壓電射流角速度傳感器原理結構及性能研究.pdf

1、壓電射流角速度傳感器的原理是利用科氏力使運動的氣流束偏離中心軸，氣流場的變化使檢測氣體速度的熱電阻絲上的電阻變化，得到角速度的輸出信號。它是一種具有角速度檢測功能而沒有傳統(tǒng)陀螺(機電陀螺)的轉動部分，也沒有壓電陀螺的懸掛系統(tǒng)的慣性器件。 本文分析了壓電射流角速度傳感器的工作原理和檢測電路的測量原理。根據(jù)檢測系統(tǒng)中傳感器工作條件和理論分析設定數(shù)值計算模型和邊界條件。從壓電學和流體力學的基本方程組出發(fā)，理論計算、推導和數(shù)值計算(伽遼

2、金有限元法和有限體積法)相結合，計算了無孔壓電雙晶片振動驅動下密閉腔內氣體運動的情況。分析數(shù)值計算結果，得到以下結論： (1)壓電雙晶片振動為氣體提供周期性變化的無滑移速度邊界。 (2)根據(jù)速度邊界，數(shù)值計算了腔體中氣體的運動情況。計算表明壓電雙晶片激勵電壓的改變使腔體中氣體運動變化。靜態(tài)時，壓電雙晶片激勵電壓增加，則腔體中的氣體速度增加。輸入角速度相同時，壓電雙晶片的激勵電壓增加，傳感器的兩熱電阻絲上的速度差也相應增加

3、，這會導致惠斯登電橋上輸出信號增加。 (3)腔體中，熱電阻絲的安裝位置變化使傳感器檢測電路輸出信號變化。若將熱電阻絲的安裝位置在到通道3出口距離在4.5mm到5mm范圍內，且兩熱電阻絲的間距在3mm到4mm范圍內，則對于相同輸入角速度傳感器的采樣電路輸出電壓相對較強。 (4)通道3的結構對射流室中形成的氣體的速度場分布有很大影響。數(shù)值計算結果顯示，靜態(tài)條件下，模型3中熱電阻絲所處截面上氣體的合速度是原來模型的2.3倍。動

4、態(tài)條件下，模型3中兩熱電阻絲上的速度差是原來模型的6倍。靜態(tài)時速度的增加使動態(tài)時兩熱電阻絲上的速度差增加。 (5)根據(jù)數(shù)值計算結果得到不同輸入角速度與熱電阻絲所處位置氣流速度的擬合多項式。 (6)檢測系統(tǒng)中，傳感器的安裝位置對傳感器輸出信號有影響。偏離檢測系統(tǒng)中心軸距離與輸出信號誤差成正比。實驗檢測知偏離軸心位置達8 cm時，傳感器產(chǎn)生檢測誤差為1.07°/s。 由強迫對流條件下熱電阻檢測氣流速度的經(jīng)典熱力學公式

5、，根據(jù)傳感器檢測原理推導得到Iw恒定時氣流速度-熱電阻絲電阻關系式、惠斯登電橋輸出電壓-氣流速度關系式、熱電阻的溫度-氣流速度關系式和惠斯登電橋輸出電壓-熱電阻檢測溫度關系式。并將氣流速度-輸入角速度關系代入惠斯登電橋輸出電壓-氣流速度關系式，并考慮放大電路放大倍數(shù)，推導得二級放大電路輸出電壓與輸入角速度的理論計算關系式。并比較了分別以無孔壓電泵為驅動源的數(shù)值計算和實驗檢測的有孔壓電泵作用下，二級放大電路輸出電壓。隨輸入角速度變化，兩種

6、方法得到的二級放大電路輸出電壓的變化趨勢相同。另外，本文對電路進行了優(yōu)化。一是添加了調諧電路，保證了壓電雙晶片振動時與激勵電路的匹配穩(wěn)定；二是改善了激勵電路，提高了雙晶片驅動能力。經(jīng)實驗驗證，以方波為激勵信號的電路，壓電泵的輸出能力較高，且傳感器的靈敏度也最高。最后，介紹了傳感器的信號處理電路和數(shù)據(jù)補償方法。調試好的傳感器完成了常溫輸出信號電特性測試和環(huán)境溫度實驗，實驗結果達到設計要求。 全文以密閉腔體中氣體的交變速度為主線，通