以提升毫米尺度三軸壓電加速度計靈敏度為目標,設計了以3個長度12 mm軸向極化的PZT管作為敏感和支撐結構的三軸加速度計,給出了空間加速度信號的解算方法。通過3個PZT管關于器件結構中心軸對稱布置,該加速度計實現了對三軸加速度大小和方向的精確解算。數值仿真得到了3個PZT管在[100, 1 000]Hz加速度的輸出電壓幅頻特性曲線及器件三軸靈敏度。研制了三軸傳感器樣件,實驗表明其x、y、z軸靈敏度分別為535、541、542 mV/g,三軸靈敏度標準差為3.8。系統(tǒng)分析了加工誤差對實驗結果的影響程度,分析并解釋了實驗與仿真數值間存在誤差的原因,為三軸加速度計敏感與支撐結構的一體化設計提供了借鑒。 

【文章來源】：儀器儀表學報. 2020,41(07)北大核心EICSCD

【文章頁數】：8 頁

【部分圖文】：

帶電極PZT管

采用工藝成熟的商用PZT管作為三軸加速度計的敏感和支撐結構。加速度計的標準模型和實物如圖2所示。該加速度計由3個軸向極化的平行PZT管、1個圓柱形銅塊和電極組成。3個PZT管關于結構中心軸對稱,且底部分別為正電極1、2、3,頂部共負極。采用銀漿分別將PZT管、銅塊、底座、導線互為連接。采用θ1和θ2描述三軸加速度的方向。具體結構參數如表1所示。

為了驗證第3節(jié)中解算方法的準確性,采用該解算方法對表2中數據進行解算,結果如表3所示。由標準電壓解算得到的電壓矢量大小和方向驗證了解算方法的有效性。由實驗數值解算得到的x、y、z軸靈敏度分別為535、541、542 mV/g,三軸靈敏度標準差為3.8。在x、y軸加速度下由實驗數值解算的θ1誤差分別為1.8°和1.4°,θ2誤差分別為0.2°和0.4°。在z軸加速度下由實驗數值解算θ1誤差為0.2°,θ2誤差為41.7°。因為z軸加速度下的θ1解算誤差相對較小,即可以判斷出加速度基本沿z軸方向,雖然解算θ2出現較大誤差,但對矢量方向判斷影響不大。表3 三PZT管輸出電壓解算出的電壓矢量大小和角度Table 3 The ratio of output voltages and axial strains of three PZT tubes of accelerometers under accelerations in x, y, z axes respectively 數值 加速度方向 靈敏度Sc(電壓矢量大小)/(mV/g) 電壓矢量方向/(°) θ1(俯仰角) θ2(方位角) 標準電壓(COMSOL) x軸 622 90.0 0.0 y軸 622 90.0 90.0 z軸 622 0.0 - 實驗 x軸 535 88.2 0.2 y軸 541 88.6 89.6 z軸 542 0.2 41.7

【參考文獻】：
期刊論文
[1]預緊式并聯(lián)六維加速度傳感器的解耦算法研究[J]. 尤晶晶,李成剛,吳洪濤,嚴飛,王進.  儀器儀表學報. 2017(05)
[2]壓力傳感器加速度效應的系統(tǒng)辨識與建模研究[J]. 許富景,馬鐵華,李新娥.  儀器儀表學報. 2015(06)
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本文編號：3469323