壓阻式高量程微加速度計(jì)的設(shè)計(jì)*

龔 珊，徐曉輝，郭 濤，王春水

（1中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051;2洛陽理工學(xué)院工程訓(xùn)練中心，河南洛陽 471023）

0 引言

微型慣性器件在航天航空、國防工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是目前各國研究的重點(diǎn)之一。高量程加速度計(jì)作為一類重要的慣性器件，也受到了研究人員越來越多的重視，它常用于彈藥發(fā)射及侵徹硬目標(biāo)等過程中過載信號(hào)的測量。目前國內(nèi)外常用的高量程加速度計(jì)主要有壓電式和壓阻式兩類［1］。由于壓阻式加速度計(jì)的制作工藝成熟、信號(hào)處理簡單的特點(diǎn)，使其得到了廣泛的應(yīng)用［2］。

文中設(shè)計(jì)的高量程微加速度計(jì)可測量0～10 000 g范圍的加速度值，抗過載性能好，可用于導(dǎo)彈、衛(wèi)星等發(fā)射的智能化控制。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文中的加速度計(jì)采用了硅的壓阻原理，由一敏感質(zhì)量塊和四梁結(jié)構(gòu)構(gòu)成，當(dāng)有加速度作用于此結(jié)構(gòu)時(shí)，由于慣性作用質(zhì)量塊會(huì)向與此加速度方向相反的方向運(yùn)動(dòng)，從而引起梁上應(yīng)力的變化，在梁上應(yīng)力變化最顯著的地方布置有壓敏電阻形成惠斯通電橋，即可把加速度以電壓的形式表示出來［3－4］。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 10 000g量程結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)學(xué)模型

由于整體結(jié)構(gòu)對橫向和豎向中心線的對稱性，取1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，解除下支座對梁的約束，此時(shí)，結(jié)構(gòu)受力如圖2所示。由圖可知M2、M4對固定梁（左梁）的彎曲起到的作用很小，將其忽略，結(jié)構(gòu)的最終受力圖如圖3所示。這樣，即可簡化為一次靜不定問題，由力法求解過程解決此問題［5－7］:

圖2 除去一個(gè)多余約束后結(jié)構(gòu)的受力圖

其中:X1為多余約束力，δ11為沿X1方向作用單位力時(shí)作用點(diǎn)沿此方向的位移。Δ1F為系統(tǒng)受載荷F單獨(dú)作用時(shí)，結(jié)構(gòu)右端沿X1方向的位移。

圖3 四邊梁結(jié)構(gòu)的最后受力簡化圖

質(zhì)量塊在敏感方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，由結(jié)構(gòu)的對稱性可知4個(gè)梁的撓度相同。即求得任意一梁的撓度便可得到整體的撓度。圖4為左邊梁的受力示意圖，可求得梁的撓度方程:

圖4 任取一梁的受力圖

又可得:

其中:F=Ma'/4，L=l+A/2。

把整體分為4個(gè)部分，各部分的撓度都相同，因此，由Rayleigh-Ritz商公式可得梁的圓頻率。

3 仿真分析

3.1 靜力分析

建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，采用solid45單元，由于結(jié)構(gòu)在受加速度作用時(shí)梁是受應(yīng)力最大也是重點(diǎn)研究的部分，所以對四梁進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，對質(zhì)量塊和框架進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分［8］。對模型施加 Z方向10 000 g加速度，從仿真結(jié)果可以看出，此時(shí)Z方向最大位移為|－1.519|μm（負(fù)號(hào)表示沿Z軸負(fù)方向）;最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在梁的根部和端部，為34.209 MPa，如圖 5 所示。

圖5 Z方向位移與等效應(yīng)力

由于要保證微加速度計(jì)的輸出具有良好的線性度，因此壓敏電阻應(yīng)布置在梁上受力的線性區(qū)域。圖6是結(jié)構(gòu)在受Z向10 000 g加速度作用時(shí)，在上表面X向中心線路徑上所受應(yīng)力的分布圖。其中，SX為X向應(yīng)力，SY為Y向應(yīng)力，整條路徑上所受的應(yīng)力關(guān)于結(jié)構(gòu)中心對稱。

由圖6可以看出，梁上的應(yīng)力呈線性分布，最大應(yīng)力區(qū)域?qū)ΨQ的分布在梁的根部和端部。在任意一根梁上提取路徑，應(yīng)力分布情況如圖7所示，可以看出在梁的根部和端部都有一段非線性區(qū)，電阻的布置應(yīng)避開這些區(qū)域。提取詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，非線性區(qū)域在距離梁根部和端部100μm以內(nèi)的區(qū)域，因此，應(yīng)將電阻布置在梁兩端100μm以外位置處。

3.2 模態(tài)分析

由于高量程加速度計(jì)需要能夠承受高頻信號(hào)的沖擊，所以需要較高的固有頻率以適應(yīng)高頻沖擊信號(hào)。對結(jié)構(gòu)的模態(tài)仿真結(jié)果如表1所示。

圖6 梁－質(zhì)量塊上路徑對應(yīng)的應(yīng)力曲線

圖7 其中一根梁上的應(yīng)力曲線

表1 模態(tài)分析結(jié)果

第一階模態(tài)為敏感質(zhì)量塊沿Z軸的上下振動(dòng)，也是加速度計(jì)的工作模態(tài)，從表1可看出，結(jié)構(gòu)的固有頻率較高，且與其他階模態(tài)的頻率相差較大，可有效抑制交叉耦合。

3.3 抗過載性能分析

該加速度計(jì)要求的抗過載能力為30 000 g，由上節(jié)仿真分析可知，在10 000 g加速度作用下，質(zhì)量塊的最大位移為1.519μm，由于考慮阻尼等對加速度計(jì)性能的影響，在質(zhì)量塊底部設(shè)有一限位塊，使其位移限定在5μm以內(nèi)。計(jì)算得到質(zhì)量塊在受到32 916 g加速度作用下達(dá)到最大位移，通過仿真分析，此時(shí)梁根部或端部承受的最大應(yīng)力如圖8所示為113.037 MPa，小于硅的許用應(yīng)力，能夠滿足要求的過載能力。

圖8 32 916 g加速度作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力

4 測試

4.1 靈敏度測試

采用與標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)對比的方法進(jìn)行相關(guān)性能的測試。將被測加速度計(jì)與一標(biāo)準(zhǔn)傳感器水平固定在夾具上，測試電纜等固定在連桿上，在錘頭下方墊有一層毛氈，此時(shí)每齒大約為1 200 g，錘擊的范圍為8齒，具體安裝圖如圖9所示。錘擊時(shí)，利用示波器同時(shí)采集兩路傳感器的輸出信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)傳感器選用的是988壓電式加速度計(jì)，該加速度計(jì)電荷靈敏度為0.437 pC/g，電荷放大器放大倍數(shù)為10 000 pC/V。經(jīng)過多次試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

由表2可看出加速度計(jì)具有較好的線性度，實(shí)測靈敏度為193.3μV/g，與理論設(shè)計(jì)的靈敏度202μV/g相差不是很大。

表2 馬歇特錘試驗(yàn)結(jié)果

圖9 馬歇特錘實(shí)驗(yàn)裝置圖

4.2 抗沖擊測試

在標(biāo)定加速度計(jì)靈敏度時(shí)，在錘頭的落點(diǎn)處墊上了一層薄毛氈，起到一定的緩沖和濾波的作用，馬歇特錘能砸出的g值偏小，在分析其抗過載能力時(shí)，為了能使輸出達(dá)到10 000 g以上，取下毛氈，馬歇特錘每齒約2 000 g。圖10為標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)與被測加速度計(jì)的輸出對比波形。通道1為標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的輸出，通道2為本加速度計(jì)輸出，可看出，加速度計(jì)在受到10 000 g以上的加速度作用時(shí)仍能正常工作。

5 總結(jié)

采用硅的壓阻效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種高量程微加速度計(jì)，對該加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)及Ansys靜力學(xué)仿真，最后對加速度計(jì)樣片進(jìn)行了相關(guān)性能的測試，測試結(jié)果表明該加速度計(jì)能夠滿足高過載環(huán)境的需求。

圖10 加速度計(jì)的輸出波形

［1］楊杏敏.大過載壓阻式加速度計(jì)設(shè)計(jì)、封裝與測試［D］.太原:中北大學(xué)，2011.

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［3］熊繼軍，毛海央，張文棟，等.復(fù)合量程微加速度計(jì)的研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19（5）:2200 －2203.

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