新型三維壓電加速度傳感器的研究

新型三維壓電加速度傳感器的研究

加速度測量是微傳感器領(lǐng)域中最具挑戰(zhàn)和發(fā)展前景的領(lǐng)域之一。高可靠性,高靈敏度,微型化的加速度計越來越為汽車工業(yè)、航天、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域所需要。目前,國內(nèi)對加速度傳感器的研究主要集中在單維加速度傳感器上,三維加速度傳感器的研究文獻報道很少。國外對一體化結(jié)構(gòu)的三維加速度傳感器的研究主要以壓電式、電容式為主。目前,市場上出現(xiàn)的多維加速度傳感器大多采用組合式結(jié)構(gòu),這種傳感器體積過大,精度低及加工復(fù)雜。為此,特別研制了一種具有高靈敏度及小體積等特點的新型壓電式三維加速度傳感器,可用于振動等三維加速度信號的測量。1正方小鋼球的安裝設(shè)計的傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中1～6為壓電陶瓷片單元。設(shè)計工作原理:在一個硬質(zhì)正方體內(nèi)的六個內(nèi)表面的正中間位置貼上固定的、大小和性質(zhì)相同、且具有一定厚度的壓電陶瓷片,正方體內(nèi)有一個慣性質(zhì)量塊,即為一個嚴格圓球型、質(zhì)量分布均勻的小鋼球(為增加質(zhì)量塊的質(zhì)量,在質(zhì)量塊的中部壓入鉛塊),這個小鋼球在正方體內(nèi)的位置是經(jīng)小鋼球球心的(1)對測量頻率范圍的影響對于慣性式加速度傳感器,其內(nèi)部的慣性質(zhì)量塊是必不可少的,它的設(shè)計直接關(guān)系到整個傳感器性能的好壞。慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量越大則該傳感器的靈敏度就越高,而其固有頻率越低。另一方面,固有頻率越低,測量頻率范圍就越窄,可見靈敏度和測量頻率范圍相互矛盾。所以,在設(shè)計慣性質(zhì)量塊時,應(yīng)考慮在頻率范圍允許的條件下,減小固有頻率以提高其靈敏度。在質(zhì)量塊的設(shè)計中,除了要考慮其質(zhì)量的大小,還要考慮質(zhì)量塊的質(zhì)心與彈性體位置以及它們之間的接觸連接方式。質(zhì)量塊質(zhì)心與彈性體的位置以及它們之間的接觸連接方式的不同,必然會在彈性體上造成不同的測試效果,同樣也會使傳感器的互干擾性產(chǎn)生很大的差異(2)集成智能傳感器信號調(diào)理模塊微處理器對壓電陶瓷片1和2、3和4、5和6的輸出信號進行編碼和調(diào)制,再進行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號并運算輸出。在壓電陶瓷片的輸出到放大器的輸入端之間,有可能引入工頻干擾、靜電干擾、電磁耦合干擾和共模干擾等。這樣信號就不可避免地帶有噪聲,嚴重的會被噪聲淹沒,因此降低噪聲、改善信噪比就顯得尤為重要。對于壓電陶瓷片,由于輸出的電荷量非常小,應(yīng)將其信號放大。但當(dāng)敏感元件輸出信號的范圍較大時,就不宜用同一增益的放大電路進行放大,否則在輸入信號較小時,輸出信號將小于一半量程,而輸入信號較大時卻使放大電路處于飽和狀態(tài)。同時,壓電陶瓷片的輸出除由應(yīng)變引起之外,也受溫度變化的影響,因此也必須考慮溫度補償問題。鑒于上述考慮,選用集成智能傳感器信號調(diào)理模塊MAXl452和外接的電阻、電容組成智能傳感器信號微處理器。MAXl452內(nèi)含一個可編程傳感器激勵源,一個16階可編程增益放大器,一個768字節(jié)內(nèi)部EEPROM,4個16位D/C,一個預(yù)置運算放大器、一個片上溫度傳感器。MAXl452偏移糾正過程為初始偏移在信號增益放大器的輸入級通過近似偏移設(shè)置進行糾正,最終的偏移通過溫度指示的176個16位入口查詢表地址糾正。片上溫度傳感器提供一個16位偏移補償值,這個補償值的指示分辨率在-400～+l25℃的范圍內(nèi)約為115℃。MAXl452滿量程輸出糾正過程為兩個功能模塊用于滿量程輸出增益矯正,即①通過可編程增益放大器數(shù)字選擇增益進行增益近似設(shè)置。②通過滿量程輸出D/A數(shù)字輸入設(shè)置傳感器電橋電流或電壓。這樣就可通過CPU的操作,設(shè)置零位偏移寄存器、溫度寄存器、零點溫度補償寄存器、輸出基準寄存器、增益溫度補償寄存器等。這些寄存器中的值通過D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬量疊加在處理電路中,從而改善了傳感器特性。(3)殼外接收點安全外殼為一鐵質(zhì)方體,套在包有壓電陶瓷及慣性質(zhì)量塊的硬質(zhì)正方體外。外殼除了具有保護作用外,還具有屏蔽電橋、接出引線和防塵、防外力破壞的作用。在外殼的頂端平面上鉆出5個孔,安裝引腳,引出3個信號輸出接頭,1個微處理器的電源輸入接頭和1個接地接頭。2加速度方向引起荷的變化壓電陶瓷片單元1和2、3和4、5和6分別探測=(=(=(式中當(dāng)有表1為不同加速度方向引起電荷的變化。由表1可看到,不同方向加速度將引起電荷的變化,壓電陶瓷片單元1和2、3和4、5和6分別探測了在本設(shè)計中3加速度傳感器的選擇為了比較準確地測試傳感器的特性,我們把該傳感器同標準傳感器進行試驗比較,即將傳感器固定在Y512/ZF電動立式振動臺上,利用振動臺產(chǎn)生的線振動加速度作為輸入來測試加速度傳感器的響應(yīng)特性。振動臺上同時裝有一只已經(jīng)過標定的加速度計(靈敏度為2.5×10綜合測試傳感器4傳感器測試結(jié)果本文設(shè)計了一種基于壓電式的三維加速度傳感器。傳感器工藝采用高度嚴格對稱的6個壓電陶瓷片,中間為單一小鋼球質(zhì)量塊。對傳感器進行了理論分析,并對傳感器進行了測試,