一種低閾值慣性開關結構設計與性能分析.pdf

1、慣性開關是一種感受慣性加速度，執(zhí)行開關機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)中應用廣泛。MEMS慣性開關不但體積小、響應快、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。目前基于慣性開關的研究多針對高閾值慣性開關，這些開關可用于武器爆炸系統(tǒng)中的加速度監(jiān)測，這類開關能夠對沖擊加速度信號做出快速響應，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。而低閾值慣性開

2、關（1g-30g），響應的是準靜態(tài)、頻率近乎為零的加速度信號，其敏感結構的特點是彈簧剛度小，質量塊質量大，這種低剛度大質量的復合結構在 MEMS結構中不易實現。另外低閾值慣性開關工作環(huán)境中還存在一些由沖擊或振動產生的各種高頻干擾信號，設計時，低g值慣性開關的“彈簧-質量”結構必須具備較低的固有頻率，并輔以適當的阻尼條件，從而使其結構本身可實現機械濾波，降低對振動或沖擊等干擾信號的響應，避免慣性開關的誤動作。論文針對低閾值慣性開關開展以下

3、研究工作：
　?。?）以螺旋梁為彈性元件設計了低閾值慣性開關，對開關進行了靜態(tài)的設計分析，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）仿真分析結果相比，剛度誤差為8%，在10v的電壓作用下，開關的靜態(tài)閉合閾值為10.756g。
　?。?）建立了低閾值慣性開關的阻尼分析模型，通過實驗反演了系統(tǒng)的阻尼系數，提出了基于質量塊結構設計的阻尼調節(jié)技術。
　?。?）用MATLAB編程語言，建立了開

4、關的動力學模型。通過數值求解方法研究開關的動態(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閉合閾值、響應時間、接通時間等性能參數，以及工作電壓產生的靜電力對開關性能指標的影響。在此基礎上分析了工作電壓產生的靜電力和質量塊運動過程產生的阻尼力共同作用下開關的響應特性。分析了開關的抗過載特性以及不同激勵下（激勵的脈寬、激勵的形式）開關的響應特性、開關適用的工作環(huán)境。最后分析了觸點接觸力對開關響應特性的影響。
　　本文為基于螺旋