應(yīng)變片式加速度傳感器

1、傳感器課程設(shè)計設(shè)計名稱：應(yīng)變片式加速度傳感器專業(yè)班級：測控技術(shù)與儀器一班姓 名：陽水雄學(xué) 號：0703030107指導(dǎo)老師：余以道、楊書儀2010年6月23日一、設(shè)計名稱2二、設(shè)計冃的2三、設(shè)計思路2四、設(shè)計任務(wù)及技術(shù)指標(biāo)2五、懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計3六、應(yīng)變片電橋的選擇及設(shè)計計算5A：分析及各尺寸的確定5B：最大工作電流7七、電橋電路的選擇與設(shè)計分析7A:直流電橋的電壓靈敏度設(shè)計分析7B:直流電橋的非線性誤差及其補(bǔ)償方法8C:傳感器溫度誤差及其補(bǔ)償9八、參考文獻(xiàn)9附表:傳感器設(shè)計CAD零件圖10傳感器設(shè)計CAD裝配圖10測控電路原理Proteus圖11一、設(shè)計名稱應(yīng)變片加速度傳感器二、設(shè)計目的(1)

2、 了解傳感器設(shè)計的一般方法、步驟及應(yīng)變片加速度傳感器的結(jié) 構(gòu)。(2) 掌握應(yīng)變片加速度傳感器的工作原理。(3) 通過自己動手設(shè)計，加深傳感器的理解，以及提高自己的動手收集資料，解決問題的能力三、設(shè)計思路機(jī)械振動帶動傳感器的質(zhì)繪塊振動，并且他們有共同的加速度缶 再根據(jù)公式F=ma,把加速度的變化轉(zhuǎn)為力的變化。力就作用懸臂梁 使粱橫向拉長或壓縮，從而帶動應(yīng)變片電阻的變化。一個應(yīng)變片受拉, 電阻增人，另個受壓，電阻減小。再通過電橋把位移的變化轉(zhuǎn)為電 壓的變化，通過電壓放人用電壓表測出相應(yīng)的電壓，從而就町以得到 相應(yīng)的加速度。測量范圍:20g精度:1%頻響：0.1 100HZ； 重量:不大于100g電

3、橋電壓：5V五、懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）采用等強(qiáng)度懸痔梁結(jié)構(gòu)，其圖如卜:（2）材料選擇及尺寸確定a、殼體及質(zhì)量塊選用碳鋼，質(zhì)量塊取M = 50 g b、彈性元件（懸臂梁）選用彼青銅主要參數(shù):物理特性參數(shù)性能合金QBe2.0CuBelOCuBe7密度 g/cm at20 C8.268.758.75熱膨脹系數(shù)at20-300 C1.78+10-51.76*21.75*10-5比熱 CaUg- C at20 C0.10.10.1導(dǎo)電率IACS at20 C224838縱彈性模量LME MPa130000135000127000橫彈性模屋LME MPa5000052500”9000熱導(dǎo)率 Cal/cm s

4、ec* C at20 C0.2-0.310.40-0.620.40-0.60選取Qbe2.0作為梁的材料。有 E=5000Mpa P=&26g/cm。并取 d=10iinnc、許用應(yīng)力(懸臂梁)最大的拉壓力取F=ma=50x20x 1 Ox 103= 1 ON (設(shè) g=10N/KG)(3) 設(shè)計計算原則：a、在最大加速度時，即a=20g時，有懸臂梁最人的拉。壓力為10No強(qiáng)度計算及校核人=吆得:A=7.85xl0'6是否成立？如果成立，則強(qiáng)度足夠；如果不成立，則強(qiáng)度不夠。a = a/其中：11安全系數(shù)。取11=1.4經(jīng)計算可知滿足要求b、質(zhì)量塊相對于基朋的位移可按卜列原則確定

5、當(dāng)貯20g時。其中a為被測加速度。設(shè)計步驟：根據(jù)胡克定律及變形得Lab = Aab 取原長 L=20mm貝仏 L=10x20xl0V5000x7.85=5.096xl0-5M且溫度的變化引起長度，直徑的變化可以忽略。六、應(yīng)變片電橋的選擇及設(shè)計計算應(yīng)變片的選擇：選用小型硅應(yīng)變片 額定電阻:120QA：分析及各尺寸的確定=pL/（Q）（2-1）其中：L金屬導(dǎo)線長度S金屬導(dǎo)線橫截面積p電導(dǎo)率（不同材 料電阻率不同）當(dāng)金屬導(dǎo)線兩端受拉力F伸長變形。設(shè)其伸長AL,橫截面積則 縮小，它的截面圓半徑減少金屬電阻絲在變形后，電阻率也會有 所改變，這種現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。將變形后電導(dǎo)率記作Ap,對式（21）求

6、全微分，即求出電阻絲伸長后，其電阻值改變了多少。有;AR+3%(2-2)用式（21）去除式（2-2）得到（2-3）另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積S=nr2則AS = 2加* Ar 所以;從材料力學(xué)我們知道：%吆（2-5）其中，負(fù)號表示伸長時，半徑方向是縮小的。卩是表示材料橫向 效應(yīng)泊松系數(shù)。把式（2-4） （2-5）代入（2-3） o%“ +吆+ 2“ 吆=（1 + 2卅）/（觀滬吆* 吆（2-6） 其中：K = 1 + 2“ + （%）/（%）（2-7 ）在材料力學(xué)中AL/L稱作為應(yīng)變，記作£,用它來農(nóng)示彈性往往顯 得太大，常常把它的百力分之一作為單位，記作皿。這樣，式（2-6 ）常

7、寫作：矗（2-8）式（28）說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率和電阻絲伸長率之間 的關(guān)系。K為靈敏度系數(shù)，阻值變化通常較小。電阻應(yīng)變片及其結(jié)構(gòu)：E1金11電阻應(yīng)變絲的結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片百徑取為0.05mm高電阻率的金屬電阻絲繞成柵狀， 繞成柵狀是為了獲得高的阻值，將其粘貼在絕緣的基體上，電阻絲的 兩端焊接引線。敏感柵上而粘貼有保護(hù)用的覆蓋層，如圖1,放感柵 電阻值120Q o基底：為保持頌感柵固定的形狀、尺寸和位置，通常用粘結(jié)劑將 它I占I結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基底上。應(yīng)變計作時，基底起著把彈性體應(yīng) 變準(zhǔn)確地傳遞給敏感柵的作用。為此，基底必須很薄，取0.02nmio引線：它起著敏感柵與測杲電路之間的過渡連接和

8、引導(dǎo)作用。通 常取直徑約0.1mm的低阻鍍錫銅線，并用釬焊與敏感柵端連接。保 7護(hù)蓋層：用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的保護(hù)層；起著防潮、防蝕、 防損等作用。粘結(jié)劑：在制造應(yīng)變計時，用它分別把蓋層和敏感柵固結(jié)于基底; 在使用應(yīng)變計時，用它把應(yīng)變計基底再粘貼在彈性體衣而的被測部 位。因此它也起著傳遞應(yīng)變的作用。B：最大工作電流工作電流人，應(yīng)變計輸出的信號就人。因而靈敏度高，但過人的 電流會使應(yīng)變計過熱。使靈敏系數(shù)變化。墻變。寒飄增加，具至燒壞 應(yīng)變計，所以根據(jù)散熱，敏感柵形狀尺寸，取A=25mA。測量原理：用應(yīng)變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當(dāng)彈性體受力變形時, 應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)

9、生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。七、電橋電路的選擇與設(shè)計分析A；直流電橋的電壓靈敏度設(shè)計分析其中R】為應(yīng)變片電阻，其阻值將會誰加速度的變化而變化。R2 也為應(yīng)變片電阻，但其阻值之隨溫度改變。R3,R4其大小Rs=R4=120Qo 電橋輸出電壓：5=U0+犁仏+側(cè)+必-職）一%3+R?，出Uo=ov 時，此時為平衡電橋，有R1/R2=R3/R4o傳感器工作時，懸辟梁的長 度變化從而使其電阻應(yīng)變片變化AR。此時電橋為不平衡輸出：設(shè)橋 臂比為n=l貝 IJ 得 U° = UAr由此町以看出電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，電橋電壓越 高電橋靈敏度越高。但供電電壓的提高受應(yīng)

10、變片允許功耗的限制。所 以要適當(dāng)?shù)倪x擇。電橋電壓與n成換數(shù)。恰當(dāng)?shù)倪x擇橋愕比11的值， 可以得到電橋有較髙的電壓靈敏度。式中對函數(shù)求微分口J知：為n=l時R3, Ri 其人小 Ri=R2=R3=R4=120QK = %由此式可知:當(dāng)電源電壓及電阻的變化定時，電橋的輸出電壓 及電壓靈敏度將與各橋件的電阻值的人小無關(guān)。B：直流電橋的非線性誤差及其補(bǔ)償方法由于上面的分析都是假定應(yīng)變片的參數(shù)變化小，忽略了的影響，是-種理想的情況。而實際中的是不能忽略的?，F(xiàn)采用差動電橋補(bǔ)償非線性誤差。在兩橋臂上安裝兩個應(yīng)變片一個受拉，一個受壓，該電橋輸出電壓有：Uo = ugR +M +鳥-齪）-%3 + R 丿=UA/，2R 得：k=a%r所以此時電壓靈敏度與呈線性關(guān)系，無線性誤差同時靈敏度提高 一倍。因為傳感器輸出的信號微弱可采用放人電路，如卜圖所示：C：傳感器溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差產(chǎn)生的原因：把應(yīng)變片安裝在自由的懸梁臂上，即使懸 梁臂不受任何力的作用，應(yīng)變計的電阻也會隨著溫度的變化而變化， 這種變化疊加在測量結(jié)果中將產(chǎn)生很人的誤是。解決的方法：由于采用井動電橋，當(dāng)溫度變化時兩個橋臂的應(yīng)變 片電阻都同時隨溫度的變化而變化，所以井動電橋不具有溫度誤并， 他貝有溫度補(bǔ)償能力。八、參考文獻(xiàn)1、