董小閔 于建強(qiáng) 毛 飛 陳平根

(重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400030)

磁流變減振器集成式壓阻加速度傳感器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

董小閔 于建強(qiáng) 毛 飛 陳平根

(重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400030)

為滿足汽車半主動(dòng)懸架磁流變減振器運(yùn)行過(guò)程中健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需求，提高傳感系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)了一種可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度的磁流變減振器外置集成式壓阻加速度傳感器。根據(jù)減振器的工作特性和壓阻加速度傳感器的特點(diǎn)，提出了減振器集成加速度傳感器的概念，確定了集成方式。分析了集成式壓阻傳感器的設(shè)計(jì)原則并對(duì)芯片進(jìn)行了結(jié)構(gòu)選型。為保證傳感器具有較大的靈敏度以及較好的動(dòng)態(tài)特性，以測(cè)試量程為約束條件，采用理論模型推導(dǎo)與有限元仿真結(jié)合的方法，確定了芯片的主要尺寸參數(shù)，進(jìn)一步通過(guò)理論分析完成了芯片的版圖設(shè)計(jì)。參照設(shè)計(jì)的加速度傳感器參數(shù)，進(jìn)行了訂制，在正弦和隨機(jī)激勵(lì)下對(duì)采用集成加速度傳感器的磁流變減振器的單自由度懸架進(jìn)行了測(cè)試與分析，結(jié)果證明所設(shè)計(jì)的加速度傳感器具有較好的精度及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，能夠滿足使用要求。

壓阻加速度傳感器； 磁流變減振器； 集成； 設(shè)計(jì)； 試驗(yàn)

引言

磁流變減振器是一種以磁流變液為介質(zhì)的可實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)控制的耗能器件，具有阻尼無(wú)級(jí)可調(diào)、耗能少等優(yōu)點(diǎn)，目前已成功應(yīng)用于建筑、橋梁及汽車懸架等領(lǐng)域[1-5]。但磁流變減振器在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)磁流變液沉降或固化、密封失效、勵(lì)磁線圈破損、活塞桿折彎等液體或器件的故障，從而引起磁流變減振器的性能衰減甚至失效，故需對(duì)磁流變減振器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[6-7]。

同時(shí)，磁流變減振器作為實(shí)現(xiàn)減振系統(tǒng)半主動(dòng)控制的執(zhí)行器件，需要外部的控制器對(duì)其輸出性能進(jìn)行控制。為實(shí)時(shí)獲取應(yīng)用對(duì)象的動(dòng)態(tài)信息以輸出控制信號(hào)，控制器需要接收外部傳感器的信號(hào)[8]。除阻尼力、溫度信號(hào)外，加速度、速度與位移信號(hào)在理論上只需采集一種即可以通過(guò)微分積分等處理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲得，加速度傳感器的體積較小，占用空間小，實(shí)際應(yīng)用廣泛，故常將加速度信號(hào)作為控制器的輸入信號(hào)[9-10]。此外，加速度均方根作為系統(tǒng)舒適性與安全性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠在很大程度上反映磁流變減振系統(tǒng)的運(yùn)行健康狀態(tài)，因此對(duì)磁流變減振器的加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)十分必要[11]。

但一些磁流變減振器的應(yīng)用環(huán)境惡劣，采用分離式加速度傳感器的減振系統(tǒng)具有線路復(fù)雜、成本高、可靠性低的缺點(diǎn)，為保證減振器正常工作，設(shè)計(jì)自感知自適應(yīng)的磁流變減振系統(tǒng)至關(guān)重要，而減振器集成式傳感器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵?？紤]到半導(dǎo)體制成的加速度傳感器具有靈敏度高、輸出信號(hào)大、功耗低、滯后和蠕變小、頻響高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)[12-14]，本文提出一種由半導(dǎo)體制成的與減振器外置集成的壓阻加速度傳感器。利用壓阻效應(yīng)導(dǎo)致的電阻變化，實(shí)時(shí)測(cè)量減振器運(yùn)動(dòng)部件的加速度，以期實(shí)現(xiàn)磁流變減振器加速度自感知[15]。

1 磁流變減振器集成式壓阻加速度傳感器概念設(shè)計(jì)

單桿單筒式磁流變減振器相較于其他形式的直線磁流變減振器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、長(zhǎng)度小等優(yōu)點(diǎn)，是半主動(dòng)懸架減振器件的首選。圖1為設(shè)計(jì)的單桿單筒磁流變減振器的結(jié)構(gòu)示意圖[16]，主要由缸筒、活塞、活塞桿、勵(lì)磁線圈及浮動(dòng)活塞等組成。缸筒與活塞或活塞桿在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁流變液會(huì)在活塞與缸筒之間的環(huán)形間隙內(nèi)往復(fù)流動(dòng)?？刂破鞲鶕?jù)傳感器采集的狀態(tài)信號(hào)發(fā)出控制指令，并施加電流于活塞凹槽內(nèi)的勵(lì)磁線圈上，環(huán)形間隙內(nèi)會(huì)產(chǎn)生垂直于磁流變液流動(dòng)方向的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小會(huì)影響磁流變液的剪切屈服強(qiáng)度，進(jìn)而控制磁流變減振器輸出阻尼力。磁流變減振器的振動(dòng)控制系統(tǒng)，一般采用天棚控制算法，其阻尼力施加的判定條件[17]為

(1)

圖1 單桿單筒式磁流變減振器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of magneto-rheological damper with single rod and cylinder1.氮?dú)?2.浮動(dòng)活塞 3.勵(lì)磁線圈 4.活塞桿 5.導(dǎo)線 6.磁流變液 7.導(dǎo)向座 8.活塞 9.缸筒

由式(1)可知，控制一支磁流變減振器需要2個(gè)加速度傳感器，為滿足控制需求，傳統(tǒng)的傳感器通常是采用加速度傳感器與減振器分離安裝的方式，可靠性較低且拆裝繁瑣。為實(shí)現(xiàn)對(duì)基于磁流變減振器的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的健康自監(jiān)測(cè)以及反饋控制，設(shè)計(jì)了如圖2所示的磁流變減振器集成式加速度傳感器，2個(gè)加速度傳感器采用外置集成方式布置于減振器的缸筒下端及活塞桿上端，避免了內(nèi)置傳感器受磁流變液污染及極限工況帶來(lái)的沖擊破壞等情況。

圖2 集成式磁流變減振器加速度傳感器的位置分布Fig.2 Location of integrated acceleration sensor on magneto-rheological damper1.上端集成加速度傳感器部件 2.下端集成加速度傳感器部件 3.缸筒 4.活塞桿

考慮到活塞桿與缸筒上的加速度傳感器具有相同的結(jié)構(gòu)，僅是固定方式有所不同，為簡(jiǎn)化分析，以下主要分析集成活塞桿處加速度傳感器。加速度傳感器與活塞桿伸出端的集成結(jié)構(gòu)如圖3所示，活塞桿與夾具、夾具與加速度傳感器端蓋、夾具與上端蓋均采用螺紋配合。

圖3 傳感器與活塞桿集成結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Integrated mode of sensor and piston rod1.傳感器 2.活塞桿 3.上端蓋 4.夾具

2 壓阻傳感器設(shè)計(jì)原則與結(jié)構(gòu)選型

安裝于活塞桿上的加速度傳感器用來(lái)測(cè)量簧上質(zhì)量加速度，由于加速度傳感器與減振器集成在一起，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中需充分考慮減振器的結(jié)構(gòu)及使用環(huán)境等，其設(shè)計(jì)原則可簡(jiǎn)化為[18-19]：

(1)要求傳感器有較好的抗過(guò)載能力，在受到外界載荷時(shí)，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)還必須保證其變形只是彈性變形，不能發(fā)生塑性變形，且輸入-輸出要求基本呈線性關(guān)系；為保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求的同時(shí)能夠提高傳感器自身的靈敏度，要求傳感器的固有頻率遠(yuǎn)大于工作頻率；應(yīng)盡量保證傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與靈敏度、頻率響應(yīng)處于最佳匹配的狀態(tài)，輸出增益比大。

(2)為保證傳感器能夠真實(shí)地檢測(cè)出目標(biāo)物體的加速度，同時(shí)保證安裝時(shí)不存在干涉，要求傳感器機(jī)械強(qiáng)度可靠，與減振器的聯(lián)結(jié)牢固可靠，傳感器自身的引線和外部導(dǎo)線等不容易在減振器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被拉斷，造成接觸不良等故障；磁流變減振器服役過(guò)程中，有比較寬的溫度工作范圍，因此要求傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮盡量減少溫度變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力和敏感信號(hào)轉(zhuǎn)換等參數(shù)變化對(duì)傳感器性能造成的影響。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，在施加階躍路面激勵(lì)時(shí)，減振器加速度最大約為6 m/s2，根據(jù)設(shè)計(jì)原則，為保證傳感器的具有一定過(guò)載能力，設(shè)置安全系數(shù)為8，將傳感器的量程選為±5g(g=9.8 m/s2)。

根據(jù)圖1與圖2，磁流變減振器的活塞桿直徑為22 mm，傳感器封裝后的尺寸應(yīng)該在20 mm×20 mm左右，考慮到封裝的要求，芯片的尺寸為4 mm×4 mm。參數(shù)選擇時(shí)要充分考慮靈敏度和頻率特性的要求，在保證頻率滿足要求的情況下，盡可能使靈敏度大。汽車減振器的工作頻率一般在200 Hz內(nèi)，考慮安全性，將傳感器固定頻率設(shè)定為600 Hz以上。

傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括外殼、電阻條、梁島及貼片膠等。電阻條布置在梁島上。電阻條通過(guò)在N型單晶硅上擴(kuò)散P型雜質(zhì)形成，并采用SOI硅片避免溫度較高時(shí)檢測(cè)電路與基底之間產(chǎn)生漏電流。

圖4 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Inner structure of integrated sensor1.上端蓋 2.外殼 3.梁島 4.貼片膠 5.電阻條 6.下端蓋

壓阻加速度傳感器芯片結(jié)構(gòu)形式多種多樣，典型結(jié)構(gòu)包括：懸臂梁結(jié)構(gòu)和固支梁結(jié)構(gòu)。其中懸臂梁結(jié)構(gòu)包括單懸臂結(jié)構(gòu)和雙懸臂結(jié)構(gòu)，如圖5a、5b所示。固支梁結(jié)構(gòu)包括雙端固支、兩類四端固支、五梁雙島結(jié)構(gòu)和八梁固支結(jié)構(gòu)形式，如圖5c～5g所示。

圖5 壓阻加速度傳感器的不同結(jié)構(gòu)形式Fig.5 Different structural patterns of piezo-resistive acceleration sensor

為保證低量程傳感器能夠有較大的靈敏度，考慮到固支梁結(jié)構(gòu)形式具有較低的靈敏度，采用懸臂梁結(jié)構(gòu)形式的壓阻加速度傳感器。為改善交叉軸的靈敏度，采用雙懸臂支撐結(jié)構(gòu)。

3 壓阻加速度傳感器尺寸確定

3.1 芯片理論建模

為確定芯片的具體尺寸，需對(duì)其進(jìn)行建模分析。芯片的具體結(jié)構(gòu)模型如圖6所示，圖6a為傳感器懸臂梁吊掛結(jié)構(gòu)，傳感器由上下玻璃蓋板、框架和芯片結(jié)構(gòu)組成，芯片結(jié)構(gòu)包括懸臂梁、質(zhì)量塊等。圖6b為芯片結(jié)構(gòu)內(nèi)電阻排布圖，摻雜電阻擴(kuò)散在靠近懸臂梁固定端的適當(dāng)處，4支摻雜電阻組成惠斯通電橋。

圖6 傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.6 Structure diagrams of sensor1.引線孔 2.電阻條 3.玻璃蓋板 4.質(zhì)量塊 5.空隙

傳感器芯片可以簡(jiǎn)化為一端固支的懸臂梁，如圖6c所示。芯片主要尺寸參數(shù)包括：梁長(zhǎng)l1、梁寬b1、梁厚t1、質(zhì)量塊長(zhǎng)l2、質(zhì)量塊寬b2、質(zhì)量塊厚t2。質(zhì)量塊相對(duì)于梁來(lái)說(shuō)，可以看作是剛體，忽略梁的質(zhì)量，將慣性力的作用點(diǎn)集中在質(zhì)量塊的質(zhì)心。這樣可以將該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為長(zhǎng)度為(l1+l2/2)的懸臂梁，末端加載慣性力F。當(dāng)物體在法向加速度az的作用下，在梁的橫截面x處的彎矩為

M(x)=M1+R1x(0≤x≤l1)

(2)

其中M1=maz(l1+l2/2)

(3)

R1=-maz

(4)

式中M1——懸臂梁在固定端的反作用力矩，N·maz——法向加速度R1——懸臂梁在固定端的反作用力，Nm——懸臂梁質(zhì)量，kg

式(2)有邊界條件z(0)=z′(0)=0，將式(2)兩次積分并根據(jù)邊界條件得

(5)

其中

式中E——彈性模量，GPa

由式(5)可知，芯片的最大法向位移發(fā)生在懸臂端。在x=l1處(即梁在自由端)的變形和轉(zhuǎn)角可以表示為

(6)

(7)

在懸臂梁上任意一點(diǎn)的應(yīng)力為

(8)

芯片在x=l1+l2/2時(shí)應(yīng)力為零。在懸臂梁固定端處應(yīng)力為

(9)

由式(6)～(9)可知，在法向加速度作用下，梁的彎曲變形、轉(zhuǎn)角以及應(yīng)力與加速度成線性關(guān)系。根據(jù)振動(dòng)系統(tǒng)理論，對(duì)于任一個(gè)單自由度系統(tǒng)，由靜變形法確定固有頻率為

(10)

則雙懸臂梁式壓阻加速度傳感器固有頻率為

(11)

以固支端x=0為起點(diǎn)，沿懸臂梁方向延伸，應(yīng)力逐漸增大。利用這一規(guī)律，選擇合適的位置布置電阻，使接入電橋的4個(gè)電阻受到的應(yīng)力最大，則相同外力作用下，傳感器可獲得較高的靈敏度?？梢钥紤]將電阻條布置在固定端，布置電阻時(shí)，還應(yīng)使2對(duì)電阻在受力時(shí)一組增一組減，阻值增加的2個(gè)電阻(R1和R4)和阻值減小(R2和R3)的2個(gè)電阻分別對(duì)接，4個(gè)電阻兩兩分布在2個(gè)懸臂梁上，R1、R2、R3以及R4沒(méi)有輸入時(shí)均為等值的電阻。R1與R4分別沿2根梁軸向布置，R2與R3分別沿2根梁橫向布置。電阻條R1與R2分布的中心位置分別為兩梁的a1處，R3和R4分布的中心位置分別為兩梁的a2處，故輸出電壓為

(12)

式中Vin——輸入電壓，V

則靈敏度為

(13)

3.2 芯片應(yīng)變與應(yīng)力的仿真分析

為獲得更加精確可靠的結(jié)果，采用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析。采用az=1gz向加速度下對(duì)芯片進(jìn)行位移和應(yīng)力的仿真。圖7為1gz向加速度作用下傳感器的應(yīng)變；圖8為1gz向加速度作用下的等效應(yīng)力云圖；圖9為1gx向加速度作用下傳感器的等效應(yīng)力云圖；由圖8和圖9對(duì)比可看出，相同加速度下，橫向靈敏度比垂直方向靈敏度小。

圖7 傳感器位移云圖Fig.7 Nephogram of displacement of sensor

圖8 傳感器等效應(yīng)力云圖Fig.8 Nephogram of equivalent stress of sensor

圖9 傳感器橫向應(yīng)力圖Fig.9 Nephogram of transversal stress of sensor

圖10為1gz向加速度作用下加速度傳感器沿梁長(zhǎng)度方向橫向和縱向應(yīng)力；圖11為1gx向加速度作用下加速度傳感器沿梁長(zhǎng)度方向橫向和縱向應(yīng)力。由圖10和圖11可以看出相對(duì)于垂直加速度(z向)，橫向加速度(x向)的影響可以忽略不計(jì)(約為0.2%)。同時(shí)可得，在梁的根部，梁所受的應(yīng)力最大。為使傳感器的靈敏度最大，可以考慮將壓敏電阻擴(kuò)散到梁的根部。

圖10 z向加速度下橫縱向路徑應(yīng)力曲線Fig.10 Stress curves along transverse and longitudinal directions under acceleration in z direction

圖11 x向加速度下橫縱向路徑應(yīng)力曲線Fig.11 Stress curves along transverse and longitudinal directions under acceleration in x direction

3.3 尺寸優(yōu)化

由式(12)、(13)可得，梁厚度t1的平方與靈敏度S呈倒數(shù)關(guān)系。主要通過(guò)調(diào)節(jié)梁厚度t1來(lái)改變傳感器的靈敏度。除考慮靈敏度，還需綜合考慮頻率特性，可以采用頻率f和靈敏度S的乘積的優(yōu)化值來(lái)確定實(shí)際傳感器的主要參數(shù)，即

(14)

由式(14)可以看出，減小梁的長(zhǎng)度能夠較大地提高傳感器的頻率響應(yīng)，而對(duì)系統(tǒng)靈敏度的影響較小，因此可以在不影響電阻條排布的情況下，考慮將梁的長(zhǎng)度l1選為最小；同時(shí)可以看出傳感器中隨著梁寬b1以及梁厚t1的遞減，傳感器的靈敏度遞增，其頻率響應(yīng)下降，根據(jù)傳感器設(shè)計(jì)原則將芯片的質(zhì)量塊長(zhǎng)度l2、寬度b2、厚度t2選為3 000 μm、3 000 μm、300 μm，梁長(zhǎng)和梁寬選為320 μm和200 μm。不同懸臂梁厚度對(duì)傳感器的靈敏度、固有頻率以及垂直位移變化的影響如表1所示。

由表1可知，隨懸臂梁厚度的增加，靈敏度逐漸減小，固有頻率逐漸增大，垂直位移逐漸減小。根據(jù)f大于600 Hz的條件，以及靈敏度最大化的約束條件，采用ANSYS優(yōu)化得到的結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示。

根據(jù)表2的結(jié)構(gòu)尺寸，采用理論建模和有限元分析可得到性能參數(shù)，如表3所示。

表1 梁厚度對(duì)傳感器靈敏度、固有頻率以及垂直位移的影響Tab.1 Effects of beam thickness on sensitivity, inherent frequency and vertical displacement

表2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化尺寸Tab.2 Optimal structural parameters μm

表3 性能參數(shù)Tab.3 Performance parameters

3.4 芯片版圖設(shè)計(jì)

芯片尺寸確定后，還需確定電阻條位置排布、電阻條尺寸以及電阻條折彎數(shù)等來(lái)滿足使用要求?？紤]到如圖12所示的電阻條排布方式能夠保證所受應(yīng)力在同一平面上，不會(huì)因平面不同而引起應(yīng)力分布的差異，且在同一平面上，電阻的擴(kuò)散一致性及引線的排布均比較容易，故選擇此方案來(lái)進(jìn)行電阻位置的排布。

圖12 芯片的電阻布置方案Fig.12 Layout of resistance in chip

一般而言，為降低電阻自加熱產(chǎn)生的熱量，單位表面積最大功耗Pmax=5×10-3mW/μm2。存在其他影響散熱的因素時(shí)，Pmax還應(yīng)該取更小的值。設(shè)電阻條的系數(shù)Rs為250～300 Ω，則由理論計(jì)算得Imax為0.13～0.16 A/mm。橋臂電流為1.5 mA時(shí)，則電阻條寬度可以選為10 μm或15 μm，考慮到電阻條寬度過(guò)大，達(dá)到相同的電阻所需的電阻條長(zhǎng)會(huì)過(guò)長(zhǎng)，對(duì)版圖設(shè)計(jì)和摻雜均勻性都會(huì)造成不利的影響。綜合考慮[20]，電阻條寬設(shè)計(jì)為10 μm；考慮到懸臂梁長(zhǎng)度以及應(yīng)力區(qū)間，同時(shí)為保證電橋的輸出電流不發(fā)生較大的變化，將電阻條的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為100 μm，可得壓敏電阻的電阻為2 kΩ。

為避免壓阻條超過(guò)最大應(yīng)力區(qū)，一般采用多折電阻結(jié)構(gòu)制作壓敏電阻，但電阻條折數(shù)也不宜多，折數(shù)過(guò)多離開(kāi)邊沿的平均距離會(huì)加大，應(yīng)力衰減。故將壓敏電阻設(shè)計(jì)為2折結(jié)構(gòu)，則每段長(zhǎng)度為125 μm，條間距定為10 μm。

3.5 動(dòng)態(tài)性能分析

為保證其動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)定，從時(shí)域和頻域角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。采用step函數(shù)作為輸入，其時(shí)間響應(yīng)曲線如圖13所示。可知其時(shí)間響應(yīng)曲線十分平緩的上升，沒(méi)有上下振蕩的情況。系統(tǒng)上升時(shí)間為1 ms，峰值時(shí)間為1 ms，調(diào)整時(shí)間為1.5 ms，表明反應(yīng)時(shí)間較快，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好最大超調(diào)量為0.047，表明系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

圖13 單位階躍響應(yīng)曲線Fig.13 Unit-step response curve

基于正弦信號(hào)輸入的頻域響應(yīng)曲線，如圖14所示，可以看到系統(tǒng)工作頻帶約為700 Hz，當(dāng)f<700 Hz時(shí)，系統(tǒng)的幅值變化幾乎不變，系統(tǒng)相位延遲較小；在f=700 Hz附近，系統(tǒng)發(fā)生諧振，幅值發(fā)生躍變，與此同時(shí)，相位發(fā)生交大越變；當(dāng)f>700 Hz時(shí)，系統(tǒng)的幅值變化不大，但是相位延遲角度為90°，延遲較大。其有效工作頻帶為700 Hz，可以滿足減振器實(shí)際測(cè)試要求。通過(guò)以上對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)性能的研究可知，所設(shè)計(jì)的加速度傳感器的動(dòng)態(tài)特性符合測(cè)試要求。

圖14 頻率響應(yīng)特性曲線Fig.14 Frequency-response curves

4 傳感器對(duì)比試驗(yàn)

參照分析得到的尺寸及使用工況要求，對(duì)磁流變減振器集成式加速度傳感器進(jìn)行訂制，為分析其準(zhǔn)確性與可靠性，在電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)上對(duì)訂制的傳感器進(jìn)行正弦激勵(lì)信號(hào)和掃頻信號(hào)的測(cè)試，并與美國(guó)CTC公司的M/AC102-1A型號(hào)壓電加速度傳感器得到的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析。圖15為加工的加速度傳感器與連接件，圖16為單自由度懸架試驗(yàn)裝置。

圖15 傳感器圖Fig.15 Photo of acceleration sensor1.加速度傳感器 2.固定用螺栓與螺母

圖16 單自由度懸架試驗(yàn)裝置圖Fig.16 Test apparatus of single degree of freedom suspension with integrated acceleration1.質(zhì)量塊 2.減振器 3.臺(tái)架 4.加速度傳感器 5.彈簧 6.振動(dòng)臺(tái)

在正弦激勵(lì)信號(hào)下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試信號(hào)頻率為3 Hz，振幅為5 mm和7 mm，結(jié)果如圖17所示。

圖17 正弦激勵(lì)下，壓阻傳感器與壓電傳感器輸出信號(hào)對(duì)比Fig.17 Comparison of signals from piezo-resistive sensor and piezo-electric sensor under sinusoidal excitations

圖18 掃頻激勵(lì)下，壓阻傳感器與壓電傳感器輸出信號(hào)對(duì)比Fig.18 Comparison of signals from piezo-resistive sensor and piezo-electric sensor under swept frequency excitation

圖18為掃頻激勵(lì)時(shí)的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試激勵(lì)為振幅為7 mm，頻率范圍為2～10 Hz。通過(guò)正弦與掃頻激勵(lì)時(shí)的測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知，壓阻傳感器信號(hào)可覆蓋壓電傳感器所采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)，且峰值誤差不超過(guò)5%。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)磁流變減振器的工作特性，并結(jié)合壓阻加速度傳感器的特點(diǎn)，提出了一種可以測(cè)量磁流變減振系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)加速度的集成式壓阻加速度傳感器，確定了傳感器與減振器的集成方式。

(2)確定了集成式壓阻加速度傳感器的設(shè)計(jì)原則和結(jié)構(gòu)選型?；跍p振器的工作要求，采用理論計(jì)算和仿真分析確定了傳感器芯片尺寸。確定了電阻條分布形式、電阻條長(zhǎng)、寬以及電阻條折彎數(shù)。

(3)對(duì)磁流變減振器集成加速度傳感器在不同激勵(lì)下進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了傳感器的可行性、準(zhǔn)確性和可靠性。

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Design and Test of Magneto-rheological Damper Piezo-resistive Acceleration Sensor

DONG Xiaomin YU Jianqiang MAO Fei CHEN Pinggen

(StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)

To satisfy the health monitoring requirements of the on-state magneto-rheological (MR) semi-active suspension shock absorber and improve the reliability of the damping system, a piezo-resistive acceleration sensor integrated with MR absorber was designed to measure the dynamic acceleration. According to the characteristic of shock absorber and the piezo-resistive acceleration sensor, the concept of integrated acceleration sensor was proposed. Then the design principle of the integrated piezo-resistive sensor was analyzed. Structure selection of the chip was determined on the basis of the principle. In order to ensure the high sensitivity and good dynamic characteristics of the sensor, the main dimension parameters of chip were derived by theoretical analysis and finite element method while the testing range was set as one of the constraints. The layout of the chip, the width and length of the resistor were designed based on the theoretical analysis. Based on the finite element method analysis, the transverse sensitivity was smaller than the vertical sensitivity. Comparing with the vertical acceleration, the effects of transverse acceleration can be ignored. The maximum yield force appeared at the root of beam. Referring to the design requirements, a piezo-resistive acceleration sensor was designed. The single degree of freedom MR suspension with the MR damper integrated acceleration sensor was tested under the sine and random signals. The results showed that the designed acceleration sensor had good precision and dynamic stability which can satisfy the application requirement.

piezo-resistive acceleration sensor; magneto-rheological damper; integration; design； test

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.047

2016-11-24

2017-01-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275539、51675063)和重慶市研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(CYB15017)

董小閔(1975—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事磁流變技術(shù)研究，E-mail： xmdong@cqu.edu.cn

U463.33

A

1000-1298(2017)08-0391-08