一种基于结构参数优化的传感器耐振动可靠性提升方法.pdf

一种基于结构参数优化的传感器耐振动可靠性提升方法，它涉及一种传感器耐振动可靠性提升方法，具体涉及一种基于结构参数优化的传感器耐振动可靠性提升方法。本发明为了解决现有传感器耐振动能力较差的问题。本发明的具体步骤为：确定传感器发生的失效和产生薄弱环节；采用“参数识别优化”方法确定对该目标影响显著的若干敏感结构参数，并确定每个敏感结构参数的变化方向和变化范围；确定使传感器耐振动可靠性达到理想值的敏感结构参数优化组合区间，并进行检验；根据敏感结构参数的最优组合重新设计、生产传感器。本发明属于传感器优化领域。

1.一种基于结构参数优化的传感器耐振动可靠性提升方法，其特征在于：所述一种基
于结构参数优化的传感器耐振动可靠性提升方法是通过如下步骤实现的：
步骤一、确定传感器发生的失效和产生薄弱环节；
步骤二、采用“参数识别优化”方法确定对该目标影响显著的若干敏感结构参数，并确
定每个敏感结构参数的变化方向和变化范围；
步骤三、确定使传感器耐振动可靠性达到理想值的敏感结构参数优化组合区间，并进
行检验；
步骤四、根据敏感结构参数的最优组合重新设计、生产传感器。
2.根据权利要求1所述一种基于结构参数优化的传感器耐振动可靠性提升方法，其特
征在于：步骤一中确定传感器发生的失效和产生薄弱环节的具体步骤如下：
步骤A、在有预应力的条件下，按照以下方程进行传感器产品的模态分析：
$(\[K+S\]-{\mathrm{\ω}}_i^2\[M\])\·\left\{{\mathrm{\φ}}_i\right\}=0---\left(1\right),$
公式(1)中，K表示传感器的刚度矩阵，M表示传感器的质量矩阵，S表示传感器的应力刚
度矩阵，ωi表示传感器的固有频率，φi表示传感器的模态；
步骤B、模态分析时，计算的固有频率覆盖传感器的振动环境载荷，计算传感器内部的
梁结构局部阵型及其固有频率；
步骤C、选取传感器内部的梁结构为研究对象，按匀质等截面的伯努利-欧拉梁偏分微
方程(2)计算基频：
$EI\frac{{\∂}^{4}y}{\∂x^4}+\mathrm{\ρ}A\frac{{\∂}^{2}y}{\∂t^2}=0---\left(2\right),$
公式(2)中E表示选取的梁结构的弹性模量，I表示选取的梁结构的截面二次极距，ρ表
示选取的梁结构的密度，A表示选取的梁结构的横截面积，x表示选取的梁结构的任一截面，
y表示选取的梁结构沿y轴方向的位移，t表示时间；
步骤D、由公式(1)计算传感器内部的梁结构频率与公式(2)计算的基频相对误差小于
1％；
步骤E、确定传感器与环境载荷发生谐振的频率和阵型。
3.根据权利要求1所述一种基于结构参数优化的传感器耐振动可靠性提升方法，其特
征在于：步骤二中确定每个敏感结构参数的变化方向和变化范围的具体步骤如下：
步骤a、根据传感器所处环境的最高振动频率设定优化目标，设定的优化目标值是最高
振动频率的1.5～2倍；
步骤b、根据设定的优化目标值应用FEMTools求解需要发生变化的传感器结构参数，并
将各个结构参数对优化目标影响显著性从大到小进行排序；
步骤c、根据从大到小的顺序，依次选取前3～5个结构参数为敏感结构参数，作为后续
步骤的输入参数；
步骤d、确定选取的敏感结构参数的变化范围。
4.根据权利要求1所述一种基于结构参数优化的传感器耐振动可靠性提升方法，其特
征在于：步骤三中定使传感器耐振动可靠性达到理想值的敏感结构参数优化组合区间并进
行检验的具体步骤如下：
步骤Ⅰ、度量传感器振动可靠性参数R；
步骤Ⅱ、通过公式(3)考察敏感结构参数之间的交互耦合性：
$R={\mathrm{ax}}_1+{\mathrm{bx}}_2+{\mathrm{cx}}_3+{\mathrm{dx}}_1^2+{\mathrm{ex}}_2^2+{\mathrm{fx}}_3^2+{\mathrm{gx}}_1{x}_2+{\mathrm{hx}}_2{x}_3+{\mathrm{ix}}_1{x}_3+...---\left(3\right),$
公式(3)中R表示传感器耐振动可靠性表征量，x1、x2、x3…表示敏感结构参数，a、b、c…
表示待定系数；
步骤Ⅲ、应用公式(4)、(5)、(6)对公式(3)进行F检验：
拟合度检验：
回归方程显著性检验：
回归系数显著性检验：
公式(4)、(5)、(6)中QLf表示失拟平方和，Qe表示误差平方和，U表示总回归平方和，Uj表
示各项回归平方和，Qe2表示剩余平方和，f表示与各项对应的自由度，FLf表示拟合度显著性
变量，fLf表示是你平方和的自由度，fe表示误差平方和的自由度，F表示回归方程显著性变
量，fU表示回归平方和的自由度，fe2表示剩余平方和的自由度，Ff表示表示回归系数显著性
变量；
步骤Ⅳ、根据传感器所处的环境载荷，确定参数R的实际需求值，并设定度量传感器振
动可靠性的参数R理想值为实际需求值的1～2倍；
步骤Ⅴ、当公式(3)满足F的各项检验时，采用多元函数的极值理论，对其求解，并确定
函数值R大于等于理想值时，各个敏感结构参数的变化范围，并与步骤二中确定选取的敏感
结构参数的变化范围取交集；
步骤Ⅵ、与步骤Ⅴ中的交集中，公式(3)去的最大值对应的自变量(x1、x2、x3…)为最优
组合。

一种基于结构参数优化的传感器耐振动可靠性提升方法

技术领域

本发明涉及一种传感器耐振动可靠性提升方法，具体涉及一种基于结构参数优化
的传感器耐振动可靠性提升方法，属于传感器优化领域。

背景技术

2014年，全球民用传感器市场为1267亿美元。其中，欧洲占比18.3％，美国占比
31.2％，日本占比8.15％，中国等东亚国家综合占比31.1％。未来的5年内，传感器市场需求
仍保持15％所有的增长，传感器市场正面临着前所未有的高增长时期。

我国传感器市场也急剧增长、品种快速增加。但是，高端依赖进口、低端渐增出口；
厂商众多如林，难觅顶尖品牌；一般技术趋稳，价格逐年下降；核心技术难觅，研究生产相离
也是我国传感器市场的真实写照。此外，国内95％以上的传感器企业属于小型企业，产品品
种相对单一，主要面向满足中低端市场需要，国内传感器主要市场仍被世界驰名品牌所占
领。

随着智能手机、移动互联网的快速发展，到物联网、工业4.0、互联网+、中国制造
2025等大规模应用的兴起，对传感器产品通用化、智能化、可靠性等方面提出了新的需求。
而美国空军总署曾对其沿海基地的装备做过一次产品故障调查，发现有52％的装备失效是
由环境效应引起的。其中，由振动引起的占27％，由湿度引起的占19％，其余由温度、砂尘、
盐雾、高度、冲击等因素引发的故障占54％。

国内传感器产品的可靠性、稳定性及一致性等与发达国家存在较大差距，缺乏系
统性的可靠性研究工作。高可靠性传感器的技术水平、传感器可靠性研究和试验工作相对
落后于国外的进程，且高可靠性产品类别单一、品种少，量产能力也存在很大差距。所以，尽
快掌握开发具有自主知识产权的高可靠传感器技术和产品是具有实际意义的一项重要任
务。

发明内容

本发明为解决现有传感器耐振动能力较差的问题，进而提出一种基于结构参数优
化的传感器耐振动可靠性提升方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述方法的具体步骤如下：

步骤一、确定传感器发生的失效和产生薄弱环节；

步骤二、采用“参数识别优化”方法确定对该目标影响显著的若干敏感结构参数，
并确定每个敏感结构参数的变化方向和变化范围；

步骤三、确定使传感器耐振动可靠性达到理想值的敏感结构参数优化组合区间，
并进行检验；

步骤四、根据敏感结构参数的最优组合重新设计、生产传感器。

本发明的有益效果是：基于传感器结构参数的耐振动环境的可靠性提升的优化方
法，可以在不改变传感器原理、材料种类和外特性的情况下，得到影响传感器耐振动性的若
干结构参数，通过二次回归方程，考察各个敏感结构参数之间的交互耦合性。最终，根据需
求，得到各个敏感结构参数的最优组合，重新设计、生产传感器。该过程在实际物理样机生
产出来之前，可以反复、低成本的进行，降低了研制和优化的时间、人工成本，大大提高了研
制和优化效率。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于结构参数优
化的传感器耐振动可靠性提升方法是通过如下步骤实现的：

步骤一、确定传感器发生的失效和产生薄弱环节；

步骤二、采用“参数识别优化”方法确定对该目标影响显著的若干敏感结构参数，
并确定每个敏感结构参数的变化方向和变化范围；

步骤三、确定使传感器耐振动可靠性达到理想值的敏感结构参数优化组合区间，
并进行检验；

步骤四、根据敏感结构参数的最优组合重新设计、生产传感器。

本实施方式中的传感器使用环境为频率高于10kHz、量值大于100g的高频、强振动
环境，传感器因振动发生的失效和产生的薄弱环节，展开力学分析，并经过试验、理论计算
验证分析结构的正确性。应用参数识别优化算法寻找影响传感器固有频率的结构参数，并
考察参数间的交互耦合性，最终得到使传感器的耐振动可靠性表征量达到理想值的最优组
合，重新设计、生产传感器。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于结构参数优
化的传感器耐振动可靠性提升方法的步骤一中确定传感器发生的失效和产生薄弱环节的
具体步骤如下：

步骤A、在有预应力的条件下，按照以下方程进行传感器产品的模态分析：

$(\[K+S\]-{\mathrm{\ω}}_i^2\[M\])\·\left\{{\mathrm{\φ}}_i\right\}=0---\left(1\right),$

公式(1)中，K表示传感器的刚度矩阵，M表示传感器的质量矩阵，S表示传感器的应
力刚度矩阵，ωi表示传感器的固有频率，φi表示传感器的模态；

步骤B、模态分析时，计算的固有频率覆盖传感器的振动环境载荷，计算传感器内
部的梁结构局部阵型及其固有频率；

步骤C、选取传感器内部的梁结构为研究对象，按匀质等截面的伯努利-欧拉梁偏
分微方程(2)计算基频：

$EI\frac{{\∂}^{4}y}{\∂x^4}+\mathrm{\ρ}A\frac{{\∂}^{2}y}{\∂t^2}=0---\left(2\right),$

公式(2)中E表示选取的梁结构的弹性模量，I表示选取的梁结构的截面二次极距，
ρ表示选取的梁结构的密度，A表示选取的梁结构的横截面积，x表示选取的梁结构的任一截
面，y表示选取的梁结构沿y轴方向的位移，t表示时间；

步骤D、由公式(1)计算传感器内部的梁结构频率与公式(2)计算的基频相对误差
小于1％；

步骤E、确定传感器与环境载荷发生谐振的频率和阵型。

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于结构参数优
化的传感器耐振动可靠性提升方法的步骤二中确定每个敏感结构参数的变化方向和变化
范围的具体步骤如下：

步骤a、根据传感器所处环境的最高振动频率设定优化目标，设定的优化目标值是
最高振动频率的1.5～2倍；

步骤b、根据设定的优化目标值应用FEMTools求解需要发生变化的传感器结构参
数，并将各个结构参数对优化目标影响显著性从大到小进行排序；

步骤c、根据从大到小的顺序，依次选取前3～5个结构参数为敏感结构参数，作为
后续步骤的输入参数；

步骤d、确定选取的敏感结构参数的变化范围。

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于结构参数优
化的传感器耐振动可靠性提升方法的步骤三中定使传感器耐振动可靠性达到理想值的敏
感结构参数优化组合区间并进行检验的具体步骤如下：

步骤Ⅰ、度量传感器振动可靠性参数R；

步骤Ⅱ、通过公式(3)考察敏感结构参数之间的交互耦合性：

$R={\mathrm{ax}}_1+{\mathrm{bx}}_2+{\mathrm{cx}}_3+{\mathrm{dx}}_1^2+{\mathrm{ex}}_2^2+{\mathrm{fx}}_3^2+{\mathrm{gx}}_1{x}_2+{\mathrm{hx}}_2{x}_3+{\mathrm{ix}}_1{x}_3+...---\left(3\right),$

公式(3)中R表示传感器耐振动可靠性表征量，x1、x2、x3…表示敏感结构参数，a、b、
c…表示待定系数；

步骤Ⅲ、应用公式(4)、(5)、(6)对公式(3)进行F检验：

拟合度检验：

回归方程显著性检验：

回归系数显著性检验：

公式(4)、(5)、(6)中QLf表示失拟平方和，Qe表示误差平方和，U表示总回归平方和，
Uj表示各项回归平方和，Qe2表示剩余平方和，f表示与各项对应的自由度，FLf表示拟合度显
著性变量，fLf表示是你平方和的自由度，fe表示误差平方和的自由度，F表示回归方程显著
性变量，fU表示回归平方和的自由度，fe2表示剩余平方和的自由度，Ff表示表示回归系数显
著性变量；

步骤Ⅳ、根据传感器所处的环境载荷，确定参数R的实际需求值，并设定度量传感
器振动可靠性的参数R理想值为实际需求值的1～2倍；

步骤Ⅴ、当公式(3)满足F的各项检验时，采用多元函数的极值理论，对其求解，并
确定函数值R大于等于理想值时，各个敏感结构参数的变化范围，并与步骤二中确定选取的
敏感结构参数的变化范围取交集；

步骤Ⅵ、与步骤Ⅴ中的交集中，公式(3)去的最大值对应的自变量(x1、x2、x3…)为
最优组合。

本实施方式中步骤Ⅰ的度量传感器振动可靠性参数R可以选择传感器的使用寿命、
可靠度、故障率、平均故障间隔时间中的任意一个。

步骤Ⅲ中检验结构为不显著时，对公式(3)进行修改，直至所有检验结构为显著。

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

实施例

步骤一、对传感器已经产生的失效或设计中的传感器进行薄弱环节分析，确定其
发生失效和产生薄弱换机的原因；

对传感器的实际使用条件进行统计，确定传感器的环境载荷；建立传感器的三维
模型及有限元模型，根据环境载荷进行传感器的静力学、动力学分析；确定传感器的失效原
因为传感器在高频段(12kHz±0.3kHz)与环境载荷发生谐振，导致传感器的引线发生疲劳
断裂，并通过振动试验台，进行验证；

根据公式(2)选取传感器内部转接引线作为伯努利-欧拉梁进行基频计算，结果为
10624Hz，有限元分析结果为10591Hz，相对误差为0.3％，小于1％，符合要求；

步骤二、以失效和薄弱环节的产生原因为目标，采用参数识别优化方法确定对该
目标具有敏感性的若干参数，并确定敏感参数的变化方向和变化范围；

以传感器与环境载荷的谐振频率为优化目标，根据固有频率的计算公式
传感器的结构参数可以改变公式中的k，因此以传感器的各个零部件的k为参
数进行优化，取优化目标值为20kHz，以FEMtools为手段，确定传感器的结构参数优化方法
为：①降低外壳长度6.08mm；②外壳轮廓半径增加0.61mm；③外壳底部加厚；④接头与外壳
焊接部位加强；⑤增强焊接部位强度；

根据优化结果，重新建立传感器的有限元模型，并进行模态分析；通过对比，共振
振型对应的固有频率由原来的12268Hz提升至16194Hz；

考虑后续优化的工作量及五个结构参数对谐振频率影响显著性，从以上五个敏感
结构数中选取③、④、⑤作为后续优化工作的输入，三个敏感结构参数的变化范围分别为：
接头与外壳焊接部位深度1.5～2.5mm；焊接部位的截面倾角65°～115°；外壳底部厚度0.3
～3.7mm；

步骤三、以传感器的使用寿命为优化目标，考察若干个敏感参数的交互耦合性，确
定敏感参数的优化组合区间；

考虑传感器加工工艺性，以传感器的使用寿命为优化目标，以步骤二中的三个敏
感参数为因素，设计中心组合试验，依据步骤二中敏感参数变化范围，设计因素水平编码
表，并依据试验结果考察敏感参数之间的耦合交互性，得到传感器使用寿命与敏感参数之
间的数学模型：

$R_1=391.59+539.56x_1-48.01x_1{x}_3+363.92x_1^{2}156.21x_2^2-149.19x_3^2---\left(7\right),$

公式(7)中R1表示传感器耐振动可靠性表征量-使用寿命，x1、x2、x3分别对应敏感
参数的接头与外壳焊接处深度、焊接部位的截面倾角和外壳底部厚度；

采用响应面法对数学模型优化，得到敏感参数的优化组合区间：当外壳底部厚度
为2mm时，接头与外壳焊接处深度优化区间为0～0.85mm；焊接部位的截面倾角为90°～
115°；

步骤四、对确定的敏感参数优化组合区间进行准确性检验，确定敏感参数的最优
组合；

对传感器使用寿命与敏感参数之间的数学模型进行显著性检验(P<0.0001<<
0.05、F＝11.16>F0.05(5,17)＝2.81)、失拟性检验(P＝0.0561>0.05)等，确保数学模型的准
确性；应用多元函数的极值理论得到敏感参数的最优组合(按照x1、x2、x3的顺序)：(0,115,
2)。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽
然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人
员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰
为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在
本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍
属于本发明技术方案的保护范围之内。