大量程高频响压电加速度传感器设计技术研究

论文摘要

本文简要介绍了压电加速度传感器的国内外发展现状及其在国防建设中的重要作用,阐述了其特点。本文以钻地武器为背景,设计量程为8万g,谐振频率为10kHz的压电加速度传感器。建立了压电传感器的力学模型和数学模型,分析了影响传感器固有频率的因素及其规律,用模态叠加法求解传感器对冲击加速度的响应,提出了提高压电传感器频响和量程的措施。用非线性瞬态动力学分析软件Msc.dytran模拟仿真了传感器在弹体碰撞目标时的冲击加速度和瞬态应力,模拟仿真了被测物体和基座选用不同材料组合时,压电材料分别为石英和PZT-8压电陶瓷的应力情况,确保传感器在8万g大冲击环境下安全可靠并能准确工作,为压电传感器设计提供了技术参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 压电加速度传感器的概述
• 1.2 研究背景及意义
• 1.3 国内外现状
• 1.4 本论文的主要工作
• 第二章 大量程高频响压电加速度传感器工作原理及相关理论分析
• 2.1 大量程高频响压电加速度传感器的结构和工作原理
• 2.1.1 大量程高频压电加速度传感器的结构
• 2.1.2 大量程高频压电加速度传感器与普通压电加速度传感器的结构比较
• 2.1.3 压电加速度传感器的工作原理
• 2.2 压电加速度传感器的动态特性
• 2.3 压电效应及压电材料
• 2.3.1 压电效应
• 2.3.2 常用压电材料
• 2.3.2.1 石英晶体
• 2.3.2.2 压电陶瓷
• 2.3.2.3 压电聚合物
• 2.4 本章小结
• 第三章 压电加速度传感器固有频率的影响因素分析
• 3.1 压电加速度传感器固有频率的计算方法研究
• 3.1.1 弹性元件的等效力学模型及压电传感器各部件的等效
• 3.1.2 弹性元件连接的等效力学模型
• 3.1.3 压电传感器的力学模型及其固有频率的计算方法研究
• 3.1.3.1 只把压电片看作弹性体
• 3.1.3.2 各部件均看作弹性体
• 3.1.3.3 传感器结构对其固有频率的影响
• 3.2 中心压缩型压电加速度传感器固有频率的影响因素分析
• 3.2.1 压电片对压电加速度传感器固有频率的影响
• 3.2.1.1 压电片厚度对传感器固有频率的影响
• 3.2.1.2 压电材料弹性模量对固有频率的影响
• 3.2.1.3 压电材料密度对固有频率的影响
• 3.2.2 基座对压电加速度传感器固有频率的影响
• 3.2.2.1 基座厚度对固有频率的影响
• 3.2.2.2 基座材料对固有频率的影响
• 3.2.3 质量块对压电加速度传感器固有频率的影响
• 3.3 提高压电加速度传感器频响的措施
• 3.3.1 结构选择与设计
• 3.3.2 材料选择问题
• 3.4 本章小结
• 第四章 压电加速度传感器的大量程设计技术研究
• 4.1 冲击过程的特点
• 4.2 压电元件的受力分析及强度校核
• 4.3 应力波在压电加速度传感器中的传播分析
• 4.3.1 本构关系和波动方程
• 4.3.2 应力波的反射和透射
• 4.3.2.1 应力波在两种不同介质交界面的反射和透射
• 4.3.2.2 应力波在两种不同截面介质交界面的反射和透射
• 4.3.3 大量程压电加速度传感器的材料匹配研究
• 4.4 共振对压电传感器的影响
• 4.5 压电传感器对冲击加速度的响应
• 4.5.1 求解动力学方程
• 4.5.2 压电传感器各阶模态的响应
• 4.6 阻尼对压电传感器响应的影响
• 4.6.1 阻尼的处理
• 4.6.2 阻尼对压电传感器响应的影响
• 4.6.2.1 求解模态方程
• 4.6.2.2 阻尼对压电传感器响应的影响
• 4.7 压电片受力的影响因素分析
• 4.7.1 基座对压电片受力的影响
• 4.7.1.1 基座厚度对压电片受力的影响
• 4.7.1.2 基座材料对压电片受力的影响
• 4.7.2 质量块对压电片受力的影响
• 4.7.2.1 质量块厚度对压电片受力的影响
• 4.7.2.2 质量块材料对压电片受力的影响
• 4.8 提高压电加速度传感器量程的措施
• 4.8.1 结构选择与设计
• 4.8.2 材料选择问题
• 4.9 本章小结
• 第五章 压电加速度传感器的碰撞模拟仿真分析
• 5.1 压电加速度传感器碰撞模拟仿真的有限元模型
• 5.2 碰撞过程中压电传感器的动态响应
• 5.3 压电片参数的选择
• 5.3.1 弹性模量的选择
• 5.3.2 压电片厚度的选择
• 5.4 压电传感器和被测物体材料的声阻抗匹配的模拟仿真分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 压电加速度传感器的实验验证
• 6.1 压电传感器样品设计
• 6.2 固有频率测量
• 6.2.1 频率特性校准
• 6.2.2 固有频率测量的实验结果分析
• 6.2.3 固有频率的计算误差分析
• 6.2.3.1 接触刚度的影响因素
• 6.2.3.2 接触刚度的表示方法
• 6.2.3.3 固有频率计算模型的修正
• 6.2.3.4 传感器建模对固有频率计算的影响
• 6.3 量程标定
• 6.3.1 灵敏度标定
• 6.3.2 量程标定
• 6.3.3 量程标定的实验结果分析
• 6.3.4 抗冲击能力测试
• 6.3.5 量程的误差分析
• 6.4 线性度
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 创新性成果
• 7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 模态叠加法求解压电加速度传感器的冲击响应源程序
• 附录B MSC-DYTRAN软件简介
• 附录C 研究生期间发表论文情况