基于Ansys的振動筒壓力傳感器小型化設(shè)計探索

班瑞鳳+喬璐+王建功

摘 要：本論文首先簡要介紹了振動筒壓力傳感器的基本工作原理，根據(jù)其工作原理得出振動筒壓力傳感器工作的核心元件為振動筒。在此基礎(chǔ)上，運用Ansys仿真分析工具對振動筒進行仿真分析，通過仿真分析對振動筒壓力傳感器的核心元件——振動筒進行小型化設(shè)計的探索，并通過實驗驗證仿真分析的正確性。

關(guān)鍵詞：振動筒壓力傳感器；振動筒；Ansys仿真分析

0 引言

振動筒壓力傳感器被廣泛應用于大氣數(shù)據(jù)計算機、氣壓高度表、發(fā)動機的全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)、地面氣象測量系統(tǒng)和壓力傳遞及測試標準設(shè)備中。隨著科技發(fā)展，各個應用行業(yè)都迫切需要精度更高、體積更小、重量更輕的壓力傳感器。而由于傳感器設(shè)計的知識面和技術(shù)領(lǐng)域太寬，實現(xiàn)傳感器產(chǎn)品的更新?lián)Q代并不會像計算機領(lǐng)域的進步那么快，需要多行業(yè)、多領(lǐng)域技術(shù)的共同進步。

1 振動筒壓力傳感器研究現(xiàn)狀

振動筒壓力傳感器最初是由瑞典航空發(fā)動機公司（Svenska Flygmotor）在20世紀50年代研制成功的[1]。隨后英國Solartron集團購買其專利，將其研發(fā)并生成出直徑18mm振動筒壓力傳感器和直徑9mm振動筒壓力傳感器產(chǎn)品。后來俄羅斯曙光儀表局也對振動筒壓力傳感器開展研究并且取得很大進步，先后研制并生成出直徑18mm、直徑13mm、直徑9mm的振動筒壓力傳感器。目前俄羅斯曙光儀表局研制出的直徑9mm的振動筒壓力傳感器代表振動筒壓力傳感器的最高發(fā)展水平和發(fā)展趨勢。

受材料、加工工藝等方面的制約，目前國內(nèi)研究并生成振動筒壓力傳感器的單位只有太原航空儀表有限公司和成都凱天電子股份有限公司。目前國內(nèi)只有直徑18mm的振動筒壓力傳感器已經(jīng)得到廣泛應用，直徑13mm、直徑9mm的振動筒壓力傳感器由于技術(shù)發(fā)展的局限性，還沒有得到廣泛應用。

2 振動筒壓力傳感器的工作原理

振動筒壓力傳感器按其激勵方式不同，可以被細分為壓電激勵式與電磁激勵式兩種，這里我們以電磁激勵式振動筒壓力傳感器為例，介紹振動筒壓力傳感器的工作原理：圖1是電磁激勵振動筒壓力傳感器的原理簡圖。圖中1是一端開口而另一端封閉的薄壁圓柱筒——諧振筒體。筒內(nèi)有在空間互相垂直的兩個電磁鐵線圈2和3，電磁鐵兩極和筒壁靠得很近。2是激振線圈，3是拾振線圈，4是參考空腔，5是支架。用電磁法激振的振動筒1應由鐵磁性材料制成。電流通過激振線圈，所產(chǎn)生的電磁力使筒壁產(chǎn)生徑向微位移，從而改變了筒壁與拾振線圈之間的間隙，及使磁阻發(fā)生了變化，改變了磁通，結(jié)果在拾振線圈中產(chǎn)生了電動勢，其變化頻率等于筒壁振動的固有頻率。維持筒壁連續(xù)等幅振動的振蕩放大器連接在兩線圈之間，形成一個正反饋的閉環(huán)自激振蕩系統(tǒng)。振蕩頻率等于筒的固有頻率，固有頻率由被測壓力所調(diào)制，而振幅大小則由放大器的增益來控制。

3 振動筒壓力傳感器的核心元件——振動筒

振動筒是振動筒壓力傳感器的壓力敏感體，是其核心元件。振動筒壓力傳感器的性能優(yōu)劣主要取決于振動筒的性能。

振動筒工作時，從筒的一側(cè)觀測，其振型沿周向分布著數(shù)目不一的波數(shù)n，稱n為周向整波數(shù)（n=0、1、2…），當從筒的側(cè)面觀看，其振型沿母線的長度分布著數(shù)目不一的半波數(shù)m，稱m為軸向半波數(shù)（m=0，、1、2…）如圖2所示。

振動筒的的正確設(shè)計是保證傳感器穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。要解決設(shè)計問題，主要從以下幾方面考慮：（1）振型的選擇；（2）幾何參數(shù)的確定；（3）材料的選擇及加工工藝的確定。這些問題應從滿足壓力-頻率特性、靈敏度、頻率穩(wěn)定性和獲得高的機械品質(zhì)因數(shù)Q值等因素來考慮。本論文主要從前兩個方面來研究振動筒的設(shè)計。

4 基于Ansys的振動筒設(shè)計

4.1 典型尺寸振動筒的ansys仿真分析

在現(xiàn)有技術(shù)條件下，振動筒由車削或旋壓拉伸而成型，再經(jīng)過嚴格的熱處理工藝制成，其材料通常為3J53或3J58——恒彈合金。通過查閱大量資料，根據(jù)實際工作中的經(jīng)驗，取彈性模量E=1.95×1011Pa，材料密度ρ=7.9×10-3g/mm2， 泊松比μ=0.3。按照一定幾何參數(shù)，在ansys中建模，對振動筒常壓（93kPa）、2kPa、260kPa時，分別進行模態(tài)分析。

目前振動筒比較典型的幾何尺寸為：直徑18mm、壁厚0.07～0.08mm、有效長度45～60mm。隨著小型化的要求，國外已經(jīng)有直徑13mm、9mm的振動筒成熟產(chǎn)品，但國內(nèi)在這方面的的技術(shù)正處于發(fā)展時期。

下面我們對目前比較典型的振動筒進行仿真分析，R=9mm、l=55mm、h=0.08mm，其中l(wèi)代表振動筒敏感體的長度、R代表振動筒的平均半徑、h代表振動筒的壁厚。通過分析得出表1數(shù)據(jù)。

表1中給出的是該幾何參數(shù)下，振動筒工作在1～5階模態(tài)時，內(nèi)壁感受不同壓力下的固有頻率值，并計算出壓力—頻率靈敏度（靈敏度=（f1-f2）/f1×100%）。5階以上模態(tài)，工作振型較復雜，工作頻率相對較高，能級較高，不適合作為振動筒壓力傳感器的工作模態(tài)，所以表中沒有列出。

分析表中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)4階模態(tài)與5階模態(tài)，在整個工作壓力范圍內(nèi)，存在頻率交叉點，所以不能選擇4、5階模態(tài)作為振動筒的工作模態(tài)。2、3階模態(tài)比較，2階模態(tài)能級最低，但n=3，不是對稱模態(tài)，不易激勵與拾取信號，且相對靈敏度低于3階模態(tài)。3階模態(tài)的靈敏度最高，能級也較低，工作模態(tài)對稱，易于激勵拾取信號，相比較而言更適合作為振動筒傳感器的工作模態(tài)。

該幾何參數(shù)下，我們選擇3模態(tài)作為的振動筒工作模態(tài)，可以達到33.46%的靈敏度。這一幾何尺寸的振動筒是目前技術(shù)相對較成熟的振動筒壓力傳感器。這一形式的振動筒壓力傳感器已經(jīng)經(jīng)過多年批量生產(chǎn)和實際應用的驗證，產(chǎn)品設(shè)計和工藝都已經(jīng)比較成熟，在此基礎(chǔ)上，筆者進行進一步的小型化仿真設(shè)計。

4.2 減小敏感體長度的振動筒ansys仿真分析

由于市場的發(fā)展，對產(chǎn)品小型化的要求越來高，迫切要求我們進行產(chǎn)品的小型設(shè)計，本論文根據(jù)目前產(chǎn)品的幾何參數(shù)指標進行小型化設(shè)計，將振動筒筒體半徑作為固定參數(shù)，減小振動筒的長度，對振動筒進行重新設(shè)計。

一般情況振動筒壓力傳感器多工作在雙點對稱激勵狀態(tài)，被激勵的振型只能是對稱振型（n=2、4、6…）。相關(guān)資料顯示，較長的筒，n=2的模態(tài)首先被激勵，較短的筒，n=6、8的模態(tài)首先被激勵。哪一個模態(tài)先被激起，與筒體的幾何參數(shù)有直接關(guān)系。這里我們?yōu)榱诉M行小型化設(shè)計，必須將筒體變短。為了使得振動模態(tài)較為簡單，我們希望可以設(shè)計出n=4模態(tài)先被激起的振動筒。

參考相關(guān)資料中關(guān)于振動筒筒體設(shè)計的理論，根據(jù)Ansys仿真分析結(jié)果，筆者對筒體長度、壁厚進行多次調(diào)整，對每一種幾何參數(shù)的筒體進行仿真分析。最終確定長度l=40mm，壁厚h=0.08mm，進行仿真分析，分析結(jié)果如表2。

分析表3數(shù)據(jù)，3階模態(tài)與4階模態(tài)在工作壓力范圍內(nèi)存在頻率交叉點，故無法作為工作模態(tài)。2階模態(tài)是第一起振模態(tài)，是本幾何參數(shù)振動筒能級最低的振動模態(tài)，并且表中數(shù)據(jù)顯示，該模態(tài)下，振動筒在全壓力范圍內(nèi)的相對靈敏度是28.5%，相對于l=55mm的筒體來說較小，但是根據(jù)有關(guān)資料介紹，也是完全能達到使用要求的，可以作為工作模態(tài)。

與4.1節(jié)中幾何參數(shù)為l=55mm、R=9mm、h=0.08mm的振動筒相比較，新設(shè)計出的l=40mm、R=9mm、h=0.08mm的振動筒，相對靈敏度有所下降，但在長度上大大減小，實現(xiàn)了振動筒的小型化設(shè)計。

4.3 實驗驗證

振動筒的生產(chǎn)工藝較為復雜，將振動筒裝配成為可以測試輸出的壓力傳感器并測試傳感器的頻率輸出也是比較復雜的工藝過程，整個生產(chǎn)過程還會涉及到很多專業(yè)性很強的儀器設(shè)備，而且振動筒壓力傳感器的固有頻率輸出隨溫度變化而變化。所以實際研究工作中對振動筒的理論設(shè)計進行驗證比較困難。

為對小型化設(shè)計后的振動筒進行驗證，本次驗證僅試制出少量振動筒，通過測試振動筒在室溫下內(nèi)壁感受不同壓力時的頻率輸出，從而驗證ansys仿真分析所得到結(jié)果的正確性。

實驗取2只幾何參數(shù)為l=40mm、R=9mm、h=0.08mm的振動筒，激勵方式為壓電激勵。根據(jù)4.2節(jié)中的仿真分析數(shù)據(jù)，工作模態(tài)為n=4、m=1，故在振動筒同一水平圓周上均勻粘貼4片壓電陶瓷片，2片作為激勵、2片作為拾取。振動筒外裝保護筒，振動筒與保護筒之間為真空參考腔體，如圖1所示。為振動筒配制相應信號調(diào)理電路，內(nèi)壁加壓后，測試振動筒壓力傳感器的頻率輸出，實驗數(shù)據(jù)如表3。

分析實驗數(shù)據(jù)，可以看出，實驗所得到的頻率輸出與仿真分析的結(jié)論一致，證明ansys分析的結(jié)論具有一定的指導意義，但由于實驗用產(chǎn)品數(shù)量少，是通過大量振動筒才選取出工作較為穩(wěn)定的筒體，且沒有通過高低溫實驗，也沒有進行長期穩(wěn)定性以及其他環(huán)境實驗的考察，目前僅可以作為實驗室用原理樣機，不具備產(chǎn)品化條件。

5 結(jié)論

本文所進行的小型化設(shè)計探索，設(shè)計出的筒體幾何參數(shù)并不是目前各科研生產(chǎn)單位主要研究的幾何參數(shù)，不能直接作為產(chǎn)品進行生產(chǎn)，但本文的研究可以為振動筒壓力傳感器的小型化設(shè)計提供一個研究方向，筆者希望通過今后進一步的仿真分析研究取得更多研究成果。

振動筒壓力傳感器是目前我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的測試精度達到0.02%的傳感器之一，雖然其應用環(huán)境有一定的局限性，但是能代替它的高精度國產(chǎn)化傳感器目前不具有大批量產(chǎn)品化能力，所以振動筒的發(fā)展以及其小型化研究任然具有重要意義，科研生產(chǎn)單位需投入人力、物力進行進一步的研究。

參考文獻

[1]D.B.Juanarena，C. Gross. Digitally compensated pressure sensors for flight measurement[J].Sensors， 1985，7：10-20

[2]樊尚春. 信號與測試技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002：269

[3]劉廣玉，陳明. 新型傳感器技術(shù)及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，1995，65～68

作者簡介

班瑞鳳（1982-），女，碩士，工程師，研究方向：壓力傳感器設(shè)計與應用。

喬璐（1989-），女，碩士，助理工程師，研究方向：壓力傳感器設(shè)計與應用。

王建功（1982-），男，本科，工程師，研究方向：敏感元件設(shè)計與應用。