Численное моделирование чувствительных элементов акселерометра для измерения больших ускорений

28/03/2017

Измерение ускорения важно при движении на больших скоростях, так как из него рассчитываются скорость, сила и давление. Чувствительные элементы (сенсоры или датчики) внутри акселерометра позволяют измерять подобные величины. В связи с развитием технологий в настоящее время требуется оптимизация датчиков для работы в более высоких диапазонах вибрационных частот. Чтобы достигнуть такого высокого результата, исследователи протестировали новую конструкцию пьезорезистивного датчика. Полученными ими результаты численного моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными, и следовательно открывают перспективное направление устройств с более высоким рабочим диапазоном частот.

Разработка чувствительных элементов для акселерометров, работающих в широком диапазоне частот

Акселерометры используются во многих областях промышленности. К примеру, конструктора автомобилей используют эти электромеханические устройства для анализа столкновений и вибраций в тестах на безопасность. Кроме того, разработчики электроники используют их в цифровых фотокамерах и планшетах для определения ориентации устройства.

Фото интерьера машины.
Тесты безопасности автомобиля — одно из применений акселерометров.

Акселерометры снабжены набором чувствительных элементов для определения величины и направления ускорения объекта. Характеристики датчиков в сборе определяют частоты, на которых акселерометр обеспечивает точные измерения. К примеру, современные коммерческие продукты работают в диапазоне частот от 10 до 20 кГц. По мере развития технологий требует измерять все более высокие частоты, поэтому датчики должны работать в более широких диапазонах.

Учитывая данную тенденцию, команда исследователей из Института динамики быстропротекающих процессов общества Фраунгофера (Институт Эрнста Маха — EMI) и Фрайбургского университета (Albert-Ludwigs-Universität Freiburg) использовали программное обеспечение COMSOL Multiphysics® для проектирования и расчёта сенсорного блока акселерометра для изменения больших ускорений (high-g). В его основе лежит новейший пьезорезистивный датчик, который может измерять кратковременные ускорения до 100,000 g. Его показатель эффективности (чувствительность, умноженная на резонансную частоту) примерно на порядок больше, по сравнению с доступными в настоящее время на рынке устройствами.

Использование COMSOL Multiphysics® для проектирования и расчёта чуствительных элементов акселерометра для измерения больших ускорений

Для начала рассмотрим устройство пьезорезистивного датчика. В него входят:

  • Жёсткая рама
  • Гибкая вибрирующая пластина
  • Четыре пьезорезистивных элемента, электрически соединённых через мост Уитстона (Wheatstone bridge)

Схема датчика. Изображение представлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer, and S. Nau.
Схема предложенного датчика. Изображение из статьи, предстваленной на COMSOL Conference 2016 Munich, представлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer, and S. Nau.

В COMSOL Multiphysics такая конфигурация смоделирована целиком как кремниевое МЭМС (микроэлектромеханическое) устройство.

Комплект чувствительных элементов состоит из три датчика встроены в одну керамическую пластину. Они ориентированы перпендикулярно друг другу, что обеспечивает чувствительность в направлениях x, y и z.

Комплект датчиков в сборе работает как сложная система масс и пружин. Изгиб пластины в результате ускорения приводит к тому, что пьезорезистивные элементы растягиваются и сжимаются, что, в свою очередь, приводит к изменению электрического сопротивления.

Фотография сенсорного блока. Изображение представлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer, and S. Nau.
Сенсорный блок в сборе. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.

Исследователи протестировали множество разных конструкций, но в данной заметке мы рассмотрим только одну конкретную топологию. Геометрия элемента, изображённая ниже, была импортирована в COMSOL Multiphysics® с помощью LiveLink™ for Inventor®.

Цветами выделены следующие элементы:

  • Белый: корпус устройства и его крышка
  • Красный: керамическая пластина
  • Серый: пьезорезистивные датчики
  • Оранжевый: композитная заливка
  • Зелёный: клеевые адгезионные слои
  • Синий: макет кабеля

Модель акселерометра. Конструкция представлена на конференции COMSOL Conference 2016 Munich.
Пример конструкции сенсорного блока с поднятой крышкой (a) и в развёрнутом виде (b). Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.

Для анализа поведения датчиков в определённом диапазоне частот исследователи использовали два метода:

  1. Анализ на собственные частоты системы
  2. Моделирование датчика при приложенном колебательном ускорении в диапазоне частот от 0 до 250 кГц.

По результатам первого исследования определяются значения и формы собственных частот, а во втором — механические напряжения и деформации компонентов элемента в сборе. Полученная информация использовалась для определения относительного сопротивления пьезорезистивных мостов и расчёта выходных сигналов датчиков.

Анализ результатов расчёта

Представленные результаты были получены при следующих параметрах конструкции сенсорного блока:

Параметр Значение
Толщина стенки 1 мм
Толщина крышки 200 мкм
Материал корпуса Титан
Толщина адгезионного слоя 20 мкм
Модуль Юнга для адгезионного слоя 2.5 ГПа
Датчик Тип М (0.65 мкВ/В/гр)

Давайте посмотрим на выходной сигнал датчика в диапазоне частот от 0 до 250 кГц. Обратите внимание, что сигнал рассчитывался при ускорении 100,000 g и напряжении 1 В. Предел в 5% погрешности определяется для максимального изменения чувствительности датчика.

На графике показан весь частотный спектр
На графике показан крупный план частотного диапазона.

Выходной сигнал датчика на различных возбуждающих частотах. На графике слева показан весь частотный спектр, справа — крупный план частотного диапазона от 0 до 100 кГц. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.

Из графика слева видно, что кривые примерно до 130 кГц горизонтальны (и в окрестности нуля). Однако при увеличении, на графике справа, видны изменения сигнала даже на меньших частотах. При пределе в 5% потенциальная полоса пропускания сенсорного блока 47 кГц.

Были также проанализированы собственные частоты сборки, которые представляют собой пики на частотном спектре. Из предыдущего графика видно, что первая мода (мода крышки) находится на частоте 39 кГц, однако она особо не влияет на сигнал. Первая значимая мода указанная на графике (мода корпуса), которая оказывает большое влияние на выходной сигнал, находится на частоте 128 кГц.

Показана первая незначительная мода крышки из расчета в COMSOL Multiphysics.
Показана первая значимая мода корпуса из расчета в COMSOL Multiphysics.

Слева: Первая незначительная мода крышки в направлении оси z. Справа: Первая значимая мода корпуса в направлении оси y. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.

В процессе расчета собственных мод также были получены колебания на частоте 287 кГц. Эта мода будет оказывать наибольшее влияние на выходной сигнал датчика, так как является основным источником смещений в чувствительном элементе. Чтобы проверить это предположение, исследователи решили провести экспериментальные испытания.

Показана основная мода колебаний чувствительного элемента из расчета в COMSOL Multiphysics.
Основная мода колебаний чувствительных элементов внутри корпуса. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.

Верификация результатов моделирования экспериментальными данными

При проведении эксперимента использовались следующие (немного адаптированные) параметры: Из практических соображений, они немного отличаются от тех, которые использовались в численной модели.

Параметр Значение
Толщина стенки 1 мм
Толщина крышки 200 мкм
Материал корпуса Титан
Толщина адгезионного слоя от 20 до 70 мкм
Модуль Юнга для адгезионного слоя 0.56 ГПа
Датчик Тип L (1.3 мкВ/В/гр)

Проведённое дополнительно моделирование помогло предварительно определить диапазоны ожидаемых частот:

  • 5% предел: от 16 до 30 кГц
  • Мода корпуса: от 67 до 98 кГц
  • Мода чуствительного элемента: от 129 до 200 кГц

В эксперименте небольшой стеклянный молоточек возбуждает колебания датчика, чтобы исследователи смогли измерить собственные частоты. Для записи сигнала датчика используется частота дискретизации 10 МГц.

График зависимости напряжения от времени.
Импульсный сигнал датчика в ответ на возбуждение. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.

Далее этот сигнал для анализа переводится в частотную область. Как показано ниже, на высоких частотах появляется очень много пиков. Максимальный по асмплитуде пик 930 кГц определяет первую собственную частоту реального датчика. На низких частотах примерно до 70 кГц проявляются составляющие импульса возбуждения.

График импульсного ответа датчика в широком частотном диапазоне
Крупный план импульсного ответа датчика.

Слева: Импульсный ответ датчика в диапазоне частот от 0 до 2 МГц. Справа: Импульсный ответ датчика в диапазоне частот от 0 до 350 кГц. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.

Отметим пик, который появляется на частоте 153 кГц. Он представляет собой собственную моду чувствительного элемента, которая ожидается в диапазоне частот от 129 до 200 кГц. Это колебание оказывает наибольшее влияние на чувствительный элемент, таким образом, подтверждая теорию.

Для анализа чувствительности к каждой из осей прикладывается ускорение, равное 8600 g. Титановый стержень Гопкинсона с креплением используется для создания равномерной по каждой из осей ударной нагрузки.

Изображение крепления стержня Гопкинсона.
Крепление для стержня Гопкинсона. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.

Измеренные выходные сигналы, изображённые ниже, используются для расчёта чувствительности по различным осям. Ожидаемая чувствительность 1.3 мкВ/В/гр с максимальной девиацией в 30%. Наибольшее отклонение мы видим по оси x (около 23%), по другим осям оно намного меньше. Обратите внимание, что все датчики попадают в этот диапазон отклонений.

На графике изображен измеренные выходные сигналы под нагрузкой.
Измеренный выходной сигнал при приложенном ускорении 8600 g. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.

Данные результаты хорошо согласуются с ожидаемыми из расчётов значениями, что также подтверждает работоспособность и актуальность предложенной конструкции датчика акселерометра для измерения больших ускорений.

Подробнее об анализе и оптимизации конструкции датчиков

Autodesk, логотип Autodesk и Inventor являются зарегистрированными торговыми марками или торговыми марками компании Autodesk, Inc. и (или) ее дочерних компаний и (или) ее аффилированных компаний в США и (или) других странах.


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ