比較法廣泛地用來進行線性測試和頻譜測試。比較法，即利用一個標準的加速度傳感器作為參考器件，然后將被測試的傳感器以同樣的方式被安裝在金屬桿上。比較測試法屬于二級標定，即利用一個標準的傳感器作為參考，以背靠背的方式同樣安裝到測試儀器上，當給定同樣的輸入信號時，考察兩個器件的輸出特性，再根據一定的關系確定被測試器件的性能指標參數。本發明據此提出利用自由落桿比較法進行器件的橫向響應測試，方法簡便易行、可靠，容易識別高幅值加速度沖擊過程中器件的橫向響應。而不需要知道絕對的沖擊速度數值。
自由落體沖擊的試驗裝置如圖1所示，其中加速度的產生是利用金屬桿與相對應的金屬鋼砧相碰撞，利用其速度變化獲得加速度。試驗中需要一根同軸的金屬桿3，一座鋼砧4，相應的信號傳輸電纜線5，微弱信號放大器6，和由計算機控制的多通道瞬態數據分析儀7。其中，鋼砧的尺寸為長29.8cm，寬26.7cm，高19.2cm；金屬鋁合金落桿長為1m、直徑1.5cm；信號放大器的放大倍數為20倍，-1dB截止頻率大于25kHz；傳感器裝在桿的頂端，傳感器的輸出端通過細軟電纜5與放大器6連接，從而使傳感器的小信號放大經過放大的信號又通過電纜線與具有數據采集功能的計算機7連接，即Top4012多通道電壓波采集卡獲取，碰撞過程產生的波形顯示于計算機屏幕上。在落桿頂端安裝的傳感器，傳感器的敏感軸與桿軸方向一致，即可檢測到敏感軸靈敏度和沖擊加速度峰值；若安裝使傳感器的敏感軸與桿軸垂直，就可檢測到橫向響應。實驗用的傳感器是單軸的。
通常，傳感器安裝在金屬桿3頂端，金屬桿自由落下時，金屬桿的底端(碰撞端)與鋼砧4碰撞，桿的碰撞端端面首先被減速，然后向上加速。設桿的碰撞端端面的加速度為a(t)，那么碰撞端端面的速度變化量為Δu=∫0t0a(t)dt---(1)]]>式中t是碰撞開始時刻作計時起點的時間，t0是兩碰撞物又回到沒有相互作用的時刻，加速度恢復為只有地球引力加速度g的時刻，這時碰撞結束。碰撞端端面發生的速度變化，就是端面壓向繼續向下的上層鄰面，形成壓應力波(固體中的聲波)，向桿的另一端傳播。t＝l/C時(l是金屬桿的長度，C是桿中的聲速)，聲波傳到桿的傳感器端。如果傳感器與桿直接剛性連接，聲波就能完全傳遞給傳感器。仍以桿與砧剛接觸的時刻為時間原點，傳感器經受的加速度就可以表示為a(t-l/C)，那么傳感器給出的信號就是e(t)=Sa(t-lC)---(2)]]>在t≤l/C時傳感器還沒有受到加速，e(t)是0，這里S是傳感器的靈敏度。一旦得到傳感器的靈敏度，則經受的最大加速度就可以從e(τ)的最大值Vm算出am=VmS---(3)]]>在對器件進行分別試驗中，這里指定只有一個待測試的加速度傳感器，試驗測試中需要首先確定敏感方向(如y軸)的輸出信號V1或者靈敏度，然后將器件安裝在非敏感方向(如x或者z軸)，從同樣的高度落下，記錄輸出信號V2。比較二者的大小V2/V1，即為橫向響應。此種方法在試驗中要嚴格保持落體高度的準確性，否則會導致較大的測試誤差。同時，金屬桿和金屬砧相互碰撞過程中會產生多種成分復雜的波，如縱波，彎曲波和扭曲波等模式，在一定情況下，這些波會相互疊加，難以區別，這就帶來了識別主波模式的困難。尤其當器件的真實橫向響應非常小時，就更難識別和判斷哪一個是真正的第一個主碰撞過程所產生的波。
比較法即利用一個標準的靈敏度已知的高沖擊加速度傳感器作為參考器件1，然后去測試待定的加速度傳感器2。本發明測試用的傳感器是單軸的，如圖2所示，有四個電極8，Y軸(順著管腳方向)是敏感軸，X軸和Z軸是非敏感軸。如待測試的器件其敏感方向是Y軸，當器件Y軸同金屬桿軸方向一致時，即進行敏感方向靈敏度的測試。當Y軸與金屬桿軸方向垂直時，即測試非敏感方向的輸出特性。此種測試對于量程在幾千g值以上的傳感器適用，而對量程小的器件則不適用。將標準傳感器和待測試的傳感器以同樣的方式安裝在金屬桿上。測試時，同樣先確定標準傳感器和待測試傳感器在敏感方向上的輸出，然后再確定標準傳感器和待測試傳感器在非敏感方向的輸出，采用同樣的方法進行比較，就可以得到橫向響應或者橫向靈敏度。圖2分別是器件的三種安裝方式示意圖。其中，(a)是器件安裝在金屬桿側壁，敏感y方向；(b)是器件安裝在金屬桿側壁，非敏感x方向；(c)是器件安裝在金屬桿頂端，非敏感z方向的示意圖。這幾種安裝方式對器件靈敏度測試沒有大的影響，關鍵是在測試敏感方向時，要保證器件與金屬桿軸方向盡量平行，而在測試非敏感方向時，要使傳感器的Y軸盡量垂直桿軸。
對于兩個同時安裝固定在金屬桿上的傳感器，當從一定高度落下時，在敏感方向上會產生同樣的加速度a，則兩個器件的輸出比和靈敏度之間的關系為，Vc(x,y,z)Vs(y)=Sc(x,y,z)aSs(y)a=Sc(x,y,z)Ss(y)---(4)]]>其中標準傳感器在敏感方向的輸出為Vs(y)，而待測試的傳感器的輸出為Vc(x，y，z)，腳標x，y，z分別對應三個測試方向，其中y是指敏感方向，而x，z是指非敏感方向。這樣，待測試傳感器在敏感方向的靈敏度為Sc(y)=Vc(y)Vs1Ss(y).]]>Vs1表示在敏感方向測試時標準傳感器的輸出，而Vc(y)表示在敏感方向測試時待測試傳感器的輸出。同樣在非敏感方向x和z上的靈敏度分別為Sc(x,z)=Vc(x,z)Vs2Ss(y),]]>而Vs2表示在非敏感方向測試時標準傳感器的輸出，由此，待測試器件非敏感方向的靈敏度和敏感方向的靈敏度之比為Sc(x,z)Sc(y)=Vc(x,z)Vs2Vs1Vc(y)---(5)]]>如果Vs1＝Vs2，則Sc(x,z)Sc(y)=Vc(x,z)Vc(y)---(6)]]>在理想情況下，對于在敏感方向和非敏感方向上分別進行測試，如果從同一高度落下，則Vs1和Vs2相等。公式(5)和公式(4)就相一致。圖3所示意的是標準器件和待測試器件均在敏感方向的輸出，其碰撞過程中的主波脈沖前沿和幅度大小以及隨后的波同時到達并被記錄下來。圖4和圖5分別是被測試器件在非敏感方向的輸出以及標準器件在敏感方向的輸出，可以知道待測試器件的橫向輸出波與標準器件敏感方向的輸出波同時到達并被記錄下來。因此，主沖擊過程中待測試器件的橫向輸出波被清楚地識別出來。因此，標準加速度傳感器起到兩個作用，一是作為靈敏度和橫向響應測試的參考標準，另一個是起到信號同步跟蹤的作用。此方法可以測量更高量程的加速度器件或者類似的器件；同樣，此方法適用測量雙軸或者三軸加速度傳感器或者類似的器件。
測試步驟1、敏感方向靈敏度的測試按照圖1所示意，將一根同軸的金屬鋁桿3，一座鋼砧4和由計算機控制的瞬態數字分析儀7以及所需要的放大器6連接好。主要是將標準傳感器1和待測試的傳感器2的輸出端分別與信號放大器6相連接，然后將信號放大器的輸出端與由計算機控制的瞬態數字分析儀的輸入端相連接，并啟動相應的計算機數據采集軟件，放大的信號由Top4012多通道電壓波采集卡獲取，顯示在計算機屏幕上。在金屬桿頂部以同樣的方式安裝標準傳感器和待測試的傳感器，均是敏感方向，待測量傳感器的敏感方向與金屬桿軸方向一致，然后在一定的高度自由落下，得到的輸出波形顯示于計算機上，按照公式(4)可以計算，得到器件敏感方向的靈敏度和沖擊加速度峰值；圖3是器件在敏感方向波形輸出的一個示意圖。圖3的上半部分圖是待測試器件的輸出，而下半圖是標準器件的輸出。
2、橫向響應的測試將待測試器件安裝在金屬桿的尾部，使輸入的加速度與器件的非敏感軸方向垂直，即橫向測試。將金屬桿從一定的高度自由落下，產生的兩個沖擊波顯示于計算機屏幕上，同樣可以利用(4)式直接進行計算，直接得到橫向靈敏度。或者最終直接由(5)式進行計算得到橫向響應的百分比。圖4和圖5分別為傳感器在非敏感方向X和Z方向的波形輸出。其中可以明顯發現，在非敏感方向上第一個輸出的波即是與主沖擊的波在同一時刻被記錄下來的波，這個波就是器件橫向輸出波。
綜上所述，本發明所述的基于波形可識別的比較法進行沖擊加速度計橫向響應的測試方法是利用比較法，將標準加速度傳感器和待測試加速度傳感器同時安裝到金屬桿上，金屬桿自由落下，與金屬砧發生碰撞產生高幅值的沖擊加速度，并利用雙通道數據采集方式直接記錄沖擊碰撞過程的輸出波形。從時間歷程分析上，由兩個傳感器產生的波同時被記錄下來，主沖擊波到達前沿能夠容易被識別，且其加速度幅值可以確定下來。利用兩次沖擊過程即可以實現橫向和敏感方向靈敏度的測試，通過適當計算即得到橫向響應。
其中，①所述的標準加速度傳感器是一個靈敏度已知的高沖擊的傳感器；②可以獲得沖擊過程中敏感方向的靈敏度和非敏感方向的靈敏度，而不需要知道絕對的沖擊加速度數值；③可以識別待測試加速度傳感器的主沖擊過程的波形；④本發明所述的比較法可以推廣到振動臺上，即在不考慮振動臺實際的輸入加速度大小時，只要知道標準傳感器的靈敏度，就可以立即知道被標定傳感器的橫向靈敏度，可以測量更高量程的加速度器件或類似器件。
圖1，自由落桿沖擊裝置示意圖，其中1表示標準傳感器，2表示被測試傳感器，3表示金屬桿，4表示金屬砧，5表示連接用的電纜線，6表示放大器，7表示計算機數據采集系統。
圖2，器件的三種安裝方式和相應的坐標示意，圖中金屬桿和器件均是非比例的示意，8表示器件的管腳。圖2(a)，器件安裝在金屬桿側壁，敏感y方向；(b)，器件安裝在金屬桿側壁敏感，非敏感x方向；(c)，器件安裝在金屬桿頂端，非敏感z方向，以及(d)是器件的坐標示意。
圖3，傳感器在敏感方向沖擊過程波形輸出的一個示意實例，器件敏感方向y的輸出，上圖為被測試的加速度傳感器在敏感方向的輸出，下圖為標準傳感器在敏感方向的輸出。
圖4，傳感器在非敏感X方向沖擊過程波形輸出一個示意實例，上圖為被測試的加速度傳感器在非敏感X方向的輸出，下圖為標準傳感器在敏感方向的輸出。
圖5，傳感器在非敏感Z方向沖擊過程波形輸出一個示意實例，上圖為被測試的加速度傳感器在非敏感Z方向的輸出，下圖為標準傳感器敏感方向的輸出。
具體實施例方式
試驗中選用量程為1萬g的加速度傳感器，按照具體實施步驟進行，首先將單軸、雙軸或三軸的標準加速度傳感器和待測試的加速度傳感器一起安裝到金屬桿上，按照具體實施步驟1進行，先對器件進行敏感方向的測試，即Y方向，結果如圖3所示，圖中上部分為待測試的加速度傳感器在敏感方向的輸出，下半部分為標準傳感器在敏感方向的輸出；計算得到靈敏度為15.2μV/g。然后對待測試器件進行非敏感方向的輸出測試，按照具體實施步驟2進行，標準傳感器保持原來的安裝方式，將待測試器件原位旋轉90度進行安裝，即器件的非敏感方向X，在同樣落高下，得到如圖4所測試的結果，圖中上部分為待測試的加速度傳感器在非敏感方向的輸出，下半部分為標準傳感器在敏感方向的輸出。測試得到器件的橫向靈敏度為0.70μV/g。從圖中可以看到，待測試器件的橫向輸出波形和標準器件的輸出波形在同一時刻到達，并通過計算機顯示出來，這就直接識別了器件的橫向輸出特性。同樣，再將待測試的加速度傳感器置于金屬桿的頂端，即為非敏感Z方向，按照具體實施步驟2進行測試，得到圖5所示意的結果。標準器件從一定高度同時落下，測試并計算得到其靈敏度為0.66μV/g，這樣實際得到橫向響應在X和Z方向分別為4.6％和4.4％。
待測試的加速度傳感器其橫向響應輸出特性可以進一步在標定過的正弦振動臺上來進行測試驗證，在驅動頻率500Hz，在20g的振動激勵下，測量得到器件的橫向輸出偏差在3.0％。此結果與上述方法得到相一致的結果，即此方法得到驗證。測試差別可能來源于器件的封裝或者測試過程中安裝帶來的一些誤差。器件中芯片的對準安裝和封裝以及實驗測試中器件的安裝影響測試結果。在理論上，當器件的敏感部分，即當芯片鍵合到襯底上，如果存在1度的對準偏差就會導致1.75％的輸出誤差；同樣，在測試過程中，如果器件安裝到金屬桿上，其方向存在1度的偏差也同樣導致1.75％的輸出偏差。由這二者產生的誤差就會導致3.5％的輸出偏差。
權利要求
1.用波形比較法進行沖擊加速度傳感器橫向響應的測試方法，利用波形比較法，將標準加速度傳感器和待測試加速度傳感器同時安裝到金屬桿上，金屬桿自由落下與金屬砧發生碰撞產生高幅值的沖擊加速度，并利用雙通道數據采集方式直接記錄沖擊碰撞過程的輸出波形。從時間歷程分析上，由兩個傳感器產生的波同時被記錄下來，主沖擊波到達前沿能夠容易夠識別，且其加速度幅值可以確定下來；利用兩次沖擊過程即可以實現橫向和敏感方向靈敏度的測試，通過計算即得到橫向響應。
2.按權利要求1所述的用波形比較法進行沖擊加速度傳感器橫向響應的測試方法，其特征在于測試步驟是(1)敏感方向靈敏度測試將標準加速度傳感器(1)和待測試的加速度傳感器(2)的輸出端分別與信號放大器(6)相連接，然后將信號放大器的輸出端與由計算機控制的瞬態數字分析儀(7)的輸入端相連接，放大的信號由多通道電壓波采集卡獲取，顯示在計算機屏幕上。在金屬桿頂部以同樣的方式安裝標準傳感器和待測試的傳感器，使待測量加速度傳感器的敏感方向與金屬桿軸方向一致，然后在一定的高度自由落下，得到的輸出波形顯示于計算機上，按照公式計算，得到器件敏感方向的靈敏度和沖擊加速度峰值；(2)橫向響應的測試將待測試加速度傳感器器件安裝在金屬桿的尾部，使輸入的加速度與器件的非敏感軸方向垂直，即橫向測試。將金屬桿從一定的高度自由落下，產生的兩個沖擊波顯示于計算機屏幕上，同樣利用同樣的公式直接進行計算，直接得到橫向靈敏度；上述(1)和(2)所述的進行計算的公式為Vc(x,y,z)Vs(y)=Sc(x,y,z)aSs(y)a=Sc(x,y,z)Ss(y)]]>式中a為加速度傳感器的加速度，S為靈敏度，V為傳感器的輸出，標準傳感器在敏感方向的輸出為Vs(y)，而待測試的傳感器的輸出為Vc(x，y，z)，腳標x，y，z分別對應三個測試方向，其中y是指敏感方向，而x，z是指非敏感方向。這樣，待測試傳感器在敏感方向的靈敏度為Sc(y)=Vc(y)Vs1Ss(y),]]>Vs1表示在敏感方向測試時標準傳感器的輸出，而Vc(y)表示在敏感方向測試時待測試傳感器的輸出，同樣在非敏感方向x和z上的靈敏度分別為Sc(x,z)=Vc(x.z)Vs2Ss(y),]]>而Vs2表示在非敏感方向測試時標準傳感器的輸出，由此，待測試器件非敏感方向的靈敏度和敏感方向的靈敏度之比為Sc(x,z)sc(y)=Vc(x,z)Vs2Vs1Vc(y).]]>
3.按權利要求1或2所述的用波形比較法進行沖擊加速度傳感器橫向響應的測試方法，其特征在于所述的標準加速度傳感器是一個靈敏度已知的高沖擊的傳感器。
4.按權利要求2所述的用波形比較法進行沖擊加速度傳感器橫向響應的測試方法，其特征在于所述的金屬桿為鋁桿。
5.按權利要求1或2所述的用波形比較法進行沖擊加速度傳感器橫向響應的測試方法，其特征在于標準加速度傳感器器件和待測加速度傳感器器件安裝在金屬桿上采用下述三種方式中一種，(a)安裝在金屬桿側壁敏感y方向，(b)安裝在金屬桿側壁的非敏感x方向，(c)安裝在金屬桿頂端z方向。
6.按權利要求2所述的用波形比較法進行沖擊加速度傳感器橫向響應的測試方法，其特征在于測試敏感方向時，使器件與金屬桿方向平行；測試非敏感方向時，使傳感器的y軸垂直金屬桿。
7.按權利要求2所述的用波形比較法進行沖擊加速度傳感器橫向響應的測試方法，其特征在于Vs1和Vs2相等時，兩個器件的輸出比和靈敏度之間的關系為Sc(x,z)Sc(y)=Vc(x,z)Vc(y).]]>
8.按權利要求2所述的用波形比較法進行沖擊加速度傳感器橫向響應的測試方法，其特征在于傳感器輸出端時通過細軟電纜(5)與放大器(6)連接的，放大的信號是由Top4012多通道電壓波采集卡獲取。
9.按權利要求2或8所述的用波形比較法進行沖擊加速度傳感器橫向響應的測試方法，其特征在于信號放大器的放大倍數20，-1dB截止頻率大于25kHZ。
10.按權利要求1或2所述的用波形比較法進行沖擊加速度傳感器橫向響應的測試方法，其特征在于所述的方法適用于單軸、雙軸或三軸加速度傳感器或類似器件。
全文摘要
本發明涉及一種用波形比較法進行沖擊加速度傳感器橫向響應的測試方法，利用波形比較法，將標準加速度傳感器和待測試加速度傳感器同時安裝到金屬桿上，金屬桿自由落下與金屬砧發生碰撞產生高幅值的沖擊加速度，并利用雙通道數據采集方式直接記錄沖擊碰撞過程的輸出波形。從時間歷程分析上，由兩個傳感器產生的波同時被記錄下來，主沖擊波到達前沿能夠容易識別，且其加速度幅值可以確定下來；利用兩次沖擊過程即可以實現橫向和敏感方向靈敏度的測試，通過計算即得到橫向響應。本發明具有方便易行、容易識別且可獲得沖擊過程中敏感方向和非敏感方向的靈敏度，而不需要知道絕對加速度數值，適用于單軸、雙軸或三軸加速度傳感器與類似器件。
文檔編號G01P15/08GK101034092SQ20071003795
公開日2007年9月12日 申請日期2007年3月9日 優先權日2007年3月9日
發明者鮑海飛, 李昕欣, 陸德仁, 宋朝輝 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所