基于Ansys的振动筒压力传感器小型化设计探索

班瑞凤+乔璐+王建功

摘 要：本论文首先简要介绍了振动筒压力传感器的基本工作原理，根据其工作原理得出振动筒压力传感器工作的核心元件为振动筒。在此基础上，运用Ansys仿真分析工具对振动筒进行仿真分析，通过仿真分析对振动筒压力传感器的核心元件——振动筒进行小型化设计的探索，并通过实验验证仿真分析的正确性。

关键词：振动筒压力传感器；振动筒；Ansys仿真分析

0 引言

振动筒压力传感器被广泛应用于大气数据计算机、气压高度表、发动机的全权限数字电子控制系统、地面气象测量系统和压力传递及测试标准设备中。随着科技发展，各个应用行业都迫切需要精度更高、体积更小、重量更轻的压力传感器。而由于传感器设计的知识面和技术领域太宽，实现传感器产品的更新换代并不会像计算机领域的进步那么快，需要多行业、多领域技术的共同进步。

1 振动筒压力传感器研究现状

振动筒压力传感器最初是由瑞典航空发动机公司（Svenska Flygmotor）在20世纪50年代研制成功的[1]。随后英国Solartron集团购买其专利，将其研发并生成出直径18mm振动筒压力传感器和直径9mm振动筒压力传感器产品。后来俄罗斯曙光仪表局也对振动筒压力传感器开展研究并且取得很大进步，先后研制并生成出直径18mm、直径13mm、直径9mm的振动筒压力传感器。目前俄罗斯曙光仪表局研制出的直径9mm的振动筒压力传感器代表振动筒压力传感器的最高发展水平和发展趋势。

受材料、加工工艺等方面的制约，目前国内研究并生成振動筒压力传感器的单位只有太原航空仪表有限公司和成都凯天电子股份有限公司。目前国内只有直径18mm的振动筒压力传感器已经得到广泛应用，直径13mm、直径9mm的振动筒压力传感器由于技术发展的局限性，还没有得到广泛应用。

2 振动筒压力传感器的工作原理

振动筒压力传感器按其激励方式不同，可以被细分为压电激励式与电磁激励式两种，这里我们以电磁激励式振动筒压力传感器为例，介绍振动筒压力传感器的工作原理：图1是电磁激励振动筒压力传感器的原理简图。图中1是一端开口而另一端封闭的薄壁圆柱筒——谐振筒体。筒内有在空间互相垂直的两个电磁铁线圈2和3，电磁铁两极和筒壁靠得很近。2是激振线圈，3是拾振线圈，4是参考空腔，5是支架。用电磁法激振的振动筒1应由铁磁性材料制成。电流通过激振线圈，所产生的电磁力使筒壁产生径向微位移，从而改变了筒壁与拾振线圈之间的间隙，及使磁阻发生了变化，改变了磁通，结果在拾振线圈中产生了电动势，其变化频率等于筒壁振动的固有频率。维持筒壁连续等幅振动的振荡放大器连接在两线圈之间，形成一个正反馈的闭环自激振荡系统。振荡频率等于筒的固有频率，固有频率由被测压力所调制，而振幅大小则由放大器的增益来控制。

3 振动筒压力传感器的核心元件——振动筒

振动筒是振动筒压力传感器的压力敏感体，是其核心元件。振动筒压力传感器的性能优劣主要取决于振动筒的性能。

振动筒工作时，从筒的一侧观测，其振型沿周向分布着数目不一的波数n，称n为周向整波数（n=0、1、2…），当从筒的侧面观看，其振型沿母线的长度分布着数目不一的半波数m，称m为轴向半波数（m=0，、1、2…）如图2所示。

振动筒的的正确设计是保证传感器稳定工作的基础。要解决设计问题，主要从以下几方面考虑：（1）振型的选择；（2）几何参数的确定；（3）材料的选择及加工工艺的确定。这些问题应从满足压力-频率特性、灵敏度、频率稳定性和获得高的机械品质因数Q值等因素来考虑。本论文主要从前两个方面来研究振动筒的设计。

4 基于Ansys的振动筒设计

4.1 典型尺寸振动筒的ansys仿真分析

在现有技术条件下，振动筒由车削或旋压拉伸而成型，再经过严格的热处理工艺制成，其材料通常为3J53或3J58——恒弹合金。通过查阅大量资料，根据实际工作中的经验，取弹性模量E=1.95×1011Pa，材料密度ρ=7.9×10-3g/mm2， 泊松比μ=0.3。按照一定几何参数，在ansys中建模，对振动筒常压（93kPa）、2kPa、260kPa时，分别进行模态分析。

目前振动筒比较典型的几何尺寸为：直径18mm、壁厚0.07～0.08mm、有效长度45～60mm。随着小型化的要求，国外已经有直径13mm、9mm的振动筒成熟产品，但国内在这方面的的技术正处于发展时期。

下面我们对目前比较典型的振动筒进行仿真分析，R=9mm、l=55mm、h=0.08mm，其中l代表振动筒敏感体的长度、R代表振动筒的平均半径、h代表振动筒的壁厚。通过分析得出表1数据。

表1中给出的是该几何参数下，振动筒工作在1～5阶模态时，内壁感受不同压力下的固有频率值，并计算出压力—频率灵敏度（灵敏度=（f1-f2）/f1×100%）。5阶以上模态，工作振型较复杂，工作频率相对较高，能级较高，不适合作为振动筒压力传感器的工作模态，所以表中没有列出。

分析表中的数据，发现4阶模态与5阶模态，在整个工作压力范围内，存在频率交叉点，所以不能选择4、5阶模态作为振动筒的工作模态。2、3阶模态比较，2阶模态能级最低，但n=3，不是对称模态，不易激励与拾取信号，且相对灵敏度低于3阶模态。3阶模态的灵敏度最高，能级也较低，工作模态对称，易于激励拾取信号，相比较而言更适合作为振动筒传感器的工作模态。

该几何参数下，我们选择3模态作为的振动筒工作模态，可以达到33.46%的灵敏度。这一几何尺寸的振动筒是目前技术相对较成熟的振动筒压力传感器。这一形式的振动筒压力传感器已经经过多年批量生产和实际应用的验证，产品设计和工艺都已经比较成熟，在此基础上，笔者进行进一步的小型化仿真设计。

4.2 减小敏感体长度的振动筒ansys仿真分析

由于市场的发展，对产品小型化的要求越来高，迫切要求我们进行产品的小型设计，本论文根据目前产品的几何参数指标进行小型化设计，将振动筒筒体半径作为固定参数，减小振动筒的长度，对振动筒进行重新设计。

一般情况振动筒压力传感器多工作在双点对称激励状态，被激励的振型只能是对称振型（n=2、4、6…）。相关资料显示，较长的筒，n=2的模态首先被激励，较短的筒，n=6、8的模态首先被激励。哪一个模态先被激起，与筒体的几何参数有直接关系。这里我们为了进行小型化设计，必须将筒体变短。为了使得振动模态较为简单，我们希望可以设计出n=4模态先被激起的振动筒。

参考相关资料中关于振动筒筒体设计的理论，根据Ansys仿真分析结果，笔者对筒体长度、壁厚进行多次调整，对每一种几何参数的筒体进行仿真分析。最终确定长度l=40mm，壁厚h=0.08mm，进行仿真分析，分析结果如表2。

分析表3数据，3阶模态与4阶模态在工作压力范围内存在频率交叉点，故无法作为工作模态。2阶模态是第一起振模态，是本几何参数振动筒能级最低的振动模态，并且表中数据显示，该模态下，振动筒在全压力范围内的相对灵敏度是28.5%，相对于l=55mm的筒体来说较小，但是根据有关资料介绍，也是完全能达到使用要求的，可以作为工作模态。

与4.1节中几何参数为l=55mm、R=9mm、h=0.08mm的振动筒相比较，新设计出的l=40mm、R=9mm、h=0.08mm的振动筒，相对灵敏度有所下降，但在长度上大大减小，实现了振动筒的小型化设计。

4.3 实验验证

振动筒的生产工艺较为复杂，将振动筒装配成为可以测试输出的压力传感器并测试传感器的频率输出也是比较复杂的工艺过程，整个生产过程还会涉及到很多专业性很强的仪器设备，而且振动筒压力传感器的固有频率输出随温度变化而变化。所以实际研究工作中对振动筒的理论设计进行验证比较困难。

为对小型化设计后的振动筒进行验证，本次验证仅试制出少量振动筒，通过测试振动筒在室温下内壁感受不同压力时的频率输出，从而验证ansys仿真分析所得到结果的正确性。

实验取2只几何参数为l=40mm、R=9mm、h=0.08mm的振动筒，激励方式为压电激励。根据4.2节中的仿真分析数据，工作模态为n=4、m=1，故在振动筒同一水平圆周上均匀粘贴4片压电陶瓷片，2片作为激励、2片作为拾取。振动筒外装保护筒，振动筒与保护筒之间为真空参考腔体，如图1所示。为振动筒配制相应信号调理电路，内壁加压后，测试振动筒压力传感器的频率输出，实验数据如表3。

分析实验数据，可以看出，实验所得到的频率输出与仿真分析的结论一致，证明ansys分析的结论具有一定的指导意义，但由于实验用产品数量少，是通过大量振动筒才选取出工作较为稳定的筒体，且没有通过高低温实验，也没有进行长期稳定性以及其他环境实验的考察，目前仅可以作为实验室用原理样机，不具备产品化条件。

5 结论

本文所进行的小型化设计探索，设计出的筒体几何参数并不是目前各科研生产单位主要研究的几何参数，不能直接作为产品进行生产，但本文的研究可以为振动筒压力传感器的小型化设计提供一个研究方向，笔者希望通过今后进一步的仿真分析研究取得更多研究成果。

振动筒压力传感器是目前我国具有自主知识产权的测试精度达到0.02%的传感器之一，虽然其应用环境有一定的局限性，但是能代替它的高精度国产化传感器目前不具有大批量产品化能力，所以振动筒的发展以及其小型化研究任然具有重要意义，科研生产单位需投入人力、物力进行进一步的研究。

参考文献

[1]D.B.Juanarena，C. Gross. Digitally compensated pressure sensors for flight measurement[J].Sensors， 1985，7：10-20

[2]樊尚春. 信号与测试技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002：269

[3]刘广玉，陈明. 新型传感器技术及应用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，1995，65～68

作者简介

班瑞凤（1982-），女，硕士，工程师，研究方向：压力传感器设计与应用。

乔璐（1989-），女，硕士，助理工程师，研究方向：压力传感器设计与应用。

王建功（1982-），男，本科，工程师，研究方向：敏感元件设计与应用。