压电式力传感器的设计

机械工程测试课程设计

学院：xxxxxx

专业班级：xxxxxx 学号：xxxxxx

姓名：xxx

《力的测量课程设计》

目录

设计摘要 (1)

引言 (1)

第一章传感器的结构设计 (2)

第二章传感器的参数计算 (3)

第三章测量电路 (5)

总结 (6)

参考文献 (6)

设计摘要

设计过程主要包括设计格式、设计要求及设计过程中有关压电式力传感器的设计，还有在整个设计过程中的有关计算、与传感器相连的测试电路。

本压电式传感器采用压缩型单项里传感器结构，利用纵向压电效应进行工作，在设计中压电材料采用石英晶体。由于安装中需施加预紧力，以保证该传感器的线性度良好，故留出一定的过载量，本设计中重点考虑了各部分的面积、刚度等参数，未讨论预紧力的选用范围，可能还存在一些其他因素，如安装误差等可以影响设计传感器的性能，属于正常范围内，使用中可忽略。

引言

压电式力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，在工业中有着不可少的作用。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

传感器原理与应用作为一门课程，我们在认真学好理论课程的同时，还要与实际结合起来，只有这样才能对压电式传感器的使用有更好的理解。

通过对传感器的设计来加深对理论课程的理解，这是王伟老师要求我们进行课程设计的目的。做到理论联系实际，从而学会正确分析传感器使用过程中出现的问题，不断总结经验，进而用来来指导实践，这样我们才能将学好的知识得到很好的应用。也为我们日后再该领域的进一步研究打下坚实的基础。

第一章传感器的结构设计

传感器的结构如下图

图一

1、顶盖

2、敏感元件

3、导电片

4、基座

5、外壁

6、预紧螺钉

该传感器由顶盖、敏感元件、导电片、基座、外壁、预紧螺钉和输出插座组成。通过预紧螺钉加预紧力，将顶盖、基座和外壁焊接为一体，输出插座可与同轴低噪声电缆连接。

第二章 传感器的参数计算

1、压电晶体（石英）的几何尺寸

石英片在机械强度上必须满足公式 δ

F

S ≥

式中： S 为石英晶片的受力面积 F 为传感器待测力的最大力

δ为石英晶体的许用应力，为17.5 2/kg mm

本设计中传感器的额定负载为1000 kg ，由于包括预紧力，并留出一定的过载量，取最大负载量为7000 kg ，因而S ≥ 40 2mm 。

设计中取晶片的长为10 mm ，宽为6 mm ，受力面积60 2mm 。

2、石英片的晶片电容值

d

S

r 00εε=

C

这里取每片石英片的厚度为1.2mm ，石英的r ε=4.5，每片石英片的电容

0C =1.99pF

为了提高传感器的灵敏度，取两片石英片并联方式，所以总的电容大小为3.98pF 。

3、传感器刚度参数计算

设在外力F 的作用下，传感器的变形为x δ，12()x F k k δ=+

式中：1k 为敏感部分的组合刚度

2k 为辅助部分组合刚度 图二

在晶片数一定时，112k k k +决定了传感器的精度，因此，在结构设计中应确保1

12

k k k

+

尽可能大。

根据公式 ES K L

=

式中：E:弹性模量 S:受力面积 L:受力方向厚度

石英片的弹性模量为80 GPa ，受力面积为60 2mm ，厚度为2.4 mm ，它的刚 度q k =2.00⨯610mm N

导电片（银片）的弹性模量为71 GPa ，受力面积为60 2mm ，厚度为0.1 mm ，它的刚度d k =4.26⨯710 mm N

顶盖（铝合金）的弹性模量70 GPa ，受力面积为80 2mm ，厚度为1.0 mm ，它的刚度为t k =5.60⨯610 mm N

基座（钛合金）的弹性模量为120.2 GPa ，受力面积为70 2mm ，厚度21 mm ，它的刚度b k =4.01⨯510 mm N

预紧螺钉（钢质）的弹性模量为20.5 GPa ，受力面积35 2mm ，厚度为12 mm ，它的刚度s k =5.98⨯410 mm N

根据公式322

(1)Eh K a μ=- 式中： E:弹性模量 h:厚度 a:直径

μ：材料的泊松系数

顶盖的直径为12.1mm ，μ=0.33，所以顶盖的弹性部分刚度't k =5.37⨯210mm N 外壁的受力面积为7 mm ，弹性模量21 GPa ，受力方向厚度为39mm ，它的刚

度'b k =3.77⨯310mm N

敏感部分组合刚度1k 相当于顶盖，导电片，石英片，基座串联的刚度，即

d

b q t k k k k k 11111

1+++=

=3.13⨯510mm N

辅助部分刚度2k 为顶盖弹性部分的抗弯刚度't k 与基座外壁的刚度'b k 串联，再与

预紧螺钉刚度s k 并联： s k k k k k k ++⋅='

b

't '

b

't 2 =6.03⨯410mm N 传感器的总刚度为1k 与2k 的并联 21k k k +==3.73⨯510mm N

4、传感器的灵敏度

1

1112

q k s n

d k k =+ 式中: n 为晶体片的数目

11d =2.31 N pC q s =3.88 N pC

5、传感器的谐振频率

m

k

f π

21

0= 式中：m 为传感器的顶盖质量 m ρν==（2.7⨯310-⨯80⨯1）g=2.16⨯210-kg 所以f=20.91kHz

第三章 测量电路

测量电路如下图所示

图三 压电传感器用高保真高阻抗放大器(OPA604)