一種平面剪切型壓電式加速度傳感器的設計及測試技術研究

毛世杰 雷體高 王燕山 劉德峰 黃漫國

摘 要：傳感器是故障預測與健康管理系統的最前端，是獲取飛行器自身狀態參數及所處工況環境參數的重要載體，而其中加速度傳感器是使用最多的傳感器之一，它被廣泛的應用于結構振動加速度的監測系統中。文章所設計傳感器選用PZT-5A作為敏感材料，參考多種敏感元件電荷產生機理，分析多種壓電式加速度傳感器結構，設計出以測量加速度物理量轉化為電信號的剪切型輕質壓電式加速度傳感器，經實驗驗證，其具有較大的量程、較寬的工作溫度范圍、較高的防護等級，并能夠在劇烈振動環境中保持良好性能。

關鍵詞：平面剪切型；壓電式；加速度傳感器；有限元；靈敏度

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）33-0028-04

Abstract： Sensor is the front end of the fault prediction and health management system， and it is an important carrier to obtain the aircraft's own state parameters and the working environment parameters. The acceleration sensor is one of the most widely used sensors. It is widely used in the structural vibration acceleration monitoring system. The sensor designed in this paper chooses PZT-5A as the sensing material， refers to the charge generation mechanism of various sensing elements， and analyzes the structure of various piezoelectric acceleration sensors. A shear type light weight piezoelectric accelerometer is designed， which is converted into electrical signal by measuring acceleration physical quantity. The experiment proves that the sensor has a large measuring range， a wide working temperature range and a high protection level and can maintain the good performance in the intense vibration environment.

Keywords： plane shear type； piezoelectric type； accelerometer； finite element； sensitivity

引言

飛行器故障預測與健康管理（PHM，Prognostics and Health Management）技術被應用于飛行器的故障檢測、故障隔離、診斷增強、性能檢測、故障預測、健康管理、部件壽命追蹤等領域，它具有提前發現故障隱患，避免重大災難性事故，降低飛行器維護保障成本等作用[1]。在面向飛行器故障預測與健康管理系統應用中，飛行器不同位置的結構材料受到不同的工況環境影響，通常具有高溫高壓、振動劇烈、載荷強度大等特點。由于加速度傳感器在使用過程中通常以螺栓固定、膠粘連接或者預埋結構等方式固定于被測結構中，為了減少加速度傳感器對結構完整性的影響，需要對加速度傳感器的體積質量、封裝形式提出較高要求。同時，需要在飛行器整個長期服役階段保持良好的工作性能，因此需要對加速度傳感器的可靠性與穩定性提出較高要求。

本文給出了由外殼、加速度敏感組件、前置信號處理器、插座、線纜等組成的傳感器總體構架設計。根據壓電式加速度傳感器的測振原理和工作特點，考慮壓電效應以及微機械加工工藝，參考現有壓電式加速度結構形式，設計了一種具有高靈敏度，高可靠性，低體積質量的平面剪切型輕質壓電加速度傳感器。

1 壓電加速度傳感器力學模型

壓電加速度傳感器的等效動力學模型，它可以等效一個單自由度的質量（M）-彈簧（K）-阻尼（c）的二階振動系統，如圖1所示。

壓電加速度傳感器動態響應特性可以轉換為附加質量塊關于基礎的相對運動位移信號ur與輸入加速度信號a之間的動態關系。根據上文建立的等效動力學模型，建立系統的運動微分方程，為：

式（1）中，ub為基礎運動位移，ur為附加質量塊關于基礎的相對運動位移。

基礎運動加速度a與基礎運動位移ub滿足以下關系：

方程（1）可以改寫成：

式（3）中，ωn與？灼分別為系統的無阻尼角頻率與阻尼比系數，它們的表達式分別為：

利用拉普拉斯變換，獲得壓電加速度傳感器的動力學傳遞函數模型，即：

假設基礎輸入加速度信號為正弦信號，即：

a（t）=Amsinωt#（6）

因此，附加質量塊關于基礎的相對運動位移信號可以表示為：

ur（t）=|G（jw）|sin（ωt+？準）#（7）

其中，壓電加速度傳感器的幅頻特性為：

壓電加速度傳感器的相頻特性為：

從上述理論推導過程中，可以獲得以下幾點關鍵設計要點：

（1）當待測加速度角頻率ω遠小于傳感器的無阻尼固有角頻率ωn，即ω？塏ωn時，傳感器的幅頻特性近似常數（|G（jw）|=），相頻特性近似為零（？準=0），此時傳感器近似一個零階系統。因此，要想使壓電加速度傳感器的工作頻帶加寬，最關鍵的是提高傳感器的無阻尼固有角頻率ωn。

（2）當待測加速度角頻率ω接近傳感器的無阻尼固有角頻率ωn，即ω≈ωn時，傳感器的幅頻特性與相頻特性都與阻尼比？灼存在顯著關聯。通常，對于壓電加速度傳感器而言，其阻尼比？灼都遠小于1，同時一般取ω？塏ωn/10作為傳感器的通頻帶。

綜上所述，壓電加速度傳感器的動態響應特性的優劣主要取決于無阻尼固有角頻率ωn或者共振阻尼角頻率ωd=，同時通過選取合適的阻尼比？灼也可以改善傳感器的動態響應特性。

2 壓電加速度傳感器方案設計

2.1 傳感器的總體設計

傳感器由外殼、加速度敏感組件、前置信號處理器、插座、線纜等組成。外殼主要用于安裝、傳感器內芯的支撐/保護和信號輸出接口；加速度敏感組件主要由高密度質量塊、高靈敏度壓電元件等組成。敏感組件的功能是敏感加速度，將加速度轉化為電荷輸出，供給前置信號處理器用。

前置信號處理器包括傳感器供電電路、電荷信號放大器、A/D轉換器、微控制器以及綜合信號輸出接口等。其功能是將壓電敏感元件的信號進行放大；綜合信號輸出接口使用插頭，其功能是引入電源，輸出信號。

2.2 傳感器結構設計

基于敏感材料的壓電特性，采用PZT-5A作為敏感材料，選用平面剪切型結構，主要由壓電片、基座、外殼、質量塊組成。平面剪切型壓電加速度傳感器整體結構爆炸視圖見圖3。

加速度傳感器的有源元件是壓電元件。它們像彈簧一樣經剛性的長方形中心支柱連接加速度計基座至質量塊。當加速度計受振動時，一個等于質量塊的加速度與它的質量乘積作用于每一個壓電元件上。壓電元件產生與受的力成正比的電荷。壓電元件I 和壓電元件II連接形式為并聯。正電荷集中在壓電元件I和壓電元件II的外表面，兩個壓電元件的負電荷都集中在中間中心支柱上。輸出電壓為單個壓電元件的電壓，電荷量為兩個壓電元件之和。

2.3 有限元分析

建立有限元模型如圖4所示。圖5、6、7分別為結構的前三階模態振形。在對基座進行激勵的情況下，進一步通過諧響應分析可以計算得到該結構的總應變能的諧響應曲線如圖8所示。從圖可以看出，傳感器整體結構的第一階模態頻率出現在15KHz附近，在15KHz前，其諧響應曲線非常平坦，表明該結構的響應在15KHz之前不會發生共振現象。

3 工作特性測試與分析

加速度壓電傳感器的工作特性測試與分析采用比較校準法[3]。其中一個需要校準的被校傳感器，另一個則作為參考基準（稱為參考傳感器或者標注傳感器）。把參考基準傳感器測得的數據作為標準數據，與被校傳感器實測的數據進行對比，以驗證被校傳感器測得數據的真實性。

首先，給定固定的加速度a=30m/s2，根據傳感器的測量范圍，在1Hz-10kHz范圍內驗證被校傳感器的準確性，如圖9所示。由圖可見，在固定的加速度條件下，測定的頻率值與參考基準的相關性很好。

然后，給定固定的頻率f=160Hz，測量在不同加速度的條件下，傳感器的電壓輸出，如圖10所示。根據最小二乘