針對航空矢量聲納浮標對低噪聲、低成本、小體積慣性傳感器的需求,研究了一種基于雙壓電晶片的雙軸壓差分式壓電加速度計。首先從理論上分析了矢量水聽器中加速度計的工作模式,基于壓電加速度計自噪聲模型,提出了利用雙壓電晶片與獨立質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低噪聲加速度計的方法;通過有限元方法對加速度計的靈敏度和諧振頻率開展優(yōu)化設(shè)計,確定了加速度計各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù);根據(jù)優(yōu)化結(jié)果研制了一只加速度計樣機及前置放大電路。樣機測試結(jié)果表明,該壓電加速度計整體尺寸為56 mm×56 mm×35 mm,一階諧振頻率約為7.4 kHz,兩個軸向的靈敏度分別為1556 pC/g及1363 pC/g（100 Hz）,橫向靈敏度小于軸向靈敏度的2%。壓電加速度計的自噪聲為38 ng/Hz^1/2(1 kHz,等效噪聲聲壓級為39 dB/Hz^1/2),低于零級海況下的海洋環(huán)境噪聲。 

【文章來源】：中國慣性技術(shù)學報. 2020,28(04)北大核心EICSCD

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加速度式慣性矢量水聽器的測量原理

信噪比成正比，但當雙壓電晶片的熱噪聲占主要時，優(yōu)值系數(shù)用式(5)表示2222tan1tanafsamCkMk(5)式(4)和(5)的結(jié)果和式(2)一致，表明通過提高機電耦合系數(shù)、降低介質(zhì)損耗因子、增大檢測質(zhì)量可以有效改善雙壓電晶片輸出信噪比，但是增大系統(tǒng)帶寬和提高信噪比是矛盾的，因此，可以通過增大外置質(zhì)量提高信噪比。另一方面，如果以電荷為輸出對象，則通過增大靜態(tài)電容，也可以提高信噪比水平。2.2加速度計組成本文研究的加速度計由雙壓電晶片、質(zhì)量塊、預應(yīng)力螺釘、加速度計基座以及壓蓋，如圖4所示。四片壓電晶片構(gòu)成雙軸差分結(jié)構(gòu)，使加速度計具有較高的軸向靈敏度，較低的橫向靈敏度，能有效消除矢量水聽器自身轉(zhuǎn)動引起的角加速度干擾和共模干擾。加速度計基座質(zhì)量塊壓蓋PZT5金屬背襯預應(yīng)力螺釘PZT5背襯剛性支撐質(zhì)量塊圖4雙壓電晶片式加速度計結(jié)構(gòu)圖Fig.4Structuraldiagramofpiezoelectricbimorph-basedaccelerometer2.3有限元仿真與優(yōu)化利用有限元方法對圖4所示的加速度計進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計后各部件參數(shù)如表1所示。表1加速度計零件規(guī)格與參數(shù)Tab.1Specificationsandparametersoftheaccelerometercomponents零件名稱尺寸/（mm）質(zhì)量/g材質(zhì)加速度計基座56×56×35108.3鋁合金質(zhì)量塊28×8×1671.4黃銅金屬背襯28×4×315.3黃銅壓電圓片22×8×12.5PZT5預應(yīng)力螺釘M4×121.9不銹鋼壓蓋28×263.8鋁合金為避免幅度響應(yīng)出現(xiàn)峰值，加速度計的最大工作頻率一般要低于一階諧振頻率的一半。本文的加速度計頻率上限的設(shè)計指標為2.5kHz，對應(yīng)的一階諧振頻率要求不低于5kHz。加速度計結(jié)構(gòu)有限元方法優(yōu)化結(jié)果如圖5所示，一階諧振頻率為6.8kHz，

-472-中國慣性技術(shù)學報第28卷兩片壓電圓片的開路電荷靈敏度在5Hz～2.5kHz范圍內(nèi)基本保持一致，起伏小于1.2dB。101102103104-2000-1000010002000外外PZT內(nèi)外PZT圖5加速度計一階模態(tài)及電荷靈敏度曲線Fig.5Firstordermodeofaccelerationandchargesensitivitycurve3裝配與測試3.1壓電晶片電容值測試首先保持兩片壓電陶瓷片的極化方向一致，采用并聯(lián)連接方式對壓電晶片進行粘接。粘接后由于導電膠層的存在，導致粘接后壓電圓片的電容量降低了1nF左右，相對誤差保持在2.5dB以內(nèi)，如表2所示。表2壓電元件電容測試結(jié)果(f=1kHz)Tab.2Capacitancemeasurementresultsofpiezoelectricelements(f=1kHz)雙壓電晶片壓電圓片粘接前(nF)粘接后(nF)誤差(dB)+X15.334.232.025.734.382.3X35.114.032.145.233.92.5+Y55.264.12.265.023.872.3Y75.114.231.685.314.112.23.2加速度計測試首先使用螺釘將四片壓電晶片和黃銅質(zhì)量塊固定在加速度計基座內(nèi)，再通過壓蓋進一步固定壓電晶片，實現(xiàn)邊沿固定的條件，壓電加速度計的整體尺寸為56mm×56mm×35mm，如圖6所示。圖6加速度計樣機及零件實物照片F(xiàn)ig.6Photographofaccelerometerprototypeanditsassemblies在裝配過程中，由于組件之間連接的剛性降低，所以加速度計實際的諧振頻率一般略低于有限元方法計算的結(jié)果，因此需要通過螺釘施加預應(yīng)力，調(diào)整加速度計的諧振頻率和靈敏度，并使差分通道性能基本一致。經(jīng)阻抗測試，最終裝配完成的加速度計的一階諧振頻率為7.4kHz，如圖7所示。0246810-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4-X+X歸歸/Hz0246810-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4-Y+Y

【參考文獻】：
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本文編號：3324977