新型傾角傳感器設(shè)計

1、新型傾角傳感器設(shè)計作者：張延豫 時振彬 李士光 陳明文來源：科技創(chuàng)新導(dǎo)報2013年第22期張延豫時振彬李士光陳明文(山東黃河工程集團(tuán)有限公司山東濟(jì)南250013)摘要：該文利用石英晶片的壓電特性，針對傳統(tǒng)傾角傳感器的缺點，提出了一種新型的傾 角傳感器設(shè)計方法。應(yīng)用本文提出的設(shè)計方法設(shè)計出的傳感器與其他傳感器相比具有體積小， 靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。同時對傳感器的原理，結(jié)構(gòu)，信號處理電路進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：石英晶片傾角傳感器MEMS加工技術(shù)中圖分類號：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X(2013)08(a)-0063-01傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測量，垂直測量。通過對

2、系統(tǒng)偏離水平位置的角度測量而 反映出被測量對象偏離平衡位置的程度，進(jìn)而給被測對象的制動控制提供控制信息，它廣泛應(yīng) 用于建筑機(jī)械，航天飛行器，機(jī)器人，車輪校直等領(lǐng)域。在傳統(tǒng)上，傾角傳感器的工作原理可 分為“固體擺”式，“液體擺”式和“氣體擺”式三種1。固體擺是利用擺錘的重力始終指 向大地的特性，當(dāng)被測對象與水平或垂直方向上有某一傾角時，擺錘的擺拉力線將與懸掛平面 的法線方向不重合，而有一角度偏移。該角度就是被測物體偏移水平或垂直位置的角度。液體 擺的原理是利用電極之間導(dǎo)電液的電阻變化來反映偏移角度的大小。氣體擺則利用氣體在受熱 時因受到浮升力作用，熱氣流總是力圖保持在鉛垂方向上，在熱氣流的上方放

3、置熱敏感元件一 一熱線，當(dāng)封閉氣體的腔體所在的平面相對水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時，熱線的阻 值發(fā)生變化，阻值變化的多少就反映出傾角的大小。從上面的各式傾角傳感器原理簡介可看出， 它們的結(jié)構(gòu)中都需要利用可運動的物體(擺錘、導(dǎo)電液、氣體)和空隙來實現(xiàn)檢測。因此，它 們在強(qiáng)振動沖擊或旋轉(zhuǎn)環(huán)境中，測量精度將受到很大的影響，甚至無法使用。針對這些缺點， 我們利用壓電晶片作為敏感元件設(shè)計出一式新型的傾角傳感器。1 原理與結(jié)構(gòu)由物理學(xué)已知，一些離子晶體電介質(zhì)如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等在機(jī)械壓力的作用下 會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，都具有壓電效應(yīng)，而且力一電之間呈線性關(guān)系。因此利用壓電材料這些性質(zhì)， 以它們作為

4、敏感元件可以將它們制成力敏傳感器，實現(xiàn)力一電轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計中，傳感器的敏 感元件用的是石英晶片，它具有以下優(yōu)點：壓電常數(shù)小，其時間、溫度穩(wěn)定性極好，常溫下 幾乎不變，在20200C范圍內(nèi)，它的溫度變化率僅為0.016%。它的機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因素高， 允許應(yīng)壓力高達(dá)16.89.87X107Pa,且剛度大，固有頻率高，動態(tài)特性好。居里點573C， 無熱釋電性，且絕緣性、重復(fù)性均好。當(dāng)被測量物體與地面垂直時，石英晶片在水平軸方向受 力為零，此時輸出也為零。2理論計算對于石英晶體，它有d11,d12,d14, d25,d26五個壓電常數(shù)存在，所以能將力轉(zhuǎn)換為電荷的 石英晶體變形有以下五種：厚度變形長度變

5、形面剪切變形厚度剪切變形彎曲變形。 若石英晶片采用圓形切片，并且在其圓周墊上剛性材料，則只需考慮它的厚度變形。在垂直于 石英晶片切面的機(jī)械力作用下，并在它的彈性限內(nèi)，厚度變形時產(chǎn)生的電荷為cr91再中.Fm為威尊：力&承M力胃上嚴(yán)史的研.禺酒族周為fl柯m2J-F?H tt il 3|wsrTTrJElbHWdi-a.iixiniA-12. IftA-tAW0 f e5x in* ,s玩丹氐X產(chǎn)生珂電祠EESl U IH Vltlnu脖豌晌醐恫帥椰6m川伽13信號處理由于電荷輸出較小且不直觀，故需要采用電荷放大器將其放大并轉(zhuǎn)換為電壓輸出，以便于 測量，電荷放大及轉(zhuǎn)換電路，見如圖1，其等效電路如

6、圖2所示。經(jīng)過等效電路分析可得到UohQ 兀M mfi：Uo=(213xi12岫g有F2伽gx儼信號處理電路如圖3所示。圖中AD544L電路用于電荷放大，uA776及其周圍電路用于增益放大調(diào)節(jié)，調(diào)零。另外一 路信號處理電路與此相同。4功能簡述與結(jié)論該傳感器充分利用石英晶片高靈敏度的特性，綜合現(xiàn)代MEMS加工技術(shù)，使得它具有高精確 度和穩(wěn)定性，并且具有體積小、重量輕、性能優(yōu)異及功能強(qiáng)大等優(yōu)點；由于質(zhì)量塊與石英晶片 之間無間隙，并采用高強(qiáng)度密封包裝技術(shù)，從而克服了以往傾角傳感器因慣性帶來的不利影響， 使得它能經(jīng)受住高頻率的振動，同時具有良好的動態(tài)響應(yīng)能力。它既能測量靜態(tài)傾角，由能測 量動態(tài)角度(如旋轉(zhuǎn)角度)；在測量位移的應(yīng)用中既能檢測到被測對象的翻滾，由能檢測仰角， 還能測量出傾角的方向；對比常規(guī)的電介質(zhì)、水銀、熱能等斜角測量儀精度更高，抗干擾能力 更強(qiáng)。參考文獻(xiàn)張維勝.傾角傳感器原理與發(fā)展J.傳感器世界,2002(8).慈勤蓬，楊鶴立.汽車四輪定位裝置及傾角傳感器的應(yīng)用J.傳感器世界