应用于磁流变减振器的压阻式加速度传感器研究

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1、应用于磁流变减振器的压阻式加速度传感器研究重庆大学硕士学位论文（专业学位）学生姓名：毛飞指导教师：董小闵教授兼职导师：杨茂举高级工程师学位类别：工程硕士（机械工程领域）重庆大学机械工程学院二O一六年五月ResearchonPiezoresistiveAccelerometersAppliedtoMagnetorheologicalDamperAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheProfessionalDegreeByM

2、aoFeiSupervisedbyProf.DongXiaominPluralisticSupervisedbySen.Eng.YangMaojuSpecialty:ME(MechatronicEngineeringField)CollegeofMechanicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay2016中文摘要摘要磁流变减振器作为一种半主动器件，具有阻尼连续可调、响应速度快、动态范围宽、功耗低等优点，目前已成功应用于建筑、车辆、医疗等领域。然而磁流变减振器在服役期间会

3、出现磁流变液沉降、板结、泄漏或者其他机械、电气方面的故障，引起磁流变减振器的性能衰减甚至失效，因此，有必要对磁流变减振器的运行中的健康状况进行监测，此外，磁流变半主动系统需要对状态反馈以进行控制，实时获取对象状态信息，包括阻尼力，温度，位移，速度，加速度等。除阻尼力、温度外，其他三种参数理论上只需采集一种即可以通过微分积分等处理实现数据的获得，加速度传感器的体积较小，占用空间小，可靠性高，实际应用广泛。同时一般把加速度均方根值作为系统舒适性与安全性的评价指标，能够在很大程度上反映磁流变减振器的运行健康状态，因此对磁流变减振器的加速度进行实

4、时监测十分必要。针对现有的基于磁流变减振器的半主动悬架系统通常采用与减振器分离的加速度传感器实现加速度的测量，线路复杂，成本高，可靠性低的缺点，论文提出了一种与磁流变减振器活塞杆集成的基于压阻原理的加速度传感器，研究了基于压阻原理的加速度传感器的工作原理与结构设计，分析了传感器的性能指标和制作、封装工艺，传感器与磁流变减振器集成试验。论文的主要工作包括以下几个方面：①综述了课题的研究背景与意义，磁流变液与磁流变减振器的研究与发展，磁流变减振器传感器的研究现状，以及压阻式加速度传感器的国内外研究现状。②根据汽车磁流变减振器的工作特性和压阻式

5、加速度传感器的设计原则，对磁流变减振器集成压阻式加速度传感器进行了整体结构设计和芯片设计。确定了传感器与减振器的集成形式；通过理论计算与有限元模拟结合的方法，在满足量程的基础上，以保证较大的灵敏度以及好的动态特性为目标，确定了传感器芯片尺寸；通过对空气阻尼的推导，最终确定最佳阻尼比时悬臂梁与上下端盖的间隙；通过分析论证，确定了传感器芯片型式、制作材料和测量电路；研究了压阻系数与晶向、掺杂浓度和温度的关系，确定了芯片的晶向，电阻的掺杂浓度、排布方向和位置、电阻条尺寸、电阻条折弯数，完成了芯片的版图设计。③对传感器的制作工艺与封装进行了分析。

6、对传感器的工艺流程和其间用到的掩模版进行了设计；对传感器的封装要求进行了研究；模拟了传感器封装时，不同参数的贴片胶产生的热应力影响，为加工提供了一定的理论指导。④对定制的压阻式加速度传感器静态和动态性能指标进行分析与标定。通过I重庆大学硕士学位论文实验的方法对传感器的灵敏度，线性度，零漂，温漂，重复度，迟滞度以及精度等指标进行了分析和标定；将传感器简化为单自由度二阶线性系统，根据对传感器的固有频率和阻尼系数比以及灵敏度，确定传感器的输入输出传递函数；通过Matlab仿真，分别得到传感器的在时域内的单位阶跃响应曲线和谐响应频率响应曲线，验证

7、了传感器的动态性能满足测试要求。⑤提出了一种能够同时测量温度和加速度的温度-加速度传感方案，将压阻式加速度传感器中温度影响有效解耦出来，有效补偿温漂对加速度参数的影响。对其理论模型进行了探索，得出了其理论物理模型和参数模型。⑥将传感器与减振器集成，在MTS和单自由度悬架上进行测试，与标准压电传感器进行对比，验证传感器测量减振器动态信息的有效性。关键词：磁流变减振器；压阻原理；加速度传感器II英文摘要ABSTRACTMagneto-rheological(MR)dampersaresemi-activedevicesthathavemany

8、advantageswithcontinuouslyadjustabledamping,fastresponse,widedynamicrangeandlowpowerconsumption.