一种平面剪切型压电式加速度传感器的设计及测试技术研究

毛世杰 雷体高 王燕山 刘德峰 黄漫国

摘 要：传感器是故障预测与健康管理系统的最前端，是获取飞行器自身状态参数及所处工况环境参数的重要载体，而其中加速度传感器是使用最多的传感器之一，它被广泛的应用于结构振动加速度的监测系统中。文章所设计传感器选用PZT-5A作为敏感材料，参考多种敏感元件电荷产生机理，分析多种压电式加速度传感器结构，设计出以测量加速度物理量转化为电信号的剪切型轻质压电式加速度传感器，经实验验证，其具有较大的量程、较宽的工作温度范围、较高的防护等级，并能够在剧烈振动环境中保持良好性能。

关键词：平面剪切型；压电式；加速度传感器；有限元；灵敏度

中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：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

飛行器故障预测与健康管理（PHM，Prognostics and Health Management）技术被应用于飞行器的故障检测、故障隔离、诊断增强、性能检测、故障预测、健康管理、部件寿命追踪等领域，它具有提前发现故障隐患，避免重大灾难性事故，降低飞行器维护保障成本等作用[1]。在面向飞行器故障预测与健康管理系统应用中，飞行器不同位置的结构材料受到不同的工况环境影响，通常具有高温高压、振动剧烈、载荷强度大等特点。由于加速度传感器在使用过程中通常以螺栓固定、胶粘连接或者预埋结构等方式固定于被测结构中，为了减少加速度传感器对结构完整性的影响，需要对加速度传感器的体积质量、封装形式提出较高要求。同时，需要在飞行器整个长期服役阶段保持良好的工作性能，因此需要对加速度传感器的可靠性与稳定性提出较高要求。

本文给出了由外壳、加速度敏感组件、前置信号处理器、插座、线缆等组成的传感器总体构架设计。根据压电式加速度传感器的测振原理和工作特点，考虑压电效应以及微机械加工工艺，参考现有压电式加速度结构形式，设计了一种具有高灵敏度，高可靠性，低体积质量的平面剪切型轻质压电加速度传感器。

1 压电加速度传感器力学模型

压电加速度传感器的等效动力学模型，它可以等效一个单自由度的质量（M）-弹簧（K）-阻尼（c）的二阶振动系统，如图1所示。

压电加速度传感器动态响应特性可以转换为附加质量块关于基础的相对运动位移信号ur与输入加速度信号a之间的动态关系。根据上文建立的等效动力学模型，建立系统的运动微分方程，为：

式（1）中，ub为基础运动位移，ur为附加质量块关于基础的相对运动位移。

基础运动加速度a与基础运动位移ub满足以下关系：

方程（1）可以改写成：

式（3）中，ωn与？灼分别为系统的无阻尼角频率与阻尼比系数，它们的表达式分别为：

利用拉普拉斯变换，获得压电加速度传感器的动力学传递函数模型，即：

假设基础输入加速度信号为正弦信号，即：

a（t）=Amsinωt#（6）

因此，附加质量块关于基础的相对运动位移信号可以表示为：

ur（t）=|G（jw）|sin（ωt+？准）#（7）

其中，压电加速度传感器的幅频特性为：

压电加速度传感器的相频特性为：

从上述理论推导过程中，可以获得以下几点关键设计要点：

（1）当待测加速度角频率ω远小于传感器的无阻尼固有角频率ωn，即ω？垲ωn时，传感器的幅频特性近似常数（|G（jw）|=），相频特性近似为零（？准=0），此时传感器近似一个零阶系统。因此，要想使压电加速度传感器的工作频带加宽，最关键的是提高传感器的无阻尼固有角频率ωn。

（2）当待测加速度角频率ω接近传感器的无阻尼固有角频率ωn，即ω≈ωn时，传感器的幅频特性与相频特性都与阻尼比？灼存在显著关联。通常，对于压电加速度传感器而言，其阻尼比？灼都远小于1，同时一般取ω？垲ωn/10作为传感器的通频带。

综上所述，压电加速度传感器的动态响应特性的优劣主要取决于无阻尼固有角频率ωn或者共振阻尼角频率ωd=，同时通过选取合适的阻尼比？灼也可以改善传感器的动态响应特性。

2 压电加速度传感器方案设计

2.1 傳感器的总体设计

传感器由外壳、加速度敏感组件、前置信号处理器、插座、线缆等组成。外壳主要用于安装、传感器内芯的支撑/保护和信号输出接口；加速度敏感组件主要由高密度质量块、高灵敏度压电元件等组成。敏感组件的功能是敏感加速度，将加速度转化为电荷输出，供给前置信号处理器用。

前置信号处理器包括传感器供电电路、电荷信号放大器、A/D转换器、微控制器以及综合信号输出接口等。其功能是将压电敏感元件的信号进行放大；综合信号输出接口使用插头，其功能是引入电源，输出信号。

2.2 传感器结构设计

基于敏感材料的压电特性，采用PZT-5A作为敏感材料，选用平面剪切型结构，主要由压电片、基座、外壳、质量块组成。平面剪切型压电加速度传感器整体结构爆炸视图见图3。

加速度传感器的有源元件是压电元件。它们像弹簧一样经刚性的长方形中心支柱连接加速度计基座至质量块。当加速度计受振动时，一个等于质量块的加速度与它的质量乘积作用于每一个压电元件上。压电元件产生与受的力成正比的电荷。压电元件I 和压电元件II连接形式为并联。正电荷集中在压电元件I和压电元件II的外表面，两个压电元件的负电荷都集中在中间中心支柱上。输出电压为单个压电元件的电压，电荷量为两个压电元件之和。

2.3 有限元分析

建立有限元模型如图4所示。图5、6、7分别为结构的前三阶模态振形。在对基座进行激励的情况下，进一步通过谐响应分析可以计算得到该结构的总应变能的谐响应曲线如图8所示。从图可以看出，传感器整体结构的第一阶模态频率出现在15KHz附近，在15KHz前，其谐响应曲线非常平坦，表明该结构的响应在15KHz之前不会发生共振现象。

3 工作特性测试与分析

加速度压电传感器的工作特性测试与分析采用比较校准法[3]。其中一个需要校准的被校传感器，另一个则作为参考基准（称为参考传感器或者标注传感器）。把参考基准传感器测得的数据作为标准数据，与被校传感器实测的数据进行对比，以验证被校传感器测得数据的真实性。

首先，给定固定的加速度a=30m/s2，根据传感器的测量范围，在1Hz-10kHz范围内验证被校传感器的准确性，如图9所示。由图可见，在固定的加速度条件下，测定的频率值与参考基准的相关性很好。

然后，给定固定的频率f=160Hz，测量在不同加速度的条件下，传感器的电压输出，如图10所示。根据最小二乘