%34تخفیف

طراحی، شبیه سازی و بهینه سازی سیستم میکروشتاب‌سنج خازنی1392

تعداد 115 صفحه  درword

کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکاترونیک

طراحی، شبیه سازی و بهینه سازی سیستم میکروشتاب‌سنج خازنی1392

کلید واژه‌ها: میکروشتاب‌سنج، ظرفیت خازن، حساسیت، شانه محوری، نویز مکانیکی، نویز الکتریکی

چکیده: در سال‌های اخیر میکروشتاب‌سنج‌ها به دلیل ابعاد کوچک، دقت بیشتر، و صرفه‌جویی در هزینه و زمان مورد توجه محققان و سازندگان سیستم‌های مکانیکی و الکتریکی قرار گرفته است. میکروشتاب‌سنج‌‌ شامل تیرکی است که به یک جرم لرزه ای متصل است. دراثر نیروی  خارجی که منجر به تغییر شتاب در سیستم می‌شود، جرم لرزه‌ای متصل به تیرک از مکان طبیعی خود منحرف می‌شود و این انحراف به صورت آنالوگ یا دیجیتال به روشهای مختلفی اندازه‌گیری می‌شود. لذا در این پژوهش میکرو‌شتاب‌سنج خازنی شانه محوری با توجه به مزیت های آن از جمله خروجی خطی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. اختلاف ظرفیت خازن بین مجموعه ای از شانه‌های ثابت متصل به دیواره قاب میکروشتاب‌سنج و مجموعه‌ای از شانه‌هایی که به جرم لرزه‌ای متصل‌اند، اندازه‌گیری می‌شود. با تحلیل تغییر ظرفیت خازن‌ها نهایتا شتاب وارده بر میکروسنسور محاسبه می‌گردد. میرایی سیستم در اثر گازهای محبوس شده در داخل سیستم ایجاد می‌شود. در این پژوهش شبیه‌سازی ها به صورت تحلیلی و با استفاده از نرم‌افزار متلب انجام شده است. برای بررسی پاسخ سیستم به نیروی خارجی، رفتار دینامیکی سیستم تحت تاثیر نیروهای خارجی در دو حالت نیرو ثابت و نیروی پله ای در نظر گرفته شده است. تحلیل سیستم با استفاده از سه دسته پارامتر (طراحی1  و 2  و3) و با تغییر فاصله بین صفحات خازن‌ها، طول جرم محک و ضخامت جرم محکانجام شده است. ابتدا مطالعه سیستم بر اساس پارامترهای طراحی1 شبیه‌سازی شده و مقادیر حساسیت، نویز مکانیکی و الکتریکی، مقدار جابجایی نهایی، و تغییرات ظرفیت خازن‌ها محاسبه و با نتایج تحقیقات موجود مقایسه و تائید شده است. در ادامه نویز مکانیکی و الکتریکی و نویز معادل کلی برای سیستم بهینه‌سازی و مناسب‌ترین پارامترهای طراحی (پارامترهای طراحی2) با در نظر گرفتن حداقل نویز معادل خروجی ارائه شده است. طبق نتایج بدست آمده،  فاصله بین صفحات خازن‌ها به میزان 90٪ و طول جرم محکبه میزان 9٪ کاهش می یابد. بعلاوه، حساسیت سنسور بهینه‌سازی و ثابت گردید که افزایش ضخامت جرم محک علاوه بر افزایش حساسیت، موجب کاهش نویز معادل کلی، کاهش مدت زمان پاسخ سیستم و افزایش ضریب میرایی سیستم می گردد. لذا پارامترهای طراحی3 با افزایش حساسیت، و کاهش نویز معادل کلی، کاهش مدت زمان پاسخ سیستم و افزایش ضریب میرایی، با افزایش ضخامت جرم از 10 میکرون به 50 میکرون نسبت به طراحی2ارائه گردیده است. در حالتی که نیروی پله بر سیستم وارد می شود تغییرات ظرفیت خازن ها بزرگتر از حالتی است که نیروی ثابت بر سیستم اعمال می شود.

چکیده……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..ا

فهرست شکل‌ها…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………ه

فهرست جدول‌ها…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….ط

فهرست علائم………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….ی

فصل اول-مطالعه پیشینه پژوهش‌

مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………2

  • شرح موضوع…………………………………………………………………………………………………………………………………3

  • اهمیت موضوع……………………………………………………………………………………………………………………………..3

  • میکروشتاب سنج………………………………………………………………………………………………………………………….4

    • تعریف میکروشتاب سنج………………………………………………………………………………………………..4

    • ساختار میکروشتاب‌سنج………………………………………………………………………………………………..4

    • کاربردهای میکروشتاب‌سنج…………………………………………………………………………………………..6

  • بررسی پیشینه پژوهش‌ها………………………………………………………………………………………………………12

  • انواع میکروشتاب‌سنج و معادلات حاکم…………………………………………………………………………………19

    • میکروشتاب‌سنج خازنی……………………………………………………………………………………………20

      • ساختار میکروشتاب‌سنج خازنی صفحه‌ای………………………………………………21

    • میکروشتاب سنج خازنی شانه جانبی و شانه محوری…………………………………………….25

    • میکروشتاب‌سنج پیزو رزیستیو………………………………………………………………………………29

      • میکروشتاب‌سنج پیزورزیستیو با ساختار صفحه‌ای…………………………………29

    • میکروشتاب‌سنج پیزوالکتریک………………………………………………………………………………..30

  • مدل سازی دینامیکی سیستم میکروشتاب‌سنج……………………………………………………………………..31

    • مدل جرم، فنر و میراکننده……………………………………………………………………………….31

    • مدل تیر یک و دو سر گیردار……………………………………………………………………………34

      • تئوری انحراف تیر……………………………………………………………………….35

فصل دوم-مواد و روش‌ها

مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………40

  • میکروشتاب‌سنج خازنی شانه‌محوری………………………………………………………………………………………..40

  • مدل‌سازی دینامیکی………………………………………………………………………………………………………………….41

    • ضریب سختی سیستم………………………………………………………………………………………….42

    • ضریب میرایی……………………………………………………………………………………………………….43

    • نویز مکانیکی…………………………………………………………………………………………………………44

    • نویز الکتریکی………………………………………………………………………………………………………..45

    • نویز کلی سیستم…………………………………………………………………………………………………..45

    • حساسیت………………………………………………………………………………………………………………46

    • مدت زمان واکنش………………………………………………………………………………………………..46

    • ظرفیت خازن‌ها قبل و پس از اعمال نیرو به سنسور…………………………………………..47

فصل سوم- نتایج

                    مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………….49

  • شبیه‌سازی مدل با پارامترهای طراحی1…………………………………………………………………………………..49

    • اعمال نیروی خارجی به سیستم و نتایج حاصل از شبیه‌سازی در پارامترهای طراحی1………………………………………………………………………………………………………………………53

  • بهینه‌سازی سیستم از نظر نویز معادل کلی و ارائه پارامتر‌های طراحی2…………………………………………………………………………………………………………………………………….57

    • اعمال نیروی خارجی به سیستم و نتایج حاصل از اعمال این نیروها برای پارامترهای طراحی2………………………………………………………………………………………………………………………61

  • بهینه‌سازی حساسیت حسگر…………………………………………………………………………………………………….66

    • اثرات افزایش ضخامت سیستم روی نویز مکانیکی و الکتریکی و متعاقبا نویز معادل کلی………………………………………………………………………………………………………………………………67

    • تاثیر افزایش ضخامت سیستم روی زمان واکنش……………………………………………………..68

    • اعمال نیروی خارجی به سیستم و نتایج شبیه‌سازی برای پارامترهای طراحی3……..71

  • نتیجه‌گیری و پیشنهادات………………………………………………………………………………………………………….76

مراجع…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….78

فهرست شکل‌ها

شکل (1-1) طرح کلی میکروشتاب‌سنج خازنی شانه محوری                                                                  20

شکل (2-1)طرح کلی میکروشتاب‌سنج خازنی شانه جانبی21

شکل (3-1)نمایش میکروشتاب‌سنج خازنی صفحه ای                                                                         21

شکل (4-1)  پیکربندی اصلی شتاب سنجخازنی صفحه ای                                                            22

شکل (5-1) ابعاد تیرهای شتاب سنج خازنی صفحه ای                                                                 23

شکل (6-1)نمایش هندسی شتاب سنج خازنی شانه جانبی                                                            25

شکل (7-1) پارامترهای هندسی شتاب سنج خازنی شانه جانبی                                                       26

شکل (8-1)نمایش مدار کنترلی شتاب سنج خازنی شانه جانبی                                                       26

شکل (9-1)نمایش پارامترهای فنر U شکل در شتاب سنج                                                         26 شکل (1-10) نمای جانبی شتاب سنج پیزورزیستیو                                                                     29 شکل( 1-11 ) نمایش میکروشتاب‌سنج پیزورزیستیو با ساختار صفحه‌ای                                            30

شکل (1-12 )  نمای جانبی و نمای بالا میکروشتاب‌سنج پیزوالکتریک                                               30

شکل (1-13 ) مدل جرم ، فنر و میراکننده                                                                                31

شکل (1-14)  نمودار مکان – زمان برای مقدارهای مختلف ξ                                                         33

شکل (1-15) ساختار شتاب سنج میکروماشین کاری شده                                                             34

شکل (1-16 ).شکل انحنای تیر تحت بارگذاری معکوس                                                               35

شکل (1-17) جابجایی تیر هنگام اعمال شتاب نرمال و دیاگرام آزاد تیر                                             35

شکل(1-18)  استفاده از یک تیر و  استفاده از دو تیر به منظور کاستن حساسیت در جهت  در تیر تحت بارگذاری                                                                                                                          37

شکل (1-19)  تغییر شکل تیر وقتی که شتاب جانبی اعمال می شود و دیاگرام آزاد تیر تحت بارگذاری      37

شکل(2-1)  طرح کلی میکروشتاب‌سنج خازنی شانه محوری                                                           40

شکل(2-2) طرح دینامیکی ‌میکروشتاب‌سنج                                                                              41

شکل(2-3) طرح دینامیکی میکروشتاب‌سنج پس از اعمال نیروی خارجی                                           42

شکل(3-1) نمودار نویز مکانیکی برای پارامترهای طراحی1                                                             50

شکل(3-2) نمودار نویز مکانیکی برای پارامترهای طراحی1 توسط میستری[1]                                        50

شکل(3-3) نمودار نویز الکتریکی برای پارامترهای طراحی1                                                            51

شکل(3-4) نمودار نویز الکتریکی برای پارامترهای طراحی1 توسط میستری                                        51

شکل(3-5) نمودار حساسیت در پارامترهای طراحی1                                                                    52

شکل(3-6) نمودار حساسیت در پارامترهای طراحی1 توسط میستری                                                52

شکل(3-7) نمودار جابجایی بر حسب تغییرات زمان برای نیروی در پارامترهای طراحی1                  54

شکل(3-8) نمودار جابجایی بر حسب تغییرات شتاب برای پارامترهای طراحی1                                                       54

شکل(3-9) نمودار جابجایی بر حسب تغییرات شتاب برای پارامترهای طراحی1 تحت نیروی ثابت                                                                                                        54

شکل(3-10) نمودار تغییرات C1 برحسب تغییرات شتاب برای پارامترهای طراحی1 تحت نیروی ثابت55

شکل(3-11) نمودار تغییرات C2 برحسب تغییرات شتاببرای پارامترهای طراحی1 تحت نیروی ثابت  56

شکل(3-12) نیروی پله خارجی وارده بر سیستم                                                                         56

شکل(3-13) نمودار جابجایی بر حسب تغییرات زمانبرای پارامترهای طراحی1 تحت نیروی پله               57

شکل(3-14) نمودار نویز معادل کلی بر حسب فاصله بین صفحات خازن‌‌ها                                          58

شکل(3-15) نمودار حساسیت بر حسب فاصله صفحات خازن‌ها در پارامترهای طراحی2                                                 60

شکل(3-16) نویز مکانیکی برای پارامترهای طراحی2                61

شکل(3-17) نمودار نویز الکتریکی برای پارامترهای طراحی2                          61

شکل(3-18) نمودار جابجایی بر حسب تغییرات زمان برای نیروی در پارامترهای طراحی2                                      62

شکل(3-19) نمودار جابجایی بر حسب تغییرات شتاب در پارامترهای طراحی2                                     63

شکل(3-20) نمودار تغییرات ظرفیت خازن‌ها بر حسب تغییرات شتاب در پارامترهای طراحی2                                      64

شکل(3-21) نیروی پله خارجی وارده بر سیستم                                                                         64

شکل(3-22) نمودار جابجایی بر حسب تغییرات زمان برای نیروی خارجی پله در پارامترهای طراحی2                                      65

شکل(3-23) نمودار حساسیت بر حسب افزایش ضخامت سیستم در پارامتر‌های طراحی2                                                 66

شکل(3-24) نمودار نویز معادل کلی برحسب تغییرات حساسیت                                                      67

شکل(3-25) نمودار مدت زمان پاسخ(واکنش) برحسب تغییرات ضخامت سیستم                                  68

شکل(3-26) نمودار حساسیت بر حسب فاصله بین صفحات خازن‌ها در پارامترهای طراحی3                                                 70

شکل(3-27) نمودار نویز مکانیکی بر حسب فاصله صفحات خازن‌ها برای پارامترهای طراحی3                                      70

شکل(3-28) نمودار نویز مکانیکی بر حسب فاصله صفحات خازن‌ها برای پارامترهای طراحی3                                      71

شکل(3-29) نمودار جابجایی بر حسب تغییرات زمان برای نیروی در پارامترهای طراحی3                                                                                                         72

شکل(3-30) نمودار جابجایی بر حسب تغییرات شتاب در پارامترهای طراحی3  72

شکل(3-31)نمودار تغییرات ظرفیت خازن‌ها بر حسب تغییرات شتاب در پارامترهای طراحی3                                                                                                         73

شکل(3-32) نیروی پله خارجی وارده بر سیستم                                                                         74

شکل(3-33) نمودار جابجایی بر حسب تغییرات زمان برای نیروی خارجی پله در پارامترهای طراحی3                                                                                                         75

فهرست جدول‌ها

جدول (3-1) پارامترهای طراحی1                           49

جدول(3-2) نتایج شبیه‌سازی برای تغییرات ظرفیت خازن‌ها برای نیروی mg برای پارامترهای طراحی1                                 55

جدول(3-3) نتایج شبیه ‌سازی برای تغییرات ظرفیت خازن‌ها برای نیروی خارجی پله وارد شده به سیستم در  پارامترهای طراحی1                                                                                                            57

جدول(3-4) پارامترهای طراحی2                            59

جدول(3-5) نتایج شبیه ‌سازی برای تغییرات ظرفیت خازن‌‌ها برای نیروی خارجی  وارد شده به سیستم در پارامترهای طراحی2                                                                                                            63

جدول(3-6) نتایج شبیه‌سازی برای تغییرات ظرفیت خازن‌ها تحت نیروی خارجی پله وارد شده به سیستم در پارامترهای طراحی2                                                                                                            65

جدول(3-7) پارامترهای طراحی3                            69

جدول(3-8) نتایج شبیه‌سازی برای تغییرات ظرفیت خازن‌ها برای نیروی خارجی  وارد شده به سنسور در پارامترهای طراحی3                                                                                                            73

جدول(3-9) نتایج شبیه‌سازی برای تغییرات ظرفیت خازن‌ها تحت نیروی خارجی پله وارد شده به سیستم در پارامترهای طراحی3                                                                                                            75

جدول(3-10) نتایج شبیه‌سازی و بهینه‌سازی                                        77

فهرست علائم

طول جرم محک در میکروشتاب‌سنج خازنی صفحه‌ای

عرض جرم محک در میکروشتاب‌سنج خازنی صفحه‌ای

ضخامت جرم محک در میکروشتاب‌سنج خازنی صفحه‌ای

ضخامت تیر شکل در میکروشتاب‌سنج خازنی صفحه‌ای

عرض تیر شککل در میکروشتاب‌سنج خازنی صفحه‌ای

طول قسمت بلند تیر شکل در میکروشتاب‌سنج خازنی صفحه‌ای

طول قسمت کوتاه تیر شکل در میکروشتاب‌سنج خازنی صفحه‌ای

نیروی وارده بر هر تیر در میکروشتاب‌سنج خازنی صفحه‌ای

نیرویکل وارده بر سیستم در میکروشتاب‌سنج خازنی صفحه‌ای

: جابجایی یک تیر شکل در میکروشتاب‌سنج خازنی صفحه‌ای

مدول یانگ

ممان اینرسی

ضریب سختی تیرها

:فرکانس طبیعی سیستم میکروشتاب‌سنج

:ثابت دی‌الکتریک

:ثابت دی الکتریک فضای خلا

:فاصله بین دو صفحه

مساحت صفحه‌های روبه روی خازن‌ها

C0: ظرفیت خازن‌ها قبل از اعمال نیرو

 C1: ظرفیت خازن‌ها در میکروشتاب‌سنج خازنی صفحه‌ای که فاصله صفحاتشان پس از اعمال نیرو زیاد می‌شود

 C2: ظرفیت خازن‌ها در میکروشتاب‌سنج خازنی صفحه‌ای که فاصله صفحاتشان پس از اعمال نیرو کم می‌‌شود

:اختلاف ظرفیت خازن‌ها پس از اعمال نیرو

 :ضریبافزایش دهنده سختی سیستم میکروشتاب‌سنج خازنی شانه جانبی

:ضریب افزایش دهنده میرایی سیستم میکروشتاب‌سنج خازنی شانه جانبی

:سختی فنر در راستای در میکروشتاب‌سنج خازنی شانه جانبی

:سختی فنر در راستای در میکروشتاب‌سنج خازنی شانه جانبی

:سختی فنر در راستای در میکروشتاب‌سنج خازنی شانه جانبی

چگالی سیلیکون

:مدول برشی سیلیکون

:طول قسمت کوتاه تیر شکل در میکروشتاب‌سنج خازنی شانه جانبی

:طول قسمت کوتاه تیر شکل در میکروشتاب‌سنج خازنی شانه جانبی

جرم موثر در راستای

:جرم موثر در راستای

:پهنای بازوهای فنردر میکروشتاب‌سنج خازنی شانه جانبی

استهلاک کوئت

 : ضریب لزجت

شتاب معادل منبع اغتشاش ترانزیستور

ولتاژ معادل منبع اغتشاش ترانزیستور

ضریب میرایی سیستم در میکروشتاب‌سنج خازنی شانه جانبی

دمای کارکرد

جرم محک

پهنای باند سیستمدر میکروشتاب‌سنج خازنی شانه جانبی

شتاب معادل منبع اغتشاش برونی یا گرمایی به دلیل این نویز برخورد مولکول های هوا با شتاب سنج

حداکثر جابجاییجرم محک

حداکثر شتابجرم محک

حساسیتمیکروشتاب‌سنج خازنی شانه جانبی

ولتاژ اعمالی به دو صفحه خازندر میکروشتاب‌سنج خازنی شانه جانبی

تاثیر طولی پیزو در میکرو شتاب‌سنج پیزورزیستیو

تاثیر عرضی پیزو در میکرو شتاب‌سنج پیزورزیستیو

تنش طولی پیزو در میکرو شتاب‌سنج پیزورزیستیو

تنش طولی پیزو در میکرو شتاب‌سنج پیزورزیستیو

مقاومت پیزو در میکرو شتاب‌سنج پیزورزیستیو

ضریب کیفیت سیستم

ضریب میرایی سیستم در مدل‌سازی

فرکانس تشدید

ضریب مشخصه سیستم در مدلسازی سیستم میکروشتاب‌سنج

نسبت میرایی سیستم در مدل‌سازی

گشتاور خمشی در هر نقطه از تیر مدلسازی شده

گشتاور در نقطه تکیه‌گاهتیر

نیروی عکس العملدر تکیه‌گاهبرابر با نیرویخارجی وارده بر جرم محک

معادله منحنی تغییر شکل تیر

خیز تیر

زاویه  خمش یا شیب تیر

مکان مرکز جرم تیر

ضریب میرایی هوا در میکروشتاب‌سنج خازنی شانه محوری

نویز مکانیکی

ثابت بولتزمن

نویز الکتریکی

حساسیت در میکروشتاب‌سنج خازنی شانه محوری

نویز معادل کلی

فاصله بین شانه‌های ثابت و متحرک در میکروشتاب‌سنج خازنی شانه محوری

شتاب حاصل از نیروی وارده بر میکروشتاب‌سنج خازنی شانه محوری

ضریب میرایی بحرانی

مدت زمان واکنشسیستم

  :ظرفیت خازن‌ها در میکروشتاب‌سنج خازنی شانه محوری که فاصله صفحاتشان پس از اعمال نیرو زیاد می‌شود

  :ظرفیت خازن‌ها در میکروشتاب‌سنج خازنی شانه محوری که فاصله صفحاتشان پس از اعمال نیرو کاهش می‌یابد

جابجایی جرم محک پس از اعمال نیرو در میکروشتاب‌سنج خازنی شانه محوری

[1]Mistry

نقد و بررسی‌ها

هنوز بررسی‌ای ثبت نشده است.

اولین کسی باشید که دیدگاهی می نویسد “طراحی، شبیه سازی و بهینه سازی سیستم میکروشتاب‌سنج خازنی1392”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

قبلا حساب کاربری ایجاد کرده اید؟
گذرواژه خود را فراموش کرده اید؟
Loading...
enemad-logo