一种基于双压电晶片的低噪声加速度计
发布时间：2021-08-06 03:27
针对航空矢量声纳浮标对低噪声、低成本、小体积惯性传感器的需求,研究了一种基于双压电晶片的双轴压差分式压电加速度计。首先从理论上分析了矢量水听器中加速度计的工作模式,基于压电加速度计自噪声模型,提出了利用双压电晶片与独立质量块结构实现低噪声加速度计的方法;通过有限元方法对加速度计的灵敏度和谐振频率开展优化设计,确定了加速度计各部件的结构参数;根据优化结果研制了一只加速度计样机及前置放大电路。样机测试结果表明,该压电加速度计整体尺寸为56 mm×56 mm×35 mm,一阶谐振频率约为7.4 kHz,两个轴向的灵敏度分别为1556 pC/g及1363 pC/g（100 Hz）,横向灵敏度小于轴向灵敏度的2%。压电加速度计的自噪声为38 ng/Hz1/2(1 kHz,等效噪声声压级为39 dB/Hz1/2),低于零级海况下的海洋环境噪声。
【文章来源】：中国惯性技术学报. 2020,28(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
加速度式惯性矢量水听器的测量原理
信噪比成正比，但当双压电晶片的热噪声占主要时，优值系数用式(5)表示2222tan1tanafsamCkMk(5)式(4)和(5)的结果和式(2)一致，表明通过提高机电耦合系数、降低介质损耗因子、增大检测质量可以有效改善双压电晶片输出信噪比，但是增大系统带宽和提高信噪比是矛盾的，因此，可以通过增大外置质量提高信噪比。另一方面，如果以电荷为输出对象，则通过增大静态电容，也可以提高信噪比水平。2.2加速度计组成本文研究的加速度计由双压电晶片、质量块、预应力螺钉、加速度计基座以及压盖，如图4所示。四片压电晶片构成双轴差分结构，使加速度计具有较高的轴向灵敏度，较低的横向灵敏度，能有效消除矢量水听器自身转动引起的角加速度干扰和共模干扰。加速度计基座质量块压盖PZT5金属背衬预应力螺钉PZT5背衬刚性支撑质量块图4双压电晶片式加速度计结构图Fig.4Structuraldiagramofpiezoelectricbimorph-basedaccelerometer2.3有限元仿真与优化利用有限元方法对图4所示的加速度计进行优化设计，设计后各部件参数如表1所示。表1加速度计零件规格与参数Tab.1Specificationsandparametersoftheaccelerometercomponents零件名称尺寸/（mm）质量/g材质加速度计基座56×56×35108.3铝合金质量块28×8×1671.4黄铜金属背衬28×4×315.3黄铜压电圆片22×8×12.5PZT5预应力螺钉M4×121.9不锈钢压盖28×263.8铝合金为避免幅度响应出现峰值，加速度计的最大工作频率一般要低于一阶谐振频率的一半。本文的加速度计频率上限的设计指标为2.5kHz，对应的一阶谐振频率要求不低于5kHz。加速度计结构有限元方法优化结果如图5所示，一阶谐振频率为6.8kHz，
-472-中国惯性技术学报第28卷两片压电圆片的开路电荷灵敏度在5Hz～2.5kHz范围内基本保持一致，起伏小于1.2dB。101102103104-2000-1000010002000外外PZT内外PZT图5加速度计一阶模态及电荷灵敏度曲线Fig.5Firstordermodeofaccelerationandchargesensitivitycurve3装配与测试3.1压电晶片电容值测试首先保持两片压电陶瓷片的极化方向一致，采用并联连接方式对压电晶片进行粘接。粘接后由于导电胶层的存在，导致粘接后压电圆片的电容量降低了1nF左右，相对误差保持在2.5dB以内，如表2所示。表2压电元件电容测试结果(f=1kHz)Tab.2Capacitancemeasurementresultsofpiezoelectricelements(f=1kHz)双压电晶片压电圆片粘接前(nF)粘接后(nF)误差(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加速度计测试首先使用螺钉将四片压电晶片和黄铜质量块固定在加速度计基座内，再通过压盖进一步固定压电晶片，实现边沿固定的条件，压电加速度计的整体尺寸为56mm×56mm×35mm，如图6所示。图6加速度计样机及零件实物照片Fig.6Photographofaccelerometerprototypeanditsassemblies在装配过程中，由于组件之间连接的刚性降低，所以加速度计实际的谐振频率一般略低于有限元方法计算的结果，因此需要通过螺钉施加预应力，调整加速度计的谐振频率和灵敏度，并使差分通道性能基本一致。经阻抗测试，最终装配完成的加速度计的一阶谐振频率为7.4kHz，如图7所示。0246810-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4-X+X归归/Hz0246810-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4-Y+Y
【参考文献】：
期刊论文
[1]压电矢量传感器的低噪声设计[J]. 李智,杨士莪,陈洪娟. 声学学报. 2018(04)
[2]基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计[J]. 笪良龙,孙芹东,王文龙,王超. 中国惯性技术学报. 2016(04)
[3]压电加速度计本底噪声研究[J]. 陈毅强,王玉田,李泓锦,唐旭晖,严冰. 仪器仪表学报. 2015(04)
[4]旋转加速度计重力梯度仪前放电路的分析与设计[J]. 丁昊,蔡体菁. 中国惯性技术学报. 2014(03)
[5]弛豫铁电单晶弯曲梁矢量水听器研究[J]. 尹义龙,李俊宝,邢建新,吕可佳. 声学学报. 2014(02)
本文编号：3324977
【文章来源】：中国惯性技术学报. 2020,28(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
加速度式惯性矢量水听器的测量原理
信噪比成正比，但当双压电晶片的热噪声占主要时，优值系数用式(5)表示2222tan1tanafsamCkMk(5)式(4)和(5)的结果和式(2)一致，表明通过提高机电耦合系数、降低介质损耗因子、增大检测质量可以有效改善双压电晶片输出信噪比，但是增大系统带宽和提高信噪比是矛盾的，因此，可以通过增大外置质量提高信噪比。另一方面，如果以电荷为输出对象，则通过增大静态电容，也可以提高信噪比水平。2.2加速度计组成本文研究的加速度计由双压电晶片、质量块、预应力螺钉、加速度计基座以及压盖，如图4所示。四片压电晶片构成双轴差分结构，使加速度计具有较高的轴向灵敏度，较低的横向灵敏度，能有效消除矢量水听器自身转动引起的角加速度干扰和共模干扰。加速度计基座质量块压盖PZT5金属背衬预应力螺钉PZT5背衬刚性支撑质量块图4双压电晶片式加速度计结构图Fig.4Structuraldiagramofpiezoelectricbimorph-basedaccelerometer2.3有限元仿真与优化利用有限元方法对图4所示的加速度计进行优化设计，设计后各部件参数如表1所示。表1加速度计零件规格与参数Tab.1Specificationsandparametersoftheaccelerometercomponents零件名称尺寸/（mm）质量/g材质加速度计基座56×56×35108.3铝合金质量块28×8×1671.4黄铜金属背衬28×4×315.3黄铜压电圆片22×8×12.5PZT5预应力螺钉M4×121.9不锈钢压盖28×263.8铝合金为避免幅度响应出现峰值，加速度计的最大工作频率一般要低于一阶谐振频率的一半。本文的加速度计频率上限的设计指标为2.5kHz，对应的一阶谐振频率要求不低于5kHz。加速度计结构有限元方法优化结果如图5所示，一阶谐振频率为6.8kHz，
-472-中国惯性技术学报第28卷两片压电圆片的开路电荷灵敏度在5Hz～2.5kHz范围内基本保持一致，起伏小于1.2dB。101102103104-2000-1000010002000外外PZT内外PZT图5加速度计一阶模态及电荷灵敏度曲线Fig.5Firstordermodeofaccelerationandchargesensitivitycurve3装配与测试3.1压电晶片电容值测试首先保持两片压电陶瓷片的极化方向一致，采用并联连接方式对压电晶片进行粘接。粘接后由于导电胶层的存在，导致粘接后压电圆片的电容量降低了1nF左右，相对误差保持在2.5dB以内，如表2所示。表2压电元件电容测试结果(f=1kHz)Tab.2Capacitancemeasurementresultsofpiezoelectricelements(f=1kHz)双压电晶片压电圆片粘接前(nF)粘接后(nF)误差(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加速度计测试首先使用螺钉将四片压电晶片和黄铜质量块固定在加速度计基座内，再通过压盖进一步固定压电晶片，实现边沿固定的条件，压电加速度计的整体尺寸为56mm×56mm×35mm，如图6所示。图6加速度计样机及零件实物照片Fig.6Photographofaccelerometerprototypeanditsassemblies在装配过程中，由于组件之间连接的刚性降低，所以加速度计实际的谐振频率一般略低于有限元方法计算的结果，因此需要通过螺钉施加预应力，调整加速度计的谐振频率和灵敏度，并使差分通道性能基本一致。经阻抗测试，最终装配完成的加速度计的一阶谐振频率为7.4kHz，如图7所示。0246810-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4-X+X归归/Hz0246810-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4-Y+Y
【参考文献】：
期刊论文
[1]压电矢量传感器的低噪声设计[J]. 李智,杨士莪,陈洪娟. 声学学报. 2018(04)
[2]基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计[J]. 笪良龙,孙芹东,王文龙,王超. 中国惯性技术学报. 2016(04)
[3]压电加速度计本底噪声研究[J]. 陈毅强,王玉田,李泓锦,唐旭晖,严冰. 仪器仪表学报. 2015(04)
[4]旋转加速度计重力梯度仪前放电路的分析与设计[J]. 丁昊,蔡体菁. 中国惯性技术学报. 2014(03)
[5]弛豫铁电单晶弯曲梁矢量水听器研究[J]. 尹义龙,李俊宝,邢建新,吕可佳. 声学学报. 2014(02)
本文编号：3324977
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