基于单惯性质量块的三维加速度传感器的设计

基于单惯性质量块的三维加速度传感器的设计

0加速度传感器的发展作为描述物体运动状态的重要量化，它已广泛应用于检测技术的各个方面。为了接收相应的加速信号，主要通过相应的加速度传感器来执行。目前,单维的加速度传感器的技术比较成熟,基于压电、压阻、光纤等检测机理的各种三维加速度传感器,市场上都有相应的产品。但在一些特殊的应用场合,如,航空航天、机器人、汽车等领域需要三维的加速度信息,均相应提出了对三维加速度传感器的需求。目前,国内文献中对加速度传感器的研究主要集中在单维加速度传感器上,极少有三维加速度传感器的研究报道。对于一体化结构的三维加速度传感器的研究,国外的研究历史也不长,主要以压阻式、压电式、电容式为主11.1应力弹性体的结构特点应变式三维加速度传感器的关键是设计出新型弹性体结构,使该结构在3个加速度方向具有匹配的灵敏度和刚度,且在理论上无相互干扰。弹性体为整体结构,如图1所示,在薄壁圆筒上开有两层各4个其相位相差45°对称分布的槽孔,上、下层槽孔间和同层槽孔间的薄壁区形成三向剪切应力敏感区,不同的剪切应变区对应测量由不同方向加速度产生的惯性力。剪切状态就是结构某一位置受到一对方向相反但不共线的力作用时产生的力学状态。显见,该弹性体上有A,B和C3个应力集中区域,其中,A,C区域是同层槽孔形成的孔间薄壁,每层各有4块圆弧状簿片。当弹性体受到水平方向(弹性体所用的材料为LY12。LY12属于硬铝合金(铝—铜—镁系),该材料机械性能优良,特别是比重小、屈服比高、比强度大,其供货状态一般不能满足传感器弹性体的要求,需通过固溶时效处理,得到均匀稳定和理想的内部组织,从而达到高精度传感器对弹性体机械性能和组织的要求。1.2应力应变控制板与传感器的互干扰性惯性质量块质量的大小直接影响到该传感器的固有频率,质量块的质心与弹性体位置以及它们之间的连接方式会在弹性体上造成不同的应力应变效果,也会使传感器的互干扰性产生很大的差异。在对大量模型进行有限元分析的基础上,提出了如图2的设计方案,在弹性体与惯性质量块之间采用螺纹联结,并用定位销固定,为增加质量块的质量,在质量块的中部压入铅块。22.1敏感区的具体位置影响灵敏度和固有频率的结构因素主要有薄壁厚度、孔间薄壁的高度、圆环的高度、孔与孔间薄壁对应的弧长比等。因此,需要通过有限元仿真分析来确定敏感区的具体位置,为应变计的粘贴提供依据。同时,分析各结构因素对灵敏度和固有频率的影响,优选出最佳的结构参数,最后,确定弹性体的基本结构参数为:薄壁厚度为2mm,薄壁高度为8mm,圆环高度为10mm,弧长比为2。2.2组成多组本构式全桥将弹性体沿轴向展开,并按照有效剪切应变的分布划分为如图3所示的12个剪应变区域。由有限元计算可知,在5,6,7,8,9,10,11和12这8个剪切应变区上产生了较大的集中剪切应力、应变。其中,6,7与10,11相隔180°,构成一个单元组,在此粘贴45°应变花,可形成测量轴向加速度信号的一组全桥;5,12,8,9构成另一个单元组。由于结构和受载的对称性,这两组单元组具有相同的应力、应变表现。任取其中一组的4个剪应力区便可作为应变计的布片区域,从而组成测量轴向加速度的全桥电路。同样,在1,2,3,4这4个剪切应变区上产生了较大的集中剪切应力、应变。其中,1,3构成一个单元组,2,4构成另一个单元组。由于结构和受载的对称性,这两组单元组具有相同的应力、应变表现,分别由45°应变花组成全桥,用来测量两水平方向的加速度。3旋转轴不垂直误差标定在标定实验设计中,根据加速度传感器的特点和现有实验条件,把重力加速度作为静态标定的标准量,静态输入量采用重力加速度具有获取容易、数值恒定、方向性好等特点。具体做法是:将传感器夹持在机床的分度头上,并使传感器自身的三向坐标系中的某一轴与分度头的旋转轴相重合,如图4所示。图中,分度头的3个夹臂夹持住传感器的外廓,传感器的当分度头沿自身转轴顺时针或逆时针旋转时,随着传感器的空间位置的不断变化,在传感器=-这样,每次将传感器夹持在分度头上并使传感器某一轴与分度头的旋转轴相重合,手动旋转分度头,记录下3个测量方向上动态应变仪显示屏的输出数字,就可以标定其中2个不与旋转轴重合的方向,并观察对零输入方向(重合轴)的互干扰情况。标定操作前,首先,对应变仪进行标定,记录标定值。分度头每次旋转10°进程转动,回程转动,同时,记录动态应变仪的输出数字。这样进行多次读数,记录多组数据。图6为标定曲线图,经计算可知,4通过同一惯性质量块进行测量是消除设所设计的三维加速度传感器结构简单、原理可靠、灵敏度较高,由于其一体化的结构,使得