新型傾角傳感器設(shè)計(jì)

1、新型傾角傳感器設(shè)計(jì)作者：張延豫 時(shí)振彬 李士光 陳明文來(lái)源：科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)2013年第22期張延豫時(shí)振彬李士光陳明文(山東黃河工程集團(tuán)有限公司山東濟(jì)南250013)摘要：該文利用石英晶片的壓電特性，針對(duì)傳統(tǒng)傾角傳感器的缺點(diǎn)，提出了一種新型的傾 角傳感器設(shè)計(jì)方法。應(yīng)用本文提出的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的傳感器與其他傳感器相比具有體積小， 靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)對(duì)傳感器的原理，結(jié)構(gòu)，信號(hào)處理電路進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：石英晶片傾角傳感器MEMS加工技術(shù)中圖分類號(hào)：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X(2013)08(a)-0063-01傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測(cè)量，垂直測(cè)量。通過(guò)對(duì)

2、系統(tǒng)偏離水平位置的角度測(cè)量而 反映出被測(cè)量對(duì)象偏離平衡位置的程度，進(jìn)而給被測(cè)對(duì)象的制動(dòng)控制提供控制信息，它廣泛應(yīng) 用于建筑機(jī)械，航天飛行器，機(jī)器人，車輪校直等領(lǐng)域。在傳統(tǒng)上，傾角傳感器的工作原理可 分為“固體擺”式，“液體擺”式和“氣體擺”式三種1。固體擺是利用擺錘的重力始終指 向大地的特性，當(dāng)被測(cè)對(duì)象與水平或垂直方向上有某一傾角時(shí)，擺錘的擺拉力線將與懸掛平面 的法線方向不重合，而有一角度偏移。該角度就是被測(cè)物體偏移水平或垂直位置的角度。液體 擺的原理是利用電極之間導(dǎo)電液的電阻變化來(lái)反映偏移角度的大小。氣體擺則利用氣體在受熱 時(shí)因受到浮升力作用，熱氣流總是力圖保持在鉛垂方向上，在熱氣流的上方放

3、置熱敏感元件一 一熱線，當(dāng)封閉氣體的腔體所在的平面相對(duì)水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時(shí)，熱線的阻 值發(fā)生變化，阻值變化的多少就反映出傾角的大小。從上面的各式傾角傳感器原理簡(jiǎn)介可看出， 它們的結(jié)構(gòu)中都需要利用可運(yùn)動(dòng)的物體(擺錘、導(dǎo)電液、氣體)和空隙來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。因此，它 們?cè)趶?qiáng)振動(dòng)沖擊或旋轉(zhuǎn)環(huán)境中，測(cè)量精度將受到很大的影響，甚至無(wú)法使用。針對(duì)這些缺點(diǎn)， 我們利用壓電晶片作為敏感元件設(shè)計(jì)出一式新型的傾角傳感器。1 原理與結(jié)構(gòu)由物理學(xué)已知，一些離子晶體電介質(zhì)如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等在機(jī)械壓力的作用下 會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，都具有壓電效應(yīng)，而且力一電之間呈線性關(guān)系。因此利用壓電材料這些性質(zhì)， 以它們作為

4、敏感元件可以將它們制成力敏傳感器，實(shí)現(xiàn)力一電轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)中，傳感器的敏 感元件用的是石英晶片，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：壓電常數(shù)小，其時(shí)間、溫度穩(wěn)定性極好，常溫下 幾乎不變，在20200C范圍內(nèi)，它的溫度變化率僅為0.016%。它的機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因素高， 允許應(yīng)壓力高達(dá)16.89.87X107Pa,且剛度大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)特性好。居里點(diǎn)573C， 無(wú)熱釋電性，且絕緣性、重復(fù)性均好。當(dāng)被測(cè)量物體與地面垂直時(shí)，石英晶片在水平軸方向受 力為零，此時(shí)輸出也為零。2理論計(jì)算對(duì)于石英晶體，它有d11,d12,d14, d25,d26五個(gè)壓電常數(shù)存在，所以能將力轉(zhuǎn)換為電荷的 石英晶體變形有以下五種：厚度變形長(zhǎng)度變

5、形面剪切變形厚度剪切變形彎曲變形。 若石英晶片采用圓形切片，并且在其圓周墊上剛性材料，則只需考慮它的厚度變形。在垂直于 石英晶片切面的機(jī)械力作用下，并在它的彈性限內(nèi)，厚度變形時(shí)產(chǎn)生的電荷為cr91再中.Fm為威尊：力&承M力胃上嚴(yán)史的研.禺酒族周為fl柯m2J-F?H tt il 3|wsrTTrJElbHWdi-a.iixiniA-12. IftA-tAW0 f e5x in* ,s玩丹氐X產(chǎn)生珂電祠EESl U IH Vltlnu脖豌晌醐恫帥椰6m川伽13信號(hào)處理由于電荷輸出較小且不直觀，故需要采用電荷放大器將其放大并轉(zhuǎn)換為電壓輸出，以便于 測(cè)量，電荷放大及轉(zhuǎn)換電路，見(jiàn)如圖1，其等效電路如

6、圖2所示。經(jīng)過(guò)等效電路分析可得到UohQ 兀M mfi：Uo=(213xi12岫g有F2伽gx儼信號(hào)處理電路如圖3所示。圖中AD544L電路用于電荷放大，uA776及其周圍電路用于增益放大調(diào)節(jié)，調(diào)零。另外一 路信號(hào)處理電路與此相同。4功能簡(jiǎn)述與結(jié)論該傳感器充分利用石英晶片高靈敏度的特性，綜合現(xiàn)代MEMS加工技術(shù)，使得它具有高精確 度和穩(wěn)定性，并且具有體積小、重量輕、性能優(yōu)異及功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)；由于質(zhì)量塊與石英晶片 之間無(wú)間隙，并采用高強(qiáng)度密封包裝技術(shù)，從而克服了以往傾角傳感器因慣性帶來(lái)的不利影響， 使得它能經(jīng)受住高頻率的振動(dòng)，同時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。它既能測(cè)量靜態(tài)傾角，由能測(cè) 量動(dòng)態(tài)角度(如旋轉(zhuǎn)角度)；在測(cè)量位移的應(yīng)用中既能檢測(cè)到被測(cè)對(duì)象的翻滾，由能檢測(cè)仰角， 還能測(cè)量出傾角的方向；對(duì)比常規(guī)的電介質(zhì)、水銀、熱能等斜角測(cè)量?jī)x精度更高，抗干擾能力 更強(qiáng)。參考文獻(xiàn)張維勝.傾角傳感器原理與發(fā)展J.傳感器世界,2002(8).慈勤蓬，楊鶴立.汽車四輪定位裝置及傾角傳感器的應(yīng)用J.傳感器世界