加速度传感器

武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书

绪言

传感器原理课程设计是测控技术与仪器专业的必须完成的一个课程设计。是一个重要的教学环节，通过本设计，培养学生理论联系实际的设计思想，训练综合运用传感器设计和有关先修课程的理论，结合实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固加深有关传感器设计方面的知识。

通过制定检测系统设计方案，合理选择传感器及其他元件，正确计算、选择各零件和元件参数，确定尺寸和选择材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，达到了解和掌握检测系统综合设计过程和方法的目的。进行设计基本技能的训练。如：计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。

电阻应变式的加速度传感器应用越来越广泛，其测量精度、响应速度、测量范围以及使用的场合都在更进一步的提升。本次的传感器课设，就是以测量加速度为目的而进行传感器的设计。

2 设计目的与内容

2.1设计目的与要求

采用电阻应变片设计一种电阻应变式加速度传感器，设计要求工作范围：-50 ~ +1500C ；工作频率：0 ~ 100Hz ；检测范围：0 ~ 100 m/s2；灵敏度：2mv/v。

2.2设计内容

●正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成交流电桥；

●选取适当形式的弹性元件，完成其机械结构设计、材料选择和受力分析，并根据测试

极限范围进行校核；

●完成传感器的外观与装配设计；

●完成应变电桥输出信号的后续电路（包括放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路）

的设计和相关电路参数计算，并绘制传感器电路原理图；

●按学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书（6000字左右）；

●按机械制图标准绘制弹性元件图（4号图纸），机械装配图各一张（3号图纸）；

3总体方案设计

在以测量量为加速度的基础上进行传感器的设计。传感器选择应用最广泛的电阻应变式传感器。其后是放大器。放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D 转换器对输入信号电平的要求。再经后续的相敏检波、滤波的处理电路。送入显示电路。在本次的设计中，显示电路采用MC14433电路进行显示。 总体方案如下：

图1 总体方案示意图

整个系统由测量电桥，信号调理电路，显示器组成。其中信号调理电路又包括放大电

路、相敏检波电路、滤波电路。

首先利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，以模拟信号的方式输出。经过了信号调理电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，滤波，最后由显示电路显示数据。

电路设计具体流程如下： 加速度

弹性元件

显示电路

处理电路

电阻应变

应变

图2具体方案结构示意图

电桥

应变、传

感器

输出信号

放大电路

相敏检波电路

滤波电路

MC14433显示电路

4弹性元件设计

4.1弹性元件的选择

电阻应变传感器的测量弹性元件主要有等截面式和等强度式的悬臂梁，它们的结构示意图如下图所示：

图3 等截面式 图4 等强度式

等截面式弹性元件有很多优点：其结构简单，易加工，灵敏度高的特点。而等强度式弹性元件虽然作用点与应变片的无关，但其加工制造过程精度要求严格难以加工。故在本次的传感器设计当中，选用等截面式作为弹性元件。

根据传感器的弹性元件形状，材料选用40CrNiMo 结构钢。经查机械设计手册可得，材料的

抗拉强度极限为：b σ=1100 MPa ；

比例极限

p

σ=800 MPa ；

材料弹性模量E=210 GPa ；

等截面式弹性元件的作用力F 与某一位置处的应变关系可按下式计算：

2

6l F Ebh ε=

（4-1）

式中：

ε

——距自由端为0l 处的应变值；

0l ——梁的长度；

E ——梁的材料弹性模量； b ——梁的截面积宽度；

h ——梁的厚度。

4.2 尺寸设计

测量灵敏度应达到

1～3 mV/V ，设计时以此为依据计算弹性元件的相关参数，再对

弹性元件进行强度校核，直至同时满足测量灵敏度和使用强度要求。 采用恒压源全臂电桥电路，布片及电桥如图5所示：

图5 全臂电桥电路图

其中电桥工作初始阻值是R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = 350Ω 则电桥的输出表达式为：

（4-2）

即

（4-3）

o

i

U K U ε=o i U K U ε=

3

3

2101102ε--⨯==⨯

（4-5）

又根据弹性元件受力时，应变量与力的关系式可得：

3962

02

011021010 3.5106106l E m b h F ε-⨯∙⨯===⨯∙ （4-6）

根据等截面的设计要求取 05l cm = 0

1.5b cm =

0.1h cm =

因此，根据以上的尺寸可以得出弹性元件的结构与尺寸，如下图所示：

图6 弹性元件示意图

4.3弹性元件强度校核

4.3.1抗压强度校核

在过载50%的情况下进行强度的校核，由式1可得此时的最大拉应力和压应力发生在距离作用力最远的地方，即梁的根部最左端。此时有：

m a x

1.51.5100.050.75

.

M

F l N m ==⨯⨯= （4-7）

式中：M ——力矩