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(cè)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(jì)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(duì)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(xiàn)報(bào)道很少。國外對(duì)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(chǎng)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(diǎn)的新型壓電式三維加速度傳感器,可用于振動(dòng)等三維加速度信號(hào)的測(cè)量。1正方小鋼球的安裝設(shè)計(jì)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(jì)工作原理:在一個(gè)硬質(zhì)正方體內(nèi)的六個(gè)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(gè)慣性質(zhì)量塊,即為一個(gè)嚴(yán)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(gè)小鋼球在正方體內(nèi)的位置是經(jīng)小鋼球球心的(1)對(duì)測(cè)量頻率范圍的影響對(duì)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(jì)直接關(guān)系到整個(gè)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(cè)量頻率范圍就越窄,可見靈敏度和測(cè)量頻率范圍相互矛盾。所以,在設(shè)計(jì)慣性質(zhì)量塊時(shí),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(jì)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(huì)在彈性體上造成不同的測(cè)試效果,同樣也會(huì)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(hào)調(diào)理模塊微處理器對(duì)壓電陶瓷片1和2、3和4、5和6的輸出信號(hào)進(jìn)行編碼和調(diào)制,再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)并運(yùn)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(hào)就不可避免地帶有噪聲,嚴(yán)重的會(huì)被噪聲淹沒,因此降低噪聲、改善信噪比就顯得尤為重要。對(duì)于壓電陶瓷片,由于輸出的電荷量非常小,應(yīng)將其信號(hào)放大。但當(dāng)敏感元件輸出信號(hào)的范圍較大時(shí),就不宜用同一增益的放大電路進(jìn)行放大,否則在輸入信號(hào)較小時(shí),輸出信號(hào)將小于一半量程,而輸入信號(hào)較大時(shí)卻使放大電路處于飽和狀態(tài)。同時(shí),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(bǔ)償問題。鑒于上述考慮,選用集成智能傳感器信號(hào)調(diào)理模塊MAXl452和外接的電阻、電容組成智能傳感器信號(hào)微處理器。MAXl452內(nèi)含一個(gè)可編程傳感器激勵(lì)源,一個(gè)16階可編程增益放大器,一個(gè)768字節(jié)內(nèi)部EEPROM,4個(gè)16位D/C,一個(gè)預(yù)置運(yùn)算放大器、一個(gè)片上溫度傳感器。MAXl452偏移糾正過程為初始偏移在信號(hào)增益放大器的輸入級(jí)通過近似偏移設(shè)置進(jìn)行糾正,最終的偏移通過溫度指示的176個(gè)16位入口查詢表地址糾正。片上溫度傳感器提供一個(gè)16位偏移補(bǔ)償值,這個(gè)補(bǔ)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(gè)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(jìn)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(diǎn)溫度補(bǔ)償寄存器、輸出基準(zhǔn)寄存器、增益溫度補(bǔ)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(diǎn)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(hù)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(gè)孔,安裝引腳,引出3個(gè)信號(hào)輸出接頭,1個(gè)微處理器的電源輸入接頭和1個(gè)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(cè)=(=(=(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(cè)了在本設(shè)計(jì)中3加速度傳感器的選擇為了比較準(zhǔn)確地測(cè)試傳感器的特性,我們把該傳感器同標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行試驗(yàn)比較,即將傳感器固定在Y512/ZF電動(dòng)立式振動(dòng)臺(tái)上,利用振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生的線振動(dòng)加速度作為輸入來測(cè)試加速度傳感器的響應(yīng)特性。振動(dòng)臺(tái)上同時(shí)裝有一只已經(jīng)過標(biāo)定的加速度計(jì)(靈敏度為2.5×10綜合測(cè)試傳感器4傳感器測(cè)試結(jié)果本文設(shè)計(jì)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(yán)格對(duì)稱的6個(gè)壓電陶瓷片,中間為單一小鋼球質(zhì)量塊。對(duì)傳感器進(jìn)行了理論分析,并對(duì)傳感器進(jìn)行了測(cè)試,