压电射流角速度传感器原理结构及性能研究

摘要

压电射流角速度传感器的原理是利用科氏力使运动的气流束偏离中心轴，气流场的变化使检测气体速度的热电阻丝上的电阻变化，得到角速度的输出信号。它是一种具有角速度检测功能而没有传统陀螺(机电陀螺)的转动部分，也没有压电陀螺的悬挂系统的惯性器件。 本文分析了压电射流角速度传感器的工作原理和检测电路的测量原理。根据检测系统中传感器工作条件和理论分析设定数值计算模型和边界条件。从压电学和流体力学的基本方程组出发，理论计算、推导和数值计算(伽辽金有限元法和有限体积法)相结合，计算了无孔压电双晶片振动驱动下密闭腔内气体运动的情况。分析数值计算结果，得到以下结论： (1)压电双晶片振动为气体提供周期性变化的无滑移速度边界。 (2)根据速度边界，数值计算了腔体中气体的运动情况。计算表明压电双晶片激励电压的改变使腔体中气体运动变化。静态时，压电双晶片激励电压增加，则腔体中的气体速度增加。输入角速度相同时，压电双晶片的激励电压增加，传感器的两热电阻丝上的速度差也相应增加，这会导致惠斯登电桥上输出信号增加。 (3)腔体中，热电阻丝的安装位置变化使传感器检测电路输出信号变化。若将热电阻丝的安装位置在到通道3出口距离在4.5mm到5mm范围内，且两热电阻丝的间距在3mm到4mm范围内，则对于相同输入角速度传感器的采样电路输出电压相对较强。 (4)通道3的结构对射流室中形成的气体的速度场分布有很大影响。数值计算结果显示，静态条件下，模型3中热电阻丝所处截面上气体的合速度是原来模型的2.3倍。动态条件下，模型3中两热电阻丝上的速度差是原来模型的6倍。静态时速度的增加使动态时两热电阻丝上的速度差增加。 (5)根据数值计算结果得到不同输入角速度与热电阻丝所处位置气流速度的拟合多项式。 (6)检测系统中，传感器的安装位置对传感器输出信号有影响。偏离检测系统中心轴距离与输出信号误差成正比。实验检测知偏离轴心位置达8 cm时，传感器产生检测误差为1.07°/s。 由强迫对流条件下热电阻检测气流速度的经典热力学公式，根据传感器检测原理推导得到Iw恒定时气流速度-热电阻丝电阻关系式、惠斯登电桥输出电压-气流速度关系式、热电阻的温度-气流速度关系式和惠斯登电桥输出电压-热电阻检测温度关系式。并将气流速度-输入角速度关系代入惠斯登电桥输出电压-气流速度关系式，并考虑放大电路放大倍数，推导得二级放大电路输出电压与输入角速度的理论计算关系式。并比较了分别以无孔压电泵为驱动源的数值计算和实验检测的有孔压电泵作用下，二级放大电路输出电压。随输入角速度变化，两种方法得到的二级放大电路输出电压的变化趋势相同。另外，本文对电路进行了优化。一是添加了调谐电路，保证了压电双晶片振动时与激励电路的匹配稳定；二是改善了激励电路，提高了双晶片驱动能力。经实验验证，以方波为激励信号的电路，压电泵的输出能力较高，且传感器的灵敏度也最高。最后，介绍了传感器的信号处理电路和数据补偿方法。调试好的传感器完成了常温输出信号电特性测试和环境温度实验，实验结果达到设计要求。 全文以密闭腔体中气体的交变速度为主线，通过理论计算得到压电双晶片在一阶串联谐振频率振动时的压电双晶片的速度，分析密闭腔体中气体与压电泵振动的关系，将压电泵的振动对气体的作用等效为交变无滑移速度边界条件。再以此速度边界为驱动源，数值计算了敏感元件密闭腔体中气体形成的交变速度场，最后根据热交换经典实验公式将惠斯登电桥的输出信号与腔体中交变速度场在热电阻丝上的气流速度连接起来，形成了相对完整的计算方法。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章 绪论

1.1固态陀螺性能比较

1.2压电射流角速度传感器的研究现状

1.2.1敏感元件结构和工作机理

1.2.2压电泵、泵所在腔体以及匹配电路的研究现状

1.2.3密闭腔体中气流的运动情况研究现状

1.2.4压电射流角速度传感器现状

1.3压电射流角速度传感器的研究存在的问题

1.3.1需深入研究的问题

1.3.2存在问题研究必要性分析

1.4研究内容

1.5项目来源

第二章压电射流角速度传感器结构和基本原理

2.1引言

2.2工作原理

2.3敏感元件结构及工作状态

2.3.1敏感元件结构

2.3.2工作状态

2.4检测原理

2.4.1热电阻丝的选择

2.4.2检测原理

2.5小结

第三章压电晶片在传感器中的作用

3.1引言

3.2压电泵弯曲振动理论

3.2.1定义和假设

3.2.2运动方程

3.2.3谐振频率

3.3.ANSYS有限元软件分析基础

3.3.1 ANSYS的主要分析方法

3.3.2压电双晶片的ANSYS分析

3.4压电双晶片振动的有限元分析

3.4.1计算模型和边界条件

3.4.2计算结果

3.5振动位移

3.6振动速度

3.7压电双晶片对气体的作用

3.8小结

第四章敏感元件中无孔压电双晶片作用时气流场分析

4.1引言

4.2流体模型和边界条件

4.3流体基础知识

4.3.1气体物理性质

4.3.2流体力学基本方程

4.3.3喷嘴直径的计算

4.3.4喷嘴的出流计算

4.4腔体中气体速度场分析

4.4.1计算软件的选择

4.4.2控制方程和数值计算模型

4.4.3静态条件下腔体中气体速度分布情况

4.4.4动态条件下腔体中气体速度分布情况

4.5影响因素分析

4.5.1热电阻丝安装的位置

4.5.2压电双晶片激励信号幅值

4.5.3输入角速度

4.5.4安装位置的影响

4.5.5通道3结构的影响

4.6小结

第五章检测电路和信号处理

5.1引言

5.2压电双晶片激励电路

5.2.1增加匹配调谐电路

5.2.2激励信号发生器

5.3放大及滤波电路

5.4补偿电路和补偿技术

5.4.1硬件补偿技术

5.4.2软件补偿技术

5.4.3软件补偿结果

5.5小结

第六章性能测试

6.1引言

6.2常规电性能参数测试

6.2.1分辩率检测

6.2.2灵敏度和测量范围检测

6.2.3响应时间检测

6.2.4零位漂移

6.3环境试验

6.4小结

第七章 总结

7.1研究工作总结

7.1.1理论研究内容和结果

7.1.2数值模拟

7.1.3信号处理与补偿

7.1.4性能测试

7.2本文创新点

7.2.1压电双晶片振动为气体提供速度边界条件

7.2.2有限体积法数值计算密闭腔体中气体运动状态

7.2.3推导出基于气流速度的四个关系式

7.2.4优化激励电路和双晶片匹配电路

7.2.5得到输出电压-输入角速度的关系式

7.3展望与不足

附录A

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与研究成果