一種基于壓電材料的汽車橫擺角加速度傳感器的設(shè)計

湯佳琛　王銘翔　方超　李旭　付祥松　任澤凱

（山東科技大學(xué)，山東青島　266000）

一種基于壓電材料的汽車橫擺角加速度傳感器的設(shè)計

湯佳琛王銘翔方超李旭付祥松任澤凱

（山東科技大學(xué)，山東青島266000）

汽車在現(xiàn)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(wěn)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(wěn)，若不及時調(diào)整懸架的剛度和阻尼、制動器制動力的大小，汽車會進(jìn)入側(cè)滑，甚至甩尾、側(cè)翻等危險狀態(tài)。因此，有必要對汽車的角加速度進(jìn)行檢測，及時將檢測信號傳回汽車電腦，做出相應(yīng)的調(diào)整，從而保證汽車的操縱穩(wěn)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(chǔ)上，設(shè)計了一種低成本，工作可靠的角加速度傳感器。

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(chǔ)之上研制的新產(chǎn)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(jù)多年的應(yīng)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(tǒng)中，可以得到精確的角加速度信息。隨著我國工業(yè)的高速發(fā)展，壓電式角加速度傳感器在很多行業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)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(fā)現(xiàn)，不同種類的角加速度計還會被開發(fā)出來。最早的角加速度傳感器是通過計算線加速度來實現(xiàn)其功能的。這類傳感器存在較大的計算誤差，并且當(dāng)線加速度傳感器處于被測物體質(zhì)心位置時，將不能進(jìn)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(jìn)行對應(yīng)，從而得到角加速度信號的。液環(huán)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(huán)式角加速度傳感器中存在一定質(zhì)量的特定液體，當(dāng)被測物體發(fā)生轉(zhuǎn)動的時候，液環(huán)式角加速度傳感器隨著被測物體一起轉(zhuǎn)動，其中的液體也會轉(zhuǎn)動，從而導(dǎo)致工作表面出現(xiàn)一定的電勢差，通過測量電勢差，并將電勢差與轉(zhuǎn)動角速度結(jié)合起來，就能夠測量得到被測物體的角速度了。但是液環(huán)式角加速度傳感器存在測量精度低的問題。而液環(huán)式角加速度傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單，重量較小。

1.3應(yīng)變式角加速度傳感器

應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變制作而成的傳感器，電阻應(yīng)變計能夠?qū)C(jī)械零件上的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化的傳感器元件。通常將電阻應(yīng)變器粘貼在被測零件表面，被測的加速度作用在零件上產(chǎn)生轉(zhuǎn)動慣量之后，是粘貼在上面的電阻應(yīng)變器的電阻發(fā)生變化，并將其記錄下來，從而感知被測加速度。

圖1　實驗裝置剖面圖

圖2　傳感器軸測圖

圖3　扭轉(zhuǎn)彈簧與電材料石英、電極、粘合劑

圖4　旋轉(zhuǎn)擺錘軸

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(yīng)，在受到振動的情況下，質(zhì)量塊在壓電元器件的力會發(fā)生變化，壓電元器件的表面產(chǎn)生電荷，并將電荷量與相應(yīng)的物理量對應(yīng)起來，從而完成動態(tài)、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(wěn)定，在近些年來在不同行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(biāo)系的三個方向的直線運動與沿著三個相互垂直的旋轉(zhuǎn)軸在三個坐標(biāo)平面上做旋轉(zhuǎn)運動。為了描述直線運動與旋轉(zhuǎn)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(shè)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(shù)字信號采集模塊、數(shù)字信號處理模塊以及數(shù)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(dāng)被測物體開始旋轉(zhuǎn)之后，六個壓電式單軸傳感器將輸出信號，并被數(shù)字信號采集模塊所接收，然后通過數(shù)字信號處理模塊可以計算得到被測物理的運動狀態(tài)，并通過數(shù)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(shè)計

本文將設(shè)計的壓電材料的加速度傳感器應(yīng)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(zhuǎn)擺錘軸、電極、壓電材料石英、粘合劑、扭轉(zhuǎn)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(jìn)入。旋轉(zhuǎn)擺錘軸通過軸承固定在傳感器基座上，旋轉(zhuǎn)擺錘軸包括兩個擺錘，擺錘軸可以在傳感器基座內(nèi)繞軸線方向旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。旋轉(zhuǎn)擺錘軸和傳感器基座之間通過扭轉(zhuǎn)彈簧彈性連接。壓電材料石英分布在擺錘兩側(cè)，兩塊石英材料之間通過粘合劑串聯(lián)連接，如圖2所示。壓電材料石英外側(cè)是電極，用來輸出壓電材料產(chǎn)生的電壓，如圖3所示。本文設(shè)計的傳感器可以利用旋轉(zhuǎn)擺錘軸的轉(zhuǎn)動慣性，使擺錘撞擊壓電材料，產(chǎn)生輸出電壓，如圖4所示。通過使用機(jī)械結(jié)構(gòu)保證傳感器的可靠性，同時又具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的特點。

［1］張廷錄.壓電角加速度計在轉(zhuǎn)臺控制中的應(yīng)用［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2000（5）：24-26.

［2］梁貿(mào)源，王忠，薛曉娜.車速傳感器和壓電陀螺儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計［J］.中國測試技術(shù)，2008（3）：84-86.