基于單慣性質(zhì)量塊的三維加速度傳感器的設計

基于單慣性質(zhì)量塊的三維加速度傳感器的設計

0加速度傳感器的發(fā)展作為描述物體運動狀態(tài)的重要量化，它已廣泛應用于檢測技術(shù)的各個方面。為了接收相應的加速信號，主要通過相應的加速度傳感器來執(zhí)行。目前,單維的加速度傳感器的技術(shù)比較成熟,基于壓電、壓阻、光纖等檢測機理的各種三維加速度傳感器,市場上都有相應的產(chǎn)品。但在一些特殊的應用場合,如,航空航天、機器人、汽車等領(lǐng)域需要三維的加速度信息,均相應提出了對三維加速度傳感器的需求。目前,國內(nèi)文獻中對加速度傳感器的研究主要集中在單維加速度傳感器上,極少有三維加速度傳感器的研究報道。對于一體化結(jié)構(gòu)的三維加速度傳感器的研究,國外的研究歷史也不長,主要以壓阻式、壓電式、電容式為主11.1應力彈性體的結(jié)構(gòu)特點應變式三維加速度傳感器的關(guān)鍵是設計出新型彈性體結(jié)構(gòu),使該結(jié)構(gòu)在3個加速度方向具有匹配的靈敏度和剛度,且在理論上無相互干擾。彈性體為整體結(jié)構(gòu),如圖1所示,在薄壁圓筒上開有兩層各4個其相位相差45°對稱分布的槽孔,上、下層槽孔間和同層槽孔間的薄壁區(qū)形成三向剪切應力敏感區(qū),不同的剪切應變區(qū)對應測量由不同方向加速度產(chǎn)生的慣性力。剪切狀態(tài)就是結(jié)構(gòu)某一位置受到一對方向相反但不共線的力作用時產(chǎn)生的力學狀態(tài)。顯見,該彈性體上有A,B和C3個應力集中區(qū)域,其中,A,C區(qū)域是同層槽孔形成的孔間薄壁,每層各有4塊圓弧狀簿片。當彈性體受到水平方向(彈性體所用的材料為LY12。LY12屬于硬鋁合金(鋁—銅—鎂系),該材料機械性能優(yōu)良,特別是比重小、屈服比高、比強度大,其供貨狀態(tài)一般不能滿足傳感器彈性體的要求,需通過固溶時效處理,得到均勻穩(wěn)定和理想的內(nèi)部組織,從而達到高精度傳感器對彈性體機械性能和組織的要求。1.2應力應變控制板與傳感器的互干擾性慣性質(zhì)量塊質(zhì)量的大小直接影響到該傳感器的固有頻率,質(zhì)量塊的質(zhì)心與彈性體位置以及它們之間的連接方式會在彈性體上造成不同的應力應變效果,也會使傳感器的互干擾性產(chǎn)生很大的差異。在對大量模型進行有限元分析的基礎(chǔ)上,提出了如圖2的設計方案,在彈性體與慣性質(zhì)量塊之間采用螺紋聯(lián)結(jié),并用定位銷固定,為增加質(zhì)量塊的質(zhì)量,在質(zhì)量塊的中部壓入鉛塊。22.1敏感區(qū)的具體位置影響靈敏度和固有頻率的結(jié)構(gòu)因素主要有薄壁厚度、孔間薄壁的高度、圓環(huán)的高度、孔與孔間薄壁對應的弧長比等。因此,需要通過有限元仿真分析來確定敏感區(qū)的具體位置,為應變計的粘貼提供依據(jù)。同時,分析各結(jié)構(gòu)因素對靈敏度和固有頻率的影響,優(yōu)選出最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù),最后,確定彈性體的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為:薄壁厚度為2mm,薄壁高度為8mm,圓環(huán)高度為10mm,弧長比為2。2.2組成多組本構(gòu)式全橋?qū)椥泽w沿軸向展開,并按照有效剪切應變的分布劃分為如圖3所示的12個剪應變區(qū)域。由有限元計算可知,在5,6,7,8,9,10,11和12這8個剪切應變區(qū)上產(chǎn)生了較大的集中剪切應力、應變。其中,6,7與10,11相隔180°,構(gòu)成一個單元組,在此粘貼45°應變花,可形成測量軸向加速度信號的一組全橋;5,12,8,9構(gòu)成另一個單元組。由于結(jié)構(gòu)和受載的對稱性,這兩組單元組具有相同的應力、應變表現(xiàn)。任取其中一組的4個剪應力區(qū)便可作為應變計的布片區(qū)域,從而組成測量軸向加速度的全橋電路。同樣,在1,2,3,4這4個剪切應變區(qū)上產(chǎn)生了較大的集中剪切應力、應變。其中,1,3構(gòu)成一個單元組,2,4構(gòu)成另一個單元組。由于結(jié)構(gòu)和受載的對稱性,這兩組單元組具有相同的應力、應變表現(xiàn),分別由45°應變花組成全橋,用來測量兩水平方向的加速度。3旋轉(zhuǎn)軸不垂直誤差標定在標定實驗設計中,根據(jù)加速度傳感器的特點和現(xiàn)有實驗條件,把重力加速度作為靜態(tài)標定的標準量,靜態(tài)輸入量采用重力加速度具有獲取容易、數(shù)值恒定、方向性好等特點。具體做法是:將傳感器夾持在機床的分度頭上,并使傳感器自身的三向坐標系中的某一軸與分度頭的旋轉(zhuǎn)軸相重合,如圖4所示。圖中,分度頭的3個夾臂夾持住傳感器的外廓,傳感器的當分度頭沿自身轉(zhuǎn)軸順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)時,隨著傳感器的空間位置的不斷變化,在傳感器=-這樣,每次將傳感器夾持在分度頭上并使傳感器某一軸與分度頭的旋轉(zhuǎn)軸相重合,手動旋轉(zhuǎn)分度頭,記錄下3個測量方向上動態(tài)應變儀顯示屏的輸出數(shù)字,就可以標定其中2個不與旋轉(zhuǎn)軸重合的方向,并觀察對零輸入方向(重合軸)的互干擾情況。標定操作前,首先,對應變儀進行標定,記錄標定值。分度頭每次旋轉(zhuǎn)10°進程轉(zhuǎn)動,回程轉(zhuǎn)動,同時,記錄動態(tài)應變儀的輸出數(shù)字。這樣進行多次讀數(shù),記錄多組數(shù)據(jù)。圖6為標定曲線圖,經(jīng)計算可知,4通過同一慣性質(zhì)量塊進行測量是消除設所設計的三維加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、原理可靠、靈敏度較高,由于其一體化的結(jié)構(gòu),使得