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声表面波惯性器件传感检测技术研究

作　者: 刘骏跃
导　师: 陈明
学　校: 西北工业大学
专　业: 传感技术与自动化装置
关键词: SAW加速度传感器动态特性探测和检测浮动零点 SAW滤波器 SAW陀螺效应压电-声光效应
分类号: TN65
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

惯性传感器的品性是保证自主性惯性导航系统性能的重要因素。作为一种灵敏度极高的传感器，深入研究声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）惯性器件的传感机理及其检测技术，不仅具有理论意义，而且具有工程实用价值。该论文开展并取得的研究成果有两个方面。一个在悬臂梁式SAW加速度传感器方面；另一个在SAW陀螺效应的探测理论和检测技术研究方面。SAW加速度传感器方面扼要地介绍了声表面波理论、声表面波叉指换能器（IDT）、声表面波谐振器（SAWR）、声表面波振荡器（SAWO）、声表面波滤波器（SAWF）工作原理以及SAW加速度传感器原理之后，分析了现有悬臂梁式SAW加速度传感器存在的一些主要问题，并研究了针对它们的实际解决方案和工程设计原则。论文在悬臂梁式SAW加速度传感器研究方面取得的具体成果有：1．完成石英悬臂梁SAW加速度计的系统设计，提高了SAW加速度传感器测量过程的敏感性、准确性及其工作性能；2．利用浮动零点思想，不仅进一步抑制了温度等干扰因素对加速度计的影响，而且降低了其加工制作的难度；3．研究了阶跃加速度惯性力激励下，悬臂梁式SAW加速度计差频输出的动态响应特征。改变了目前SAW加速度传感器理论研究中缺乏动荷载激励研究的现状，丰富了悬臂梁式SAW加速度传感器的研究理论；4．用SAW滤波器为SAW加速度计增添了加速度方向判断功能，为其利用电容器静电力保护悬臂梁和实时调整量程奠定了基础；5．研究了阶跃加速度的测量技术和测量方案，改进了现有悬臂梁式SAW加速度计的工作性能，设计出了可根据被测加速度大小实时调整量程的SAW加速度计。SAW陀螺效应检测技术研究方面根据固体波动理论，论证了SAW陀螺效应的存在性。鉴于国外SAW陀螺仪的研究现状、光学测量高精度的特点和近代声光物理学的成就，提出了利用声光互作用布拉格衍射现象，探测和检测SAW陀螺效应的技术思想。SAW声光陀螺的基本思想是通过声光相互作用，让光把寄载着陀螺效应的SAW信息从SAW介质（同时也是声光介质）中携带出来，通过布拉格声光测量技术达到推测声光介质旋转角速度大小的目的。论文扼要介绍了声光布拉格衍射物理效应。基于超声波能够调制衍射光出射角度的声光物理理论，从检测工程角度研究了SAW陀螺效应的声光探测和检测方案。在SAW陀螺效应声光检测技术方面所做的具体工作及取得的研究成果有：1．论证了SAW陀螺效应声光检测方案的可行性；分析了SAW陀螺效应的探测原理及基本测量公式，讨论了SAW陀螺效应声光检测系统的设计准则；2．研究了铌酸锂（LiNbO₃）晶体的声光性质，分析了在LiNbO₃上实现SAW陀螺效应声光检测的可行性；3．提出了检测SAW陀螺效应布拉格衍射光微小角度及其变化的CCD检测方案。讨论了CCD分辨率对整个测量系统微小角度分辨能力的影响，简要分析了CCD测量系统的敏感度、灵敏度和微小角度的光学显微放大技术。4．指出了SAW陀螺效应声光检测技术今后的主要研究方向。总之，SAW介质旋转角速度对SAW波速的调制作用（即SAW陀螺效应）表现为其对布拉格衍射角的调制作用。然而，理论计算表明声光布拉格衍射光的偏转角度及其变化量很小（弧秒级），所以能否实现对该微小角度及其变化量的准确测量关系到SAW陀螺效应声光探测和检测方案的成败。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-15
  1.1 声学的开创与声表面波的发现  11
  1.2 叉指换能器与现代声学技术  11-12
  1.3 声表面波传感技术的特点  12-13
  1.4 声表面波加速度传感器  13
  1.5 声表面波角速度传感器  13-14
  1.6 本论文的主要任务  14-15
第二章声表面波基本理论  15-30
  2.1 固体的弹性形变  15-17
  2.2 无穷大介质弹性波方程  17-19
  2.3 介质中的弹性表面波  19-22
  2.4 各向异性压电介质中的声表面波  22-27
  2.5 压电基片上的金属栅  27-29
  2.6 本章小结  29-30
第三章声表面波滤波器  30-43
  3.1 声表面波叉指换能器概述  30-31
  3.2 声表面波叉指换能器模型  31-38
  3.3 叉指换能器加权方式  38-39
  3.4 声表面波带通滤波器  39-42
  3.5 本章小结  42-43
第四章声表面波谐振器和振荡器  43-54
  4.1 周期性栅阵中的波反射  43-46
  4.2 谐振腔型声表面波谐振器  46-49
  4.3 声表面器件制造技术  49-50
  4.4 声表面波振荡器电路  50-53
  4.5 本章小结  53-54
第五章石英晶体悬臂梁的物理和力学性能  54-72
  5.1 晶体的物理特性  54-57
  5.2 石英的主要物理特性  57-59
  5.3 石英晶体悬臂梁的机电特性  59-62
  5.4 石英晶体梁压电耦合的负面影响及负面效应的消除  62-64
  5.5 石英晶体悬臂梁的能量分析方法  64-69
  5.6 石英梁微系统的MEMS制造技术  69-70
  5.7 本章小结  70-72
第六章悬臂梁式声表面波加速度传感器  72-102
  6.1 研究现状和任务  72
  6.2 加速度传感器概述  72-74
  6.3 悬臂梁的应力分析和传感原理  74-79
  6.4 加速度传感器悬臂梁的几何尺寸设计  79-80
  6.5 悬臂梁式SAW加速度计的信号特征及测量方案  80-85
  6.6 介质阻尼对悬臂梁微机械系统的影响  85-86
  6.7 悬臂梁式SAW加速度计系统设计  86-94
  6.8 SAW加速度计的测量准确度  94-96
  6.9 加速度计的计量标定  96-97
  6.10 用浮动零点法消除温度对SAW加速度计测量准确度的影响  97-100
  6.11 本章小结  100-102
第七章悬臂梁式SAW加速度传感器信号处理技术  102-108
  7.1 悬臂梁式SAW加速度传感器的信号系统  102-103
  7.2 混(变)频器及其性能指标  103-105
  7.3 SAW差频信号的获取  105-107
  7.4 本章小结  107-108
第八章声表面波陀螺效应理论研究  108-130
  8.1 哥氏(Coriolis)定理与哥氏加速度  108-112
  8.2 非压电介质SAW陀螺效应理论分析  112-121
  8.3 压电介质SAW陀螺效应理论分析1  121-128
  8.4 本章小结  128-130
第九章 SAW陀螺效应的声光探测、检测技术  130-147
  9.1 声光探测技术的基本理论1  130-135
  9.2 SAW陀螺效应声光探测技术研究  135-140
  9.3 SAW陀螺效应CCD检测技术研究  140-146
  9.4 本章小结  146-147
第十章总结  147-150
  10.1 完成的主要工作及其创新点  147-148
  10.2 今后工作展望  148
  10.3 结束语  148-150
参考文献  150-160
攻读博士学位期间发表的论文及教学科研情况  160-162
致谢  162-163
附录 A. SAW带通滤波器的数字设计与软件实现  163-171
  A.1 FIR设计方法简介  163-164
  A.2 SAW滤波器设计的Chebyshev-Remez算法  164-166
  A.3 利用Matlab进行FIR滤波器设计  166-167
  A.4 SAW滤波器Matlab仿真设计  167-171
附录 B.悬臂梁的分析方法  171-175
  B.1 卡斯提里阿诺定理及结构的势能分析方法  171-172
  B.2 非棱柱悬臂梁和非线性悬臂梁的瑞利-里兹分析方法  172-175
附录 C.混频与滤波技术  175-185
  C.1 混(变)频原理简介  175-180
  C.2 混频信号的滤波技术  180-185

声表面波惯性器件传感检测技术研究

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