论文摘要
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。
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标签：气流式惯性传感器论文; 压电射流论文; 有限体积法论文; 无滑移速度边界条件论文; 交变速度场论文;