应变式三维加速度传感器的设计研究.pdf

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1、2013年仪表技术与传感器2013第6期InstrumentTechniqueandSensorⅣ0．6应变式三维加速度传感器的设计研究邵毅敏，王辉，刘静(重庆大学，机械传动国家重点实验室，重庆400030)摘要：基于惯性式加速度传感器原理，采用质量块与弹性元件串并联的结构，提出了一种应变式三维加速度传感器。建立了应变式三维加速度传感器的动力学模型，运用正交试验法，优选了参数选择方案。分析了传感器结构参数对传感器固有频率和灵敏度及其综合性能指标的影响，获得了传感器三维动态响应曲线，并利用有限元方法对传

2、感器的动态响应性能进行了仿真分析。仿真结果表明：新型应变式三维加速度传感器具有良好的低频特性，能有效提取轴承低频振动信号，且结构简单、成本低廉，易于加工装配，可用于轴承运行状态的监测与故障诊断领域。关键词：应变式；传感器；三维加速度；结构设计中图分类号：TP212．1文献标识码：A文章编号：1002—1841(2013)06—0016—04DesignandResearchofThree-dimensionAccelerationSensorBasedonMeasuringStrainSHAOYi—m

3、in，WANGHui，LIUJing(StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission，ChongqingUniversity，Chongqing400030，China)Abstract：Basedonthemeasuringprincipleofinertiaaccelerationsensor，anewstructureofstrainthree—dimension(3D)ac—celerationsensorwasproposedwhichWascompos

4、edbymassandelasticcomponentsinaseries—parallelconnection．Throughthees—tablishmentofthesensordynamicsmodel，theoptimumparameterswereselectedbyorthogonalexperimentmethod．Theinfluenceofstructuralparametersonthesensitivityandnatural~equencyandthe3Ddynamicres

5、ponseofthesensorWasanalyzedbasedonthedynamicsequation，andthe3Ddynamicresponseofthesensorwasanalyzedbyfiniteelementmethod(FEM)．Thesimulationresultsshowthenewstrain3Daccelerationsensorhasgoodlow~equencycharacteristicswhichcanextractthelow~equencyvibra-tio

6、nsignalofbearingefectively．AnditbenefitsalotbetweenthelowcostandeasytOmanufactureandassemble，whichcanbeusedinbearingconditionmonitoringandfaultdiagnosisfield．Keywords：strain；sensor；three—axisacceleration；structuredesign0引言1应变式三维加速度传感器的结构轴承是机械设备传动及动力系统的关

7、键部件。旋转机械应变式三维加速度传感器结构如图1所示。应变式三维的许多故障都与滚动轴承有关，据统计，旋转机械的故障有加速度传感器由质量块m。、m：、m，和及圆柱形等截面弹性梁30％是由轴承引起的。轴承的工作状态对机器的工作状态有l、1：、l的串并联结构组成，弹性元件的固定端与壳体固结，其很大影响，其缺陷会导致设备产生异常振动和噪声，甚至造成自由端与质量块连接。设备损坏一2J。因此轴承状态的检测对于发现轴承早期故障，质量块l避免重大安全事故与经济损失具有重要意义。轴承状态监测与故障诊断方法中，基于监测振

8、动信号的方法应用得最广泛。。目前，大多采用一维加速度传感器获取轴承的振动信号。对于测量轴承低频振动的应变式二维加速度传感器通过弹性元件弯曲变形测量轴承两个方向的振动加速度j。而三维加速度传感器主要朝压电式、电容式，及图1应变式三维加速度传感器结构简图新型应变式三维加速度传感器的应变片布置及三维关系，MEMS方向发展，其研制成本较高。如图2所示。在弹性元件1．靠近固定端的外圆柱面上，沿轴线针对目前轴承状态监测存在的问题，文中提出了一种新型应变式三维加速度传