基于加速度响应的轨道监测研究

MEMS加速度传感器的研究报告

MEMS加速度传感器的研究 摘要：微传感器因其尺寸微小，测量准确度和灵敏度高而广泛应用于工程、医学、生物等各个领域。本次报告中，我们将对MEMS技术在惯性传感器件应用——加速度传感器作为讨论学习的主要内容。本报告选取电容式加速度传感器为例，分别从原理、工艺、检测电路、应用等几个方面展开说明，涉及MEMS电容式加速度传感器的各个方面，较为全面。很多都是自己的理解，因此也易于接受。 关键词：MEMS 加速度传感器检测电路 0 引言 随着微机械系统和微加工技术的发展，微型传感器也随之迅速发展。惯性系统已广泛用于航天、航空、航海和许多民用领域，成为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备，能够提供比较精确的姿态与多种导航信息。我们利用惯性敏感元件和初始位置就可以确定载体的动态位置、姿态和速度。而加速度计作为惯性系统的一个核心敏感器件，虽然较陀螺仪发明较晚，但是发展速度很快。各个较大的半导体公司如MOTOROLA和Analog Devices Inc. 等都在MEMS加速度计的研发生产中取得了很大的成就。因此，此次对于MEMS加速度传感器的研究对于了解专业发展前沿和激发自己的学习兴趣都有很大的帮助。 根据原理不同，MEMS加速度传感器可以分为压阻式、压电式、电容式、谐振式和隧穿式等几大类，为了突出重点，对MENS传感器的原理、工艺及应用有个全面的了解，我们在此选择了其中的一种——电容式加速度传感器做深入研究。 1 电容式加速度传感器的原理 1.1 基本原理 电容式传感器是电容值随环境参数变化而发生改变的传感器。根据平板电容器的表达式C=εS/d可知，S和d的变化都会导致电容的变化，因此电容式加速度计的测量原理又可分为变面积式和变间距式，由于变间距式在制造工艺上的优越性，因此当今大部分电容式加速度计都是采用变间距来改变电容进而来测量加速度。电容式加速度传感器的结构示意如图1 所示。

实验：探究加速度与力、质量的关系练习题

实验：探究加速度与力、质量的关系练习题 1. 某组同学利用如图(1)所示的简易装置，探究了加速度与力和质量的关系。试说明他们的实验方法及实验步骤。 图(1) 图(2) 2．关于由小车实验得出牛顿第二定律F ＝ma 的下列说法中，符合实际的是（ ） A 、同时改变小车的质量M 及受到的拉力F ，得出加速度、力、质量三者间的关系 B 、保持小车的质量不变，只改变小车拉力，就得出加速度、力、质量三者的关系 C 、保持小车的受力不变，只改变小车质量,就得出加速度、力、质量三者间的关系 D 、保持小车质量不变，研究加速度与力的关系；再保持力不变，研究加速度与质量的关系；最后得到加速度、力、质量三者间的关系 3.质量为m 的物体放在A 地的水平面上，用竖直向上的力F 拉物体，物体的加速度a 与拉力F 的关系如图线①所示，质量为m ′的另一物体在B 地做类似实验，测得a －F 关系如图线②所示，设两地的重力加速度分别为g 和g ′，则 A.m ′＞m ，g ′=g B.m ′＜m ，g ′=g C.m ′=m ，g ′＞g D.m ′=m ，g ′＜g 答案： 1. 在本次探究中其实也可以不测量加速度的具体数值，这是因为我们探究的是加速度与其他量之间的比例关系。因此，测量不同情况下（即不同受力时、不同质量时）物体加速度的比值就可以了。 由于，2 2x a t =，如果测出两个初速度为0的匀加速度运动在相同时间内发生的位移x 1、x 2，位移之比就是加速度之比，即 1122a x a x = 。如果我们能控制物体的运动时间相同，找出相

同时间内的位移，便可用位移代替加速度进行实验。 2. D 3.分析：该题要求学生利用牛顿第二定律培养借助数学图像分析问题的能力。 在A 地，由牛顿第二定律：F-mg=ma 有a= m F -g=m 1F-g 同理：在B 地 a=m ' 1F-g ′ 这是一个a 关于F 的函数 m 1 (或m ' 1)表示斜率，-g(或-g ′)表示截距 由图线可知 m 1＜m '1g=g ′故m ＞m ′,g=g ′选 项B 正确

有关功率谱分析的相关总结

有关功率谱分析的相关总结 谱是个很不严格的东西，常常指信号的Fourier变换，是一个时间平均（time average）概念功率谱的概念是针对功率有限信号的(能量有限信号可用能量谱分析，能量有限的信号通常为能量信号，他们的傅里叶变换是收敛的)，所表现的是单位频带内信号功率随频率的变换情况。保留频谱的幅度信息，但是丢掉了相位信息，所以频谱不同的信号其功率谱是可能相同的。有两个重要区别：1。功率谱是随机过程的统计平均概念，平稳随机过程的功率谱是一个确定函数；而频谱是随机过程样本的Fourier变换，对于一个随机过程而言，频谱也是一个“随机过程”。（随机过程有频谱吗？）（随机的频域序列）2。功率概念和幅度概念的差别。此外，只能对宽平稳的各态历经的二阶矩过程谈功率谱，其存在性取决于二阶矩是否存在并且二阶矩的Fourier变换收敛；而频谱的存在性仅仅取决于该随机过程的该样本的Fourier变换是否收敛。 频谱和功率谱的区别在于： （1）信号通常分为两类：能量信号和功率信号； （2）一般来讲，能量信号其傅氏变换收敛（即存在），而功率信号傅氏变换通常不收敛，当然，若信号存在周期性，可引入特殊数学函数（Delta）表征傅氏变换的这种非收敛性；（3）信号是信息的搭载工具，而信息与随机性紧密相关，所以实际信号多为随机信号，这类信号的特点是状态随机性随时间无限延伸，能量无限。换句话说，随机信号大多属于功率信号而非能量信号，它并不存在傅氏变换，亦即不存在频谱； （4）若撇开搭载信息的有用与否，随机信号又称随机过程，很多噪声属于特殊的随机过程，它们的某些统计特性具有平稳性，其均值和自相关函数具有平稳性。对于这样的随机过程，自相关函数蜕化为一维确定函数，前人证明该确定相关函数存在傅氏变换； （5）能量信号频谱通常既含有幅度也含有相位信息；幅度谱的平方（二次量纲）又叫能量谱，它描述了信号能量的频域分布；功率信号的功率谱描述了信号功率随频率的分布特点，也已证明，信号功率谱恰好是其自相关函数的傅氏变换； （6）实际中我们获得的往往仅仅是信号的一段支撑，此时即使信号为功率信号，截断之后其傅氏变换收敛，但此变换结果严格来讲不属于任何“谱”； （7）对于（6）中所述变换若取其幅度平方，可作为信号功率谱的近似，是为经典的“周期图法”； （8）FFT是DFT的快速实现，DFT是DTFT的频域采样，DTFT是FT的频域延拓。人们不得已才利用DFT近似完成本属于FT的任务。若仅提FFT，是非常不专业的。 功率谱是个什么概念？它有单位吗? 随机信号是时域无限信号，不具备可积分条件，因此不能直接进行傅氏变换。一般用具有统计特性的功率谱来作为谱分析的依据。功率谱与自相关函数是一个傅氏变换对。功率谱具有单位频率的平均功率量纲。所以标准叫法是功率谱密度。通过功率谱密度函数，可以看出随机信号的能量随着频率的分布情况。像白噪声就是平行于w轴，在w轴上方的一条直线。功率谱密度，从名字分解来看就是说，观察对象是功率，观察域是谱域，通常指频域，密度，就是指观察对象在观察域上的分布情况。一般我们讲的功率谱密度都是针对平稳随机过程的，由于平稳随机过程的样本函数一般不是绝对可积的，因此不能直接对它进行傅立叶分析。可以有三种办法来重新定义谱密度，来克服上述困难。 一是用相关函数的傅立叶变换来定义谱密度；二是用随机过程的有限时间傅立叶变换来定义

无线加速度传感器文献综述

无线加速度传感器文献综述 一、研究现状 无线加速度传感器是传感器技术、MEMS技术、微处理器和无线通信技术相结合的产物，由加速度传感器、微处理器、射频收发芯片及电源构成。目前，国内外无线加速度传感器，包括其他类型的无线传感器，按体系结构可分为三大类: (1)COTS( Commercial Off The Shelf)节点，该类节点中的传感器、微处理器、通信模块等使用的都是现成的商用产品。典型代表有美国伯克利大学加州分校（UCB）的MICATelos节点，欧洲传感器研究项目小组开发的EyesIFX节点，中科院研究的GAIN系列也属于该类节点。这种节点除了无线传感器的共同特点外还具有低成本、短周期、技术门槛相对较低等优势，被各高校和研究机构广泛采纳，所以该类型的节点是最多的。 (2)SOC(System On Chip)节点，该类节点只使用一个芯片，就可实现节点的数据采集、控制和通信功能。SOC节点通常都为特定的应用而开发，由于需要芯片设计能力，因此开发门槛较高，成果相对较少。典型代表有Rockwell科学实验室的WINS节点、麻省理工开发的uAMPS-III等。 (3)Smart Dust节点，又称微型节点或尘埃节点。该类节点使用了业界最尖端的技术，体积只有几个平方毫米，通常为军事应用而开发，微型节点的代表为Smart Dust节点和SPEC节点，都由UCB研制。内嵌微处理器是无线加速度传感相比于传统传感器的又一特点，微处理器负责控制传感器进行数据的采集、处理和收发。 二、无线加速度传感器的工作原理 无线加速度传感器实际上就是将以加速度传感器为核心的数据采集模块、微处理器为核心的数据预处理模块、射频芯片为核心的无线传输模块，以及以微电池能量模块集成并封装在一个外壳内的系统。无线加速度传感器工作时，加速度传感器检测加速度信号（模拟信号），然后送入A/D转换器使其转换为数字信号，在作A/D转换之前，一般会设置信号调理电路，用来放大和滤波（如对建筑结构的检测，由于大跨度桥梁等大型建筑结构的自振频率较低,而桥面振动、桥梁负荷冲击等对振动信号的影响又相对较大,因此,在A/D采样之前需对模拟信号作抗混滤波处理,以滤除或降低高频干扰）。A/D的输出传送给微处理器进行预处理并存储数据，得到的预处理加速度数据将送给无线收发模块进行无线传输。最后，接受装置接收并数据传输给PC机作进一步的分析处理与显示。典型的无线加速度传感器节点结构由以下几个部分组成： (1)数据采集模块：用于对检测区域进行数据采集与信号调理。 (2)数据处理模块：微处理器对整个传感器节点的操作进行控制，对数据进行预处理并存储。 (3)无线传输模块：以射频芯片为核心，根据IEEE802.15.4协议进行无线通信，传输控制信息并首发数据信息。 (4)能量模块：为另三大模块提供电源，一般为微电池 三、无线加速度传感器存在的问题

知识讲解实验探究加速度与力质量的关系

实验：探究加速度、力、质量之间的关系 【学习目标】 1．掌握在研究三个物理量之间关系时，常用的控制变量法 2．理解物体的加速度大小与力有关，也与质量有关 3．通过实验探究加速度与力和质量的定量关系 4．根据原理去设计实验，处理实验数据，得出结论 5．会分析数据表格，利用图象寻求物理规律 【要点梳理】 要点一、怎样测量（或比较）物体的加速度 1．物体做初速为0的匀加速直线运动，测量物体加速度最直接的办法就是用刻度尺测量位移并用秒表测量时间，由公式22xat?算出加速度。 2．可以在运动物体上连一条纸带，通过打点计时器打点来测量加速度。 3．也可以不测加速度的具体数值，而测不同情况下（即不同受力时、不同质量时）物体加速度的比值。根据22xat?，测出两初速度为0的匀加速运动在相同时间内发生的位移x1、x2，位移比就是加速度之比，即1122axax?。 要点二、怎样提供和测量物体所受的恒力 在现实中，仅受一个力的情况几乎是不存在的。一个单独的力的作用效果与跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的，因此，在实验中我们只要测出物体所受的合力即可。如何为运动的物体提供一个恒定的合力？又如何测出这个合力呢？ 可以在绳的一端挂钩码，另一端跨过定滑轮拉物体，使物体做匀加速运动的力就是物体的合力，这个合力等于钩码的重力。通过测量钩码的重力就可测得物体所受的合力。 要点三、平衡摩擦力 依据上面的方案中做匀变速运动的物体，受的合力并不等于钩码的重力。这是由于物体在相对运动，还要受到滑动摩擦力。 如何减小滑动摩擦力，使我们所测得的钩码重力尽可能接近于物体所受的合力？ ①使用光滑的木板； ②平衡滑动摩擦力。将木板一端垫高，让物体从木板上匀速滑下，此时物体的重力分力就等于物体所受的摩擦力。 ③平衡摩擦力后，当小车的质量发生改变时，不用再平衡摩擦力。这是由于sincosmgmg????，等式的两边质量可以抵消，即与物体的质量大小没有关系。 要点四、如何处理实验数据 本实验的数据处理可以采用计算法和图象法两种不同的方法： 1．计算法 测得加速度或加速度之比（等于位移之比）后，通过计算看看是否满足 2121FFaa?、1221mmaa? 2．图象法 测得加速度后，用拉力F为横坐标，加速度a为纵坐标，描绘a—F图象，看看图象是

探究加速度与力、质量的关系(实验表、习题)

高一物理【4.2实验：加速度与力、质量的关系】 【学习目标】 1．能独立设计探究加速度、质量、力三者关系的探究方案。 2．会测量加速度、力、质量；并能作出表示加速度与力、加速度与质量的关系的图象；能根据图象写出加速度与力、质量的关系式。 3．体会探究过程中所用的科学方法——控制变量法；学习科学家的严谨态度。 【重点难点】 1.体验实验探究过程：明确实验目的、分析实验思路、制定实验方案、得出实验结论. 2.初步认识数据处理时变换坐标轴的技巧. 3.初步了解将“不易测量的物理量转化为可测物理量”的实验方法. 4.会对实验误差作初步分析. 预习案 【知识梳理】 1.探究加速度与力、质量的关系 （1）物体运动状态变化的快慢，也就是物体____________的大小，与物体的____________有关，还与物体____________有关. （2）物体的质量一定时，受力越大，其加速度就____________；物体的受力一定时，质量越小，加速度就____________. （3）控制变量法：探究加速度与力的定量关系时，应保持物体____________不变，测量物体在____________的加速度，分析加速度与力的关系；探究加速度与质量的关系时，应保持物体__________不变，测量不同质量的物体在____________下的加速度，分析加速度与质量的关系。这种先控制一个参量不变，研究其余参量之间变化关系的方法叫控制变量法。2.制定实验方案时的两个问题 （1）测量物体的加速度可以用刻度尺测量____________，并用秒表测量____________，由公式____________算出.也可以在运动物体上安装一条通过打点计时器的纸带，根据____________来测量加速度. （2）在这个实验中也可以不测加速度的具体数值，这是因为我们探究的是____________关系. 3．在本探究实验中，我们猜想物体的加速度与它所受的力成________，与质量成

频谱与功率谱的概念-FFT与相关系数的C++代码

频谱和功率谱有什么区别与联系 谱是个很不严格的东西，常常指信号的Fourier变换，是一个时间平均（time average）概念功率谱的概念是针对功率有限信号的(能量有限信号可用能量谱分析)，所表现的是单位频带内信号功率随频率的变换情况。保留频谱的幅度信息，但是丢掉了相位信息，所以频谱不同的信号其功率谱是可能相同的。有两个重要区别： 1.功率谱是随机过程的统计平均概念，平稳随机过程的功率谱是一个确定函数；而频谱是随机过程样本的Fourier 变换，对于一个随机过程而言，频谱也是一个“随机过程”。（随机的频域序列） 2.功率概念和幅度概念的差别。此外，只能对宽平稳的各态历经的二阶矩过程谈功率谱，其存在性取决于二阶局是否存在并且二阶矩的Fourier变换收敛；而频谱的存在性仅仅取决于该随机过程的该样本的Fourier变换是否收敛。 频谱分析（也称频率分析），是对动态信号在频率域内进行分析，分析的结果是以频率为坐标的各种物理量的谱线和曲线，可得到各种幅值以频率为变量的频谱函数F(ω)。频谱分析中可求得幅值谱、相位谱、功率谱和各种谱密度等等。频谱分析过程较为复杂，它是以傅里叶级数和傅里叶积分为基础的。 功率谱 功率谱是个什么概念？它有单位吗? 随机信号是时域无限信号，不具备可积分条件，因此不能直接进行傅氏变换。一般用具有统计特性的功率谱来作为谱分析的依据。功率谱与自相关函数是一个傅氏变换对。功率谱具有单位频率的平均功率量纲。所以标准叫法是功率谱密度。通过功率谱密度函数，可以看出随机信号的能量随着频率的分布情况。像白噪声就是平行于w轴，在w 轴上方的一条直线。 功率谱密度，从名字分解来看就是说，观察对象是功率，观察域是谱域，通常指频域，密度，就是指观察对象在观察域上的分布情况。一般我们讲的功率谱密度都是针对平稳随机过程的，由于平稳随机过程的样本函数一般不是绝对可积的，因此不能直接对它进行傅立叶分析。 可以有三种办法来重新定义谱密度，来克服上述困难。一是用相关函数的傅立叶变换来定义谱密度；二是用随机过程的有限时间傅立叶变换来定义谱密度；三是用平稳随机过程的谱分解来定义谱密度。三种定义方式对应于不同的用处，首先第一种方式前提是平稳随机过程不包含周期分量并且均值为零，这样才能保证相关函数在时差趋向于无穷时衰减，所以lonelystar说的不全对，光靠相关函数解决不了许多问题，要求太严格了；对于第二种方式，虽然一个平稳随机过程在无限时间上不能进行傅立叶变换，但是对于有限区间，傅立叶变换总是存在的，可以先架构有限时间区间上的变换，在对时间区间取极限，这个定义方式就是当前快速傅立叶变换（FFT）估计谱密度的依据；第三种方式是根据维纳的广义谐和分析理论：Generalized harmonic analysis, Acta Math, 55(1930), 117-258,利用傅立叶-斯蒂吉斯积分，对均方连续的零均值平稳随机过程进行重构，在依靠正交性来建立的。 另外，对于非平稳随机过程，也有三种谱密度建立方法，由于字数限制，功率谱密度的单位是G的平方/频率。就是就是函数幅值的均方根值与频率之比。是对随机振动进行分析的重要参数。 功率谱密度的国际单位是什么? 如果是加速度功率谱密度，加速度的单位是m/s^2, 那么，加速度功率谱密度的单位就是(m/s^2)^2/Hz, 而Hz的单位是1/s,经过换算得到加速度功率谱密度的单位是m^2/s^3. 同理，如果是位移功率谱密度，它的单位就是m^2*s, 如果是弯矩功率谱密度，单位就是(N*m)^2*s 位移功率谱——m^2*s 速度功率谱——m^2/s 加速度功率谱——m^2/s^3

探究加速度与力、质量的关系_实验报告

实验：探究加速度与力、质量的关系 [实验目的] 通过实验探究物体的加速度与它所受的合力、质量的定量关系 [实验原理] 1、控制变量法： ⑴保持m一定时，改变物体受力Ｆ测出加速度ａ，用图像法研究ａ与Ｆ关系 ⑵保持Ｆ一定时，改变物体质量m测出加速度ａ，用图像法研究ａ与m关系 2、物理量的测量： （1）小车质量的测量：天平 （2）合外力的测量：小车受四个力，重力、支持力、摩擦力、绳子的拉力。重力和支持力相互抵消，物体的合外力就等于绳子的拉力减去摩擦力。小车所受的合外力不是钩码的重力。为使合外力等于钩码的重力，必须： ①平衡摩擦力：平衡摩擦力时不要挂小桶，应连着纸带且通过打点记时器的限位孔， ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．将长木板倾斜一定角度，此时物体在斜面上受到的合外力为0。做实验时肯定无法这么准确，我们只要把木板倾斜到物体在斜面上大致能够匀速下滑（可以根据纸带上的点来判断），这就说明此时物体合外力为0，摩擦力被重力的沿斜面向下的分力（下滑力）给抵消了。由于小车的重力G、支持力N、摩擦力f相互抵消，那小车实验中受到的合外力就是绳子的拉力了。点拨：整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变托盘和砝码的质量，还是改变小车及砝码的质量，都不需要重新平衡摩擦力. ②绳子的拉力不等于沙和小桶的重力：砂和小桶的总质量远小于小车的总质量 ．．．． ．．．．．．．绳子的拉 ．．．．．．．．．．．．．．．．．时，可近似认为 /g=(m+ m/)a,F=ma,得F=m m/g/(m+ m/);理论上F= m/g，只有当m/＜力等于 ．．．沙和小桶的重力。 ．．．．．．．．推导：实际上m ＜m时，才能认为绳子的拉力不等于沙和小桶的重力。点拨：平衡摩擦力后， 每次实验必须在满足小车和所加砝码的总质量远大于砝码和托盘的总质量的 条件下进行.只有如此，砝码和托盘的总重力才可视为与小车受到的拉力相等. 在画图像时，随着勾码重量的增加或者小车质量的倒数增加时，实际描绘的 图线与理论图线不重合，会向下弯折。 （3）加速度的测量： ①若v0 = 0 ，由x = v0 t + a t2 /2 得：a = 2 x / t2 , 刻度尺测量x，秒表测量t ②根据纸带上打出的点来测量加速度，由逐差法求加速度。 ③可以只测量加速度的比值a1/a2 = x1/x2 ，探究a1/a2 = F1/F2，a1/a2 = m2/m1. [实验器材] 一端附有滑轮的长木板、小车、细线和小桶、天平、砝码、钩码（或槽码）、打点计时器、学生电源、纸带、刻度尺 [实验步骤] ⑴用天平测出小车和小桶的质量m 和m/把数值记录下来。 ⑵按下图实验装置把实验器材安装好，使长木板有滑轮的一端伸出桌面 ⑶在长木板不带定滑轮的一端下面垫一小木块，通过前后移动，来平衡小车的摩擦力 ⑷把细线系在小车上并跨过定滑轮，此时要调节 ．．．．．．．．．．．．．．。 ．．．定滑轮的高度使细线与木板平行 ⑸将小车放于靠近打点记时器处，在小桶内放上砝码(5g)，接通电源，放开小车得到一打好点的纸带（注

探究加速度与力、质量之间的关系

《实验：探究加速度与力、质量的关系》教学设计 一、教学内容分析 1．内容与地位 普通高中课程标准试验教科书，物理1必修模块第四章《牛顿运动定律》的第二节《实验：探究加速度与力、质量的关系》 《实验：探究加速度与力、质量的关系》是学习牛顿第二定律的基础，是本章的重点内容，它阐明了物体的加速度跟力和质量间的定量关系，是在实验基础上建立起来的重要规律，在理论与实际问题中都有广泛的运用． 2．教学重点、难点 ①教学重点：引导学生探究加速度与力和质量的关系的过程 ②教学难点：通过实验数据画出图像，根据图像导出加速度与力、质量的关系式 3．教学目标 ①知识目标： 1）经历探究加速度与力和质量的关系的过程，得出加速度与力和质量的关系 ②能力目标 1）培养观察能力、质疑能力、分析解决问题的能力和交流合作能力． 2）了解控制变量法、图像法等科学研究方法的应用． ③情感态度价值观 让学生亲身感受物理的科学探究活动，学习探索物理世界的方法和策略，培养学生的思维。 二、教法和学法设计的中心思想 探究性学习是新一轮课程改革中物理课程标准里提出的重要课程理念，其宗旨是改变学生的学习方式，突出学生的主体地位，物理教师不但应该接受这一理念，而且必须将这一理念体现到教学行为中去。对学生而言，学习也是一种经历，其中少不了学生自己的亲身体验，老师不能包办代替。物理教学要重视科学探究的过程，要从重视和设计学生体验学习入手，让学生置身于一定的情景，去经历、感受。 探究式教学是美国教育学家布鲁纳在借鉴了杜威的学习程序理论的基础上首先提出的，主要可分为两类：①引导发现式：创设情景——观察探究——推理证明——总结练习；②探究训练式：遇到问题——搜集资料和建立假说——用事实和逻辑论证——形成探究能力。经教学实践，形成以“引导——探究式”为主要框架，比较适合国内的实用教学模式。他是以解决问题为中心，注重学生独立钻研，着眼于思维和创造性的培养，充分发挥学生的主动性，仿造科学家探求未知领域知识的途径，通过发现问题、提出问题、分析问题、创造性地解决问题等去掌握知识，培养创造力和创造精神。 三、教学媒体 小车、细线、钩码、带滑轮的长木板、气垫导轨、气源、两个光电开关和与之配套的数字计时器、滑块、金属片、黄沙、小桶、托盘天平、打点计时器、纸带、坐标纸、刻度尺四、案例设计 （一）复习导入 教师：什么是物体运动状态的改变?物体运动状态发生变化的原因是什么? 学生：物体运动状态的改变就是指物体速度发生了改变，力是使物体运动状态发生变化的原因． 教师：物体运动状态的改变，也就是指物体产生了加速度．加速度大，物体运动状态变化快；

微加速度传感器的研究现状及发展趋势

微加速度传感器的研究现状及发展趋势 摘要：介绍了为加速度传感器的研究现状、基本原理及其分类和发展趋势。重点论述了为加速度传感器的特点和它在民用领域和军用领域的不同应用，并对微加速度传感器领域内一些新的进展进行了讨论，指出了微加速度传感器的发展趋势。 关键词：MEMS 微加速度传感器 应用 发展趋势 Research and Development of Microaccelerometer Abstract：The research situation, the basic principle,classification and its development trend of acceleration sensor are introduced.The characteristics and application in civil areas and military field are discussesed, and some new progress to the micro acceleration sensor field are discussed.The development trend of micro acceleration sensor is proposed. Keywords：MEMS Micro acceleration sensor Applications Development trend 0前言 20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。 加速度计面世后一直作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起受到重视。这时候的加速度计整个都很昂贵，使其他领域对它很少问津。 这种状况直到微机械加速度计(Micro Mechanical Accelerometer，MMA)的问世才发生了改变。随着微机电系统技术的发展，微加速度计制作技术越来越成熟，国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点：体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。 当前国内在加速度技术上仍沿用传统的压电技术，精度停留在5×10-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影响我国惯导技术的先进性。近年来国内虽然有多个单位MEMS微加速度计进行了研究，但在精度上仍未取得突破，大体上只能达到10-1g的水平。 1微加速度传感器概述及发展现状 1.1微加速度传感器的工作原理 MEMS加速度传感器是以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础，在单晶硅片上制造出来的微机电系统，包括微机械加速度计、微机械陀螺仪和微惯性测量组合(MIMU)。微加速度传感器的工作原理是经典力学中的牛顿定律，其功能是测量运动物体(如车辆、飞机、导弹、舰艇、人造卫星等)的质心运动和姿态运动，进而可以对运动物体实现控制和导航。MEMS微加速度传感器与非MEMS为加速度传感器相比，其体积和价格可减少几个数量级，对国防具有重大战略意义。基于MEMS加速度传感器建低成本、高性能的微型惯性导航系统正在成为当前惯性技术领域的一个研究热点。

高中物理 人教版必修一 4.2实验：探究加速度与力、质量的关系 教学设计、教案

4.2实验：探究加速度与力、质量的关系 一、知识结构 二、教学目标 1.学会用控制变量法研究物理规律. 2.会测量加速度、力和质量，能做出物体运动的a-F、a-1m图象. 3.会通过实验探究加速度与力、质量的定量关系．. 三、新知全解 知识点控制变量法探究加速度a与力F、质量m的关系 1．实验原理： 2．实验器材：打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、夹子、细绳、低压交流电源(使用电火花打点计时器时不用低压交流电源)、导线、天平(带有一套砝码)、小盘、刻度尺． 控制变量法 当研究对象有两个以上的参量发生牵连变化时，我们设法控制某些参量使之不变，而研究其中两个参量之间的变化关系的方法叫控制变量法． 3．实验步骤： (1)称量质量：用天平测出小车和砝码的总质量m，小盘和砝码的总质量M.

(2)安装器材：按照如图把实验器材安装好，注意此时先不要把悬挂小盘的细绳系在车上，即不给小车加牵引力． (3)平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫一块木块，反复移动木块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态．这时，小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡． (4)操作： ①把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘，先接通电源再放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点，打完点后切断电源，取下纸带，在纸带上标上纸带号码． ②保持小车和砝码的质量m不变，在小盘里放入适量的砝码，把小盘和砝码的总质量M记录下来，重复步骤①. ③保持小盘和砝码的总质量M不变，改变小车和砝码的质量m，重复以上步骤． 待测物理量器材 小车与其上砝码的总质量m天平 小盘和盘内砝码的总质量M天平 小车的加速度a 打点计时器 4.数据处理： (1)把小车在不同力作用下产生的加速度填在表中： 实验序号物理量 12345 6 作用力F 加速度a 以a为纵坐标、F为横坐标，根据数据作a-F图象，用曲线拟合测量点，找出规律，分析a与F的关系． (2)把不同质量的小车(小车和钩码)在相同力的作用下产生的加速度填在表中： 实验序号12345 6

功率谱密度

振动台在使用中经常运用的公式 1、 求推力（F ）的公式 F=（m 0+m 1+m 2+ ……）A …………………………公式（1） 式中：F —推力（激振力）（N ） m 0—振动台运动部分有效质量（kg ） m 1—辅助台面质量（kg ） m 2—试件（包括夹具、安装螺钉）质量（kg ） A — 试验加速度（m/s 2） 2、 加速度（A ）、速度（V ）、位移（D ）三个振动参数的互换运算公式 2.1 A=ωv ……………………………………………………公式（2） 式中：A —试验加速度（m/s 2） V —试验速度（m/s ） ω=2πf （角速度） 其中f 为试验频率（Hz ） 2.2 V=ωD ×10-3 ………………………………………………公式（3） 式中：V 和ω与“2.1”中同义 D —位移（mm 0-p ）单峰值 2.3 A=ω2 D ×10-3 ………………………………………………公式（4） 式中：A 、D 和ω与“2.1”，“2.2”中同义 公式（4）亦可简化为： A= D f ?250 2 式中：A 和D 与“2.3”中同义，但A 的单位为g 1g=9.8m/s 2 所以： A ≈D f ?25 2 ,这时A 的单位为m/s 2 定振级扫频试验平滑交越点频率的计算公式 3.1 加速度与速度平滑交越点频率的计算公式 f A-V = V A 28.6 ………………………………………公式（5） 式中：f A-V —加速度与速度平滑交越点频率（Hz ）（A 和V 与前面同义）。

3.2 速度与位移平滑交越点频率的计算公式 D V f D V 28.6103?=- …………………………………公式（6） 式中：D V f -—加速度与速度平滑交越点频率（Hz ）（V 和D 与前面同义）。 3.3 加速度与位移平滑交越点频率的计算公式 f A-D =D A ??2 3 )2(10π ……………………………………公式（7） 式中：f A-D — 加速度与位移平滑交越点频率（Hz ），（A 和D 与前面同义）。 根据“3.3”，公式（7）亦可简化为： f A-D ≈5× D A A 的单位是m/s 2 4、 扫描时间和扫描速率的计算公式 4.1 线性扫描比较简单： S 1= 1 1 V f f H - ……………………………………公式（8） 式中： S1—扫描时间（s 或min ） f H -f L —扫描宽带，其中f H 为上限频率，f L 为下限频率（Hz ） V 1—扫描速率（Hz/min 或Hz/s ） 4.2 对数扫频： 4.2.1 倍频程的计算公式 n=2Lg f f Lg L H ……………………………………公式（9） 式中：n —倍频程（oct ） f H —上限频率（Hz ） f L —下限频率（Hz ） 4.2.2 扫描速率计算公式 R= T Lg f f Lg L H 2/ ……………………………公式（10） 式中：R —扫描速率（oct/min 或）

地震峰值加速度与烈度对照表

地震峰值加速度与烈度对照表 震反应 谱：在 给定的地震输入下，不同固有周期的地层或结构物将有不同的振动位移反应，这种反应的时程曲线是由多种频率成分组成的振动曲线，叫谱取对应于不同固有周期的位移时程曲线的最大值作为纵座标，取所对应的固有的周期为横座标，由此绘成曲线，供抗震设计中选用在设计周期下的相应振动幅值。 所谓地震反应谱，就是单自由度弹性系统对于某个实际地震加速度的最大反应（可以是加速度、速度和位移）和体系的自振特征（自振周期或频率和阻尼比）之间的函数关系。 由于地震的作用，建筑物产生位移、速度和加速度。人们把不同周期下建筑物反应值的大小画成曲线，这些曲线称为反应谱。 一般来说，随周期的延长，位移反应谱为上升的曲线；速度反应谱比较恒定；而加速度的反应谱则大体为下降的曲线。一般说来，设计的直接依据是加速度反应谱。加速度反应谱在周期很短时有一个上升段（高层建筑的基本自振周期一般不在这一区段），当建筑物周期与场地的特征周期接近时，出现峰值，随后逐渐下降。出现峰值时的周期与场地的类型有关：I类场地约为0．1～0．2s；Ⅱ类场地约为0．3～0．4s；Ⅲ类场地约为0．5～0．6s；Ⅳ类场地约为0．7～1．0s； 建筑物受到地震作用的大小并不是固定的，它取决于建筑物的自振周期和场地的特性。

一般来说，随建筑物周期延长，地震作用减小。 衡量地震作用强烈程度目前常用地面运动的最大加速度Amax作为标志，它就是建筑物抗震设计时的基础输人最大加速度，其单位为重力加速度g（9．81m/s)或Gal（gal＝10mm/s），大体上，7度相当于最大加速度为l00Gal，8度相当于200Gal，9度相当于400Gal。 在地震时，结构因振动面产生惯性力，使建筑物产生内力，振动建筑物会产生位移、速度和加速度。地震力大小与建筑物的质量与刚度有关。在同等的烈度和场地条件下，建筑物的重量越大，受到地震力也越大，因此减小结构自重不仅可以节省材料，而且有利于抗震。同样，结构刚度越大、周期越短，地震作用也大，因此，在满足位移限值的前提下，结构应有适宜的刚度。适当延长建筑物的周期，从而降低地震作用，这会取得很大的经济效益。 但是，从世界范围来说，地震预报仍处于探索阶段，尚未完全掌握地震孕育发震的规律，地震预报主要是根据多年积累的观测资料和震例而作出的经验性预报，因此，不可避免地带有很大局限性。目前的地震预报水平和现状，大体可这样概括：人们对地震孕育发生的原理、规律有所认识，但还没有完全认识；能够对某些类型的地震作出一定程度的预报，但还不能预报所有的地震；做出的较大时间尺度中长期预报有一定的可信度，但短临预报的成功率还相对较低，特别是临震预报。 地震动峰值加速度：与地震动加速度反应谱最大值相应的水平加速度。g：重力加速度，地震时地面运动的加速度。可以作为确定烈度的依据。在以烈度为基础作出抗震设防标准时,往往对相应的烈度给出相应的峰值加速度。

传感器技术发展现状及趋势

传感器技术发展现状及趋势 桂林航天工业学院 课程论文 题目：传感器技术发展现状及趋势 专业：工商企业管理（生产运作与质量管理） 姓名：罗并 学号：20190820Z00102 指导教师：陈少航 2019年 6月12日 传感器技术发展现状及趋势 在信息化社会，几乎没有任何一种科学技术的发展和应用能够离得开传感器和信号探 测技术的支持。生活在信息时代的人们，绝大部分的日常生活与信息资源的开发，采集， 传送和处理息息相关。分析当前信息与技术发展状态，21世纪的先进传感器必须具备小型化，智能化，多功能化和网络化等优良特征。 为了能够与信息时代信息量激增，要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋 势保持一致，对于传感器性能指标(包括精确性，可靠性，灵敏性等)的要求越来越严格； 与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标 准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被 各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小，重量轻，反应快，灵敏度高以及成本低等优点。 目前，几乎所有的传感器都在由传统的结构化生产设计向基于计算机辅助设计(CAD) 的模拟式工程化设计转变，从而使设计者们能够在较短的时间内设计出低成本，高性能的 新型系统，这种设计手段的巨大转变在很大程度上推动着传感器系统以更快的速度向着能 够满足科技发展需求的微型化的方向发展。 智能化传感器(Smart Sensor)是20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新 型传感器系统。此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重视，尤其在探测器应用 领域，如分布式实时探测，网络探测和多信号探测方面一直颇受欢迎，产生的影响较大。，智能化传感器具有以下优点: (1)智能化传感器不但能够对信息进行处理，分析和调节，能够对所测的数值及其误 差进行补偿，而且还能够进行逻辑思考和结论判断，能够借助于一览表对非线性信号进行

关于频谱分析和功率谱

频谱分析（也称频率分析），是对动态信号在频率域内进行分析，分析的结果是以频率为坐标的各种物理量的谱线和曲线，可得到各种幅值以频率为变量的频谱函数F(ω)。频谱分析中可求得幅值谱、相位谱、功率谱和各种谱密度等等。频谱分析过程较为复杂，它是以傅里叶级数和傅里叶积分为基础的。 功率谱 频谱和功率谱有什么区别与联系？ 谱是个很不严格的东西，常常指信号的Fourier变换， 是一个时间平均（time average）概念 功率谱的概念是针对功率有限信号的(能量有限信号可用能量谱分析)，所表现的是单位频带内信号功率随频率的变换情况。保留频谱的幅度信息，但是丢掉了相位信息，所以频谱不同的信号其功率谱是可能相同的。有两个重要区别： 1。功率谱是随机过程的统计平均概念，平稳随机过程的功率谱是一个确定函数；而频谱是随机过程样本的Fourier变换，对于一个随机过程而言，频谱也是一个“随机过程”。（随机的频域序列） 2。功率概念和幅度概念的差别。此外，只能对宽平稳的各态历经的二阶矩过程谈功率谱，其存在性取决于二阶局是否存在并且二阶矩的Fourier变换收敛；而频谱的存在性仅仅取决于该随机过程的该样本的Fourier变换是否收敛。 功率谱是个什么概念？它有单位吗? 随机信号是时域无限信号，不具备可积分条件，因此不能直接进行傅氏变换。一般用具有统计特性的功率谱来作为谱分析的依据。功率谱与自相关函数是一个傅氏变换对。功率谱具有单位频率的平均功率量纲。所以标准叫法是功率谱密度。通过功率谱密度函数，可以看出随机信号的能量随着频率的分布情况。像白噪声就是平行于w轴，在w轴上方的一条直线。 功率谱密度，从名字分解来看就是说，观察对象是功率，观察域是谱域，通常指频域，密度，就是指观察对象在观察域上的分布情况。一般我们讲的功率谱密度都是针对平稳随机过程的，由于平稳随机过程的样本函数一般不是绝对可积的，因此不能直接对它进行傅立叶分析。可以有三种办法来重新定义谱密度，来克服上述困难。 一是用相关函数的傅立叶变换来定义谱密度；二是用随机过程的有限时间傅立叶变换来定义谱密度；三是用平稳随机过程的谱分解来定义谱密度。三种定义方式对应于不同的用处，首先第一种方式前提是平稳随机过程不包含周期分量并且均值为零，这样才能保证相关函数在时差趋向于无穷时衰减，所以lonelystar说的不全对，光靠相关函数解决不了许多问题，要求太严格了；对于第二种方式，虽然一个平稳随机过程在无限时间上不能进行傅立叶变换，但是对于有限区间，傅立叶变换总是存在的，可以先架构有限时间区间上的变换，在对时间区间取极限，这个定义方式就是当前快速傅立叶变换（FFT）估计谱密度的依据；第三种方式是根据维纳的广义谐和分析理论：Generalized harmonic analysis, Acta Math, 55(1930),117-258,利用傅立叶-斯蒂吉斯积分，对均方连续的零均值平稳随机过程进行重构，在依靠正交性来建立的。 另外，对于非平稳随机过程，也有三种谱密度建立方法，由于字数限制，功率谱

航空新型传感器的发展现状分析

航空新型传感器的发展现状分析 微机电系统（Microelectro Mechanical Systems,MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。目前，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中微传感器占相当大的比例。微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的航空新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。本文概述国内外目前已实现的微机械传感器特别是微机械谐振式传感器的类型、工作原理、性 能和发展方向。 微机械压力传感器是最早开始研制的微机械产品，也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品。从信号检测方式来看，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。从敏感膜结构来看，有圆形、方形、矩形、E形等多种结构。目前，压阻式压力传感器的精度可达 0.05％～0.01％,年稳定性达0.1％/F.S,温度误差为0.0002％,耐压可达几百兆帕,过压保护范围可达传感器量程的20倍以上,并能进行大范围下的全温补偿[1]。现阶段微机械压力传感器的 主要发展方向有以下几个方面。 (1)将敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成，研制智能化 的压力传感器。 这一方面，Motorala公司的YoshiiY等人在Transducer'97上报道的单片集成智能压力传感器堪称典范[2]。这种传感器在1个 SOI晶片上集成了压阻式压力传感器、温度传感器、CMOS电路、电压电流调制、8位MCU内核（68H05）、10位模/数转换（A/D）器、8位数模转换（D/A）器，2K字节EPROM、128字节RAM，启动系统ROM和用于数据通信的外围电路接口，其输出特性可以由MCU的软件进行校准和补偿，在相当宽的温度 范围内具有极高的精度和良好的线性。 (2)进一步提高压力传感器的灵敏度，实现低量程的微压传感器[3]。 这种结构以Endevco公司在1977年提出的双岛结构为代表,它可以实现应力集中从而提高了压阻式压力传感器的灵敏度,可实现10kPa以下的微压传感器。1989年复旦大学提出1种梁膜结构来实现应力集中，其结构可看作1个正面的哑铃形梁叠加在平膜