結(jié)構(gòu)精良的MEMS加速度計(jì)機(jī)械外殼設(shè)計(jì) 將確保從 受監(jiān)控的資產(chǎn)。用于容納MEMS加速度計(jì)的機(jī)械外殼需要具有比集成式加速度計(jì)更好的頻率響應(yīng) 微機(jī)電系統(tǒng)。本文使用模態(tài)分析來提供固有頻率 可通過外殼設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)指導(dǎo)是 使用理論和ANSYS模態(tài)仿真示例提供。它被顯示 幾何效果,例如外殼形狀(例如圓柱體或 矩形)和高度在外殼設(shè)計(jì)中主導(dǎo)固有頻率。 提供單軸和三軸外殼的機(jī)械設(shè)計(jì)示例 諧振頻率為21 kHz的MEMS加速度計(jì)。本文還 提供有關(guān)外殼和電纜中環(huán)氧樹脂集成的指導(dǎo) 傳感器的安裝和安裝選項(xiàng)。
什么是模態(tài)分析,為什么它很重要?
鋼或鋁外殼用于容納MEMS振動(dòng)傳感器和 為受監(jiān)控資產(chǎn)提供牢固的附件以及防水和防塵 (IP67)。良好的金屬外殼設(shè)計(jì)將確保高質(zhì)量的振動(dòng)數(shù)據(jù) 從資產(chǎn)衡量。設(shè)計(jì)一個(gè)好的機(jī)械外殼需要 了解模態(tài)分析。
模態(tài)分析用于了解結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。 模態(tài)分析提供固有頻率和正態(tài)模態(tài)(相對(duì) 變形)的設(shè)計(jì)。模態(tài)分析中的主要關(guān)注點(diǎn)是避免 共振,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的固有頻率緊密匹配 施加的振動(dòng)載荷。對(duì)于振動(dòng)傳感器,固有頻率 外殼必須大于施加的振動(dòng)載荷,由 微機(jī)電系統(tǒng)傳感器。
圖中顯示了ADXL1002 MEMS加速度計(jì)的頻率響應(yīng)圖 在圖 1 中。ADXL1002 3 dB帶寬為11 kHz,諧振頻率為21 kHz。 頻率。用于容納ADXL1002的保護(hù)外殼需要具有 第一固有頻率為 21 kHz 或更高。
圖1.ADXL1002 MEMS加速度計(jì)頻率響應(yīng)。
振動(dòng)傳感器外殼型號(hào)
對(duì)于模態(tài)分析和設(shè)計(jì),振動(dòng)傳感器可以看作是一個(gè)厚、短、 懸臂梁圓柱體。此外,鐵木辛哥振動(dòng)方程 將用于模擬。我們將在后面的 品。又粗又短的懸臂式氣缸類似于振動(dòng)傳感器 安裝在工業(yè)設(shè)備上,如圖2所示。振動(dòng)傳感器是 使用螺柱安裝座固定在工業(yè)設(shè)備上。螺柱安裝和 外殼設(shè)計(jì)需要仔細(xì)表征,以便機(jī)械共振 2 如何使用模態(tài)分析設(shè)計(jì)一個(gè)好的振動(dòng)傳感器外殼 不影響感興趣的MEMS振動(dòng)頻率。有限元方法 使用ANSYS或類似程序的FEM可用作 短而厚的圓柱體的振動(dòng)方程。
圖2.振動(dòng)傳感器外殼建模。
仿真工具
對(duì)于模態(tài)分析,ANSYS和其他仿真工具假設(shè)諧波運(yùn)動(dòng) 對(duì)于設(shè)計(jì)中的每個(gè)點(diǎn)。所有點(diǎn)的位移和加速度 在設(shè)計(jì)中求解為特征值和特征向量 - 在本例中為自然 頻率和振型。
固有頻率和振型
質(zhì)量矩陣M、剛度矩陣K、角頻率ω我和振型 {Φ我}與公式1相關(guān),公式1用于ANSYS等有限元程序。1這 固有頻率 F我通過除以 ω 計(jì)算我2π,振型{Φ我} 提供材料在特定自然狀態(tài)下的相對(duì)變形模式 頻率。
對(duì)于單個(gè)自由度系統(tǒng),頻率簡單地表示為:
公式2提供了一種簡單直觀的設(shè)計(jì)評(píng)估方法。當(dāng)您減少 傳感器外殼的高度,剛度增加,質(zhì)量增加 降低 - 因此,固有頻率增加。此外,當(dāng)您增加 外殼高度,剛度降低,質(zhì)量增加,從而 在較低的固有頻率下。
大多數(shù)設(shè)計(jì)具有多個(gè)自由度。有些設(shè)計(jì)有數(shù)百個(gè)。 使用有限元可以快速計(jì)算公式1,這將非常 手工完成非常耗時(shí)。
模式參與系數(shù)
模式參與因子 (MPF) 用于確定哪些模式和 固有頻率對(duì)您的設(shè)計(jì)是最重要的。振型 {Φi}、質(zhì)量矩陣 M 和激發(fā)方向矢量 D 由公式 3 相關(guān)1解決強(qiáng)積金問題。參與因子的平方是有效質(zhì)量。
強(qiáng)積金和有效質(zhì)量測(cè)量每個(gè)體內(nèi)移動(dòng)的質(zhì)量量 每種模式的方向。方向上的高值意味著模式將是 由該方向的力(例如振動(dòng))激發(fā)。
將MPF與固有頻率結(jié)合使用將使設(shè)計(jì)人員能夠 識(shí)別潛在的設(shè)計(jì)問題。例如,最低固有頻率 模態(tài)分析產(chǎn)生的可能不是最大的設(shè)計(jì)問題,因?yàn)樗赡?在您感興趣的方向上沒有那么大的參與因子(x-、y 或 z 軸平面)相對(duì)于所有其他模式。
表1所示的示例表明,雖然500 Hz固有頻率 在 x 軸的仿真中預(yù)測(cè),該模式為弱激勵(lì),不太可能 是個(gè)問題。800 Hz 強(qiáng)模式在機(jī)柜 x 軸上被激發(fā),并將 如果MEMS敏感軸的方向在外殼x軸上,則會(huì)出現(xiàn)問題。 但是,如果設(shè)計(jì)人員有 他們的MEMS傳感器PCB定向到在外殼z軸上測(cè)量。
模式 | 頻率(赫茲) | 軸 | 強(qiáng)積金 | 強(qiáng)積金評(píng)論 |
1 | 500 | X | 0.001 | 弱模式 |
2 | 800 | X | 0.45 | 強(qiáng)模式 |
3 | 1500 | Y | 0.6 | 強(qiáng)模式 |
4 | 3000 | Y | 0.002 | 弱模式 |
5 | 10,000 | Z | 0.33 | 強(qiáng)模式 |
解釋模態(tài)分析結(jié)果
從上一節(jié)中我們知道模態(tài)分析將告訴您 固有頻率在您的興趣軸上。此外,強(qiáng)積金將啟用 設(shè)計(jì)人員決定在設(shè)計(jì)中是否可以忽略頻率。要完成 模態(tài)分析的解釋,重要的是要了解所有點(diǎn) 在結(jié)構(gòu)上以相同的頻率振動(dòng)(全局變量),但振幅 每個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)(或振型)不同。例如,18 kHz 頻率對(duì)機(jī)械外殼頂部的影響大于對(duì)底部的影響。 振型(局部變量)在 外殼與底部的比較,如圖3所示。這意味著,當(dāng)外殼結(jié)構(gòu)頂部受到 18 kHz 頻率的強(qiáng)烈激勵(lì)時(shí), 外殼底部的MEMS傳感器也會(huì)受到這個(gè)頻率的影響, 雖然程度較小。
圖3.振動(dòng)傳感器外殼的固有頻率、目標(biāo)軸上的振型以及外殼頂部和底部的相對(duì)振幅。
鐵木辛哥振動(dòng)微分方程
鐵木辛哥方程適用于對(duì)粗、短梁或梁進(jìn)行建模 受到數(shù)千赫茲振動(dòng)的影響。如圖2所示,振動(dòng)傳感器為 類似于厚而短的圓柱形橫截面,可以使用以下公式進(jìn)行建模 鐵木辛哥方程。方程是四階微分方程 為受限情況提供分析解決方案。有限元,如公式1所示 到公式3,提供了解決鐵木辛哥的最方便的方法 使用多維矩陣的方程,其隨 設(shè)計(jì)的自由度。
控制方程
雖然 FEM 在求解鐵木辛哥方程方面提供了顯著的好處 以有效的方式振動(dòng),了解設(shè)計(jì)中的權(quán)衡 振動(dòng)傳感器外殼需要仔細(xì)檢查公式 42參數(shù)。
使用不同的材料或幾何形狀會(huì)影響固有頻率(ω) 設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。
材料和幾何體依賴關(guān)系
鐵木辛哥方程參數(shù)可以分為任一幾何 依賴性或材料性。
材料依賴關(guān)系包括:
楊氏模量 (E):這是材料彈性的量度——如何 需要很大的拉力才能使其變形。拉伸變形力 與表面成直角發(fā)生。
剪切模量 (G):這是材料剪切剛度的量度 - 物體承受剪切應(yīng)力變形力的能力 施加時(shí) 平行于曲面。
材料密度(ρ):每單位體積的質(zhì)量。
幾何依賴關(guān)系包括:
剪切系數(shù)(k):剪切系數(shù)是一種材料屬性,而剪切系數(shù) 考慮橫截面上剪切應(yīng)力的變化。這是 矩形通常等于 5/6,圓形橫截面通常等于 9/10。
面積慣性矩(I):反射的區(qū)域的幾何性質(zhì) 幾何圖形如何圍繞軸分布。此屬性提供 深入了解結(jié)構(gòu)因施加力矩而具有的抗彎曲性。在 模態(tài)分析 這可以被認(rèn)為是抗變形。
橫截面積(A):定義形狀的橫截面積, 如圓柱體
鐵木辛哥方程預(yù)測(cè)臨界頻率fC,由公式5給出。3由于等式4是四階,因此f以下有四個(gè)獨(dú)立的解C.為 分析目的,等式 5 fC可用于比較不同的外殼 幾何形狀和材料。
有多種方法和解決方案可以確定f以下的所有頻率C.一些方法在“自由和強(qiáng)制振動(dòng) 單差分方程描述的鐵木辛哥梁”3和“彎曲 基于分布式集總建模技術(shù)的傳動(dòng)軸振動(dòng)。4 這些方法涉及多維矩陣,如FEMM。
我應(yīng)該使用什么材料進(jìn)行設(shè)計(jì)?
表2詳細(xì)介紹了一些常見的工業(yè)金屬材料,如不銹鋼 鋼和鋁。
材料 | E (N/m2) | 克(牛/米)2) | ρ (公斤/米)3) | $ 每公斤 |
不銹鋼 | 2E11 | 7.7E10 | 7850 | 0.11 |
庫 珀 | 1.1E11 | 4.5E10 | 8300 | 9.06 |
鋁 | 7.1E10 | 2.4E10 | 2770 | 2.18 |
鈦 | 9.6E10 | 3.6E10 | 4620 | 25 |
銅是列出的四種材料中最重的,它不提供任何 優(yōu)于不銹鋼的優(yōu)勢(shì),不銹鋼更輕、更堅(jiān)固、更便宜。
鋁是重量敏感型應(yīng)用的理想選擇。密度為66% 比鋼還少。缺點(diǎn)是鋁的成本為每公斤20×鋼。 鋼材是成本敏感型應(yīng)用的明確選擇。
雖然鈦比鋁重約三分之二,但其固有的 力量意味著你需要更少的力量。然而,使用鈦的成本過高 適用于除最專業(yè)的減重應(yīng)用外的所有應(yīng)用。
仿真示例
圖 4 顯示了一個(gè)矩形金屬振動(dòng)傳感器外殼設(shè)計(jì),具有 高 40 毫米,長 43 毫米,寬 37 毫米。對(duì)于模態(tài)分析,底部 曲面 (z, x) 是固定約束。
圖4.矩形外殼,材料類型更改為模擬研究。
圖 5 顯示了各種外殼材料的模態(tài) FEM 分析結(jié)果。 具有顯著MPF的第一個(gè)固有頻率(比值大于0.1 有效質(zhì)量與系統(tǒng)總質(zhì)量之比)與材料類型的關(guān)系圖。 很明顯,鋁和不銹鋼具有最高的第一顯著性 固有頻率。它們也是低成本或低成本的良好材料選擇 重量應(yīng)用。
圖5.矩形外殼,具有材料類型和第一有效固有頻率 (Hz)。
我應(yīng)該設(shè)計(jì)矩形還是圓柱形 外殼?
圖6顯示了空心矩形和圓柱形不銹鋼擠壓件, 壁厚2毫米,高度40毫米。氣缸的外徑 為 43 毫米,矩形塊在 x 軸和 y 軸上也是 43 毫米。
圖6.用于模態(tài)設(shè)計(jì)研究的類似矩形和圓柱形。
對(duì)于模態(tài)分析,整個(gè) 2 mm 壁面(或 x, y 橫截面積)為 固定約束。圖 7 顯示了模態(tài) FEM 分析結(jié)果。第一個(gè)自然 具有顯著MPF的頻率(有效質(zhì)量比大于0.1 到系統(tǒng)的總質(zhì)量)繪制與材料形狀的關(guān)系。圓柱形 在 x 軸和 y 軸上具有最高的第一有效固有頻率,具有類似的 在 Z 方向上的表現(xiàn)。
圖7.相似矩形和圓柱形的第一有效固有頻率 (Hz)。
幾何 - 面積和慣性
等式4包括材料和幾何依存關(guān)系。由于矩形和圓柱形工件都是使用不銹鋼參數(shù)模擬的,因此 圓柱形零件性能更好的唯一原因是幾何形狀。圖8 說明用于計(jì)算面積的圓柱體和矩形橫截面 工件的慣性矩和橫截面積。
圖8.面積慣性矩(IYY)和橫截面積。
面積慣性矩,IYY,的矩形幾乎大于 50% 的圓柱體,如表3所示。矩形更善于承受 變形。但是,圓柱體的橫截面積A是三倍 大于矩形。較大的 A 參數(shù)表示較大的固定約束 無論是在模擬還是在現(xiàn)實(shí)中 - 氣缸的設(shè)計(jì)更好,可以增加 剛性或更高的剛度。
使用表3值和公式5,臨界頻率為60.74 kHz 圓柱體和矩形的 26.56 kHz。公式5是一個(gè)有用的工具,用于顯示 不同幾何形狀的相對(duì)性能。等式 4 和 5 預(yù)測(cè) 4 低于臨界頻率的獨(dú)立解決方案。表4總結(jié)了有限元 結(jié)果并確認(rèn)前四種有效模式。
形狀 | 我YY(米4) | 克(牛/米)2) | ρ (公斤/米)3) | A (m2) |
圓柱體 | 6.24E-8 | 7.7E10 | 7850 | 1.03E-3 |
矩形 | 9.21E-8 | 7.7E10 | 7850 | 0.33E-3 |
模式 | 氣缸(赫茲) | 矩形(赫茲) |
1 | 11,890 | 5030.4 |
2 | 30,077 | 10,559 |
3 | 40,506 | 14,270 |
4 | 50,777 | 15,750 |
粗體 = 模式參與系數(shù) > 0.1 不加粗 = 0.01 <模式參與系數(shù) < 0.1 |
建議的最大高度是多少 我的傳感器?
等式 4 和 5 很有用,但它們不能提供關(guān)于 機(jī)柜垂直高度與第一個(gè)顯著高度之間的權(quán)衡 固有頻率可能。從公式2中,我們可以直觀地看到 傳感器外殼越高,第一固有頻率越低。
分析模型的局限性
等式4和5假設(shè)梁橫截面的寬度至少為15% 的光束長度。5長而細(xì)梁的其他方法,例如伯努利的 方程6假設(shè)梁橫截面寬度小于 光束長度。5對(duì)于長而細(xì)的梁,公式66可以使用,其中包括 長度 (L) 或傳感器高度。公式6沒有考慮剪切力,剪切力 對(duì)于短而厚的梁很重要。對(duì)于第一個(gè)有效固有頻率, 對(duì)于實(shí)心圓柱形,方程 4、5 和 6 之間通常具有良好的一致性。對(duì)于空心形狀,公式6低估了第一個(gè)顯著值 固有頻率降低50%。
直徑 30 mm 的氣缸 | 高度/長度(毫米) | 等式 6 (Hz) | 模擬(赫茲) |
固體 | 60 | 5872 | 5267 |
空心,2 mm 壁厚 | 60 | 2930 | 5911 |
等式 66參數(shù)包括剛度的楊氏模量 (E)、直徑 (d)、 長度(或高度)、所用材料的密度 (ρ) 和 Kn給定的常量 配置。
由于分析模型無法為空心的高度約束提供指導(dǎo) 外殼、高度算例通常依賴于 FEM。
身高研究
提供有關(guān)隨機(jī)箱增加而降低性能的指導(dǎo) 高度,對(duì)圖9所示的模型進(jìn)行了仿真。
圖9.帶 5 mm 底座的外殼的高度研究。
不銹鋼擠壓件包括一個(gè) 5 mm 底座,可用于 在機(jī)柜和受監(jiān)控設(shè)備之間提供螺柱螺釘安裝(用于 例如,電機(jī))。將氣缸高度從 40 mm 增加到 100 mm 導(dǎo)致 x 的第一有效固有頻率從 12.5 kHz 降低到 3.3 kHz 和 y 軸,如圖 10 所示。z 軸也從 31.2 kHz 降低到 12.7 千赫。對(duì)于高性能傳感器,很明顯外殼高度 需要最小化。
圖 10.第一個(gè)有效固有頻率 (Hz),適用于底座為 5 mm 且高度增加的外殼。
減少外殼壁有什么效果 厚度還是直徑?
減少機(jī)柜壁厚
表 6 顯示了圖 6 中的圓柱體 壁厚從 2 mm 減少到 1 mm,但保持 40 mm 高度和 外徑43毫米。
形狀 | 我YY(米4) | 克(牛/米)2) | ρ (公斤/米)3) | A (m2) |
氣缸,2 mm 壁厚 | 6.24E-8 | 7.7E10 | 7850 | 1.03E-3 |
氣缸,1 mm 壁厚 | 3.12E-8 | 7.7E10 | 7850 | 5.28E-4 |
使用表6值和公式5,臨界頻率為60.74 kHz 2 mm 壁厚圓柱體和 61.48 kHz 用于 1 mm 壁厚圓柱體。 與我YY和 A 參數(shù)減少約 50%,分子和 公式5中的分母對(duì)1 mm壁厚的影響相同 圓柱體。根據(jù)此計(jì)算,假設(shè)兩個(gè)氣缸都將執(zhí)行 在有限元模態(tài)分析中類似。
在圖 11 中,具有顯著 MPF 的第一固有頻率的 FEM 結(jié)果 (系統(tǒng)有效質(zhì)量與總質(zhì)量之比大于0.1)為: 繪制與圓柱壁厚度的關(guān)系。減小缸壁的效果 厚度與固有頻率相比非常小。
圖 11.壁厚為 1 mm 或 2 mm 的圓柱體的第一有效固有頻率 (Hz)。
減小外殼直徑
到目前為止提供的示例都集中在圓柱形外殼上,其 外徑43毫米。某些設(shè)計(jì)可能只需要 30 mm 或 26 mm 外部 直徑。圖 12 顯示了仿真模型,圖 13 顯示了 改變外殼外徑的影響。
圖 12.外殼直徑研究。
圖 13.第一個(gè)有效固有頻率與圓柱體外徑的關(guān)系。
當(dāng)氣缸直徑從 43 mm 減小到 26 mm 時(shí),x 軸和 y 軸 第一固有頻率降低約 1.5 kHz,而 z 軸第一固有頻率 頻率增加 1.9 kHz。在改變氣缸直徑時(shí),既有面積 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(IYY)和橫截面積(A)減小。我YY參數(shù) 將減少比 A 參數(shù)更多。
在將直徑從 43 mm 減小到 30 mm 時(shí),IYY將減少 2/3,而 A 將減少 1/3。同樣,參考等式5,凈效應(yīng)是漸進(jìn)的 第一固有頻率降低。直觀地減小氣缸直徑 會(huì)使結(jié)構(gòu)不那么剛性,所以固有頻率是有道理的 會(huì)減少。然而,使用模擬可以清楚地看到,第一自然的減少 頻率并不顯著,改變直徑仍可能導(dǎo)致第一次 固有頻率在幾十kHz。
將改變傳感器的方向 機(jī)箱提高性能?
本文前面的部分表明,增加高度 外殼將導(dǎo)致第一固有頻率降低。還表明, 建議使用圓柱形外殼形狀,而不是使用矩形 形狀。但是,在某些情況下,矩形很有用。
考慮這樣一種情況:外殼需要容納傳感器和 電路,具有定義的 60 mm 高度,以及 43 mm × 37 mm 的寬度和寬度。 使用矩形并更改固定約束的方向 (設(shè)備附件)可以幫助提高性能。矩形 圖 14 所示的外殼有多個(gè)連接孔,因此外殼 可以安裝在各種方向的設(shè)備上。如果存儲(chǔ)模塊是 安裝在 X、Z 面上,則外殼的有效高度為 60 毫米。 但是,如果外殼安裝在y,z面上,則有效高度 只有 37 毫米。此方法可用于矩形外殼,但不能 使用圓柱體的曲面可行。
圖 14.矩形外殼可以限制在 x 軸和 z 軸上,也可以限制在 y 軸和 z 軸上以降低高度。
圖 15 顯示,通過更改存儲(chǔ)模塊方向,x 軸首先 諧振頻率可提升,Y軸比較更好 到圓柱體。對(duì)于y,z固定的z軸第一諧振頻率較高 方向與x相比,z固定方向幾乎是其兩倍 頻率模式。但是,到目前為止,該氣缸在z軸上表現(xiàn)最佳 固有頻率。矩形是具有類似形狀的好方法 與圓柱形相比,跨三個(gè)軸的性能。
圖 15.第一有效固有頻率與圓柱或矩形方向的關(guān)系。
單軸 11 kHz MEMS 傳感器,頻率為 21 kHz 共鳴
基于本文提供的仿真和分析結(jié)果, 圓柱形外殼最適合封裝單軸ADXL1002 MEMS 具有 21 kHz 諧振的傳感器。MEMS傳感器軸的靈敏度應(yīng)為 旨在利用圓柱形外殼的第一固有頻率 Z 軸的性能。
外殼原型和裝配概念
到目前為止,提供的仿真模型排除了連接器選擇和 它們對(duì)外殼設(shè)計(jì)的固有頻率的影響。圖16 顯示了 TE 的 M12 4 線連接器,部件號(hào) T4171010004-001。這 連接器的防水防塵等級(jí)為 IP67,包括一個(gè) .步驟文件 來自 TE,可輕松集成到機(jī)柜設(shè)計(jì)文件中。此連接器 可與 M12 至 M12 電纜配合使用,例如 TE 的 TAA545B1411-002。
圖 16.外殼原型。
良好的機(jī)械安裝對(duì)于確保最佳的振動(dòng)傳遞至關(guān)重要 并避免可能影響性能的共振。通常是一個(gè)好的安裝 使用螺紋連接到傳感器外殼和受監(jiān)控設(shè)備的螺柱實(shí)現(xiàn)。圖 16 所示的不銹鋼型號(hào)包括一個(gè)堅(jiān)固的 7 mm 底座 帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 1/4“-28 螺紋孔,用于安裝螺柱附件 到受監(jiān)控的設(shè)備。
外殼直徑為 24 mm,包括一個(gè) 25 mm 的六角形 底座,可用于將傳感器擰入受監(jiān)控設(shè)備。這 帶 M12 連接器的外殼總高度可在 48 mm 之間變化 和 57 mm,取決于制造公差和內(nèi)部組裝 從連接器到 MEMS PCB 的接線或焊接選項(xiàng)。例如,在 如果在 M12電容和MEMS PCB。
圖 17 顯示了 外殼、M12 連接器和 MEMS PCB。MEMS PCB可以組裝成 使用M3螺釘將外殼壁固定,然后連接到M12連接器上,然后 最后,兩個(gè)外殼部件可以激光焊接在一起。印刷電路板是 如圖所示垂直安裝,靈敏度為ADXL1002 MEMS軸 與存儲(chǔ)模塊的 Z 軸垂直對(duì)齊。垂直安裝也是 從系統(tǒng)測(cè)量的角度來看很重要,因?yàn)檫@個(gè)方向是 通常用于測(cè)量軸承故障(例如徑向振動(dòng))時(shí)需要 測(cè)量)在電機(jī)上。
圖 17.MEMS傳感器PCB、M12連接器和外殼的一種可能的組裝方案。
模態(tài)仿真
在模態(tài)仿真之前,應(yīng)使用組件創(chuàng)建一個(gè)實(shí)體 如圖 17 所示。這將提供一個(gè)與 組裝和焊接傳感器。應(yīng)選擇細(xì)網(wǎng)格以獲得準(zhǔn)確的有限元 數(shù)值模擬,特別是連接器幾何形狀。精細(xì)跨度角 應(yīng)選擇“ANSYS網(wǎng)格中心”選項(xiàng)以獲得最佳性能。圖18 顯示了仿真后外殼的有限元網(wǎng)格和相對(duì)變形。
圖 18.外殼的有限元網(wǎng)格細(xì)節(jié)和相對(duì)變形。
圖 18 中從藍(lán)色到橙色和紅色的漸變梯度說明了較大的 外殼和連接器頂部的相對(duì)結(jié)構(gòu)變形。
圖 19 和圖 20 顯示了第一固有頻率的 FEM 結(jié)果,顯著 強(qiáng)積金(系統(tǒng)有效質(zhì)量與總質(zhì)量之比大于0.1) 與 Z 軸的傳感器總高度的關(guān)系。Z 軸性能至關(guān)重要,具有 19.38 kHz,當(dāng)外殼高度為 52毫米。對(duì)于 48 mm 的總高度,性能提高到 22.44 kHz。一個(gè) 50 毫米 高度外殼將提供大約 21 kHz 的性能。
圖 19.第一個(gè)有效固有頻率(z 軸)與外殼高度的關(guān)系。
圖 20.第一個(gè)有效固有頻率與外殼高度(x、y 和 z 軸)的關(guān)系。
三軸 10 kHz MEMS 傳感器,頻率為 21 kHz 共鳴
跨三個(gè)軸控制外殼設(shè)計(jì)的固有頻率是一個(gè) 與單軸傳感器相比,任務(wù)更困難,特別是當(dāng) 21 kHz 時(shí) 性能是必需的。
ADcmXL3021
幸運(yùn)的是,ADI公司開發(fā)了ADcmXL3021±50 g、10 kHz、 三軸、數(shù)字輸出MEMS振動(dòng)傳感模塊,如圖21所示。這 ADcmXL3021 采用 23.7 mm × 27.0 mm × 12.4 mm 鋁制封裝 帶四個(gè)安裝法蘭,支持標(biāo)準(zhǔn) M2.5 機(jī)器的安裝 螺絲。ADcmXL3021封裝鋁材料和幾何結(jié)構(gòu)支持 x、y 和 z 軸上的諧振頻率大于 21 kHz。
圖 21.ADcmXL3021 三軸數(shù)字輸出 MEMS 采用鋁制封裝,帶柔性連接器。
將 ADcmXL3021 添加到 IP67 防護(hù)等級(jí)的外殼
IP67 等級(jí)(防水防塵)外殼和連接器是必需的 將ADcmXL3021放置在工業(yè)環(huán)境中。此外,SPI輸出來自 ADcmXL3021 不適合與長電纜一起使用。SPI 輸出需要 使用工業(yè)以太網(wǎng)或RS-485轉(zhuǎn)換為長電纜驅(qū)動(dòng) 收發(fā)器電路。
根據(jù)本文中的研究,無法放置ADcmXL3021, RS-485或以太網(wǎng)PCB,與連接器在同一外殼中實(shí)現(xiàn) 所有三個(gè)(x、y 和 z)軸上的 21 kHz 諧振頻率。的組合 組件將產(chǎn)生最小存儲(chǔ)模塊大小,如前面所示 圖 2(40 毫米× 43 毫米× 37 毫米)。圖2提供了第一個(gè)顯著的自然 三個(gè)軸的頻率約為 10 kHz 至 11 kHz。此外,圖 2 是 不使用連接器模擬,這將增加有效高度和 進(jìn)一步降低固有頻率。
如果使用 FEM 模擬簡單的矩形鋁形狀,則為 23.7 mm × 27 mm × 12.4 mm 尺寸(如 ADcmXL3021)和 2 mm 壁厚, 所有軸上的第一個(gè)有效固有頻率超過 21 kHz。
當(dāng) 12.4 mm 高度增加一倍和三倍以提供額外空間時(shí) 電路中,固有頻率顯著降低,如圖22所示。 即使只有 12.4 mm 的余量用于額外電路,第一個(gè)重要的 固有頻率低于 15 kHz。
圖 22.增加像ADcmXL3021這樣的形狀的高度。
分布式系統(tǒng)
與其嘗試將所有組件安裝到一個(gè)矩形外殼中,不如建議使用如圖 23 所示的分布式系統(tǒng)。利用這一概念,ADcmXL3021 安裝在 IP67 防護(hù)等級(jí)的外殼中,SPI 數(shù)據(jù)可在短距離內(nèi)路由 (小于 10 cm)到單獨(dú)的 IP67 外殼,該外殼包含電纜接口 帶有以太網(wǎng)或 RS-485 收發(fā)器的 PCB,以及相關(guān)的電源 IC 和其他電路。
圖 23.ADcmXL3021和接口電路安裝在單獨(dú)的外殼中。
使用這種方法,幾何形狀顯著減少,并且問題 將外殼的固有頻率與ADcmXL3021的固有頻率相匹配 容易得多。
設(shè)計(jì)和模態(tài)分析
如前所述,矩形是實(shí)現(xiàn)類似效果的好方法 與圓柱形相比,三個(gè)軸的固有頻率性能 形狀。在圖23中,ADcmXL3021放置在一個(gè)小的空心矩形中。 帶有微型 PCB 的外殼,用于連接 ADcmXL3021 柔性電纜和 工業(yè)連接器。小型 M8 連接器,例如 TE 7-1437719-5,可以是 與模型一起使用。矩形外殼包括四個(gè) M2.5 安裝 孔,以提供固定安裝到設(shè)備上??倷C(jī)柜尺寸為 訪問 ANALOG.COM 11 40.8 毫米× 33.1 毫米× 18.5 毫米。至關(guān)重要的是,z 軸高度為 18.5 mm,這 有助于實(shí)現(xiàn)更高的頻率模式。
圖 24 y、x 面和 4 個(gè) M2.5 孔被約束用于模態(tài)仿真。 z 方向是設(shè)計(jì)中最薄弱的環(huán)節(jié),即使在低于 20 mm 的高度也是如此。 圖25顯示了FEM模態(tài)仿真主導(dǎo)模式之一,它說明了外殼頂部較大的相對(duì)結(jié)構(gòu)變形。
圖 24.用于容納ADcmXL3021的空心外殼。
圖 25.用于容納ADcmXL3021的空心外殼的仿真主導(dǎo)模式。
通過增加壁厚可以增加z方向剛度。為 例如,如果使用 2 mm 壁厚,則 Z 方向的第一個(gè)有效自然值 頻率為 14.76 kHz。當(dāng)使用 3 mm 壁厚時(shí),這將增加到 19.83千赫。如圖 26 所示,使用 3.5 mm 壁厚可提供更大的 Z 方向的固有頻率高于 21 kHz。
圖 26.z 軸的第一個(gè)有效固有頻率與壁厚的關(guān)系。
在外殼中添加環(huán)氧樹脂
環(huán)氧樹脂可以添加到振動(dòng)傳感器外殼中,以固定硬件PCB 在固定位置,并防止連接器和內(nèi)部接線的移動(dòng)。
為了研究環(huán)氧樹脂對(duì)外殼固有頻率的影響,a 簡單的 FEM 模型是用 40 mm × 40 mm 空心不銹鋼創(chuàng)建的 固定壁厚的立方體 2 毫米。立方體填充了 36 毫米× 36 毫米 環(huán)氧樹脂。外殼高度從 40 mm 增加到 80 mm 到 100 毫米,并在有和沒有 環(huán)氧樹脂填充。有限元模擬以 x、y 曲面作為固定面進(jìn)行 約束。
表7顯示了仿真結(jié)果,以及一些有趣的發(fā)現(xiàn):
對(duì)于較小的傳感器高度,并且高度等于長度/寬度,環(huán)氧樹脂可提高 懸臂軸 (Z) 增加多達(dá) 75%。
其中 80 mm 的傳感器高度為長度/寬度的 2×,第一個(gè)顯著 當(dāng)使用懸臂軸 (Z) 中的固有頻率增加 16% 環(huán)氧樹脂填充。但是,x 和 y 徑向軸減少了 10%。
當(dāng)高度增加到長度/寬度的3×?xí)r,環(huán)氧樹脂減少了 第一顯著固有頻率。
高度(毫米) | 環(huán)氧樹脂填充? | X 頻率(赫茲) | Y 頻率 (Hz) | Z 頻率 (赫茲) |
40 | 不 | 8547 | 8450 | 9291 |
40 | 是的 | 8586 | 8585 | 16,259 |
80 | 不 | 3943 | 3943 | 9716 |
80 | 是的 | 3567 | 3530 | 11,272 |
120 | 不 | 2208 | 2208 | 9293 |
120 | 是的 | 1906 | 1906 | 8045 |
隨著高度的增加,質(zhì)量增加,剛度降低。在某個(gè)時(shí)候 點(diǎn),質(zhì)量增加比添加環(huán)氧剛度有更大的影響。 對(duì)于給定的仿真示例,該拐點(diǎn)大于 80 mm。 但是,大多數(shù)傳感器的高度通常小于80毫米。所以,它可以是 結(jié)論是,在大多數(shù)情況下,添加環(huán)氧樹脂將有助于固有頻率 振動(dòng)傳感器外殼解決方案的性能。
外部電纜仿真
將振動(dòng)傳感器安裝在機(jī)器表面上后,電纜應(yīng) 錨固以減少電纜終端處的應(yīng)力并防止錯(cuò)誤信號(hào) 由于電纜振動(dòng)。固定電纜時(shí),請(qǐng)留出足夠的松弛度以留出空間 加速度計(jì)的移動(dòng)。7
本節(jié)模擬振動(dòng)電纜對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)和 提供有關(guān)電纜應(yīng)夾緊位置(電纜長度)的指導(dǎo)。
創(chuàng)建了一個(gè)仿真模型,其材料屬性如 圖 27.TE 提供連接器和電纜型號(hào),例如 TAA545B1411-002、 可以用作基線。電纜連接器由尼龍制成 (尼龍6/6),帶銅電纜線和PVC絕緣層。連接的傳感器是 采用不銹鋼設(shè)計(jì),并填充環(huán)氧樹脂。仿真模型 由傳感器附件上的固定約束支撐,0.15 m 電纜 沿其長度自由振動(dòng)。0.15 m 電纜長度可增加到 1 m 用于模擬。
圖 27.電纜和傳感器型號(hào),具有材料屬性和 0.15 m 電纜長度。
表 8 提供了仿真結(jié)果,以及一些主要發(fā)現(xiàn):
如果電纜夾在小于 0.15 m 的長度,則電纜會(huì)影響 振動(dòng)傳感器的頻率響應(yīng)最小。帶和不帶 0.15 m 電纜 傳感器外殼的頻率響應(yīng)高于 11 kHz。
如果 1 m 的電纜連接到傳感器,并允許自由移動(dòng)和 沿其整個(gè)長度振動(dòng),然后增加的電纜質(zhì)量將主導(dǎo) 系統(tǒng)頻率響應(yīng)。500 Hz 的電纜頻率響應(yīng)將 成為主導(dǎo)模式。
電纜長度(m) | 仿真中使用的傳感器? | Z 頻率(赫茲) |
1 | 是的 | 464 |
1 | 不 | 508 |
0.15 | 是的 | 11,272 |
0.15 | 不 | 11,568 |
實(shí)際上,整個(gè) 1 m 電纜不太可能振動(dòng),因?yàn)檎駝?dòng)會(huì) 通過增加電纜長度來阻尼。但是,此仿真示例顯示 錨定在 0.15 m 左右是精確系統(tǒng)響應(yīng)的好主意。
振動(dòng)傳感器安裝
圖28顯示了對(duì)安裝諧振和典型可用頻率的影響 螺柱、粘合劑、粘合劑安裝墊和扁平磁鐵技術(shù)的范圍 如圖 29 所示。螺柱和粘合劑安裝使傳感器盡可能靠近 可與機(jī)器配合使用,將機(jī)器與 微機(jī)電系統(tǒng)傳感器。使用帶有粘性安裝墊的夾具可放置額外的 機(jī)器和傳感器之間的金屬材料。這種附加材料 抑制傳感器解決方案的頻率響應(yīng)。扁平磁鐵支架 還會(huì)抑制頻率響應(yīng),并且不能提供良好的固定 與其他方法一樣連接到設(shè)備。
圖28僅提供典型指南,每個(gè)傳感器應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)量或仿真進(jìn)行表征。
圖 28.安裝技術(shù)對(duì)傳感器共振的影響。
圖 29.振動(dòng)傳感器的安裝技術(shù)。
使用ANSYS模態(tài)分析對(duì)螺柱安裝進(jìn)行仿真時(shí),使用以下命令 默認(rèn)綁定接觸約束。這是底部振動(dòng)的地方 傳感器(特別是 1/4“-28 英寸安裝孔)被指定為 使用ANSYS修復(fù)約束。約束類型為默認(rèn)粘結(jié)或螺栓連接 連接。
膠粘劑接觸仿真是一個(gè)高級(jí)課題,需要ANSYS 內(nèi)聚區(qū)建模 (CZM) 和對(duì)接觸力學(xué)的理解。為 精度,ANSYS CZM需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)輸入?yún)?shù)。 例如,文章“使用剛性雙懸臂梁技術(shù)直接測(cè)量粘合劑的內(nèi)聚定律”8可用于ANSYS的輸入。 如果您沒有找到所選粘合劑的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),則 您將需要進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。此外,正確的聯(lián)系人 需要在ANSYS中設(shè)置配方,并提供簡短的指導(dǎo) 聯(lián)系中的基本主題等課程。9最后,CZM和模態(tài) 然后,需要在ANSYS工作臺(tái)中結(jié)合技術(shù)。
ANSYS Maxwell10可用于模擬磁場。然而,作為磁性 力是非接觸力(它們?cè)跊]有“固體”接觸的情況下推動(dòng)或拉動(dòng)物體), 為數(shù)值模態(tài)分析生成適當(dāng)?shù)慕佑|約束 是不可能的。模態(tài)分析可以通過粘合、無摩擦、 摩擦,無分離觸點(diǎn)。CZM聯(lián)系也是可能的,因?yàn)?前面提到過。
結(jié)論
MEMS加速度計(jì)的良好機(jī)械外殼設(shè)計(jì)將確保 從監(jiān)控資產(chǎn)中提取CbM的高質(zhì)量振動(dòng)數(shù)據(jù)。
為MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)好的機(jī)械外殼需要 了解模態(tài)分析。模態(tài)分析提供固有頻率 在振動(dòng)傳感器外殼的感興趣軸上。此外,模式 參與因子(MPF)將使設(shè)計(jì)人員能夠決定頻率是否可以 在設(shè)計(jì)中被忽略。
設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮材料特性和幾何形狀 滿足固有頻率目標(biāo)的振動(dòng)傳感器外殼。機(jī)柜高度 需要最小化以實(shí)現(xiàn)更高的固有頻率。減少墻壁 厚度或外殼直徑都會(huì)對(duì)外殼產(chǎn)生次要影響 固有頻率。
具有較高橫截面積的圓柱形更適合設(shè)計(jì)用于 與矩形相比,所有軸的剛性和固有頻率更高 形狀。矩形在傳感器方向和 設(shè)備附件,與圓柱形相比。矩形是 有助于在三個(gè)軸上保持相似的固有頻率性能。
在大多數(shù)情況下,添加環(huán)氧樹脂將有助于提高固有頻率性能 用于振動(dòng)傳感器外殼解決方案。使用螺柱或粘合劑安裝 為振動(dòng)傳感器提供最佳可用頻率范圍,同時(shí)使用 磁性或粘性墊會(huì)降低傳感器性能。
審核編輯:郭婷
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