鄭 星，黃?，?/p>

(中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999)

?

加速度傳感器安裝方式的理論建模與響應(yīng)分析

鄭 星，黃海瑩

(中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999)

在傳感器使用過程中，受其絕緣性能和安裝方式的影響，通常會在傳感器與被測對象之間安裝絕緣過渡裝置。而絕緣過渡裝置性能的優(yōu)異和結(jié)構(gòu)的好壞直接影響著加速度傳感器的最大響應(yīng)頻率。通過建立加速度傳感器安裝方式的理論模型，分析了影響傳感器輸出響應(yīng)的主要因素。通過不同傳感器、不同過渡裝置及不同固定方式的組合，對傳感器的輸出響應(yīng)進行了實驗研究。結(jié)果表明:加速度傳感器的最大響應(yīng)頻率受過渡裝置的影響較大，過渡裝置設(shè)計的好壞直接制約了傳感器的頻響范圍。通過理論分析和實驗研究，提出了提升帶過渡裝置傳感器響應(yīng)頻率的方法。

加速度傳感器； 安裝方式； 過渡裝置； 響應(yīng)頻率

0 引 言

隨著加速度傳感器在國防工業(yè)、航空航天和汽車工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，對其測試結(jié)果的準確度要求也越來越高[1～3]。加速度傳感器的響應(yīng)信號不僅是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料性能改進的重要依據(jù)，其測試結(jié)果更直接決定了產(chǎn)品的最終形態(tài)。

試驗過程中，加速度傳感器的響應(yīng)頻率和線性度通常能夠滿足試驗要求，但是受其絕緣性能和安裝方式的影響，在傳感器與產(chǎn)品連接時需要在其安裝面加絕緣過渡裝置進行轉(zhuǎn)接[4，5]。絕緣過渡裝置的材料選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計是影響加速度傳感器輸出的重要因素。傳感器安裝后的諧振頻率、線性度以及安裝強度都嚴重制約著傳感器的使用范圍[6～8]。

因此，絕緣過渡裝置性能的優(yōu)劣直接影響到加速度傳感器最終響應(yīng)的準確度以及使用范圍。本文通過建立加速度傳感器與過渡裝置的動力學模型，分析了過渡裝置對加速度傳感器響應(yīng)的影響因素，對安裝過渡裝置后加速度傳感器在不同頻段的響應(yīng)特性進行了理論分析和試驗研究，為提升加速度傳感器安裝后的響應(yīng)帶寬和準確度提供指導(dǎo)。

1 加速度傳感器安裝方式的動力學建模

在對加速度傳感器進行動力學建模時，通常是將其等效為一個單自由度的數(shù)學模型。但在加速度傳感器安裝面增加絕緣過渡裝置后，加速度傳感器就由原來的單自由度系統(tǒng)變成了一個二自由度的系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 帶過渡裝置的傳感器模型Fig 1 Sensor model with transition device

由圖1可見，加裝過渡裝置的傳感器其輸出不僅受自身剛度和阻尼的影響，還受到過渡裝置的剛度和阻尼影響，建立上述二自由度傳感器模型的動力學方程為

(1)

(2)

式中 m為傳感器質(zhì)量；M為過渡裝置質(zhì)量；kg為過渡裝置剛度；cg為過渡裝置阻尼；kc為傳感器剛度； cc為傳感器阻尼；xc為傳感器位移； xg為過渡裝置位移；x0為被測對象位移。

由振動理論知識可知，當系統(tǒng)的阻尼遠小于1時，系統(tǒng)的共振頻率約等于系統(tǒng)無阻尼時的固有頻率。因此，利用多自由度振動理論對式(1)和式(2)進行求解，得出系統(tǒng)的1階和2階無阻尼固有頻率為

(3)

由上述公式可知，當傳感器過渡裝置的剛度無窮大，傳感器與被測對象剛性連接時，kg→∞,因此式(3)有

(4)

2 試驗測試

2.1 測試傳感器與過渡裝置

測試傳感器采用2225M5A,988以及727—60K。三種加速度傳感器量程相同，響應(yīng)上限頻率分別為10,25,100 kHz。利用膠木制成方形與扁平型過渡裝置，其中方形過渡裝置邊長15 mm，扁平型過渡裝置厚度4 mm，然后分別利用快干膠和螺釘將其與被測面相連。

2.2 測試系統(tǒng)

利用振動臺對不同材料不同結(jié)構(gòu)的加速度傳感過渡裝置進行掃頻實驗，分析不同安裝方式下加速度傳感器輸出響應(yīng)的變化。測試系統(tǒng)示意圖如圖2所示。試驗采用對數(shù)掃描模式，掃描頻率20 Hz～10 kHz。

圖2 測試系統(tǒng)示意圖Fig 2 Schematic diagram of test system

3 結(jié)果和討論

3.1 相同傳感器不同過渡裝置

將2225M5A分別與方形與扁平型過渡裝置相連接，并利用不同粘結(jié)方式進行傳感器的固定，最后利用振動臺測得兩種傳感器的響應(yīng)分別如圖3～圖5所示。

圖3 2225M5A加速度傳感器帶方形過渡裝置快干膠固定Fig 3 2225M5A acceleration sensor with square transition device fixed with quick drying glue

圖4 2225M5A加速度傳感器帶扁平型過渡裝置快干膠固定Fig 4 2225M5A acceleration sensor with flat transition device fixed with quick drying glue

圖5 2225M5A加速度傳感器帶扁平型過渡裝置雙面膠固定Fig 5 2225M5A acceleration sensor with flat transition device fixed with double-sided adhesive tape

由圖3和圖4可見，帶方形過渡裝置傳感器響應(yīng)在頻率接近3 kHz時開始發(fā)生變化，而帶扁平型過渡裝置傳感器響應(yīng)在頻率接近8 kHz時才開始變化。由此可知，過渡裝置結(jié)構(gòu)對傳感器響應(yīng)影響較大。相同材料的過渡裝置，方形過渡裝置質(zhì)量較扁平型大，由式(3)和式(4)可知，傳感器過渡裝置的質(zhì)量會嚴重影響傳感器的固有頻率。與此同時，過渡裝置的厚度也會影響傳感器在工作頻段內(nèi)的線性度。

由圖4和圖5可見，相同過渡裝置不同粘結(jié)方式也是影響傳感器響應(yīng)輸出的原因之一。利用雙面膠固定的傳感器在頻率達到2 kHz后，輸出響應(yīng)開始發(fā)生變化。試驗用快干膠通常采用502快干膠，其粘結(jié)強度遠遠大于雙面膠的粘結(jié)強度。傳感器與過渡裝置，過渡裝置與被測對象之間的粘結(jié)強度直接影響整個系統(tǒng)的剛度，由式(3)和式(4)可知，系統(tǒng)的剛度下降，其固有頻率降低，從而嚴重限制傳感器的輸出響應(yīng)頻率。

3.2 不同傳感器相同過渡裝置

將988加速度傳感器與方形過渡裝置連接，利用螺釘固定在試驗裝置上，通過振動臺測得加速度傳感器響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 988加速度傳感器帶方形過渡裝置螺釘固定Fig 6 988 acceleration sensor with square transition device fixed with screw

由圖6可見，傳感器的輸出響應(yīng)在接近3 kHz時發(fā)生變化，與2225M5A加速度傳感器趨勢相同。988加速度傳感器最大響應(yīng)頻率25 kHz，2225M5A加速度傳感器響應(yīng)頻率10 kHz。由此可見，傳感器的最大響應(yīng)頻率受過渡裝置限制較大。但由于988加速度傳感器響應(yīng)頻率較高，因此，在10 kHz附近其響應(yīng)幅值變化較2225M5A傳感器低。

3.3 不帶過渡裝置傳感器

由于727—60 k加速度傳感器自身絕緣，因此,利用快干膠將傳感器直接與振動裝置相連，測得傳感器響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 727—60 k加速度傳感器快干膠固定Fig 7 727—60 k acceleration sensor fixed with quick drying glue

由圖7可見，不帶過渡裝置的傳感器輸出響應(yīng)在頻率為10 kHz時基本未發(fā)生變化。由此可見，傳感器過渡裝置以及粘結(jié)方式是嚴重制約傳感器輸出響應(yīng)頻段的主要因素。但是受傳感器絕緣性和安裝方式的影響，在傳感器使用過程中不可避免地需要采用相應(yīng)的過渡裝置進行轉(zhuǎn)接，這就大大制約了傳感器的使用頻率范圍。通過上述分析，在傳感器過渡裝置材料的選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計上，要盡可能地使過渡裝置的剛度足夠大。在傳感器固定時，也要盡量使傳感器的安裝強度足夠大，特別是在將傳感器應(yīng)用在高強沖擊環(huán)境下時，傳感器的安裝方式就變得異常重要。

4 結(jié) 論

本文通過建立傳感器安裝方式的動力學模型，從理論上分析了影響傳感器輸出響應(yīng)的因素。對不同傳感器、不同過渡裝置、不同固定方式組合的傳感器系統(tǒng)進行了試驗研究。結(jié)果表明：受過渡裝置影響，傳感器的最大響應(yīng)頻率與傳感器自身最大響應(yīng)頻率的相差較大，傳感器過渡裝置嚴重限制了傳感器的使用頻率范圍。在傳感器的使用過程中，應(yīng)盡量減少傳感器與被測對象之間的過渡。在使用過渡裝置時，應(yīng)盡量選用剛度較大的過渡裝置，在與被測對象進行連接時，與被測對象的固定強度應(yīng)足夠大，在高強沖擊試驗過程中可采取螺釘加膠接的雙重連接方式，增大傳感器與被測對象的安裝強度。

[1] 殷蘇民，李正陽，萬 翔，等.電容式MEMS加速度傳感器在氣囊系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(7):151-154.

[2] 李慶會，王德鵬，張紅云，等.加速度傳感器ADXL50在導(dǎo)彈行軍中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(12):147-149.

[3] 李葉紫，胡 輝，劉 昕.雙軸加速度傳感器在微小型飛行器姿態(tài)測量中的應(yīng)用研究[J].液壓與機床，2008，36(7):241-242.

[4] 唐國明，楊曙年.壓電式加速度傳感器安裝諧振頻率分析[J].傳感器與微系統(tǒng),2006，25(7):24-26.

[5] 閆利軍，趙亞娟，高志遠.壓電加速度傳感器在機載測試領(lǐng)域中的安裝研究[J].電子測量技術(shù)，2014，37(7):130-134.

[6] 楊志才，石云波，董勝飛，等.基于雙彈頭Hopkinson桿的高g值加速度傳感器的動態(tài)線性分析[J].傳感技術(shù)學報，2015，28(7):972-976.

[7] 陳 爽，孫 浩，馮 超，等.加速度傳感器及其安裝工藝對碰撞模擬試驗結(jié)果的影響[J].測控技術(shù)，2013，32(3):5-9.

[8] 褚雷陽，于德潤，劉寶偉，等.加速度傳感器殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(12):13-16.

Theoretical modeling and response analysis of acceleration sensor installation mode

ZHENG Xing,HUANG Hai-ying

(Institute of Systems Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621999,China)

When the sensors are used,an insulation transition device is usually mounted between sensor and measurement object which is due to insulation performance and installation mode of sensor.However,performance and structure of insulation transition device directly affect the maximum response frequency of acceleration sensor.By establishing theoretical model of acceleration sensor installation mode,analyze main factors affecting the output response of the sensor.The output response of the sensor is experimental studied by the combination of different sensors,different transition devices and different fixation modes.The results show that the maximum response frequency of acceleration sensor is greatly influenced by the transition device;the design of transition device directly restricts the frequency response range of sensor.The method of improving the response frequency of sensor is presented by theoretical analysis and experimental study.

acceleration sensor;installation mode;transition device;response frequency

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0061—03

2016—01—04

TP 212

A

1000—9787(2016)11—0061—03

鄭 星(1987-)，男，仡佬族，貴州遵義人，碩士研究生，工程師，研究方向為環(huán)境試驗技術(shù)。