【摘要】：高性能、高穩(wěn)定性的振動加速度傳感器一直是工程技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點,在機器運行狀況監(jiān)測中起到重要作用,傳統(tǒng)的壓電振動傳感器性能強大、產(chǎn)品系列豐富,但是在自身重量上不占優(yōu)勢。近年來MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微機電系統(tǒng))振動傳感器在市場上發(fā)展迅猛,在萬物互聯(lián)的大背景下取得了廣泛關(guān)注和研究,但是MEMS傳感器大多基于電學(xué)測量,在復(fù)雜的多電磁環(huán)境下性能容易受到干擾,而理想的MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems,微型光機電系統(tǒng))振動傳感器由于研發(fā)困難、精度不足或價格昂貴尚未能大量進入市場。從壓電到MEMS再到MOEMS,振動傳感器的測量原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計及加工工藝越來越豐富,尤其是拾振結(jié)構(gòu)的設(shè)計越來越多樣化。在借鑒了MEMS和MOEMS的拾振結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,本課題的研究,主要是為了研發(fā)一種基于光學(xué)測量的性能良好、高穩(wěn)定性、價格經(jīng)濟的振動加速度傳感器。根據(jù)振動加速度計力學(xué)模型,分析了決定加速度測量分辨率的兩個關(guān)鍵因素:拾振結(jié)構(gòu)的頻響特性和絕對位移測量分辨率。其中,就拾振結(jié)構(gòu)的頻響特性,提出利用共振耦合結(jié)構(gòu)對振動信息的放大來擴寬加速度測量的帶寬;就位移測量分辨率,提出結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強的光柵位移測量系統(tǒng)。在共振耦合結(jié)構(gòu)的仿真中,首先分析了固有頻率、耦合彈簧彈性系數(shù)等因素對雙懸臂梁耦合頻響效果的影響,并在雙梁耦合的理論基礎(chǔ)上,利用有限元分析軟件ANSYS中理想彈簧實現(xiàn)了一組共振帶寬為5Hz(109Hz-114Hz)的多梁共振耦合陣列的設(shè)計優(yōu)化。最后,為了與平面加工工藝相結(jié)合,設(shè)計優(yōu)化了一組測量帶寬為19.8Hz(268Hz-287.8Hz)的平面耦合陣列梁結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了振動測量帶寬的拓展。在位移測量系統(tǒng)中,通過配置合適的光柵常數(shù)及激光匯聚系統(tǒng),實驗中驗證了該位移測量系統(tǒng)能實現(xiàn)分辨率至少為1.5μm的精密測量。通過對光電信號的電子劃分,可以達到更高分辨率。將位移測量系統(tǒng)與共振耦合結(jié)構(gòu)相結(jié)合,理論上本文設(shè)計的振動加速度測量儀可以實現(xiàn)1mg左右(109Hz-114Hz)和11mg左右(268Hz-287.8Hz)的加速度測量分辨率。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH74;TP212
【圖文】：

機械振動分類阻尼振動：當(dāng)振動系統(tǒng)的能量通過摩擦和其他阻力逐漸耗散時，振動被稱為阻尼振

電容式加速度傳感器模型

5圖 1-3 壓阻式加速度傳感器加速度計結(jié)構(gòu)簡單、可微型化，能在懸臂梁上直接制造壓敏電阻，目款小微型的壓阻加速度計；由于硅材料的壓阻系數(shù)較大，使得壓阻加

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本文編號：2803334