大量程高频响压电加速度传感器设计技术研究.doc

目前，国内研制的高冲击压电加速度传感器的性能受材料、结构、工艺和安装等因素的影响，量程和上限频率难以得到提高，从而导致在高冲击下测量的线性度较差。现在国内研制的压电传感器样机可测量的最大冲击加速度为1 OO,OOOg，安装谐振频率约为9.5kHz，线性度为10%，还不能完全满足工程使用的要求。因此，为了满足高速碰撞测试和常规触发引信用压电加速度传感器的要求，本文研究提高压电加速度传感器的量程和频响的设计技术，这项技术可应用在钻地武器试验和深层钻地弹引信中。 在核武器飞行试验中，均要进行触地测试，了解核弹头碰地的状况，测量其触地加速度，为其触发引信的设计和验证提供依据。在常规钻地弹、侵彻弹等武器研究中，均需要大量程高频响的加速度传感器进行测量。目前国内的传感器难以满足要求，现采用国外的传感器(如7270A)，但价格昂贵且对华禁运。 综上所述，本文研究提高压电传感器的量程和频响的设计技术，为改进压电加速度传感器的性能奠定基础，为高速触地用测试传感器和深侵彻引信传感器的研究提供技术参考。1.3国内外现状 自1880年J.居里和P.居里发现压电效应以来21，这种类型的压电传感器就广泛应用于各个领域。经过近半个世纪的发展，压电加速度传感器的材料、结构设计和工艺都有了很大的进步。这些对改善传感器的性能起到了至关重要的作用。 经过调研，了解到国外几种高冲击压电加速度传感器的主要技术指标，如表1.1所示。表1.1国外几种压电加速度传感器的主要技术指标公司名称 灵敏度(mv/g) 频响(Hz)最大冲击加速度(g)Kistler 8743A1000 0.05 0.5一10k120, 000 (士1%) PCB 350B21 0.05 0.3一10k100, 000 (t5%) ENDEVCO 0.025 0.5一8k 100, 000 2225MSA 压电材料性能的改进以及新型压电材料的研制成功极大地推动了压电传感器的进步。从最开始的石英到BaTi03压电陶瓷，错钦酸铅(PZT)压电陶瓷，再到压电聚合物如聚偏二氟乙烯(PVDF)等新型压电材料2l。压电材料制备工艺的进展对压电材料的应用及理论研究具有推动作用，单晶技术的进展培育了许多实用化的压电材料，薄膜工艺的进展为压电器件的平面化、集成化创造了条件。压电材料的这一系列进步为设计大量高性能的压电元件提供了技术保障。 压电加速度传感器由最初的基座压缩式结构形式，这种结构因易受外界环境影响，后演变为中心压缩型，然后又改进为性能最佳的各种剪切型设计，如环形剪切型。虽然剪切型的各种性能优异，但是剪切型的结构决定了它不能承受较强的冲击。剪切型对工艺的要求很高，国外的研究机构(如B&K公司)对剪切型压电加速度传感器做了大量研究3。为了提高低频灵敏度，后来还研制了压电梁式加速度传感器。随着MEMS技术和微机械加工技术的发展，出现了可以把质量块、压电元件和基座做成一体的微小型压电传感器，可以把信号处理电路与传感器做在同一基片上的ICP传感器。大量程高频响的压电加速度传感器主要以中心压缩型为主，剪切型的极为罕见。 国内在压电加速度传感器方面的研究起步较晚，且结构设计和工艺水平落后于国外。目前国内压电传感器的主要结构是中心压缩型，较好的高冲击压电加速度传感器(中心压缩型)样机的主要技术指标为:最大冲击加速度I OO,OOOg，最高频响8kHz。在压电加速度传感器的研制方面，北戴河亿柏传感器技术研究所和西安204所做得较好。 大量程高频响压电加速度传感器设计技术研究3.3提高压电加速度传感器频响的措施3.3.1结构选择与设计 1.结构应选择中心压缩型的结构形式。 2.为了便于传感器的安装，在基座上设计螺纹头，这还有利于提高基座的刚度。 3.基座不要太厚，厚基座会降低传感器的固有频率，但要满足安装的刚度要求。 4.选用较薄的压电片来提高刚度，减轻等效质量，从而提高固有频率。压电片的面积可以根据惯性力产生的瞬态应力来计算，一般来说，压电片、质量块、螺母的截面尺寸相近，面积对应力的影响较小。 5.螺纹的确定。压电片面积的大小决定预紧力矩的大小，传感器的预紧力矩23由下式计算 (3一10)式中，T为预紧力矩，QP为作用在螺母安装面(即压电片截面)上的压力(N), d为螺纹公称直径(mm)。对于石英片，预紧力矩为0.6N - m(约为40MPa );对于PZT 8压电陶瓷片，预紧力矩为0.3N - m(约为20MPa)。在一定范围内，可以加大预紧力矩来提高传感器各部件之间的接触刚度，从而提高传感器的频响。 由预紧力矩计算螺纹牙强度，以确定螺纹牙啮合数量，螺纹牙的强度校核如下:剪切应力(MPa):= 弯曲应力(MPa)= 式中b=0.87P(mm), p为螺距(mm), h为螺纹牙工作高度(mm), KZ=5P/d, z为螺纹牙啮合数量。 6.一般质量块和压电片的截面一样，由于加工误差，质量块的截面可能会偏小，为了充分利用压电片，质量块的截面应稍大一点。也可以不用质量块，因为螺母和压电片的部分质量是惯性质量的一部分。 7.螺母的设计也要考虑刚度和强度，螺母厚度根据(3-11)和(3-12)计算的螺纹牙啮合数量来定。由于部分螺母质量是惯性质量的组成部分，要尽量减小螺母质量，为保证刚度，可以把螺母下端设计成较薄的圆环，在上端设计一些加强筋。 8.导电盘(电极)可用电阻率低的铜箔。因为导电盘是质量一弹簧系统的组成部分，为了避免因导电盘的蠕变而降低压电传感器的频响，导电盘要尽量减薄或选用被青铜等导电性能好、具有高强度和高弹性的材料。9.绝缘套做成环状套在螺杆外面，有绝缘和装配定位的作用，厚度约0.4mm o3.3.2材料选择问题 1.为了得到较大的刚度，压电材料要选择弹性系数高的压电材料，如PZT 8压电陶瓷、石英、锗酸秘晶体等。为获得高固有频率，在弹性模量相近时选用选密度较低的压电材料。 2.基座要选择弹性模量大的材料。在对重量没有要求的情况下，基座要选钢而不选钦合金TC4，因为钢基座传感器的固有频率更高，钦合金TC4价格贵且加工有毒。若工作环境恶劣，则基座和壳体要选择有良好耐腐蚀性材料。 3.质量块要尽量薄以提高其刚度，质量块材料选钢和钦合金TC4较好。 4.绝缘套的常用材料是聚四氟乙烯，对于200以上高温环境中工作的压电传感器，要采用高温绝缘材料，如聚酞亚胺、陶瓷、电子玻璃等。大量程高频响压电加速度传感器设计技术研究第七章总结与展望7.1总结 1.建立了中心压缩型压电加速度传感器的力学模型和数学模型。运用数学模型和Ansys分析了传感器各部件结构、材料对传感器固有频率的影响及其规律，并提出了提高压电传感器频响的措施。 2.用模态叠加法计算了传感器对冲击加速度的响应，分析了压电片受力的影响因素，提出了提高压电传感器量程的具体措施。用瞬态动力学分析软件Msc.dytran对压电传感器在弹体的碰撞环境下进行了模拟仿真，分析了被测物体和基座的不同材料组合对压电片受力的影响。理论计算和有限元模拟仿真的结果接近。 3.用0.6mm厚PZT 8压电陶瓷时压电传感器谐振频率达到16.1 kHz;用0.6mm厚石英片时压电传感器量程达到8万g，谐振频率为10.1kHz，线性度为7.7%，抗冲击能力达10万g以上。理论计算