应变式加速度传感器

传感器与测控电路课程设计

说明书

题目应变片式加速度传感器的设计姓名

学院机电工程学院

专业测控技术与仪器

学号

指导教师

成绩

二〇一零年六月二十三日

目录

一、设计题目 (3)

二、设计任务及技术指标 (3)

三、设计要求 (3)

四、构造及其原理概述 (4)

五、结构设计 (5)

六、应变片的选择及其设计计算 (7)

七、转换电路的设计 (9)

八、外部电路的设计 (10)

九、结构与辅助零件的设计 (11)

十、精度误差分析 (12)

十一、课程设计总结 (13)

十二、参考文献 (14)

附录:

传感器设计CAD零件图 (15)

传感器设计CAD装配图 (16)

测控电路原理Proteus图 (17)

一、设计题目

应变式加速度传感器的设计

二、设计任务及技术指标

1、工作在常温、常压、静态、环境良好。

2、精度0、1%FS。

3、测量范围20ｇ。

4、频响:0、1~100HZ。

5、电桥电压:5V。

三、设计要求

1、利用电阻或半导体的应变效应设计加速度传感器,将所测的加速度转换成电

信号。

2、根据被测量,设计传感器的性能参数与结构参数。

3、根据传感器敏感元件输出电量的类型设计转换电路与后续信号处理电路。

四、构造及其原理概述

1、金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值将发生变化。

2、用应变片测量受力变形时,将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下,

被测对象表面产生微小机械变形时,应变片的敏感栅也随同变形,其电阻值发生相应的变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化。根据式σ=Eε

式中σ:测试的应力;

E:材料弹性模量

可以测得σ应力值。通过弹性元件将加速度转换为应变,因此可以用应变

片测量加速度,从而做成应变式加速度传感器。

3、如图为加速度传感器的结构示意图。

图1 加速度传感器结构简图

图2 传感器结构示意图

1、壳体

2、重块

3、电阻应变片

4、硅油

测量时,将传感器的壳体与被测对象感性连接。当有加速度作用在壳体上时,由于梁的刚度很大,惯性质量块也以同样的加速度运动,产生的惯性力与加速度成正比。惯性力的大小由梁上的应变片测出。在梁的上下各贴一个应变片,一个应变片受拉,电阻增大,另一个受压,电阻减小。再通过电桥把电阻的变化转为电压的变化,通过电压放大用电压表测出相应的电压,从而就可以得到相应的加速度。

综上所述,等强度梁的应变可以表征被测运动构件的加速度大小。电阻应变片加速度传感器的基本原理就就是把由运动构件加速度引起等强度梁的应变转换成电量进行测量。

五、结构设计

结构图如下图所示:

图3 传感器总体结构设计

1、等强度梁的设计

为了在减小粘贴应变片时对位置的要求,选用等强度梁。 (1)材料的选择

(a)壳体及质量块选用碳钢,质量块取M ＝５０ｇ (b)弹性元件(悬臂梁)选用铍青铜。

有弹性模量G ＝5000Mpa 、 密度ρ=8、26g/cm, 参考课本:取长L =20mm,宽B=10mm,厚度d=10mm

(c)许用应力: (悬臂梁)最大的拉压力取F=ma=50×20×10×10-3=10N(设

g=10N/KG)

(2)设计计算

(a)梁的强度计算:当最大加速度时,梁受力最大。 当M ＝５０ｇ时,受力最大为10N 。 强度校核

4

d A 2

π=

得A=7、85×10-6

[]σσ≤=

A

N

经计算的满足强度要求。

(b)等强度梁的无阻尼固有频率

m

Eb l h m K

n 63

⎪⎭⎫ ⎝⎛==

ω ()

s rad f n =πω2n

六、应变片的选择及其设计计算

电阻应变片有金属丝式、金属箔式与金属薄膜式。

1、金属丝式应变片:粘贴性能好,制作简单,成本底。但因弯曲部的变形使其横向效应较大。

2、金属箔式应变片:可以制成多种复杂的形状,横向效应可以忽略,蠕变、机械之后小,疲劳寿命长。但其电阻值的分散性较大,需做阻值调整。

3、金属箔式应变片 :电阻值比箔式应变片高,形状与尺寸也比箔式应变片更小更精确;它没有箔式应变片腐蚀所引入的疵病;制成的结构散热良好,对于较宽的温度范围也可达到较完善的补偿;特别就是近几年由于激光阻技术的发展,提高了电阻值的精度,可达0、01%。尤其突出的就是:陶瓷绝缘代替了胶接,即避免了复杂的分选与粘贴技术,而且对所引入的漂移、蠕变、疲劳弱点都有很大的克服。 根据以上分析,选择金属箔式应变片

图4 金属箔式应变片结构形式

选用小型硅应变片

参考规格:额定电阻:120Ω

电阻应变片直径取为0、05mm高电阻率的金属电阻丝绕成栅状,绕成栅状就是

为了获得高的阻值,将其粘贴在绝缘的基体上,电阻丝的两端焊接引线。敏感

栅上面粘贴有保护用的覆盖层,敏感栅电阻值120Ω 。其结构图如图所

示:图5 应变片的结构形式基底:为保持敏感栅固定的形状、尺寸与位置,通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上。应变计工作时,基底起着把弹性体应变准确地传递给敏感栅的作用。

为此,基底必须很薄,取0、02mm图1 金属电阻应变片的内部结构。

引线:它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接与引导作用。通常取直径约0、1mm 的低阻镀锡铜线,并用钎焊与敏感栅端连接。保护盖层:用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层;起着防潮、防蚀、防损等作用。

粘结剂:在制造应变计时,用它分别把盖层与敏感栅固结于基底;在使用应变计时,用它把应变计基底再粘贴在弹性体表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。

七、转换电路的设计

采用双臂电桥电路,如下图: