3-53  CZ14型压电加速度传感器动态仿真及机电耦合分析

罗承刚

目前，在进行压电加速度传感器的设计时，多数仍是利用简化的力学公式进行粗略计算，然后通过试验修正参数，即产品的最终定型以试验数据为依据。这种公式加多次试制验证的设计方法，使产品开发周期较长，产品的质量也难以提高。而利用CAD/CAE技术，则可以对传感器的结构进行精确的参数化设计，对应力场的分布状况和变形状态、压电材料所具有的力学变形和电场的耦合机电效应作较全面的了解，为传感器的设计提供可靠、有效的手段。基于有限元方法对CZ14型压电加速度传感器动态特性进行了数值分析，包括模态分析、谐响应分析，同时考虑压电材料的耦合效应，考察传感器结构的合理性，预估结构参数对传感器动态特性的影响，从而用以指导和改进传感器的结构设计。

首先利用CAD软件Proe生成加速度传感器的三维参数化模型，然后在ANSYS中基于实体模型进行体扫描六面体单元网格划分，其中压电片用SOLID5耦合场单元划分，其余结构选取SOLID 45单元。基于ANSYS的粘接接触Bonded Contact定义，采用内多点约束方法MPC来实现传感器各结构的螺纹联接。CZ14型传感器由多种材料结构组成，定义其中的压电陶瓷为各向异性材料，并利用弹性矩阵、介电矩阵、压电矩阵实现机械应力状态和电场的联系。采用分块Lanczos方法获取系统的固有频率和振型。按照实际应用环境情况对传感器施加峰值为9.8 m/s²的简谐振动，在给定的工作频段中作谐响应分析，绘制所选结构位置处的位移响应幅频特性曲线，获取压电陶瓷的输出电荷。

通过计算，得到传感器沿轴线振动方向的固有频率为14.489 kHz，与实验数据基本吻合；位移响应幅频特性曲线显示传感器在频率14.33 kHz前位移振幅比较稳定，在14.33 kHz附近时发生共振，最大振幅达0.16 mm。同时得到传感器在10~1 000 Hz内输出电荷为56´10^{-12 C}，与实测值接近。

综上所述，利用有限元仿真模型, 确定了传感器在承受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷的稳态响应，从而了解结构在对应振动频率的激励下产生的最大振幅、带宽情况。试验结果验证了该动态仿真模型及分析的正确性。