加速度计的数值仿真与优化

发布时间：2020-07-31 17:37

【摘要】：温度对加速度计输出稳定性的影响非常显著,尤其在高精度加速度计中更为明显而且很难甚至无法进行补偿,从而很多时候加速度计的温变特性往往成为加速度计是否合格的关键因素。这是因为一方面加速度计本身的结构比较复杂、零部件热膨胀系数差距较大;另一方面加速度计是非常精密的电子产品,测量精度非常高,输出对外界温度变化非常敏感。温变特性是加速度计整个研制过程中面临的难题,研究温度变化对加速度计输出的影响规律具有重要的理论意义和工程实践价值。本文针对某加速度计在温度变化环境下输出不重复且稳定性差的现象,对加速度计的温变机理与结构优化进行了相关研究,主要工作如下:(1)详细的阐述了加速度计的工作原理以及它的现状与目前面临的问题;对加速度计的结构进行了剖析;从结构与材料出发,详细的描述了加速度计的结构特性与材料特性,找出了影响加速度计温变特性两个主要的原因。(2)在有限元分析软件中建立了加速度计准确的有限元模型,并且详细的介绍了加速度计的仿真流程和仿真结果的处理;然后分别从加速度计的材料特性与结构特性两方面展开了对加速度计输出不稳定的有限元仿真,较为准确的复现了实测过程中的现象;最后基于仿真结果,考虑加速度计结构的特殊性,对加速度计中高比重合金的高度和角度分别进行了优化,并详细的列出了高比重合金的高度和角度对加速度计输出的影响趋势,最后基于加速度计的结构的可更改性,得出了修改高比重合金角度是优化加速度计温变性能的比较好的方法。(3)基于高分子材料理论,解释了高分子材料的本质属性与加速度计输出不稳定现象之间的关系;推导得到了加速度计中高分子材料本构模型的有限元离散表达式,并且基于ABAQUS二次开发技术编写了 UMAT子程序,为加速度计的高分子材料仿真分析提供了理论依据;最后基于加速度计中关键材料的实验结果,结合加速度计的实际情况,对加速度计进行了高分子材料仿真分析,得到的结果与加速度计的实测值较为符合。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH824.4
【图文】：

反馈电流逡逑图２－１加速度计工作原理图［２］逡逑忽略零件加工、装配几何误差，根据图２－１建立加速度计的简化框图如图２－２逡逑所示，图中省略了补偿网络部分。逡逑ＡＭ逦ｐ逦ＡＣ逡逑Ｕｍ逦￣ｖ＾邋Ｋｏ逦Ｋｓ邋Ｋｖ邋ｈ＾ｉ邋ｋｒ逡逑逦逦逡逑图２－２加速度计简化框图［２］逡逑图中，ａｍ为输入加速度，尺５为摆性，Ａ：为测量组件的角刚度，为电容传逡逑感器传递系数，＆为传感器电桥传递系数为放大电路及ＰＩＤ校正环节总放逡逑大系数，Ａ为采样电阻，将表示为电阻系数，为力矩器系数，在简化框图中逡逑0、Ｍ、ｄ、Ｃ、ｆ／ｔ、ｔ／、／分别为加速度、力矩、测量组件转角、输出电容、传逡逑感器电桥输出电压、放大器输出电压、加速度计输出电流等物理参数，ＡＭ、／？、ＡＣ逡逑为参数转换过程中的微量干扰输入。逡逑当加速度输入为《，？时，由图２．２可推导出加速度计的静态电流／输出为逡逑｜邋［邋（ａｉｎＫＢ邋＋逦＋邋ＡＣ｝邋ＫｓＫｖＫｒ逡逑／邋＝邋１Ｌ逦＾＿＿ｊ逦Ｊ逦＝邋＿＿ｋｂｋ０ｋｓｋｖｋｒ逡逑＼＾ＫｅＫｓＫｕＫＲＫ，逦Ｋ邋＋邋ＫｅＫｓＫｕＫＲＫ，逡逑１ｎｃ）逡逑ａ0ｕ

ｈ邋拟电逡逑＜压输出逡逑反馈电流逡逑图２－１加速度计工作原理图［２］逡逑忽略零件加工、装配几何误差，根据图２－１建立加速度计的简化框图如图２－２逡逑所示，图中省略了补偿网络部分。逡逑ＡＭ逦ｐ逦ＡＣ逡逑Ｕｍ逦￣ｖ＾邋Ｋｏ逦Ｋｓ邋Ｋｖ邋ｈ＾ｉ邋ｋｒ逡逑逦逦逡逑图２－２加速度计简化框图［２］逡逑图中，ａｍ为输入加速度，尺５为摆性，Ａ：为测量组件的角刚度，为电容传逡逑感器传递系数，＆为传感器电桥传递系数为放大电路及ＰＩＤ校正环节总放逡逑大系数，Ａ为采样电阻，将表示为电阻系数，为力矩器系数，在简化框图中逡逑0、Ｍ、ｄ、Ｃ、ｆ／ｔ、ｔ／、／分别为加速度、力矩、测量组件转角、输出电容、传逡逑感器电桥输出电压、放大器输出电压、加速度计输出电流等物理参数，ＡＭ、／？、ＡＣ逡逑为参数转换过程中的微量干扰输入。逡逑当加速度输入为《，？时，由图２．２可推导出加速度计的静态电流／输出为逡逑｜邋［邋（ａｉｎＫＢ邋＋逦＋邋ＡＣ｝邋ＫｓＫｖＫｒ逡逑／邋＝邋１Ｌ逦＾＿＿ｊ逦Ｊ逦＝邋＿＿ｋｂｋ０ｋｓｋｖｋｒ逡逑＼＾ＫｅＫｓＫｕＫＲＫ

２．４加速度计的结构特性逡逑加速度计由外壳、测量组件、电容组件、磁场组件、信号处理电路组成，如逡逑图２－３所示。逡逑逦邋逦邋｜球面碟赞逡逑，逦｜逦＿板逡逑装配体示意图邋｜邋Ｍ钢体｜逡逑ｗ逡逑图２－３加速度计的三维模型图［２）逡逑其中测量组件是挠性加速度计中的核心组件，它由感应器、高比重合金、轻逡逑质合金、高分子材料以及树脂胶粘剂组成，感应器是测量组件中的核心部件，以逡逑硅为主要材料，利用干法刻蚀、湿法腐蚀、等ＭＥＭＳ制造工艺进行加工。逡逑感应器由可动部分与固定部分组成，当高比重合金感应到加速度时，由于感逡逑应器两端力矩大小不同，从而使可动部分发生转动，感应器与电容组件一起组成逡逑差分电容器，当可动组件发生转动，差分电容器就会有输出，根据可动组件转动逡逑的角度可以测量出输入加速度的大小。逡逑上面详细介绍了加速度计中关键零组件的结构。零组件需要通过装配结合成逡逑一个整体才能发挥作用

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 何江波;谢进;何晓平;杜连明;周吴;;电容式微加速度计的刻度温漂的半解析模型[J];传感技术学报;2016年01期

2 李新;薛阳;李春风;;SiO_2-Si_3N_4-SiO_2复合梁谐振式压力传感器结构设计与分析[J];仪表技术与传感器;2015年08期

3 CHEN Yuzhen;XIE Fugui;LIU Xinjun;ZHOU Yanhua;;Error Modeling and Sensitivity Analysis of a Parallel Robot with SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm) Motions[J];Chinese Journal of Mechanical Engineering;2014年04期

4 王帆;董景新;赵淑明;严斌;;硅微振梁式加速度计抗温漂的微结构及工艺设计[J];中国惯性技术学报;2014年02期

5 张霞;;微机械加速度计的研究现状综述[J];功能材料与器件学报;2013年06期

6 游侠飞;吴昌聚;郑阳明;金仲和;;基于有限元法的MEMS加速度计热应力分析[J];传感技术学报;2012年02期

7 王蓬勃;王政时;鞠玉涛;孙朝翔;许进升;;双基推进剂高应变率型本构模型的实验研究[J];固体火箭技术;2012年01期

8 许进升;鞠玉涛;郑健;韩波;;复合固体推进剂松弛模量的获取方法[J];火炸药学报;2011年05期

9 代刚;李枚;杜连明;何晓平;苏伟;邵贝贝;;微加速度计启动漂移特性研究与实验[J];传感技术学报;2011年10期

10 曹友强;邓兆祥;王攀;李军;;阻尼减振材料滞弹性位移场模型参数寻优及其应用[J];振动与冲击;2011年08期

相关会议论文 前1条

1 张帆;王强;;ABAQUS用户材料子程序(UMAT)浅谈[A];土木工程建造管理（4）[C];2009年

相关博士学位论文 前6条

1 何江波;电容式微加速度计的热稳定性研究[D];西南交通大学;2016年

2 张习文;微小型加速度计的精密装配及影响性能的因素研究[D];大连理工大学;2013年

3 余丙军;单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的形成、机理及应用研究[D];西南交通大学;2012年

4 陈明祥;基于感应加热的MEMS封装技术与应用研究[D];华中科技大学;2006年

5 赵春华;基于摩擦学与动力学的摩擦学系统状态描述方法研究[D];武汉理工大学;2005年

6 戴春来;参数化设计理论的研究[D];南京航空航天大学;2002年

相关硕士学位论文 前2条

1 游侠飞;MEMS加速度计温度场及残余应力模型研究[D];浙江大学;2012年

2 杨曼娟;ABAQUS用户材料子程序开发及应用[D];华中科技大学;2005年

本文编号：2776786