一種平面剪切型壓電式加速度傳感器的設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究

毛世杰 雷體高 王燕山 劉德峰 黃漫國(guó)

摘 要：傳感器是故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)的最前端，是獲取飛行器自身狀態(tài)參數(shù)及所處工況環(huán)境參數(shù)的重要載體，而其中加速度傳感器是使用最多的傳感器之一，它被廣泛的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。文章所設(shè)計(jì)傳感器選用PZT-5A作為敏感材料，參考多種敏感元件電荷產(chǎn)生機(jī)理，分析多種壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出以測(cè)量加速度物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的剪切型輕質(zhì)壓電式加速度傳感器，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其具有較大的量程、較寬的工作溫度范圍、較高的防護(hù)等級(jí)，并能夠在劇烈振動(dòng)環(huán)境中保持良好性能。

關(guān)鍵詞：平面剪切型；壓電式；加速度傳感器；有限元；靈敏度

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）33-0028-04

Abstract： Sensor is the front end of the fault prediction and health management system， and it is an important carrier to obtain the aircraft's own state parameters and the working environment parameters. The acceleration sensor is one of the most widely used sensors. It is widely used in the structural vibration acceleration monitoring system. The sensor designed in this paper chooses PZT-5A as the sensing material， refers to the charge generation mechanism of various sensing elements， and analyzes the structure of various piezoelectric acceleration sensors. A shear type light weight piezoelectric accelerometer is designed， which is converted into electrical signal by measuring acceleration physical quantity. The experiment proves that the sensor has a large measuring range， a wide working temperature range and a high protection level and can maintain the good performance in the intense vibration environment.

Keywords： plane shear type； piezoelectric type； accelerometer； finite element； sensitivity

引言

飛行器故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM，Prognostics and Health Management）技術(shù)被應(yīng)用于飛行器的故障檢測(cè)、故障隔離、診斷增強(qiáng)、性能檢測(cè)、故障預(yù)測(cè)、健康管理、部件壽命追蹤等領(lǐng)域，它具有提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，避免重大災(zāi)難性事故，降低飛行器維護(hù)保障成本等作用[1]。在面向飛行器故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)應(yīng)用中，飛行器不同位置的結(jié)構(gòu)材料受到不同的工況環(huán)境影響，通常具有高溫高壓、振動(dòng)劇烈、載荷強(qiáng)度大等特點(diǎn)。由于加速度傳感器在使用過(guò)程中通常以螺栓固定、膠粘連接或者預(yù)埋結(jié)構(gòu)等方式固定于被測(cè)結(jié)構(gòu)中，為了減少加速度傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)完整性的影響，需要對(duì)加速度傳感器的體積質(zhì)量、封裝形式提出較高要求。同時(shí)，需要在飛行器整個(gè)長(zhǎng)期服役階段保持良好的工作性能，因此需要對(duì)加速度傳感器的可靠性與穩(wěn)定性提出較高要求。

本文給出了由外殼、加速度敏感組件、前置信號(hào)處理器、插座、線(xiàn)纜等組成的傳感器總體構(gòu)架設(shè)計(jì)。根據(jù)壓電式加速度傳感器的測(cè)振原理和工作特點(diǎn)，考慮壓電效應(yīng)以及微機(jī)械加工工藝，參考現(xiàn)有壓電式加速度結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了一種具有高靈敏度，高可靠性，低體積質(zhì)量的平面剪切型輕質(zhì)壓電加速度傳感器。

1 壓電加速度傳感器力學(xué)模型

壓電加速度傳感器的等效動(dòng)力學(xué)模型，它可以等效一個(gè)單自由度的質(zhì)量（M）-彈簧（K）-阻尼（c）的二階振動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。

壓電加速度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性可以轉(zhuǎn)換為附加質(zhì)量塊關(guān)于基礎(chǔ)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移信號(hào)ur與輸入加速度信號(hào)a之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。根據(jù)上文建立的等效動(dòng)力學(xué)模型，建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程，為：

式（1）中，ub為基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)位移，ur為附加質(zhì)量塊關(guān)于基礎(chǔ)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移。

基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)加速度a與基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)位移ub滿(mǎn)足以下關(guān)系：

方程（1）可以改寫(xiě)成：

式（3）中，ωn與？灼分別為系統(tǒng)的無(wú)阻尼角頻率與阻尼比系數(shù)，它們的表達(dá)式分別為：

利用拉普拉斯變換，獲得壓電加速度傳感器的動(dòng)力學(xué)傳遞函數(shù)模型，即：

假設(shè)基礎(chǔ)輸入加速度信號(hào)為正弦信號(hào)，即：

a（t）=Amsinωt#（6）

因此，附加質(zhì)量塊關(guān)于基礎(chǔ)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移信號(hào)可以表示為：

ur（t）=|G（jw）|sin（ωt+？準(zhǔn)）#（7）

其中，壓電加速度傳感器的幅頻特性為：

壓電加速度傳感器的相頻特性為：

從上述理論推導(dǎo)過(guò)程中，可以獲得以下幾點(diǎn)關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）當(dāng)待測(cè)加速度角頻率ω遠(yuǎn)小于傳感器的無(wú)阻尼固有角頻率ωn，即ω？塏ωn時(shí)，傳感器的幅頻特性近似常數(shù)（|G（jw）|=），相頻特性近似為零（？準(zhǔn)=0），此時(shí)傳感器近似一個(gè)零階系統(tǒng)。因此，要想使壓電加速度傳感器的工作頻帶加寬，最關(guān)鍵的是提高傳感器的無(wú)阻尼固有角頻率ωn。

（2）當(dāng)待測(cè)加速度角頻率ω接近傳感器的無(wú)阻尼固有角頻率ωn，即ω≈ωn時(shí)，傳感器的幅頻特性與相頻特性都與阻尼比？灼存在顯著關(guān)聯(lián)。通常，對(duì)于壓電加速度傳感器而言，其阻尼比？灼都遠(yuǎn)小于1，同時(shí)一般取ω？塏ωn/10作為傳感器的通頻帶。

綜上所述，壓電加速度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的優(yōu)劣主要取決于無(wú)阻尼固有角頻率ωn或者共振阻尼角頻率ωd=，同時(shí)通過(guò)選取合適的阻尼比？灼也可以改善傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

2 壓電加速度傳感器方案設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的總體設(shè)計(jì)

傳感器由外殼、加速度敏感組件、前置信號(hào)處理器、插座、線(xiàn)纜等組成。外殼主要用于安裝、傳感器內(nèi)芯的支撐/保護(hù)和信號(hào)輸出接口；加速度敏感組件主要由高密度質(zhì)量塊、高靈敏度壓電元件等組成。敏感組件的功能是敏感加速度，將加速度轉(zhuǎn)化為電荷輸出，供給前置信號(hào)處理器用。

前置信號(hào)處理器包括傳感器供電電路、電荷信號(hào)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器以及綜合信號(hào)輸出接口等。其功能是將壓電敏感元件的信號(hào)進(jìn)行放大；綜合信號(hào)輸出接口使用插頭，其功能是引入電源，輸出信號(hào)。

2.2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于敏感材料的壓電特性，采用PZT-5A作為敏感材料，選用平面剪切型結(jié)構(gòu)，主要由壓電片、基座、外殼、質(zhì)量塊組成。平面剪切型壓電加速度傳感器整體結(jié)構(gòu)爆炸視圖見(jiàn)圖3。

加速度傳感器的有源元件是壓電元件。它們像彈簧一樣經(jīng)剛性的長(zhǎng)方形中心支柱連接加速度計(jì)基座至質(zhì)量塊。當(dāng)加速度計(jì)受振動(dòng)時(shí)，一個(gè)等于質(zhì)量塊的加速度與它的質(zhì)量乘積作用于每一個(gè)壓電元件上。壓電元件產(chǎn)生與受的力成正比的電荷。壓電元件I 和壓電元件II連接形式為并聯(lián)。正電荷集中在壓電元件I和壓電元件II的外表面，兩個(gè)壓電元件的負(fù)電荷都集中在中間中心支柱上。輸出電壓為單個(gè)壓電元件的電壓，電荷量為兩個(gè)壓電元件之和。

2.3 有限元分析

建立有限元模型如圖4所示。圖5、6、7分別為結(jié)構(gòu)的前三階模態(tài)振形。在對(duì)基座進(jìn)行激勵(lì)的情況下，進(jìn)一步通過(guò)諧響應(yīng)分析可以計(jì)算得到該結(jié)構(gòu)的總應(yīng)變能的諧響應(yīng)曲線(xiàn)如圖8所示。從圖可以看出，傳感器整體結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)頻率出現(xiàn)在15KHz附近，在15KHz前，其諧響應(yīng)曲線(xiàn)非常平坦，表明該結(jié)構(gòu)的響應(yīng)在15KHz之前不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

3 工作特性測(cè)試與分析

加速度壓電傳感器的工作特性測(cè)試與分析采用比較校準(zhǔn)法[3]。其中一個(gè)需要校準(zhǔn)的被校傳感器，另一個(gè)則作為參考基準(zhǔn)（稱(chēng)為參考傳感器或者標(biāo)注傳感器）。把參考基準(zhǔn)傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，與被校傳感器實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證被校傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

首先，給定固定的加速度a=30m/s2，根據(jù)傳感器的測(cè)量范圍，在1Hz-10kHz范圍內(nèi)驗(yàn)證被校傳感器的準(zhǔn)確性，如圖9所示。由圖可見(jiàn)，在固定的加速度條件下，測(cè)定的頻率值與參考基準(zhǔn)的相關(guān)性很好。

然后，給定固定的頻率f=160Hz，測(cè)量在不同加速度的條件下，傳感器的電壓輸出，如圖10所示。根據(jù)最小二乘