一種基于壓電材料的汽車(chē)橫擺角加速度傳感器的設(shè)計(jì)

湯佳琛　王銘翔　方超　李旭　付祥松　任澤凱

（山東科技大學(xué)，山東青島　266000）

一種基于壓電材料的汽車(chē)橫擺角加速度傳感器的設(shè)計(jì)

湯佳琛王銘翔方超李旭付祥松任澤凱

（山東科技大學(xué)，山東青島266000）

汽車(chē)在現(xiàn)代化生活中起著越來(lái)越重要的作用，汽車(chē)的安全性也引了起人們的重視。汽車(chē)的橫擺角加速度對(duì)于高速行駛中車(chē)輛的操作穩(wěn)定性和安全性有著重要的影響。汽車(chē)的橫擺角加速度過(guò)大，汽車(chē)容易失穩(wěn)，若不及時(shí)調(diào)整懸架的剛度和阻尼、制動(dòng)器制動(dòng)力的大小，汽車(chē)會(huì)進(jìn)入側(cè)滑，甚至甩尾、側(cè)翻等危險(xiǎn)狀態(tài)。因此，有必要對(duì)汽車(chē)的角加速度進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)將檢測(cè)信號(hào)傳回汽車(chē)電腦，做出相應(yīng)的調(diào)整，從而保證汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。目前市場(chǎng)上的角加速度傳感器多為成本價(jià)格高且容易失效的電子器件，本文在壓電材料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種低成本，工作可靠的角加速度傳感器。

壓電材料橫擺角加速度傳感器

壓電角加速度計(jì)是在壓電晶體速率陀螺基礎(chǔ)之上研制的新產(chǎn)品，具有較高靈敏度、測(cè)量范圍較寬和使用壽命較長(zhǎng)的特點(diǎn)。根據(jù)多年的應(yīng)用可以看到，將壓電角角速度傳感器用于運(yùn)動(dòng)物體的控制與測(cè)量系統(tǒng)中，可以得到精確的角加速度信息。隨著我國(guó)工業(yè)的高速發(fā)展，壓電式角加速度傳感器在很多行業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用，壓電式角加速度傳感器成為了一種基本的元器件。

1　角加速度傳感器的簡(jiǎn)單分析

1.1線(xiàn)加速度計(jì)測(cè)量角加速度

角加速度傳感器的種類(lèi)有很多，隨著新型材料的發(fā)現(xiàn)，不同種類(lèi)的角加速度計(jì)還會(huì)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。最早的角加速度傳感器是通過(guò)計(jì)算線(xiàn)加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能的。這類(lèi)傳感器存在較大的計(jì)算誤差，并且當(dāng)線(xiàn)加速度傳感器處于被測(cè)物體質(zhì)心位置時(shí)，將不能進(jìn)行測(cè)量。這一問(wèn)題主要是由于這類(lèi)角加速度傳感器往往是使用若干個(gè)線(xiàn)加速度傳感器組合而成的。

1.2流動(dòng)電勢(shì)角加速度傳感器

流動(dòng)電勢(shì)角加速度傳感器是通過(guò)測(cè)量流動(dòng)電勢(shì)信號(hào)，并將其與物理角加速度信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，從而得到角加速度信號(hào)的。液環(huán)式角加速度傳感器屬于典型的流動(dòng)電勢(shì)角加速度傳感器。液環(huán)式角加速度傳感器中存在一定質(zhì)量的特定液體，當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，液環(huán)式角加速度傳感器隨著被測(cè)物體一起轉(zhuǎn)動(dòng)，其中的液體也會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致工作表面出現(xiàn)一定的電勢(shì)差，通過(guò)測(cè)量電勢(shì)差，并將電勢(shì)差與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度結(jié)合起來(lái)，就能夠測(cè)量得到被測(cè)物體的角速度了。但是液環(huán)式角加速度傳感器存在測(cè)量精度低的問(wèn)題。而液環(huán)式角加速度傳感器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，重量較小。

1.3應(yīng)變式角加速度傳感器

應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變制作而成的傳感器，電阻應(yīng)變計(jì)能夠?qū)C(jī)械零件上的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化的傳感器元件。通常將電阻應(yīng)變器粘貼在被測(cè)零件表面，被測(cè)的加速度作用在零件上產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之后，是粘貼在上面的電阻應(yīng)變器的電阻發(fā)生變化，并將其記錄下來(lái)，從而感知被測(cè)加速度。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置剖面圖

圖2　傳感器軸測(cè)圖

圖3　扭轉(zhuǎn)彈簧與電材料石英、電極、粘合劑

圖4　旋轉(zhuǎn)擺錘軸

1.4壓電晶體角加速度傳感器

壓電式加速度傳感器屬于慣性傳感器的范疇。壓電式加速度傳感器主要利用壓電效應(yīng)，在受到振動(dòng)的情況下，質(zhì)量塊在壓電元器件的力會(huì)發(fā)生變化，壓電元器件的表面產(chǎn)生電荷，并將電荷量與相應(yīng)的物理量對(duì)應(yīng)起來(lái)，從而完成動(dòng)態(tài)、瞬時(shí)測(cè)量。由于壓電傳感器具有較小的體積、靈敏度較高、工作比較穩(wěn)定，在近些年來(lái)在不同行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。壓電晶體角加速度傳感器中最為主要的元器件就是壓電晶體了，其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要由恒溫彈性合金與簡(jiǎn)單的安裝外殼所構(gòu)成。

2　壓電式角加速度傳感器的原理

剛體運(yùn)動(dòng)的六維加速度向量可以定義沿著直角坐標(biāo)系的三個(gè)方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)與沿著三個(gè)相互垂直的旋轉(zhuǎn)軸在三個(gè)坐標(biāo)平面上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為了描述直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通常需要使用線(xiàn)位移、線(xiàn)速度、線(xiàn)加速度、角位移、角速度、角加速度來(lái)描述。本文設(shè)計(jì)的壓電式角加速度傳感器的包含了六個(gè)壓電式單軸傳感器，將其放置在立方體的六條棱邊上。并將六個(gè)壓電式單軸傳感器與其所在立方體的棱邊對(duì)齊。壓電式六維加速度傳感器的主要組成零件劃分為六個(gè)部分，分別是：敏感模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)字信號(hào)采集模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊以及數(shù)字信號(hào)顯示模塊。將壓電式六維加速度傳感器安放在被測(cè)物體上，當(dāng)被測(cè)物體開(kāi)始旋轉(zhuǎn)之后，六個(gè)壓電式單軸傳感器將輸出信號(hào)，并被數(shù)字信號(hào)采集模塊所接收，然后通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理模塊可以計(jì)算得到被測(cè)物理的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并通過(guò)數(shù)字信號(hào)顯示模塊得以顯示。

3　基于壓電材料的汽車(chē)橫擺角加速度傳感器的設(shè)計(jì)

本文將設(shè)計(jì)的壓電材料的加速度傳感器應(yīng)用在汽車(chē)橫擺角的測(cè)量上。一種基于壓電材料的汽車(chē)橫擺角加速度傳感器，其特征在于包括傳感器罩、傳感器基座、旋轉(zhuǎn)擺錘軸、電極、壓電材料石英、粘合劑、扭轉(zhuǎn)彈簧、軸承組成，傳感器罩罩在傳感器基座上，用以防止灰塵雜物進(jìn)入。旋轉(zhuǎn)擺錘軸通過(guò)軸承固定在傳感器基座上，旋轉(zhuǎn)擺錘軸包括兩個(gè)擺錘，擺錘軸可以在傳感器基座內(nèi)繞軸線(xiàn)方向旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。旋轉(zhuǎn)擺錘軸和傳感器基座之間通過(guò)扭轉(zhuǎn)彈簧彈性連接。壓電材料石英分布在擺錘兩側(cè)，兩塊石英材料之間通過(guò)粘合劑串聯(lián)連接，如圖2所示。壓電材料石英外側(cè)是電極，用來(lái)輸出壓電材料產(chǎn)生的電壓，如圖3所示。本文設(shè)計(jì)的傳感器可以利用旋轉(zhuǎn)擺錘軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，使擺錘撞擊壓電材料，產(chǎn)生輸出電壓，如圖4所示。通過(guò)使用機(jī)械結(jié)構(gòu)保證傳感器的可靠性，同時(shí)又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的特點(diǎn)。

［1］張廷錄.壓電角加速度計(jì)在轉(zhuǎn)臺(tái)控制中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2000（5）：24-26.

［2］梁貿(mào)源，王忠，薛曉娜.車(chē)速傳感器和壓電陀螺儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2008（3）：84-86.