一种低阈值惯性开关结构设计与性能分析

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惯性开关是一种感受惯性加速度,执行开关机械动作的精密惯性装置,在安全气囊,交通系统,碰撞记录仪,武装和射击系统中应用广泛。MEMS惯性开关不但体积小、响应快、能耗低、能够捕捉微弱的信号而且很容易集成,尤其适用于汽车、弹药的特殊环境。目前基于惯性开关的研究多针对高阈值惯性开关,这些开关可用于武器爆炸系统中的加速度监测,这类开关能够对冲击加速度信号做出快速响应,完成加速度的检测。这些加速度信号具有冲击时间短,激励脉宽窄的特点。而低阈值惯性开关(1g-30g),响应的是准静态、频率近乎为零的加速度信号,其敏感结构的特点是弹簧刚度小,质量块质量大,这种低刚度大质量的复合结构在MEMS结构中不易实现。另外低阈值惯性开关工作环境中还存在一些由冲击或振动产生的各种高频干扰信号,设计时,低g值惯性开关的“弹簧-质量”结构必须具备较低的固有频率,并辅以适当的阻尼条件,从而使其结构本身可实现机械滤波,降低对振动或冲击等干扰信号的响应,避免惯性开关的误动作。论文针对低阈值惯性开关开展以下研究工作:(1)以螺旋梁为弹性元件设计了低阈值惯性开关,对开关进行了静态的设计分析,建立了静态分析模型,分析了螺旋梁弹性元件的刚度特性,与有限元软件(ANSYS)仿真分析结果相比,刚度误差为8%,在10v的电压作用下,开关的静态闭合阈值为10.756g。(2)建立了低阈值惯性开关的阻尼分析模型,通过实验反演了系统的阻尼系数,提出了基于质量块结构设计的阻尼调节技术。(3)用MATLAB编程语言,建立了开关的动力学模型。通过数值求解方法研究开关的动态特性。仿真分析了有、无阻尼系统的半正弦激励作用下开关闭合阈值、响应时间、接通时间等性能参数,以及工作电压产生的静电力对开关性能指标的影响。在此基础上分析了工作电压产生的静电力和质量块运动过程产生的阻尼力共同作用下开关的响应特性。分析了开关的抗过载特性以及不同激励下(激励的脉宽、激励的形式)开关的响应特性、开关适用的工作环境。最后分析了触点接触力对开关响应特性的影响。本文为基于螺旋梁结构的低阈值惯性开关的设计、分析奠定了基础。
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