基于钹式结构的压电加速度传感器研究.pdf

舰 船 电 子 工 程2023 年第 10 期1引言压电加速度传感器可将加速度信息转化成可测量和控制的电信号1，通常用于测量振动与冲击。灵敏度作为衡量传感器性能的一项重要指标，人们总是希望其在工作频带内尽可能地高，但是尺寸和重量限制了传统结构压电加速度计灵敏度的进一步提高。钹式结构加速度传感器作为一种新型加速度计，存在较大的应用空间和潜力，有望实现这种有利于压电加速度传感器实现宽频及高灵敏度的目标24。本文通过建立钹式结构压电加速度计的三维模型，利用有限元软件对传统结构和钹式结构的压电传感器进行比较分析，说明钹式结构加速度传感器的优点，验证该设计方案的合理性，为今后的结构优化与性能优化提供一定理论基础。2工作原理图1为传统结构压电加速度传感器结构图，通常由壳体、大刚度硬弹簧、质量块、压电元件和基座组成，压电元件由多片压电片组成，大刚度硬弹簧给予质量块预压力。工作时，基座固连安装于试件之上，试件的振动通过基座和弹簧传递给质量块，此时质量块将受到交变力，该力与试件运动加速度基于钹式结构的压电加速度传感器研究刘鹏仲潘元璋谢攀（中国人民解放军91388部队94分队湛江524022）摘要针对传统结构压电加速度传感器的尺寸和重量限制其灵敏度提高的问题，论文建立并研究了钹式结构压电加速度传感器模型，并对相同材料和尺寸的传感器模型进行了对比分析。结果表明：压电陶瓷单元Z方向上的形变是决定传感器电压响应大小的主要因素；钹式结构传感器的压电陶瓷单元在Z方向上的形变范围远远大于传统结构；压电陶瓷单元X方向的张力对Z方向上产生较大范围的形变贡献很大；钹式结构可显著提高压电传感器的灵敏度。关键词钹式结构；压电；加速度传感器中图分类号TP212.1DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2021.10.046Research on Piezoelectric Accelerometer Based on Cymbal StructureLIU PengzhongPAN YuanzhangXIE Pan（Unit 94，No.91388 Troops of PLA，Zhanjiang524022）AbstractThe size and weight of traditional piezoelectric accelerometers limit their sensitivity.In this paper，cymbal piezoelectric accelerometers are studied，and the sensor models of the same material and size are compared and analyzed.The resultsshow that the voltage response of piezoelectric accelerometer mainly depends on its Z-direction deformation.The piezoelectric waferof cymbal structure sensor has a much larger Z-direction deformation range than that of traditional structure.The tension caused bythe X-direction deformation of piezoelectric wafer is the main reason for the large-scale Z-direction deformation of cymbal structuresensor.The same material and the same material are the main reasons for the large-scale Z-direction deformation of cymbal underthe same natural frequency，the voltage response of cymbal structure is much higher than that of traditional structure.Cymbal structure can significantly improve the sensitivity of piezoelectric sensor.Key Wordscymbal structure，piezoelectric，acceleration sensorClass NumberTP212.1收稿日期：2023年4月15日，修回日期：2023年5月18日作者简介：刘鹏仲，男，硕士，工程师，研究方向：水下靶标结构设计。潘元璋，男，硕士，工程师，研究方向：水下靶标结构设计。谢攀，男，硕士，助理工程师，研究方向：水下靶标结构设计。总第 352 期2023 年第 10 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.10223总第352期反向。同时，质量块将该交变力传导至压电单元，使得压电元件上下表面产生正比于该试件运动加速度的交变电荷，并通过输出端输出电量，再将该电信号通过前置放大等处理即可知道试件的运动加速度57。壳体弹簧质量块输出端压电片基座图1压电加速度传感器结构简图设试件加速度为a，质量块质量为m，压电元件压电系数为d33，则压电元件所受作用力为F=ma，压电元件产生电荷为Q=d33ma，因此传感器的电荷灵敏度为Sq=Qa=d33m（1）由此可知质量块质量及压电元件压电系数是决定压电加速度传感器灵敏度的关键要素。但是，增加质量块的质量使得传感器质量过大，将影响被测试件的振动，振动系统的固有频率将降低，从而导致传感器的工作频率范围减小。因此，工程实践中一般不采用增加质量块质量的办法，而是通过选择压电系数大的压电陶瓷单元，增加压电系数d33来提高传感器的灵敏度89。基于钹式结构的压电加速度传感器工作原理与上述相同，但是其压电元件的压电系数d33不同，而是钹式结构压电换能器的等效压电系数d33e，因此基于钹式结构的压电加速度传感器的电荷灵敏度为Sq=d33em（2）其中，d33e40d3310，因此钹式结构可大幅提高传感器的灵敏度。3仿真计算与对比分析3.1结构参数对谐振频率的影响压电加速度计形态各异，其灵敏度也存在差别，其中压电圆盘式的灵敏度较高，故本文选择其与钹式结构进行对比分析，从而说明钹式结构的优点。图2、图3所示分别为两种结构压电加速度传感器的三维模型1112，两种结构所用材料相同，质量块、压电陶瓷单元尺寸相同；对于外界激励，传统结构和钹式结构加速度计分别由铜片和钹式底座来传递外界激励。为方便分析比较，仿真计算时，忽略钹式结构对共振频率的影响，并将一阶固有频率设置为9000Hz。图2压电圆盘加速度计图3钹式结构的压电加速度计3.2计算与分析分别截取传统结构和钹式结构加速度计三维模型的1/12进行谐响应分析，如图4所示，由于压电陶瓷单元均为厚度方向极化，故两种加速度计的电压响应大小均主要由厚度方向，即Z方向的形变决定。图4两种加速度计Z方向位移云图比较图 4所示两种结构的加速度计在 Z方向上的位移云图可知，传统结构压电加速度计只在压电陶瓷单元边沿发生形变，而钹式结构的压电加速度计的整个压电陶瓷单元均发生了形变，虽然两者刘鹏仲等：基于钹式结构的压电加速度传感器研究224舰 船 电 子 工 程2023 年第 10 期形变大小数值差别不大，但由于钹式结构发生形变的范围远远大于传统机构，因此导致两者的电压响应差别很大。图5两种加速度计X方向位移云图图5分别是两种结构的传感器在100Hz处X方向上的位移云图。由图可知，传统结构压电陶瓷单元在X方向的形变范围显著大于Z方向，但是其幅值大小却比Z方向上的小1个数量级，同时由于压电单元又是沿厚度方向极化，所有d33起主导作用，故X方向的形变对其电压响应贡献很小，但X方向的张力对Z方向上产生较大范围的形变却贡献很大。钹式结构普通结构01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000频率/Hz403020100-10-20-30灵敏度/（dB re 1V/g）图6钹式结构与传统结构加速度传感器的电压响应曲线图 6 为 两 种 结 构 的 加 速 度 计 固 有 频 率（9000Hz）相同时的电压响应曲线，可知传感器在工作频带内（约 0.1Hz4000Hz），传统结构的电压响 应 约 为 60mV/g，钹 式 结 构 的 电 压 响 应 可 达450mV/g，其灵敏度得到显著提高。4结语本文介绍了的工作原理，运用有限元软件对两者进行了仿真计算与对比分析。研究结果表明：1）由于压为厚度方向极化，故传统结构和钹式结构压电加速度传感器的电压响应大小均主要取决于电陶瓷单元Z方向的形变。2）传统结构传感器只在压电陶瓷单元边沿发生形变，而钹式结构压电加速度计的整个压电陶瓷单元均发生了形变；虽然两者形变大小差别不大，但由于钹式结构发生形变的范围远远大于传统机构，因此导致两者的电压响应差别很大。3）厚度方向极化的压电陶瓷单元X方向形变的幅值比Z方向上小1个数量级，所以X方向形变对电压响应的贡献很小，但X方向的张力对Z方向上产生较大范围的形变却贡献很大。4）材料、尺寸、固有频率相同的情况下，钹式结构的电压响应远远高于传统结构，即钹式结构能够使得压电传感器的灵敏度显著提高。参 考 文 献1董高庆.压电加速度计的原理、结构及其使用 J.测试技术学报，1997，11（4）：52-62.2贾美娟，李邓化.新型振动加速度传感器电压灵敏度研究 J.仪器仪表学报，2006，27（6）：1605-1607.3林书玉，许龙.一种新型cymbal换能器的研究 J.声学学报，2011，36（1）：27-36.4卢义刚.Cymbal压电发电换能器有限元分析 J.振动与冲击，2013，32（6）：157-162.5余瑞芳.传感器原理 M.北京：航空工业出版社，1995：3-10.6秦宇.ANSYS11.0基础与实例教程 M.北京：化学工业出版社，2009：2-3.7祝效华，余志祥.ANSYS高级工程有限元分析范例精选 M.北京：电子工业出版社，2004：192-200.8许晓飞，李邓飞.MEMS钹式压电复合换能器的设计与仿真 J.北京机械工业学院学报，2008，23（1）：27-30.9彭海军，贾邵文.钹式换能器等效电路模型研究 J.传感技术学报，2014，27（6）：747-751.10王光灿，王丽坤，李光.Cymbal换能器的材料常数与机电性能关系研究 J.电子元件与材料，2004，23（10）：33-35.11高全芹.Cymbal型压电换能器电压-位移特性建模与分析 J.传感技术学报，2012，25（4）：492-495.12吴石林.Spherical-Cymbal 换能器帽端自由胀形建模过程 J.电子元件与材料，2004，23（10）：33-35.225