CN112798821B - 一种双轴压电式加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双轴压电式加速度计，本加速度计包括处于同一平面且同轴的大矩形框架和小矩形框架，小矩形框架内设有质量块；小矩形框架与质量块之间固定有四根长度相等相互对称的梁，大矩形框架与小矩形框架之间固定有四根长度相等相互对称的梁；令第五至第八梁所在直线的方向为y轴，y轴与所述的x轴相互垂直；梁的表面均设有压电片，每个压电片的四个角上分别设置有一个电极；所有位于同一轴向且用于感受同一形变方向的电极均连接到一起。本发明通过将八根梁分为两组均匀分布在加速度计的内部，两组梁之间相互垂直，加强了加速度计的稳定性，减少了加速度计在工作过程中的扭转变形，提高加速度计的测量精度。
Description
技术领域
本发明属于压电式加速度计技术领域，具体涉及一种双轴压电式加速度计。
背景技术
加速度计在惯性导航、惯性制导等设备中是十分重要的测量元件。我们利用加速度计敏感这一特性来测量载体的运动加速度的。加速度计的种类有很多，包括摆式加速度计、挠性加速度计、电磁加速度计、静电加速度计、振梁式加速度计等。随着微电子学和微制造技术的发展，硅基材料被越来越多地用于制造传感器，其中硅微机械加速度计已成为研究的热点。硅微机械加速度计又分为压阻式、电容式、静电力平衡式和石英振梁式，其中压电式加速度计利用具有压电效应的材料进行加速度测量，当有加速度输入时，检测质量受惯性力作用产生偏转，并在挠性臂上产生应力，产生形变，使压电片表面产生电荷，通过放大器，从而提供一个正比于输入加速度的输出信号。
传统的压电式加速度计多为单轴加速度计，检测x、y轴的加速度需要两个单轴进行组装，因此必然导致加速度计体积大、一致性差等缺陷；同时组装的加速度计质量块的厚度远大于梁的厚度，这样会导致加速度计在工作中产生扭转变形，极大影响加速度计的精准测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种双轴压电式加速度计，能够减少工作过程中产生的扭转变形。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种双轴压电式加速度计，本加速度计包括处于同一平面且同轴的大矩形框架和小矩形框架，小矩形框架内设有质量块；
小矩形框架与质量块之间固定有四根长度相等的梁，分别为第一至第四梁；其中，第一梁和第三梁位于质量块的同一侧且相互对称，第二梁和第四梁位于质量块的另一侧且相互对称，第一梁与第二梁位于同一直线上，第三梁和第四梁位于同一直线上；令第一至第四梁所在直线的方向为x轴；
大矩形框架与小矩形框架之间固定有四根长度相等的梁，分别为第五至第八梁；其中，第五梁和第七梁位于小矩形框架的同一侧且相互对称，第六梁和第八梁位于小矩形框架的另一侧且相互对称，第五梁和第六梁位于同一直线上，第七梁和第八梁位于同一直线上；令第五至第八梁所在直线的方向为y轴，y轴与所述的x轴相互垂直；
所述的第一至第八梁的表面均设有压电片，每个压电片的四个角上分别设置有一个电极；所有位于同一轴向且用于感受同一形变方向的电极均连接到一起，输出电压，所述的输出电压与施加在同一轴上的加速度成正比；所述的同一形变方向为同时受拉方向或同时受压方向。
按上述方案，所述的质量块的厚度与第一至第八梁的厚度均一致。
按上述方案，所述的第一至第八梁、质量块和小矩形框架，为机械加工一体成型的整体结构。
按上述方案，所述的第一至第八梁均为长方体，第一至第四梁与质量块构成艹型结构，第一至第四梁均与质量块相互垂直；第五至第八梁与小矩形框架构成工字型结构，第五至第八梁均与小矩形框架相互垂直。
按上述方案，所述的第一至第八梁、质量块和小矩形框架的材料为结构钢、硅、合金或有机玻璃。
按上述方案，所述的大矩形框架和小矩形框架上分别设有若干电极接头，供所述的电极就近连接。
本发明的有益效果为：
1、通过将八根梁分为两组均匀分布在加速度计的内部，两组梁之间相互垂直，加强了加速度计的稳定性，减少了加速度计在工作过程中的扭转变形，提高加速度计的测量精度。
2、质量块的厚度和第一至第八梁的厚度一致，减少了加速度计的体积和工作过程中产生的扭转变形，加强了加速度计的稳定性，同时拓展了压电式加速度计的动态频宽。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为本发明一实施例的电路连接示意图。
图3为本发明一实施例施加x轴方向载荷时的形变图。
图4为本发明一实施例施加x轴方向载荷时电极上的电位图。
图5为本发明一实施例施加x轴方向载荷时电极上三分之一谐振频率范围内的电位图。
图6为本发明一实施例的施加y轴方向载荷时的形变图。
图7为本发明一实施例的施加y轴方向载荷时电极上的电位图。
图8为本发明一实施例的施加x轴方向载荷时电极上三分之一谐振频率范围内的电位图。
图中：大矩形框架1，小矩形框架2，质量块3，第一梁401，第二梁402，第三梁403，第四梁404，第五梁405，第六梁406，第七梁407，第八梁408，第1-32电极501-532，第1-8电极接头601-608，压电片7。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种双轴压电式加速度计，如图1所示，本加速度计包括处于同一平面且同轴的大矩形框架1和小矩形框架2，小矩形框架2内设有质量块3。
小矩形框架2与质量块3之间固定有四根长度相等的梁，分别为第一至第四梁401-404；其中，第一梁401和第三梁403位于质量块3的同一侧且相互对称，第二梁402和第四梁404位于质量块3的另一侧且相互对称，第一梁401与第二梁402位于同一直线上，第三梁403和第四梁404位于同一直线上；令第一至第四梁401-404所在直线的方向为x轴。
大矩形框架1与小矩形框架2之间固定有四根长度相等的梁，分别为第五至第八梁405-408；其中，第五梁405和第七梁407位于小矩形框架2的同一侧且相互对称，第六梁406和第八梁408位于小矩形框架2的另一侧且相互对称，第五梁405和第六梁406位于同一直线上，第七梁407和第八梁408位于同一直线上；令第五至第八梁405-408所在直线的方向为y轴，y轴与所述的x轴相互垂直。
所述的第一至第八梁401-408的表面均设有压电片7，每个压电片7的四个角上分别设置有一个电极；所有位于同一轴向且用于感受同一形变方向的电极均连接到一起，输出电压，所述的输出电压与施加在同一轴上的加速度成正比；所述的同一方向为同时受拉方向或同时受压方向。优选的，所述的大矩形框架和小矩形框架上分别设有若干电极接头，供所述的电极就近连接。
本实施例中，如图2所示，第一至第四梁401-404上的压电片7四个角上设置的电极依次为第1-16电极501-516；第五梁405上的压电片7四个角上设置的电极为第17-20电极517-520，第六梁406上的压电片7四个角上设置的电极为第25-28电极525-528，第七梁407上的压电片7四个角上设置的电极为第21-24电极521-524，第八梁408上的压电片7四个角上设置的电极为第29-32电极529-532，共计32个电极。所述的小矩形框架2上设有分别靠近第一至第四梁401-404的电极接头601-604；所述的大矩形框架1上设有分别靠近第五至第八梁405-408的电极接头605-608。
进一步的，所述的质量块3的厚度与第一至第八梁401-408的厚度均一致。第一至第八梁401-408均为长方体，第一至第四梁401-404与质量块3构成艹型结构，第一至第四梁401-404均与质量块3相互垂直；第五至第八梁405-408与小矩形框架2构成工字型结构，第五至第八梁405-408均与小矩形框架2相互垂直。
所述的第一至第八梁401-408、质量块3和小矩形框架2的材料为结构钢、硅、合金或有机玻璃。所述的第一至第八梁401-408、质量块3和小矩形框架2，为机械加工一体成型的整体结构。压电片的材料选择AlN、PZT、ZnO等压电材料；金属电极的材料选择Mo、Al、Au、Pt和Ag等材料；采用微机械加工(MEMS)或者传统机械加工等方式将质量块3、八根梁、压电片7以及电极一体成型，加强了加速度计的稳定性，减少了加速度计在工作过程中的扭转变形。
本发明的工作原理为：当有加速度输入时，质量块3受到某一方向的惯性力，使得加速度计产生了微位移，进而第一至第八梁401-408上的压电片7随着梁的弯曲而弯曲，产生形变，使压电片表面产生电荷或者电压，通过放大器，从而提供一个正比于输入加速度的输出信号。根据正压电效应，通过测量电荷的大小进而可以推导出加速度的大小，测量不同电极之间的电压差，可以由此推算出对应方向上的加速度大小。
压电式加速度计的灵敏度可以用电荷灵敏度Sq或者电压灵敏度Sv表示：
电荷灵敏度的表达式为
电压灵敏度的表达式为
将上两式连列，得到
由此计算出加速度a；
其中，Qa为测量端出现的电荷量，电荷灵敏度Sq为在一个单位加速度下压电片产生的电荷量，可通过仪器进行测量；Va为测量端在一定负载下的电压值，电压灵敏度Sv为在一个单位加速度下压电片产生的电压值，可通过仪器进行测量。
本发明设计中各个电极的型号规格都相同，各个电极接头的型号规格也都相同，为了便于阐述本发明设计的原理，仅将其标以数字进行区分。
如图2所示，共有32个金属电极，即第1-32电极501-532。电极501、504、506、507过导线互连引出至电极接头601；509、512、514、515通过导线互连引出至电极接头602；金属电极502、503、505、508通过导线互连引出至电极接头603；510、511、513、516通过导线互连引出至电极接头604。当受到y轴方向的载荷时，连接小矩形框架2的梁的一端和连接质量块3的另一端将产生相反的形变，进而电极接头601、602和电极接头603、604产生电性相反的电荷，通过测量电极接头601、602和电极接头603、604的电荷或电压信号即可推算出有Y轴的加速度。
金属电极517、520、526、527通过导线互连引出至电极接头605；521、524、530、531通过导线互连引出至电极接头606，金属电极518、519、525、528通过导线互连引出至电极接头607；522、523、529、532通过导线互连引出至电极接头608；当受到x轴方向的载荷时，连接大矩形框架1的梁的一端和连接小矩形框架2的另一端将产生相反的形变，进而电极接头605、606和电极接头607、608产生电性相反的电荷，通过测量电极接头605、606和电极接头607、608的电荷或电压信号即可推算出有x轴的加速度。
当受到y轴方向载荷时，电极接头601、602和电极接头603、604用于测量y轴加速度信号，而用于测量x轴加速度信号的电极接头605、606和电极接头607、608为对称连接，电荷相互抵消，信号输出基本为0。
当受到x轴方向载荷时，电极接头605、606和电极接头607、608用于测量x轴加速度信号，而用于测量y轴加速度信号的电极接头601、602和电极接头603、604为对称连接，电荷相互抵消，信号输出基本为0。
图3为本发明设计施加x轴方向载荷时的形变图，在压电式加速度计上施加x轴方向的载荷时，小矩形框架2与质量块3构成一个整体，大矩形框架1上的四根梁受到x轴方向的载荷的影响，产生应力与形变，使压电片表面产生电荷，通过梁上的电极输出电压。
图4为本发明设计施加x轴方向载荷时电极上的电位图，通过comsol建立模型并仿真得到，当施加x轴方向载荷于该压电式加速度计时，某一相关电极在x轴方向载荷作用下产生的电位，该电极的电位在3350HZ左右达到峰值。频率响应(感应电压)一般采用谐振频率的1/3—1/5。加速度计频响在1/3谐振频率时，频响与参考灵敏度偏差≤1dB。
图5为本发明设计施加x轴方向载荷时电极上三分之一谐振频率范围内的电位图，该加速度计所应用的频率响应在三分之一谐振频率为最佳，该频率下压电式加速度计的频响与参考灵敏度偏差≤1dB，使检测得到的加速度更为准确。
图6为本发明设计施加y轴方向载荷时的形变图，在压电式加速度计上施加y轴方向的载荷时，主要在小矩形框架2内进行研究，小矩形框架2内的四根梁受到y轴方向的载荷的影响，产生应力与形变，使压电片表面产生电荷，通过梁上的电极输出电压。
图7为本发明设计施加y轴方向载荷时电极上的电位图，通过comsol建立模型并仿真得到，当施加y轴方向载荷于该压电式加速度计时，某一相关电极在y轴方向载荷作用下产生的电位，该电极的电位在4500HZ左右达到峰值。频率响应(感应电压)一般采用谐振频率的1/3—1/5。加速度计频响在1/3谐振频率时，频响与参考灵敏度偏差≤1dB。
图8为本发明设计施加y轴方向载荷时电极上三分之一谐振频率范围内的电位图，加速度计所应用的范围为三分之一谐振频率范围，该加速度计所应用的频率响应在三分之一谐振频率为最佳，该频率下压电式加速度计的频响与参考灵敏度偏差≤1dB，使检测得到的加速度更为准确。
本发明将八根梁均匀的分布在加速度计的内部，第一至第四梁置于质量块3两侧，第五至第八梁置于小矩形框架2的两侧，两组梁相互垂直，加强了加速度计的稳定性，减少了加速度计在工作过程中的扭转变形。质量块3的厚度和梁的厚度一致，减少了加速度计的体积和工作过程中产生的扭转变形，加强了加速度计的稳定性，同时拓展了压电式加速度计的动态频宽。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种双轴压电式加速度计，其特征在于：本加速度计包括处于同一平面且同轴的大矩形框架和小矩形框架，小矩形框架内设有质量块；
小矩形框架与质量块之间固定有四根长度相等的梁，分别为第一至第四梁；其中，第一梁和第三梁位于质量块的同一侧且相互对称，第二梁和第四梁位于质量块的另一侧且相互对称，第一梁与第二梁位于同一直线上，第三梁和第四梁位于同一直线上；令第一至第四梁所在直线的方向为x轴；
大矩形框架与小矩形框架之间固定有四根长度相等的梁，分别为第五至第八梁；其中，第五梁和第七梁位于小矩形框架的同一侧且相互对称，第六梁和第八梁位于小矩形框架的另一侧且相互对称，第五梁和第六梁位于同一直线上，第七梁和第八梁位于同一直线上；令第五至第八梁所在直线的方向为y轴，y轴与所述的x轴相互垂直；
所述的第一至第八梁的表面均设有压电片，每个压电片的四个角上分别设置有一个电极；所有位于同一轴向且用于感受同一形变方向的电极均连接到一起，输出电压，所述的输出电压与施加在同一轴上的加速度成正比；所述的同一方向为同时受拉方向或同时受压方向。
2.根据权利要求1所述的双轴压电式加速度计，其特征在于：所述的质量块的厚度与第一至第八梁的厚度均一致。
3.根据权利要求1所述的双轴压电式加速度计，其特征在于：所述的第一至第八梁、质量块和小矩形框架，为机械加工一体成型的整体结构。
4.根据权利要求1所述的双轴压电式加速度计，其特征在于：所述的第一至第八梁均为长方体，第一至第四梁与质量块构成艹型结构，第一至第四梁均与质量块相互垂直；第五至第八梁与小矩形框架构成工字型结构，第五至第八梁均与小矩形框架相互垂直。
5.根据权利要求1或3所述的双轴压电式加速度计，其特征在于：所述的第一至第八梁、质量块和小矩形框架的材料为结构钢、硅、合金或有机玻璃。
6.根据权利要求1所述的双轴压电式加速度计，其特征在于：所述的大矩形框架和小矩形框架上分别设有若干电极接头，供所述的电极就近连接。
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