一種低閾值慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析.pdf

1、慣性開關(guān)是一種感受慣性加速度，執(zhí)行開關(guān)機(jī)械動作的精密慣性裝置，在安全氣囊，交通系統(tǒng)，碰撞記錄儀，武裝和射擊系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。MEMS慣性開關(guān)不但體積小、響應(yīng)快、能耗低、能夠捕捉微弱的信號而且很容易集成，尤其適用于汽車、彈藥的特殊環(huán)境。目前基于慣性開關(guān)的研究多針對高閾值慣性開關(guān)，這些開關(guān)可用于武器爆炸系統(tǒng)中的加速度監(jiān)測，這類開關(guān)能夠?qū)_擊加速度信號做出快速響應(yīng)，完成加速度的檢測。這些加速度信號具有沖擊時間短，激勵脈寬窄的特點(diǎn)。而低閾值慣性開

2、關(guān)（1g-30g），響應(yīng)的是準(zhǔn)靜態(tài)、頻率近乎為零的加速度信號，其敏感結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是彈簧剛度小，質(zhì)量塊質(zhì)量大，這種低剛度大質(zhì)量的復(fù)合結(jié)構(gòu)在 MEMS結(jié)構(gòu)中不易實(shí)現(xiàn)。另外低閾值慣性開關(guān)工作環(huán)境中還存在一些由沖擊或振動產(chǎn)生的各種高頻干擾信號，設(shè)計(jì)時，低g值慣性開關(guān)的“彈簧-質(zhì)量”結(jié)構(gòu)必須具備較低的固有頻率，并輔以適當(dāng)?shù)淖枘釛l件，從而使其結(jié)構(gòu)本身可實(shí)現(xiàn)機(jī)械濾波，降低對振動或沖擊等干擾信號的響應(yīng)，避免慣性開關(guān)的誤動作。論文針對低閾值慣性開關(guān)開展以下

3、研究工作：
　　（1）以螺旋梁為彈性元件設(shè)計(jì)了低閾值慣性開關(guān)，對開關(guān)進(jìn)行了靜態(tài)的設(shè)計(jì)分析，建立了靜態(tài)分析模型，分析了螺旋梁彈性元件的剛度特性，與有限元軟件（ANSYS）仿真分析結(jié)果相比，剛度誤差為8%，在10v的電壓作用下，開關(guān)的靜態(tài)閉合閾值為10.756g。
　?。?）建立了低閾值慣性開關(guān)的阻尼分析模型，通過實(shí)驗(yàn)反演了系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，提出了基于質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的阻尼調(diào)節(jié)技術(shù)。
　?。?）用MATLAB編程語言，建立了開

4、關(guān)的動力學(xué)模型。通過數(shù)值求解方法研究開關(guān)的動態(tài)特性。仿真分析了有、無阻尼系統(tǒng)的半正弦激勵作用下開關(guān)閉合閾值、響應(yīng)時間、接通時間等性能參數(shù)，以及工作電壓產(chǎn)生的靜電力對開關(guān)性能指標(biāo)的影響。在此基礎(chǔ)上分析了工作電壓產(chǎn)生的靜電力和質(zhì)量塊運(yùn)動過程產(chǎn)生的阻尼力共同作用下開關(guān)的響應(yīng)特性。分析了開關(guān)的抗過載特性以及不同激勵下（激勵的脈寬、激勵的形式）開關(guān)的響應(yīng)特性、開關(guān)適用的工作環(huán)境。最后分析了觸點(diǎn)接觸力對開關(guān)響應(yīng)特性的影響。
　　本文為基于螺旋