大量程高频响压电加速度传感器设计技术研究

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1、目前，国内研制的高冲击压电加速度传感器的性能受材料、结构、工艺和安装等因素的影响，量程和上限频率难以得到提高，从而导致在高冲击下测量的线性度较差。现在国内研制的压电传感器样机可测量的最大冲击加速度为1OO,OOOg，安装谐振频率约为9.5kHz，线性度为10%，还不能完全满足工程使用的要求。因此，为了满足高速碰撞测试和常规触发引信用压电加速度传感器的要求，本文研究提高压电加速度传感器的量程和频响的设计技术，这项技术可应用在钻地武器试验和深层钻地弹引信中。在核武器飞行试验中，均要进行触地测试，了解核弹头碰

2、地的状况，测量其触地加速度，为其触发引信的设计和验证提供依据。在常规钻地弹、侵彻弹等武器研究中，均需要大量程高频响的加速度传感器进行测量。目前国内的传感器难以满足要求，现采用国外的传感器(如7270A)，但价格昂贵且对华禁运。综上所述，本文研究提高压电传感器的量程和频响的设计技术，为改进压电加速度传感器的性能奠定基础，为高速触地用测试传感器和深侵彻引信传感器的研究提供技术参考。1.3国内外现状自1880年J.居里和P.居里发现压电效应以来[[21，这种类型的压电传感器就广泛应用于各个领域。经过近半个世纪

3、的发展，压电加速度传感器的材料、结构设计和工艺都有了很大的进步。这些对改善传感器的性能起到了至关重要的作用。经过调研，了解到国外几种高冲击压电加速度传感器的主要技术指标，如表1.1所示。表1.1国外几种压电加速度传感器的主要技术指标┌─────────┬───────┬────┬─────────┐│公司名称│灵敏度((mv/g)│频响(Hz)│最大冲击加速度((g)│├─────────┼───────┼────┼─────────┤│Kistler8743A1000│0.05│0.5一10k│120

4、,000│││││(士1%)│├─────────┼───────┼────┼─────────┤│PCB350B21│0.05│0.3一10k│100,000││││(t5%)││├─────────┼───────┼────┼─────────┤│ENDEVCO│0.025│0.5一8k│100,000││2225MSA││││└─────────┴───────┴────┴─────────┘压电材料性能的改进以及新型压电材料的研制成功极大地推动了压电传感器的进步。从最开始的石英到BaTi03压电

5、陶瓷，错钦酸铅(PZT)压电陶瓷，再到压电聚合物如聚偏二氟乙烯(PVDF)等新型压电材料[2l。压电材料制备工艺的进展对压电材料的应用及理论研究具有推动作用，单晶技术的进展培育了许多实用化的压电材料，薄膜工艺的进展为压电器件的平面化、集成化创造了条件。压电材料的这一系列进步为设计大量高性能的压电元件提供了技术保障。压电加速度传感器由最初的基座压缩式结构形式，这种结构因易受外界环境影响，后演变为中心压缩型，然后又改进为性能最佳的各种剪切型设计，如环形剪切型。虽然剪切型的各种性能优异，但是剪切型的结构决定了

6、它不能承受较强的冲击。剪切型对工艺的要求很高，国外的研究机构(如B&K公司)对剪切型压电加速度传感器做了大量研究[[3]。为了提高低频灵敏度，后来还研制了压电梁式加速度传感器。随着MEMS技术和微机械加工技术的发展，出现了可以把质量块、压电元件和基座做成一体的微小型压电传感器，可以把信号处理电路与传感器做在同一基片上的ICP传感器。大量程高频响的压电加速度传感器主要以中心压缩型为主，剪切型的极为罕见。国内在压电加速度传感器方面的研究起步较晚，且结构设计和工艺水平落后于国外。目前国内压电传感器的主要结构是

7、中心压缩型，较好的高冲击压电加速度传感器(中心压缩型)样机的主要技术指标为:最大冲击加速度IOO,OOOg，最高频响8kHz。在压电加速度传感器的研制方面，北戴河亿柏传感器技术研究所和西安204所做得较好。大量程高频响压电加速度传感器设计技术研究3.3提高压电加速度传感器频响的措施3.3.1结构选择与设计1.结构应选择中心压缩型的结构形式。2.为了便于传感器的安装，在基座上设计螺纹头，这还有利于提高基座的刚度。3.基座不要太厚，厚基座会降低传感器的固有频率，但要满足安装的刚度要求。4.选用较薄的压电片来

8、提高刚度，减轻等效质量，从而提高固有频率。压电片的面积可以根据惯性力产生的瞬态应力来计算，一般来说，压电片、质量块、螺母的截面尺寸相近，面积对应力的影响较小。5.螺纹的确定。压电片面积的大小决定预紧力矩的大小，传感器的预紧力矩[23]由下式计算(3一10)式中，T为预紧力矩，QP为作用在螺母安装面(即压电片截面)上的压力(N),d为螺纹公称直径(mm)。对于石英片，预紧力矩为0.6N-m(约为40MPa);对于PZT8压电陶瓷片，预紧力矩为