壓電射流角速度傳感器原理結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)的氣流束偏離中心軸，氣流場(chǎng)的變化使檢測(cè)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(hào)。它是一種具有角速度檢測(cè)功能而沒(méi)有傳統(tǒng)陀螺(機(jī)電陀螺)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，也沒(méi)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(cè)電路的測(cè)量原理。根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)中傳感器工作條件和理論分析設(shè)定數(shù)值計(jì)算模型和邊界條件。從壓電學(xué)和流體力學(xué)的基本方程組出發(fā)，理論計(jì)算、推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算(伽遼

2、金有限元法和有限體積法)相結(jié)合，計(jì)算了無(wú)孔壓電雙晶片振動(dòng)驅(qū)動(dòng)下密閉腔內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)的情況。分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到以下結(jié)論： (1)壓電雙晶片振動(dòng)為氣體提供周期性變化的無(wú)滑移速度邊界。 (2)根據(jù)速度邊界，數(shù)值計(jì)算了腔體中氣體的運(yùn)動(dòng)情況。計(jì)算表明壓電雙晶片激勵(lì)電壓的改變使腔體中氣體運(yùn)動(dòng)變化。靜態(tài)時(shí)，壓電雙晶片激勵(lì)電壓增加，則腔體中的氣體速度增加。輸入角速度相同時(shí)，壓電雙晶片的激勵(lì)電壓增加，傳感器的兩熱電阻絲上的速度差也相應(yīng)增加

3、，這會(huì)導(dǎo)致惠斯登電橋上輸出信號(hào)增加。 (3)腔體中，熱電阻絲的安裝位置變化使傳感器檢測(cè)電路輸出信號(hào)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(nèi)，且兩熱電阻絲的間距在3mm到4mm范圍內(nèi)，則對(duì)于相同輸入角速度傳感器的采樣電路輸出電壓相對(duì)較強(qiáng)。 (4)通道3的結(jié)構(gòu)對(duì)射流室中形成的氣體的速度場(chǎng)分布有很大影響。數(shù)值計(jì)算結(jié)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(lái)模型的2.3倍。動(dòng)

4、態(tài)條件下，模型3中兩熱電阻絲上的速度差是原來(lái)模型的6倍。靜態(tài)時(shí)速度的增加使動(dòng)態(tài)時(shí)兩熱電阻絲上的速度差增加。 (5)根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)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(xiàng)式。 (6)檢測(cè)系統(tǒng)中，傳感器的安裝位置對(duì)傳感器輸出信號(hào)有影響。偏離檢測(cè)系統(tǒng)中心軸距離與輸出信號(hào)誤差成正比。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)知偏離軸心位置達(dá)8 cm時(shí)，傳感器產(chǎn)生檢測(cè)誤差為1.07°/s。 由強(qiáng)迫對(duì)流條件下熱電阻檢測(cè)氣流速度的經(jīng)典熱力學(xué)公式

5、，根據(jù)傳感器檢測(cè)原理推導(dǎo)得到Iw恒定時(shí)氣流速度-熱電阻絲電阻關(guān)系式、惠斯登電橋輸出電壓-氣流速度關(guān)系式、熱電阻的溫度-氣流速度關(guān)系式和惠斯登電橋輸出電壓-熱電阻檢測(cè)溫度關(guān)系式。并將氣流速度-輸入角速度關(guān)系代入惠斯登電橋輸出電壓-氣流速度關(guān)系式，并考慮放大電路放大倍數(shù)，推導(dǎo)得二級(jí)放大電路輸出電壓與輸入角速度的理論計(jì)算關(guān)系式。并比較了分別以無(wú)孔壓電泵為驅(qū)動(dòng)源的數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的有孔壓電泵作用下，二級(jí)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(jí)放大電路輸出電壓的變化趨勢(shì)相同。另外，本文對(duì)電路進(jìn)行了優(yōu)化。一是添加了調(diào)諧電路，保證了壓電雙晶片振動(dòng)時(shí)與激勵(lì)電路的匹配穩(wěn)定；二是改善了激勵(lì)電路，提高了雙晶片驅(qū)動(dòng)能力。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以方波為激勵(lì)信號(hào)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(hào)處理電路和數(shù)據(jù)補(bǔ)償方法。調(diào)試好的傳感器完成了常溫輸出信號(hào)電特性測(cè)試和環(huán)境溫度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 全文以密閉腔體中氣體的交變速度為主線，通