一種基于壓電材料的汽車橫擺角加速度傳感器的設計

湯佳琛 王銘翔 方超 李旭 付祥松 任澤凱

【摘 要】汽車在現代化生活中起著越來越重要的作用，汽車的安全性也引了起人們的重視。汽車的橫擺角加速度對于高速行駛中車輛的操作穩定性和安全性有著重要的影響。汽車的橫擺角加速度過大，汽車容易失穩，若不及時調整懸架的剛度和阻尼、制動器制動力的大小，汽車會進入側滑，甚至甩尾、側翻等危險狀態。因此，有必要對汽車的角加速度進行檢測，及時將檢測信號傳回汽車電腦，做出相應的調整，從而保證汽車的操縱穩定性。目前市場上的角加速度傳感器多為成本價格高且容易失效的電子器件，本文在壓電材料的基礎上，設計了一種低成本，工作可靠的角加速度傳感器。

【關鍵詞】壓電材料 橫擺角加速度 傳感器

壓電角加速度計是在壓電晶體速率陀螺基礎之上研制的新產品，具有較高靈敏度、測量范圍較寬和使用壽命較長的特點。根據多年的應用可以看到，將壓電角角速度傳感器用于運動物體的控制與測量系統中，可以得到精確的角加速度信息。隨著我國工業的高速發展，壓電式角加速度傳感器在很多行業中都得到了廣泛的應用，壓電式角加速度傳感器成為了一種基本的元器件。

1 角加速度傳感器的簡單分析

1.1 線加速度計測量角加速度

角加速度傳感器的種類有很多，隨著新型材料的發現，不同種類的角加速度計還會被開發出來。最早的角加速度傳感器是通過計算線加速度來實現其功能的。這類傳感器存在較大的計算誤差，并且當線加速度傳感器處于被測物體質心位置時，將不能進行測量。這一問題主要是由于這類角加速度傳感器往往是使用若干個線加速度傳感器組合而成的。

1.2 流動電勢角加速度傳感器

流動電勢角加速度傳感器是通過測量流動電勢信號，并將其與物理角加速度信號進行對應，從而得到角加速度信號的。液環式角加速度傳感器屬于典型的流動電勢角加速度傳感器。液環式角加速度傳感器中存在一定質量的特定液體，當被測物體發生轉動的時候，液環式角加速度傳感器隨著被測物體一起轉動，其中的液體也會轉動，從而導致工作表面出現一定的電勢差，通過測量電勢差，并將電勢差與轉動角速度結合起來，就能夠測量得到被測物體的角速度了。但是液環式角加速度傳感器存在測量精度低的問題。而液環式角加速度傳感器結構比較簡單，重量較小。

1.3 應變式角加速度傳感器

應變式傳感器是利用電阻應變制作而成的傳感器，電阻應變計能夠將機械零件上的應變轉化為電阻變化的傳感器元件。通常將電阻應變器粘貼在被測零件表面，被測的加速度作用在零件上產生轉動慣量之后，是粘貼在上面的電阻應變器的電阻發生變化，并將其記錄下來，從而感知被測加速度。

1.4 壓電晶體角加速度傳感器

壓電式加速度傳感器屬于慣性傳感器的范疇。壓電式加速度傳感器主要利用壓電效應，在受到振動的情況下，質量塊在壓電元器件的力會發生變化，壓電元器件的表面產生電荷，并將電荷量與相應的物理量對應起來，從而完成動態、瞬時測量。由于壓電傳感器具有較小的體積、靈敏度較高、工作比較穩定，在近些年來在不同行業得到了廣泛的應用。壓電晶體角加速度傳感器中最為主要的元器件就是壓電晶體了，其結構相對比較簡單，主要由恒溫彈性合金與簡單的安裝外殼所構成。

2 壓電式角加速度傳感器的原理

剛體運動的六維加速度向量可以定義沿著直角坐標系的三個方向的直線運動與沿著三個相互垂直的旋轉軸在三個坐標平面上做旋轉運動。為了描述直線運動與旋轉運動，通常需要使用線位移、線速度、線加速度、角位移、角速度、角加速度來描述。本文設計的壓電式角加速度傳感器的包含了六個壓電式單軸傳感器，將其放置在立方體的六條棱邊上。并將六個壓電式單軸傳感器與其所在立方體的棱邊對齊。壓電式六維加速度傳感器的主要組成零件劃分為六個部分，分別是：敏感模塊、信號處理模塊、數字信號采集模塊、數字信號處理模塊以及數字信號顯示模塊。將壓電式六維加速度傳感器安放在被測物體上，當被測物體開始旋轉之后，六個壓電式單軸傳感器將輸出信號，并被數字信號采集模塊所接收，然后通過數字信號處理模塊可以計算得到被測物理的運動狀態，并通過數字信號顯示模塊得以顯示。

3 基于壓電材料的汽車橫擺角加速度傳感器的設計

本文將設計的壓電材料的加速度傳感器應用在汽車橫擺角的測量上。一種基于壓電材料的汽車橫擺角加速度傳感器，其特征在于包括傳感器罩、傳感器基座、旋轉擺錘軸、電極、壓電材料石英、粘合劑、扭轉彈簧、軸承組成，傳感器罩罩在傳感器基座上，用以防止灰塵雜物進入。旋轉擺錘軸通過軸承固定在傳感器基座上，旋轉擺錘軸包括兩個擺錘，擺錘軸可以在傳感器基座內繞軸線方向旋轉，如圖1所示。旋轉擺錘軸和傳感器基座之間通過扭轉彈簧彈性連接。壓電材料石英分布在擺錘兩側，兩塊石英材料之間通過粘合劑串聯連接，如圖2所示。壓電材料石英外側是電極，用來輸出壓電材料產生的電壓，如圖3所示。本文設計的傳感器可以利用旋轉擺錘軸的轉動慣性，使擺錘撞擊壓電材料，產生輸出電壓，如圖4所示。通過使用機械結構保證傳感器的可靠性，同時又具有結構簡單，成本低廉的特點。

參考文獻：

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