基于PZT管支撑结构的三轴加速度计设计及实验误差分析
发布时间：2021-11-01 02:14
以提升毫米尺度三轴压电加速度计灵敏度为目标,设计了以3个长度12 mm轴向极化的PZT管作为敏感和支撑结构的三轴加速度计,给出了空间加速度信号的解算方法。通过3个PZT管关于器件结构中心轴对称布置,该加速度计实现了对三轴加速度大小和方向的精确解算。数值仿真得到了3个PZT管在[100, 1 000]Hz加速度的输出电压幅频特性曲线及器件三轴灵敏度。研制了三轴传感器样件,实验表明其x、y、z轴灵敏度分别为535、541、542 mV/g,三轴灵敏度标准差为3.8。系统分析了加工误差对实验结果的影响程度,分析并解释了实验与仿真数值间存在误差的原因,为三轴加速度计敏感与支撑结构的一体化设计提供了借鉴。
【文章来源】：仪器仪表学报. 2020,41(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
带电极PZT管
采用工艺成熟的商用PZT管作为三轴加速度计的敏感和支撑结构。加速度计的标准模型和实物如图2所示。该加速度计由3个轴向极化的平行PZT管、1个圆柱形铜块和电极组成。3个PZT管关于结构中心轴对称,且底部分别为正电极1、2、3,顶部共负极。采用银浆分别将PZT管、铜块、底座、导线互为连接。采用θ1和θ2描述三轴加速度的方向。具体结构参数如表1所示。
为了验证第3节中解算方法的准确性,采用该解算方法对表2中数据进行解算,结果如表3所示。由标准电压解算得到的电压矢量大小和方向验证了解算方法的有效性。由实验数值解算得到的x、y、z轴灵敏度分别为535、541、542 mV/g,三轴灵敏度标准差为3.8。在x、y轴加速度下由实验数值解算的θ1误差分别为1.8°和1.4°,θ2误差分别为0.2°和0.4°。在z轴加速度下由实验数值解算θ1误差为0.2°,θ2误差为41.7°。因为z轴加速度下的θ1解算误差相对较小,即可以判断出加速度基本沿z轴方向,虽然解算θ2出现较大误差,但对矢量方向判断影响不大。表3 三PZT管输出电压解算出的电压矢量大小和角度Table 3 The ratio of output voltages and axial strains of three PZT tubes of accelerometers under accelerations in x, y, z axes respectively 数值 加速度方向 灵敏度Sc(电压矢量大小)/(mV/g) 电压矢量方向/(°) θ1(俯仰角) θ2(方位角) 标准电压(COMSOL) x轴 622 90.0 0.0 y轴 622 90.0 90.0 z轴 622 0.0 - 实验 x轴 535 88.2 0.2 y轴 541 88.6 89.6 z轴 542 0.2 41.7
【参考文献】：
期刊论文
[1]预紧式并联六维加速度传感器的解耦算法研究[J]. 尤晶晶,李成刚,吴洪涛,严飞,王进. 仪器仪表学报. 2017(05)
[2]压力传感器加速度效应的系统辨识与建模研究[J]. 许富景,马铁华,李新娥. 仪器仪表学报. 2015(06)
[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)
本文编号：3469323
【文章来源】：仪器仪表学报. 2020,41(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
带电极PZT管
采用工艺成熟的商用PZT管作为三轴加速度计的敏感和支撑结构。加速度计的标准模型和实物如图2所示。该加速度计由3个轴向极化的平行PZT管、1个圆柱形铜块和电极组成。3个PZT管关于结构中心轴对称,且底部分别为正电极1、2、3,顶部共负极。采用银浆分别将PZT管、铜块、底座、导线互为连接。采用θ1和θ2描述三轴加速度的方向。具体结构参数如表1所示。
为了验证第3节中解算方法的准确性,采用该解算方法对表2中数据进行解算,结果如表3所示。由标准电压解算得到的电压矢量大小和方向验证了解算方法的有效性。由实验数值解算得到的x、y、z轴灵敏度分别为535、541、542 mV/g,三轴灵敏度标准差为3.8。在x、y轴加速度下由实验数值解算的θ1误差分别为1.8°和1.4°,θ2误差分别为0.2°和0.4°。在z轴加速度下由实验数值解算θ1误差为0.2°,θ2误差为41.7°。因为z轴加速度下的θ1解算误差相对较小,即可以判断出加速度基本沿z轴方向,虽然解算θ2出现较大误差,但对矢量方向判断影响不大。表3 三PZT管输出电压解算出的电压矢量大小和角度Table 3 The ratio of output voltages and axial strains of three PZT tubes of accelerometers under accelerations in x, y, z axes respectively 数值 加速度方向 灵敏度Sc(电压矢量大小)/(mV/g) 电压矢量方向/(°) θ1(俯仰角) θ2(方位角) 标准电压(COMSOL) x轴 622 90.0 0.0 y轴 622 90.0 90.0 z轴 622 0.0 - 实验 x轴 535 88.2 0.2 y轴 541 88.6 89.6 z轴 542 0.2 41.7
【参考文献】：
期刊论文
[1]预紧式并联六维加速度传感器的解耦算法研究[J]. 尤晶晶,李成刚,吴洪涛,严飞,王进. 仪器仪表学报. 2017(05)
[2]压力传感器加速度效应的系统辨识与建模研究[J]. 许富景,马铁华,李新娥. 仪器仪表学报. 2015(06)
[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)
本文编号：3469323
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