一种铰链式高量程加速度传感器及其力学性能分析

提出一种铰链式结构的高量程加速度传感器,该结构可使加速度传感器在保持一定灵敏度的情况下大大提高器件固有频率,从而在更宽的频带内真实地反映冲击过程的加速度信号波形.建立简化模型和改进模型分析该加速度计的力学性能,并用ANSYS模拟验证两种模型的计算结果.其中改进模型考虑了质量块的变形以及梁和铰链的质量影响,提高了器件固有频率的计算精度,计算结果更接近于ANSYS分析结果.最后由模拟分析数据得出该加速度计结构参数的优化.     

压电力传感器晶片与电极接触刚度影响研究*

以压电力传感器为核心的多分量测量系统是航空、航天等领域重要的力学测量装置。压电力传感器中晶片与电极结合面接触刚度是基础性能参数,对压电力传感器的分载效应及灵敏度,多分量测量系统的整体刚度及静、动态性能有直接影响。由于尚无对该参数的研究,导致在设计封装压电力传感器过程中缺少相应的理论依据,在使用多分量测量系统时存在标定困难等问题。针对以上问题,研究晶片与电极结合面接触刚度的影响因素,建立基于分形理论的接触刚度模型,优化了晶面表面形貌、压电材料、电极材料、预紧力等参数。在此基础上,研究接触刚度对传感器性能——刚度、灵敏度、固有频率等影响,提出一种以接触刚度为约束的晶片表面形貌优化方法。基于结构函数法,建立分形理论与实际工程测量参数的联系,通过两种压电晶体——石英与硅酸镓镧,四种电极材料——钛合金、不锈钢、黄铜、铝,试验验证了理论模型。试验表明,优化晶片表面分形参数、提高预紧力、选用弹性模量小的电极有助于提高晶片与电极接触刚度,进而提高传感器的整体刚度、灵敏度和固有频率。研究为高性能压电力传感器的设计提供了理论参考。     

基于接触面优化方法和整体仿真的压缩式压电振动传感器固有频率优化

振动传感器的固有频率范围决定了工作带宽上限,其固有频率的优化是设计中的重要一项。在压缩式压电振动传感器的固有频率优化中,存在缺少ANSYS的适应性优化方法和缺少整体仿真的问题。针对这2个问题,分析了压电振动传感器的结构和ANSYS有限元分析工具的特点,提出了一种基于ANSYS接触工具和网格分布分析的整体仿真接触面优化方法,优化了ANSYS有限元分析仿真固有频率的精确度。在此基础上开展了不同结构参数传感器的固有频率整体仿真。通过整体仿真,确定了这些参数对固有频率的影响,其中一些参数对固有频率影响与部分仿真的结果并不一致,验证了整体仿真的必要性。研究结果可以指导传感器设计中对固有频率的优化。     

应变式全剪切三维加速度传感器的设计

研制了一种新型应变式全剪切三维加速度传感器，其弹性元件为一双层错位孔的薄壁圆筒，三维加速度分量都利用剪切应变测量。对传感器结构模型进行了大量有限元仿真分析，给出了弹性体的应变分布，按各轴向灵敏度和固有频率等目标对传感器结构尺寸进行了优化设计。有限元分析计算和实验结果表明，所研制的传感器结构简单，具有较高的灵敏度和足够的刚度，各轴向灵敏度也比较接近，加速度分量互干扰小。     

压力传感器加速度效应的系统辨识与建模研究

压力场测试过程中,由于压电型压力传感器的加速度效应给测试带来很大误差。针对这一问题,对压电型压力传感器中压电材料的加速度效应进行了理论分析和有限元静态与动态研究分析。根据系统辨识理论,运用马歇特锤试验数据,对压力传感器加速度效应进行了ARX模型系统建模。基于该模型建立加速度效应数字补偿滤波器,试验结果表明:经过该模型滤波后压力传感器加速度效应降低88%以上。该模型具有精确度高,可靠性和通用性强的特点。     

悬臂压电叠层复合梁的弯曲振动固有频率

压电叠层复合梁是一种三叠片对称结构。这里以压电陶瓷-金属-压电陶瓷复合结构为研究对象,给出了悬臂式对称压电复合结构的压电振子弯曲振动共振频率表达式,并建立了相应的有限元模型;计算分析了压电陶瓷-金属复合梁弯曲振动的固有频率值与几何尺寸之间的关系,并与相应的有限元模态分析结果进行了比较。结果表明,两种分析方法得到的压电振子的固有频率值基本符合,计算公式和模型是精确有效的;压电叠层复合梁愈细长则表达式的计算结果愈准确。     

压电悬臂梁采收低频振动能的理论分析与仿真

采收环境振动能量为无线网络传感器供电是近年来研究的热点,目前还没有一个完整的理论和解决方案.文中设计了一种压电悬臂梁结构的环境振动能量采收装置,研究了悬臂梁压电振子结构受激励后产生电荷量与频率的关系,并进行了ANSYS仿真,得出了最佳的机电耦合模型和压电悬臂梁几何尺寸对固有频率的影响的关系.为采收环境低频振动能量,实现网络传感器自供电装置提供了设计的理论依据.     

一种六维加速度传感器的测量属性分析*

本文研究的六维加速度传感器为并联机构,旨在用于低频作业装备下的小量程加速度测量。为了能够准确地获取传感器的测量属性,采用并联机构的守恒转换的方法求解传感器的刚度矩阵,通过对传感器的简化建立系统的无阻尼自由振动模型,获得传感器固有频率求解的理论表达式,对双悬臂梁弹性元件进行分析,计算获得悬臂梁弯曲应力与上平台加速度加载的关系曲线,利用有限元分析仿真确定传感器的测量范围,经过实验验证,证明该传感器在16 Hz,x轴方向0~10 m/s2的加载状态下传感器测量电压与加速度加载量之间具有良好的线性关系,传感器的线加速度精度为1.3%。     

仪用空气弹簧隔振台固有频率的研究

超精密测量对环境振动要求非常严格,其仪器设备中多安装隔振装置。针对课题组圆度仪中使用的仪用小型空气弹簧隔振台,采用理论方法研究其固有频率。首先简化隔振台振动模型,根据该隔振台中约束式膜式空气弹簧的特定结构及相关理论,建立单个空气弹簧数学计算模型,获得单个空气弹簧刚度特性与其垂向变形量x的关系式,最终求得隔振系统的固有频率;同时利用压电式加速度传感器设计振动测试试验,对采集到的加速度信号进行预处理、积分运算、频谱分析,获得该系统的固有频率,两者对比,误差不超过10%,达到预期研究目标。为理论上研究该隔振平台的隔振性能及其耦合振动情况提供理论基础,也对其他类似结构的空气弹簧刚度特性的计算有一定参考意义。     

基于瑞利-里兹法的低翅片管固有频率数值解

针对低翅片管几何形状复杂,质量和刚度分布不均匀,振动特征值不能有封闭解的问题,采用瑞利-里兹法对低翅片管的固有频率进行了数值研究,获得了低翅片管弯曲振动固有频率的数值计算模型。对于一定规格的低翅片管,应用该数值计算模型可求得其各阶固有频率的数值解。采用共振法测试了低翅片管的固有频率,前三阶固有频率的数值解与实测值相比,误差范围为-3.28%--3.51%。该数值计算模型可用于低翅片管固有频率的求解。     

新型双臂菱形压电柔性机构理论设计与建模

针对目前传统菱形位移放大机构的输出刚度、固有频率和位移放大比无法同时提高的问题,提出了一种双臂复合菱形柔性机构,并介绍了其理论设计与建模方法。基于欧拉-伯努利梁理论和卡氏第二定理,推导出双臂复合菱形柔性机构的位移放大比和刚度解析模型,利用拉格朗日方程建立了该柔性机构的固有频率解析模型,并通过商业有限元软件验证了解析模型的准确性。根据理论计算结果,通过电火花切割工艺加工出复合柔性机构,并与相同尺寸参数的传统菱形位移放大机构进行实验比较研究。实验结果表明,压电双层臂柔性机构的固有频率为1330Hz,位移放大比为4.2,同时提高了固有频率和放大比。此外,所建立的位移放大比和固有频率力学解析模型可以为新型压电柔性机构的优化设计提供理论指导。     

泵用压电振子动态特性的研究

为了提高压电泵的效率、优化压电泵的结构,对泵用压电振子的动态特性进行了研究。介绍了一种新型压电泵——Y形流管无阀压电泵的结构和工作原理;对Y形流管无阀压电泵压电振子的振动状态进行了理论分析,得到了压电振子的固有频率及最大振幅的理论计算公式,并证明了理论分析结果的正确性;根据理论分析结果,对压电振子几何参数和基底层材料对其振动特性的影响进行了分析讨论。分析结果表明：压电振子的PZT层与基底层的直径比应在0.75左右,厚度比应小于1;基底层材料对频率影响较大,但对最大振幅影响较小。     

可调频旋磁激励式压电发电机的设计与试验

为提高旋转式压电发电机的安全性与有效带宽,提出一种可调频旋磁激励式压电发电机,并从理论、仿真与试验三个方面对发电机的工作特性进行了研究。建立了压电梁在端部外载荷作用下的刚度/频率偏移模型,并通过仿真获得了刚度、动磁铁数量对发电机响应特性的影响规律。结果表明,压电梁刚度随端部拉/压力的增大而线性增大/减小,固有频率相应地提高且趋于平缓/降低且速率增大,而动磁铁数量将影响发电机的谐振峰数量与放大比。在此基础上进行了相关试验,试验表明,压电梁受拉伸/压缩都将提高发电机的固有频率并降低输出电压幅值,且受压时减幅更大;此外,动磁铁数量除仿真中影响因素外对发电机的固有频率也具有一定影响;通过改变动磁铁数量与调节量,实现了发电机固有频率在39.2～112Hz内的调整,最大频率偏移为185.7%。     

压电谐波传动系统活齿传动自由振动分析

提出了一种具有低速大转矩特性的机电集成压电谐波传动系统,该传动系统利用活齿传动输出转矩。分析了机电集成压电谐波传动的工作原理,建立了活齿传动动力学模型,推导了其动力学微分方程,给出了活齿传动自由振动特征方程,求出了系统固有频率及振型,并分析了结构参数对固有频率的影响。研究结果为机电集成压电谐波传动系统的进一步优化提供了新的思路和方法。     

线性悬臂梁式压电振子的理论分析与仿真

悬臂梁式压电俘能系统的输出电压和功率与压电振子的结构尺寸、外界激振频率等都有着密切的联系。同时,线性压电振子当与环境振动激励产生共振时才能获得最大的输出功率,而其固有频率又与压电振子的结构尺寸等参数有关。因此,为了在实际应用中提高俘能效率,就需要研究这些参数对悬臂梁式压电俘能系统性能的影响规律。现针对悬臂梁式压电振子结构进行了相关的理论分析,并通过COMSOL Multiphysics有限元软件,对系统输出电压和功率受外界激振频率、负载、外激励加速度的影响规律进行了仿真分析,从而为优化悬臂梁式压电振子结构,降低系统固有频率提供了参考。     

一种并联式六维加速度传感器参数优化研究

并联机构作为弹性元件研究六维加速度传感器,参数众多难以优化,尤其是理论模型实体化后因为体和面代替了点和线产生的结构误差影响传感器的测量精度鲜见文献报道.在分析并联式弹性元件众多参数的基础上,建立了具有5个参数的理论简化模型,完善了基于空间模型理论的性能图谱寻优法,并对理论简化模型参数进行优化,通过对不同优化方法优化结果的比较,论证了该方法获得的优化结果更适合具有特殊球型结构并联式弹性元件;将理论模型实体化后建立了实体化模型,应用正交试验和极差分析法对实体化模型参数影响传感器测量精度情况进行分析,并获得了优化的实体化模型参数值,通过算例计算了实体化后产生的结构误差为1.617％.最后对研究的六维加速度传感器样机进行标定试验,结果表明采用的参数优化方法能够获得高的传感器测量精度.     

RV减速器的模态对其传动误差的影响规律研究

为揭示RV减速器模态对传动误差的影响规律,以RV-40E为研究对象,利用等价模型法构建其质量刚度动力学模型,建立了RV减速器传动误差与固有频率的数学模型;通过刚度质量比,发现传动误差与固有频率呈负相关性。为验证该模型,选取纳博特斯克和国内企业的RV-40E产品进行固有频率、刚度和传动误差的对比测试,发现RV减速器一阶固有频率越大,刚度质量比越大,传动误差越小。研究为RV减速器的模态和性能测试提供了方法,为RV减速器从几何结构设计向性能设计转变提供了重要的参考依据。     

复杂微结构偏轴刚度的求解

微传感器结构刚度是优化传感器结构尺寸、研究传感器动力学特性的一个重要参数.目前多采用有限元分析获取这一参数,但该方法难于给出一个物理思想比较明确的解析表达式.文中依托自主设计的一种具有复杂微结构的二维加速度传感器,综合运用力法和功能原理推导微结构偏轴刚度的解析式,为实现考虑交叉干扰因素的微结构几何参数优化奠定基础.推导...     

基于新型压电换能器的加速度传感器研究

针对以压电陶瓷作为敏感元件的加速度传感器灵敏度低的特点,研究了一种以钹式压电换能器为敏感元件的加速度传感器。利用有限元分析软件ANSYS分析钹式换能器结构参数与其电压输出特性的关系,并根据ANSYS优化的结构参数制作了加速度传感器样品。实验表明,基于钹式换能器的加速度传感器的灵敏度是传统压电陶瓷加速度传感器约39倍。     

行星轮系固有频率的灵敏度分析

建立了两级行星齿轮传动系统计算模型,推导了系统动力学微分方程,求解了行星齿轮传动系统的固有频率。采用矩阵摄动法,针对系统存在孤立特征值和重特征值,分别求解刚度参数变化对各阶固有频率的灵敏度。矩阵摄动法求解的结果与求导法求解的结果对比表明,基于两种方法求解的对各阶固有频率影响最大的参数基本一致,证明了矩阵摄动法求解结果的正确性。通过改变对固有频率灵敏度最大的刚度参数,可以修改固有频率,使其远离激励频率,避免共振的发生。