剪切式高温压电加速度传感器设计及性能模拟
发布时间：2020-12-08 05:02
测振传感器的形式多种多样,压电式加速度传感器约占测振传感器的80%,随着科学技术的发展,原子能、冶炼、航空航天、化工等许多领域都急需高温用测振传感器,尤其是国产大飞机的研制,对高温用压电加速度传感器有更大的需求,而剪切式压电加速度传感器灵敏度和频响都很高,剪切式的敏感元件有效地隔离了基座应变,感受到的来自基座的干扰信号较小,测试精度更高,而且横向灵敏度比压缩式传感器小得多,更加适用于军工应用。但国内对剪切式高温压电加速度传感器设计理论和设计方法的研究存在较大的不足:动力学模型中对切向接触刚度的处理不精确,没有形成一种完善的压电加速度传感器建模方法;对螺栓预紧力的研究停留在原因分析阶段,未分析预紧力对传感器性能的影响,未在高温条件下确定合适的初始预紧力的大小;有限元模态分析仅用于评估传感器的性能方面,没有将模态分析法应用于传感器结构参数优化设计方面;未总结出一种完善的剪切式高温压电加速度传感器设计方法。由于这些设计理论和设计方法的不足,目前国内还没有可以承受50℃以上温度、各项性能达到要求的剪切式压电加速度传感器成熟产品。本论文基于课题组对压缩式高温压电加速度传感器较为成熟的研究,从传感...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１高温压电加速度传感器应用领域??
?第１章绪论???特性，其工作温度不超过５００°Ｃ，而且其固有频率较低，工作频率上限仅有４０００Ｈｚ。??Ｅｎｄｅｖｃｏ公司叩１研发了隔离剪切和环形剪切压电加速度传感器，采用铌酸锂晶体??作为压电敏感元件，最高温度可达７６０°Ｃ，但由于铌酸锂材料的温度特性，该传??感器难以在高温下长时间稳定工作。而且该传感器的工作频率上限较低，限制了??其在更高频率范围内加速度测试的应用。综上所述，这些公司研发的剪切式加速??度传感器无法兼顾较高的固有频率和较高的工作温度，即当传感器有较高固有频??率时无法满足高温需求，当传感器可在高温下稳定工作时不能满足固有频率的要??求。??微块严??ｉｃｍ??三舟屮心??图１－２三角剪切式压电加速度传感器结构??Ｋｙｕｎｇｒｉｍ?Ｋｉｍａ等人１７５１设计了一种剪切式高温压电加速度传感器，其结构如??图１－３所示，该传感器采用ＹＣＯＢ晶体作为压电敏感元件，温度稳定性较好。对??该传感器进行了有限元模拟和实验测试后发现，其工作频率上限可达１．６ｋＨｚ，??灵敏度可达５．９ｐＣ／ｇ，同时该传感器在最高１２５０°Ｃ的环境下可稳定工作。但该传??感器结构小紧凑，空间体积较大，在某些测振场所较难安装。??＾惯性块■??Ｉ电賴振动杆Ｉ??图丨－３基Ｆ?ＹＣＯＢ的高温剪切式压电加速度传感器??
?山东大学硕士学位论文???我国自上个世纪６０年代才开始对高温压电加速度传感器展幵一些研究工作，??与国外存在较大的差距。新世纪以来，国内一些学者积极开展剪切式高温压电加??速度传感器的研究工作，包括高温压电晶体的制备，相关的理论研究以及设计制??造，环境测试工作等，并研发出了一系列性能优异的剪切式压电加速度传感器产??品＿。??顾宝龙［８７］、毛世杰１８８１以及潘睿［７３］等人都对压电加速度传感器进行了大量的??设计工作，研发出了很多性能较好的压电加速度传感器产品。如图１－４所示为一??种剪切式高温压电加速度传感器，选用铌酸锂晶体作为压电敏感元件，该传感器??采用了惰性气体密封工艺，可以有效地预防高温时压电片的氧化失效，使传感器??在高温下工作时有较高的精度和可靠性，其工作温度可达５５０°Ｃ，有较高的固有??频率和灵敏度，但该传感器的压电片直接与基座接触，未能解决基座应变灵敏度??的问题，潘睿设计的压缩式高温压电加速度传感器也存在基座千扰较大的问题。??毛世杰等人设计了一种剪切型压电加速度传感器，并对传感器进行了模态分析与??动态响应分析，并对最终设计的传感器进行了实验测试，发现该传感器的灵敏度??与固有频率较高，但其压电材料不能满足高温环境测试的应用。压电加速度传感??器的发展方向为高温、高固有频率、高灵敏度、高精度，但上述学者设计的传感??器无法同时兼顾这些需求。??报电兀件?惯性块??安焚孔?预紧螺Ｕ??图１－４基于铌酸锂晶体的剪切式加速度传感器ａ??为满足压电加速度传感器高温、高固有频率、高灵敏度、高精度的发展需求，??有必要对传感器的动力学模型、有限元分析方法、测试性能以及结构等方面进行??
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种压缩式压电冲击振动传感器设计[J]. 陈玉伟,黄宝民,张润发. 日用电器. 2019(01)
[2]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[J]. 毛世杰,雷体高,王燕山,刘德峰,黄漫国. 科技创新与应用. 2018(33)
[3]高温压电材料、器件与应用[J]. 吴金根,高翔宇,陈建国,王春明,张树君,董蜀湘. 物理学报. 2018(20)
[4]压电力传感器晶片与电极接触刚度影响研究[J]. 金雷,贾振元,刘巍. 机械工程学报. 2016(22)
[5]加速度传感器壳体结构参数优化[J]. 褚雷阳,于德润,刘宝伟,丁钟凯,符兴宇. 传感器与微系统. 2014(12)
[6]基于铌酸锂的高温压电加速度传感器设计[J]. 顾宝龙,赵振平,陈浩远,闫旭,陈佳璧,郭子昂. 中国测试. 2017(11)
[7]高温压电复合材料换能器[J]. 陈秋颖,王秀明,王小民. 科学通报. 2014(32)
[8]非线性光学晶体YCOB的性能表征[J]. 潘忠奔,蔡华强,黄辉,于浩海,张怀金,王继扬. 强激光与粒子束. 2014(07)
[9]一种结合面法向接触刚度计算模型的构建[J]. 庄艳,李宝童,洪军,杨国庆,朱林波,刘会静. 上海交通大学学报. 2013(02)
[10]磷酸镓晶体物理性质及本征点缺陷的研究[J]. 李妍,刘廷禹,赵朝珍. 人工晶体学报. 2012(05)
博士论文
[1]基于分形理论的机械结合部接触特性参数研究[D]. 刘文威.华中科技大学 2016
[2]高温压电晶体的生长、性能表征和应用研究[D]. 于法鹏.山东大学 2011
[3]氮化铝陶瓷及其表面金属化研究[D]. 刘志平.天津大学 2008
硕士论文
[1]压缩式高温压电加速度传感器设计与性能研究[D]. 潘睿.山东大学 2019
[2]基于CTGS和YCOB晶体的高温压电加速度计灵敏度和温漂特性研究[D]. 孔令枫.厦门大学 2018
[3]高温压电传感器性能仿真有限元分析[D]. 李吉.西南交通大学 2016
[4]CTGS压电单晶的坩埚下降法生长及振动传感应用基础研究[D]. 王贺伟.山东大学 2016
[5]BMT-PT基高温压电陶瓷的制备及其性能研究[D]. 晁波.陕西师范大学 2014
[6]螺栓接触刚度的计算分析与实验研究[D]. 田建勇.大连理工大学 2014
[7]基于压电敏感材料的加速度传感器设计及其动态特性分析[D]. 张杰.东北大学 2013
[8]压电加速度传感器安装谐振频率分析及应用[D]. 唐国明.华中科技大学 2006
本文编号：2904503
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１高温压电加速度传感器应用领域??
?第１章绪论???特性，其工作温度不超过５００°Ｃ，而且其固有频率较低，工作频率上限仅有４０００Ｈｚ。??Ｅｎｄｅｖｃｏ公司叩１研发了隔离剪切和环形剪切压电加速度传感器，采用铌酸锂晶体??作为压电敏感元件，最高温度可达７６０°Ｃ，但由于铌酸锂材料的温度特性，该传??感器难以在高温下长时间稳定工作。而且该传感器的工作频率上限较低，限制了??其在更高频率范围内加速度测试的应用。综上所述，这些公司研发的剪切式加速??度传感器无法兼顾较高的固有频率和较高的工作温度，即当传感器有较高固有频??率时无法满足高温需求，当传感器可在高温下稳定工作时不能满足固有频率的要??求。??微块严??ｉｃｍ??三舟屮心??图１－２三角剪切式压电加速度传感器结构??Ｋｙｕｎｇｒｉｍ?Ｋｉｍａ等人１７５１设计了一种剪切式高温压电加速度传感器，其结构如??图１－３所示，该传感器采用ＹＣＯＢ晶体作为压电敏感元件，温度稳定性较好。对??该传感器进行了有限元模拟和实验测试后发现，其工作频率上限可达１．６ｋＨｚ，??灵敏度可达５．９ｐＣ／ｇ，同时该传感器在最高１２５０°Ｃ的环境下可稳定工作。但该传??感器结构小紧凑，空间体积较大，在某些测振场所较难安装。??＾惯性块■??Ｉ电賴振动杆Ｉ??图丨－３基Ｆ?ＹＣＯＢ的高温剪切式压电加速度传感器??
?山东大学硕士学位论文???我国自上个世纪６０年代才开始对高温压电加速度传感器展幵一些研究工作，??与国外存在较大的差距。新世纪以来，国内一些学者积极开展剪切式高温压电加??速度传感器的研究工作，包括高温压电晶体的制备，相关的理论研究以及设计制??造，环境测试工作等，并研发出了一系列性能优异的剪切式压电加速度传感器产??品＿。??顾宝龙［８７］、毛世杰１８８１以及潘睿［７３］等人都对压电加速度传感器进行了大量的??设计工作，研发出了很多性能较好的压电加速度传感器产品。如图１－４所示为一??种剪切式高温压电加速度传感器，选用铌酸锂晶体作为压电敏感元件，该传感器??采用了惰性气体密封工艺，可以有效地预防高温时压电片的氧化失效，使传感器??在高温下工作时有较高的精度和可靠性，其工作温度可达５５０°Ｃ，有较高的固有??频率和灵敏度，但该传感器的压电片直接与基座接触，未能解决基座应变灵敏度??的问题，潘睿设计的压缩式高温压电加速度传感器也存在基座千扰较大的问题。??毛世杰等人设计了一种剪切型压电加速度传感器，并对传感器进行了模态分析与??动态响应分析，并对最终设计的传感器进行了实验测试，发现该传感器的灵敏度??与固有频率较高，但其压电材料不能满足高温环境测试的应用。压电加速度传感??器的发展方向为高温、高固有频率、高灵敏度、高精度，但上述学者设计的传感??器无法同时兼顾这些需求。??报电兀件?惯性块??安焚孔?预紧螺Ｕ??图１－４基于铌酸锂晶体的剪切式加速度传感器ａ??为满足压电加速度传感器高温、高固有频率、高灵敏度、高精度的发展需求，??有必要对传感器的动力学模型、有限元分析方法、测试性能以及结构等方面进行??
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种压缩式压电冲击振动传感器设计[J]. 陈玉伟,黄宝民,张润发. 日用电器. 2019(01)
[2]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[J]. 毛世杰,雷体高,王燕山,刘德峰,黄漫国. 科技创新与应用. 2018(33)
[3]高温压电材料、器件与应用[J]. 吴金根,高翔宇,陈建国,王春明,张树君,董蜀湘. 物理学报. 2018(20)
[4]压电力传感器晶片与电极接触刚度影响研究[J]. 金雷,贾振元,刘巍. 机械工程学报. 2016(22)
[5]加速度传感器壳体结构参数优化[J]. 褚雷阳,于德润,刘宝伟,丁钟凯,符兴宇. 传感器与微系统. 2014(12)
[6]基于铌酸锂的高温压电加速度传感器设计[J]. 顾宝龙,赵振平,陈浩远,闫旭,陈佳璧,郭子昂. 中国测试. 2017(11)
[7]高温压电复合材料换能器[J]. 陈秋颖,王秀明,王小民. 科学通报. 2014(32)
[8]非线性光学晶体YCOB的性能表征[J]. 潘忠奔,蔡华强,黄辉,于浩海,张怀金,王继扬. 强激光与粒子束. 2014(07)
[9]一种结合面法向接触刚度计算模型的构建[J]. 庄艳,李宝童,洪军,杨国庆,朱林波,刘会静. 上海交通大学学报. 2013(02)
[10]磷酸镓晶体物理性质及本征点缺陷的研究[J]. 李妍,刘廷禹,赵朝珍. 人工晶体学报. 2012(05)
博士论文
[1]基于分形理论的机械结合部接触特性参数研究[D]. 刘文威.华中科技大学 2016
[2]高温压电晶体的生长、性能表征和应用研究[D]. 于法鹏.山东大学 2011
[3]氮化铝陶瓷及其表面金属化研究[D]. 刘志平.天津大学 2008
硕士论文
[1]压缩式高温压电加速度传感器设计与性能研究[D]. 潘睿.山东大学 2019
[2]基于CTGS和YCOB晶体的高温压电加速度计灵敏度和温漂特性研究[D]. 孔令枫.厦门大学 2018
[3]高温压电传感器性能仿真有限元分析[D]. 李吉.西南交通大学 2016
[4]CTGS压电单晶的坩埚下降法生长及振动传感应用基础研究[D]. 王贺伟.山东大学 2016
[5]BMT-PT基高温压电陶瓷的制备及其性能研究[D]. 晁波.陕西师范大学 2014
[6]螺栓接触刚度的计算分析与实验研究[D]. 田建勇.大连理工大学 2014
[7]基于压电敏感材料的加速度传感器设计及其动态特性分析[D]. 张杰.东北大学 2013
[8]压电加速度传感器安装谐振频率分析及应用[D]. 唐国明.华中科技大学 2006
本文编号：2904503
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