一种基于压电材料的汽车横摆角加速度传感器的设计

汤佳琛　王铭翔　方超　李旭　付祥松　任泽凯

（山东科技大学，山东青岛　266000）

一种基于压电材料的汽车横摆角加速度传感器的设计

汤佳琛王铭翔方超李旭付祥松任泽凯

（山东科技大学，山东青岛266000）

汽车在现代化生活中起着越来越重要的作用，汽车的安全性也引了起人们的重视。汽车的横摆角加速度对于高速行驶中车辆的操作稳定性和安全性有着重要的影响。汽车的横摆角加速度过大，汽车容易失稳，若不及时调整悬架的刚度和阻尼、制动器制动力的大小，汽车会进入侧滑，甚至甩尾、侧翻等危险状态。因此，有必要对汽车的角加速度进行检测，及时将检测信号传回汽车电脑，做出相应的调整，从而保证汽车的操纵稳定性。目前市场上的角加速度传感器多为成本价格高且容易失效的电子器件，本文在压电材料的基础上，设计了一种低成本，工作可靠的角加速度传感器。

压电材料横摆角加速度传感器

压电角加速度计是在压电晶体速率陀螺基础之上研制的新产品，具有较高灵敏度、测量范围较宽和使用寿命较长的特点。根据多年的应用可以看到，将压电角角速度传感器用于运动物体的控制与测量系统中，可以得到精确的角加速度信息。随着我国工业的高速发展，压电式角加速度传感器在很多行业中都得到了广泛的应用，压电式角加速度传感器成为了一种基本的元器件。

1　角加速度传感器的简单分析

1.1线加速度计测量角加速度

角加速度传感器的种类有很多，随着新型材料的发现，不同种类的角加速度计还会被开发出来。最早的角加速度传感器是通过计算线加速度来实现其功能的。这类传感器存在较大的计算误差，并且当线加速度传感器处于被测物体质心位置时，将不能进行测量。这一问题主要是由于这类角加速度传感器往往是使用若干个线加速度传感器组合而成的。

1.2流动电势角加速度传感器

流动电势角加速度传感器是通过测量流动电势信号，并将其与物理角加速度信号进行对应，从而得到角加速度信号的。液环式角加速度传感器属于典型的流动电势角加速度传感器。液环式角加速度传感器中存在一定质量的特定液体，当被测物体发生转动的时候，液环式角加速度传感器随着被测物体一起转动，其中的液体也会转动，从而导致工作表面出现一定的电势差，通过测量电势差，并将电势差与转动角速度结合起来，就能够测量得到被测物体的角速度了。但是液环式角加速度传感器存在测量精度低的问题。而液环式角加速度传感器结构比较简单，重量较小。

1.3应变式角加速度传感器

应变式传感器是利用电阻应变制作而成的传感器，电阻应变计能够将机械零件上的应变转化为电阻变化的传感器元件。通常将电阻应变器粘贴在被测零件表面，被测的加速度作用在零件上产生转动惯量之后，是粘贴在上面的电阻应变器的电阻发生变化，并将其记录下来，从而感知被测加速度。

图1　实验装置剖面图

图2　传感器轴测图

图3　扭转弹簧与电材料石英、电极、粘合剂

图4　旋转摆锤轴

1.4压电晶体角加速度传感器

压电式加速度传感器属于惯性传感器的范畴。压电式加速度传感器主要利用压电效应，在受到振动的情况下，质量块在压电元器件的力会发生变化，压电元器件的表面产生电荷，并将电荷量与相应的物理量对应起来，从而完成动态、瞬时测量。由于压电传感器具有较小的体积、灵敏度较高、工作比较稳定，在近些年来在不同行业得到了广泛的应用。压电晶体角加速度传感器中最为主要的元器件就是压电晶体了，其结构相对比较简单，主要由恒温弹性合金与简单的安装外壳所构成。

2　压电式角加速度传感器的原理

刚体运动的六维加速度向量可以定义沿着直角坐标系的三个方向的直线运动与沿着三个相互垂直的旋转轴在三个坐标平面上做旋转运动。为了描述直线运动与旋转运动，通常需要使用线位移、线速度、线加速度、角位移、角速度、角加速度来描述。本文设计的压电式角加速度传感器的包含了六个压电式单轴传感器，将其放置在立方体的六条棱边上。并将六个压电式单轴传感器与其所在立方体的棱边对齐。压电式六维加速度传感器的主要组成零件划分为六个部分，分别是：敏感模块、信号处理模块、数字信号采集模块、数字信号处理模块以及数字信号显示模块。将压电式六维加速度传感器安放在被测物体上，当被测物体开始旋转之后，六个压电式单轴传感器将输出信号，并被数字信号采集模块所接收，然后通过数字信号处理模块可以计算得到被测物理的运动状态，并通过数字信号显示模块得以显示。

3　基于压电材料的汽车横摆角加速度传感器的设计

本文将设计的压电材料的加速度传感器应用在汽车横摆角的测量上。一种基于压电材料的汽车横摆角加速度传感器，其特征在于包括传感器罩、传感器基座、旋转摆锤轴、电极、压电材料石英、粘合剂、扭转弹簧、轴承组成，传感器罩罩在传感器基座上，用以防止灰尘杂物进入。旋转摆锤轴通过轴承固定在传感器基座上，旋转摆锤轴包括两个摆锤，摆锤轴可以在传感器基座内绕轴线方向旋转，如图1所示。旋转摆锤轴和传感器基座之间通过扭转弹簧弹性连接。压电材料石英分布在摆锤两侧，两块石英材料之间通过粘合剂串联连接，如图2所示。压电材料石英外侧是电极，用来输出压电材料产生的电压，如图3所示。本文设计的传感器可以利用旋转摆锤轴的转动惯性，使摆锤撞击压电材料，产生输出电压，如图4所示。通过使用机械结构保证传感器的可靠性，同时又具有结构简单，成本低廉的特点。

［1］张廷录.压电角加速度计在转台控制中的应用［J］.自动化技术与应用，2000（5）：24-26.

［2］梁贸源，王忠，薛晓娜.车速传感器和压电陀螺仪数据采集系统的设计［J］.中国测试技术，2008（3）：84-86.