课程设计(论文)—应变式加速度传感器设计

一．传感器设计

1、应变式加速度传感器简介

能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，称为传感器，通常由敏感元件和转换元件组成。应变式加速度传感器是一种低频传感器，由弹性梁，质量块，应变片及电桥等组成，质量块在加速度作用下，产生惯性力使弹性梁变形，引起应变片阻值发生变化，通过电桥来获取信号，是车辆振动测量常用传感器。

2 应变式加速度传感器结构

在这种传感器中,质量块支撑在弹性体上,弹性体上贴有应变片（图1）。测量时,在质量块的惯性力作用下,弹性体产生应变,应变片把应变变为电阻值的变化，最后通过测量电路输出正比于加速度的电信号。弹性体做成空心圆柱形增加传感器的固有振动频率和粘贴应变片的表面积。另一种结构形式为悬臂梁式，弹性振梁的一端固定于外壳，一端装有质量块。应变片贴在振梁固定端附近的上下表面上。振梁振动时，应变片感受应变。应变片可在测量电路中接成差动桥式电路。应变片加速度计也适用于单方向（静态）测量。用于振动测量时,最高测量频率取决于固有振动频率和阻尼比,测量频率可达3500赫。

下图是传感器结构图

图1 传感器结构简图

3 应变式加速度传感器特点

这种结构灵敏度高，但体积较大，实际应用中需要硅油提供大的阻尼力应变式振动传感器的主要优点是低频响应好，可以测量直流信号（如匀加速度）。

4.计算设计：

设计步骤

根据设计指标估计如下结构参数： 梁长度：L (mm):11 梁宽度：b (mm):5 梁厚度：h (mm):0.5 质量块半径：r (mm):3 质量块厚度：c (mm):4 许用应力系数取：0.55；

梁根部最大应变：εmax ≤400 (με)。 基本原理：

质量块M 在加速度a 作用下产生惯性力：a F Ma =

梁在惯性力的作用下产生应变：2

6x

x a L F Ebh ε=

应变引起应变片阻值变化ΔR ，电桥失去平衡而输出电压，通过测量电压可求得加速度。

计算梁的最大挠度

挠度反映梁质量块的活动空间

(mm)H R = 0()(0.5)(mm)w R H c h =--+

max 0(mm)w w <

如图所示，代入R=7，B=6，c=4,h=0.5,得H= 6.7544e-004mm, 0w =0.0021mm 壳体质量：0m =壳体体积⨯壳体材料密度 质量块质量：1m =质量块体积⨯质量块材料密度

弹性梁质量：(g)梁材料密度梁体积⨯=2m 硅油质量：硅油密度充油空间

⨯= 3m 质量块等效质量：)(6

2

1kg m m M +

= 由上面给出的数据，可得1m =1.8g ，2m =0.216g 得M=0.0105kg 。

质量产生的最大惯性力：max (N)a F Ma = 其中max a =50g=4902/s m ，所以a F =5.145N 。 许用应力:b T σσ⨯=5.0=8105⨯)N/m (2贴片处梁长(根据应变片尺寸决定):)(83mm l l x =-=

贴片处的应变：2

6Ebh L F x a x =

ε=1.59294

10-⨯)ε/g ( 静态应变灵敏度：2

6Ebh MgL s x

g ==3.1857e-006)ε/g ( 贴片处最大应变：g S a ⨯=max max ε=0.0016)ε(>x ε 梁根部应变： 2

6Ebh

L F a L =

ε=2.194

10-⨯)ε(0004.0)ε(≤,满足条件。

梁端宽度校核： T

a T h L

F b σσ26=

=4.6870e-004

梁自由端静挠度： 3

3

4Ebh

MgL w g ==7.0670e-007m 梁自由端最大动挠度：=m ax w g w a ⨯=max =3.4628e-004m<0w =0.0021mm

无阻尼固有频率：M

L Ebh f n 3

3

4π

21

=

=592.6741HZ 有阻尼固有频率:=c f 21ς-=n c f f =513.2708HZ>291HZ,满足条件。

单臂工作时的电桥输出电压：1

4

O E U U δ≈-

其中：Ue 为供桥电压(v)；

δ为应变片电阻变化率；

电桥电压灵敏度(1个g 作用下的输出电压)：

与静态灵敏度sg 和灵敏度系数K 成正比，则单臂电桥灵敏度：

g E g E Ks U U S 4

141(1)

V =-≈δ=0.0012)v/g (,满足条件。

5 设计结果

梁材料：1号材料（不锈钢：弹性模量E ＝2.14×1011N/m 2，密度

385.7cm g =ρ，抗拉强度27/10100m N b ⨯=σ）

质量块材料：碳钢（弹性模量29/102m N E ⨯=，密度3

85.7cm g =ρ） 壳体材料：硬铝（弹性模量211/1072.0m N E ⨯=，密度386.2cm g =ρ） 阻尼材料：甲基硅油（密度3

95.0cm g =ρ，阻尼比5.0=ζ）

应变片：硅应变片（型号A ，基底尺寸245mm ⨯，硅片尺寸306.04.03mm ⨯⨯）

结构尺寸表1

桥臂工作方式梁长

(mm)

梁宽

(mm)

梁厚

(mm)

块半径

(mm)

块厚

(mm)

总质量

(g)

1 11 5 0.5 3 4 10.5

传感器性能表2

根部应变(με) 静态灵敏度

(ε/g)

阻尼

比

固有频率

(Hz)

有阻尼频

率

(Hz)

供桥

电压

(v)

电桥灵敏度

(v/g)

219.02 3.1857e-006 0.5 592.6741 513.2708 10 0.0012

图2 设计结果简图

6 传感器幅频特性计算及评价

图3 传感器幅频特性（2分）