姜志國，陳玉玲，史巖峰，張艷華，李國珍

(北京強度環(huán)境研究所，北京100076)

0 引 言

三軸振動傳感器能夠同時測量一個測點相互正交的X，Y，Z 三個方向的振動信號，在軍事和航空航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的三軸壓阻式振動傳感器雖具有良好的直流效應(yīng)，但其動態(tài)范圍有限，頻響特性僅能達到1 kHz左右。三軸電容式振動傳感器具有高靈敏度、低溫度效應(yīng)、低功耗等優(yōu)點，但其易受電磁干擾影響，不適合在惡劣環(huán)境下工作，且其頻率范圍有限，最高為3 kHz 左右。三軸壓電式振動傳感器頻率范圍寬、線性度好，但其一般采用傳感器與變換器分體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不易實現(xiàn)一體化［1，2］。

傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括整機機械結(jié)構(gòu)、電路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計及產(chǎn)品的內(nèi)部裝配結(jié)構(gòu)。針對傳統(tǒng)傳感器動態(tài)范圍低和不易實現(xiàn)一體化等問題，本文提出了一種新型三軸振動傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，整機尺寸小，僅為27 mm×27 mm×21 mm，質(zhì)量輕，通過應(yīng)用剛撓結(jié)合印制板的設(shè)計思想，實現(xiàn)了傳感器和變換器的一體化設(shè)計，并將三軸振動傳感器的頻響特性提高到5 kHz。

1 三軸振動傳感器的工作原理

圖1 為三軸振動傳感器的整機機構(gòu)圖。傳感器選用了基于MEMS 技術(shù)的壓阻式傳感器芯片VS9000［3］作為敏感芯體，其基本工作原理是硅材料的壓阻效應(yīng)［4］，其高頻振動芯片本身的頻響特性能達到6 kHz 以上，加上低能耗、低成本等優(yōu)勢，特別適合在航空航天領(lǐng)域使用［5，6］。將三個VS9000 敏感芯體通過正交垂直的方式安裝在殼體內(nèi)部，并經(jīng)內(nèi)部變換電路濾波和放大，實現(xiàn)了傳感器三個方向加速度參數(shù)高準確性的測量。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure chart of sensor

2 傳感器的機械和電氣關(guān)系

如圖1 所示，傳感器的接插件采用的是七針圓形電連接器Y8B—7T2K，通過七芯電纜線與電路板連接。電纜線選用的是帶有屏蔽層的高可靠電纜，質(zhì)量非常輕，并且溫度范圍廣。使用如圖1 所示的束線管可以方便地將電纜線進行固定。傳感器采用雙電源供電模式，且具有寬闊的供電電壓選擇性，在±9 ～±23 V 的供電電壓下均可正常工作［7］，正負電源分別連接接插件的1#和3#插針，信號地連接2#插針，4#，5#，6#插針分別連接電路板上X，Y，Z 三方向的信號輸出，電纜線的屏蔽層一端通過焊片與殼體相連，另一端與電連接器的7#插針相連，避免了外部電磁干擾信號的影響。內(nèi)部電路板和殼體接觸的地方進行了絕緣處理，保證了電路板中電氣信號與機加件的隔離。

3 三軸振動傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

三軸振動傳感器的內(nèi)部電路通常包括電壓變換、敏感芯體輸出端的電路、濾波電路和電壓調(diào)整電路等模塊。由于電路功能復(fù)雜且傳感器內(nèi)部安裝空間有要求，不得不分為幾塊電路共同實現(xiàn)電路功能。一般的設(shè)計是各個電路分別設(shè)計，最后進行對接和聯(lián)調(diào)。這樣組合調(diào)試又會增加接口上的環(huán)節(jié)和風險，為解決這個問題和提高整機的頻響特性，本文提出了一種一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)，其主要包括外殼的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、印制電路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計及整機的裝配結(jié)構(gòu)。

3.1 外殼的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳感器的外殼主要由殼體、頂蓋、束線管、束線螺釘、墊圈和束線管螺母組成?？紤]到過大的尺寸和過重的結(jié)構(gòu)都會拉低整機的頻響特性。機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計遵循“輕重量，小體積”的原則。外殼的材料采用的是鋁7A04，該材料輕且工藝性好，表面處理經(jīng)導(dǎo)電氧化后具有更好的耐腐蝕性。圖2(a)，(b)分別為殼體與頂蓋的結(jié)構(gòu)圖。殼體的尺寸僅為27 mm×27 mm×20 mm，兩個對角留有兩個安裝孔，尺寸為2×φ4.2，使用2 個M4 的螺釘便可安裝使用。殼體的厚度直接影響著傳感器的整機性能，殼體過薄，傳感器會在較低的頻率點出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，過厚會增加整機的重量，這也將影響產(chǎn)品的頻響特性。經(jīng)實驗驗證，殼體的最佳厚度為1.5 mm。殼體的低部在剛性板和撓性板結(jié)合的地方設(shè)計有凹槽，防止撓性板中的信號線路和殼體短接。頂蓋和殼體上端結(jié)合的地方設(shè)計有臺階，保證了兩者的正確卡位和裝配。

圖2 殼體和頂蓋機械圖Fig 2 Mechanical drawing of shell and head cover

束線管、束線螺釘、墊圈和螺母用來束緊電纜線和緊固束線管，其機械結(jié)構(gòu)圖分別如圖3(a)～(d)所示。將電纜線從束線管中穿過，使用束線螺釘擰緊的過程中，墊圈就會被壓縮，隨著壓縮量的增大，電纜線就會被牢牢收緊。

3.2 印制電路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

三維振動傳感器需同時測量并變換三個通道的振動信號，內(nèi)部印制板安裝空間狹小，組件錯位率高，并且用于航天的振動傳感器對印制板可靠性要求極高，必須保證印制板可良好地適應(yīng)連續(xù)運動或定期運動。針對這種情況，本文設(shè)計出一種剛撓結(jié)合的印制板電路結(jié)構(gòu)，電路板結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

剛撓結(jié)合板主要由四塊剛性板和三塊撓性板一體化壓接生產(chǎn)而成。剛性板采用4 層板設(shè)計，頂層為信號層，中間兩層為內(nèi)部信號1 層和內(nèi)部信號2 層，底層不布線，并進行絕緣處理，保證了電路信號層與殼體隔離。三塊敏感芯體分別焊接在三塊不同的剛性板上，另外一塊剛性板為信號調(diào)理電路板。四塊剛性板通過撓性板進行連接，撓性板具有優(yōu)良的彎曲自由度，將三塊撓性板彎曲成90°，實現(xiàn)了三個方向敏感芯體電路板的正交垂直安裝，從而達到三方向測試的目的。四塊剛性板的厚度均為1.4 mm，質(zhì)量非常輕，容易與殼體牢固粘接。剛撓結(jié)合電路設(shè)計節(jié)省了整機結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間，并保證了電路的高可靠性能。

3.3 整機的裝配結(jié)構(gòu)

圖3 機加件機械圖Fig 3 Mechanical drawing of machining parts

圖4 剛撓結(jié)合電路板結(jié)構(gòu)圖Fig 4 Structure chart of flexible-rigid PCB

整機的裝配結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，主要由剛撓結(jié)合電路板、三塊敏感元件、殼體、頂蓋、束線管及電連接器等組成。整機裝配結(jié)構(gòu)簡單，通過丙烯酸酯膠將四塊焊接完畢的剛性電路板如圖1 所示粘接在殼體的四個內(nèi)面上，實現(xiàn)三個敏感元件的正交放置。電連接器采用的是七芯的圓形電連接器，使用0.5 m 長的電纜線按2 節(jié)中的電氣連接順序?qū)? 根導(dǎo)線焊接在電路板中對應(yīng)的位置。束線管、束線螺釘和墊圈可以非常巧妙地將電纜線收緊固定。殼體和頂蓋通過丙烯酸酯粘接為一體，保障了產(chǎn)品的高頻響特性。

4 試驗結(jié)果

為檢驗新研的三軸振動傳感器結(jié)構(gòu)的效果，應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)了5 只樣機，并在振動傳感器校準系統(tǒng)上進行了性能指標的驗證［8，9］，在帶內(nèi)不平度小于1 dB 的條件下，傳感器的頻響特性均能達到5 kHz。圖5 中的三個圖形分別為1#樣機X，Y，Z 三個方向的頻響曲線圖。從圖中可看出:傳感器的帶內(nèi)曲線平穩(wěn)，不平度小，帶外衰減快，頻響特性良好。經(jīng)一體化設(shè)計后，5 只樣機的濾波功能和電壓調(diào)整電路功能均工作正常，三個方向的靈敏度和最終輸出信號中的噪聲干燥值均滿足技術(shù)指標的要求。綜上說明，新型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了傳感器和變換器的一體化設(shè)計，并將三軸振動傳感器的頻響特性提高到5 kHz。

圖5 頻響特性校驗結(jié)果Fig 5 Verification result of frequency response

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種新型結(jié)構(gòu)的三軸振動傳感器，采用剛撓結(jié)合印制板的設(shè)計思想，將四塊剛性印制板和三塊撓性板進行連接，提高了接口的可靠性，實現(xiàn)了電路板的一體化設(shè)計。傳感器的整機尺寸僅為27 mm×27 mm×21 mm，體積小巧。外殼采用鋁材料加工而成，質(zhì)量非常輕，整機質(zhì)量僅為20 g 左右。選用品質(zhì)優(yōu)良的丙烯酸酯膠將四塊剛性板粘接在殼體內(nèi)面，保證了整機機械結(jié)構(gòu)的剛性度和可靠性。傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，頻響特性可以達到5 kHz，可用于航空、航天等多個領(lǐng)域。

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