应变片式加速度传感器

1、传感器课程设计设计名称：应变片式加速度传感器专业班级：测控技术与仪器一班姓 名：阳水雄学 号：0703030107指导老师：余以道、杨书仪2010年6月23日一、设计名称2二、设计冃的2三、设计思路2四、设计任务及技术指标2五、悬臂梁结构设计3六、应变片电桥的选择及设计计算5A：分析及各尺寸的确定5B：最大工作电流7七、电桥电路的选择与设计分析7A:直流电桥的电压灵敏度设计分析7B:直流电桥的非线性误差及其补偿方法8C:传感器温度误差及其补偿9八、参考文献9附表:传感器设计CAD零件图10传感器设计CAD装配图10测控电路原理Proteus图11一、设计名称应变片加速度传感器二、设计目的(1)

2、 了解传感器设计的一般方法、步骤及应变片加速度传感器的结 构。(2) 掌握应变片加速度传感器的工作原理。(3) 通过自己动手设计，加深传感器的理解，以及提高自己的动手收集资料，解决问题的能力三、设计思路机械振动带动传感器的质绘块振动，并且他们有共同的加速度缶 再根据公式F=ma,把加速度的变化转为力的变化。力就作用悬臂梁 使粱横向拉长或压缩，从而带动应变片电阻的变化。一个应变片受拉, 电阻增人，另个受压，电阻减小。再通过电桥把位移的变化转为电 压的变化，通过电压放人用电压表测出相应的电压，从而就町以得到 相应的加速度。测量范围:20g精度:1%频响：0.1 100HZ； 重量:不大于100g电

3、桥电压：5V五、悬臂梁结构设计（1）采用等强度悬痔梁结构，其图如卜:（2）材料选择及尺寸确定a、壳体及质量块选用碳钢，质量块取M = 50 g b、弹性元件（悬臂梁）选用彼青铜主要参数:物理特性参数性能合金QBe2.0CuBelOCuBe7密度 g/cm at20 C8.268.758.75热膨胀系数at20-300 C1.78+10-51.76*21.75*10-5比热 CaUg- C at20 C0.10.10.1导电率IACS at20 C224838纵弹性模量LME MPa130000135000127000横弹性模屋LME MPa5000052500”9000热导率 Cal/cm s

4、ec* C at20 C0.2-0.310.40-0.620.40-0.60选取Qbe2.0作为梁的材料。有 E=5000Mpa P=&26g/cm。并取 d=10iinnc、许用应力(悬臂梁)最大的拉压力取F=ma=50x20x 1 Ox 103= 1 ON (设 g=10N/KG)(3) 设计计算原则：a、在最大加速度时，即a=20g时，有悬臂梁最人的拉。压力为10No强度计算及校核人=吆得:A=7.85xl0'6是否成立？如果成立，则强度足够；如果不成立，则强度不够。a = a/其中：11安全系数。取11=1.4经计算可知满足要求b、质量块相对于基朋的位移可按卜列原则确定

5、当贮20g时。其中a为被测加速度。设计步骤：根据胡克定律及变形得Lab = Aab 取原长 L=20mm贝仏 L=10x20xl0V5000x7.85=5.096xl0-5M且温度的变化引起长度，直径的变化可以忽略。六、应变片电桥的选择及设计计算应变片的选择：选用小型硅应变片 额定电阻:120QA：分析及各尺寸的确定=pL/（Q）（2-1）其中：L金属导线长度S金属导线横截面积p电导率（不同材 料电阻率不同）当金属导线两端受拉力F伸长变形。设其伸长AL,横截面积则 缩小，它的截面圆半径减少金属电阻丝在变形后，电阻率也会有 所改变，这种现象称为电阻应变效应。将变形后电导率记作Ap,对式（21）求

6、全微分，即求出电阻丝伸长后，其电阻值改变了多少。有;AR+3%(2-2)用式（21）去除式（2-2）得到（2-3）另外，我们知道导线的横截面积S=nr2则AS = 2加* Ar 所以;从材料力学我们知道：%吆（2-5）其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。卩是表示材料横向 效应泊松系数。把式（2-4） （2-5）代入（2-3） o%“ +吆+ 2“ 吆=（1 + 2卅）/（觀沪吆* 吆（2-6） 其中：K = 1 + 2“ + （%）/（%）（2-7 ）在材料力学中AL/L称作为应变，记作£,用它来农示弹性往往显 得太大，常常把它的百力分之一作为单位，记作皿。这样，式（2-6 ）常

7、写作：矗（2-8）式（28）说明了电阻应变片的电阻变化率和电阻丝伸长率之间 的关系。K为灵敏度系数，阻值变化通常较小。电阻应变片及其结构：E1金11电阻应变丝的结构电阻应变片百径取为0.05mm高电阻率的金属电阻丝绕成栅状， 绕成栅状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。敏感栅上而粘贴有保护用的覆盖层，如图1,放感栅 电阻值120Q o基底：为保持頌感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将 它I占I结在纸质或胶质的基底上。应变计作时，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0.02nmio引线：它起着敏感栅与测杲电路之间的过渡连接和

8、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 7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，用它分別把盖层和敏感栅固结于基底; 在使用应变计时，用它把应变计基底再粘贴在弹性体衣而的被测部 位。因此它也起着传递应变的作用。B：最大工作电流工作电流人，应变计输出的信号就人。因而灵敏度高，但过人的 电流会使应变计过热。使灵敏系数变化。墻变。寒飘增加，具至烧坏 应变计，所以根据散热，敏感栅形状尺寸，取A=25mA。测量原理：用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时, 应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发

9、生相应变化，通过转换电路 转换为电压或电流的变化。七、电桥电路的选择与设计分析A；直流电桥的电压灵敏度设计分析其中R】为应变片电阻，其阻值将会谁加速度的变化而变化。R2 也为应变片电阻，但其阻值之随温度改变。R3,R4其大小Rs=R4=120Qo 电桥输出电压：5=U0+犁仏+側+必-职）一%3+R?，出Uo=ov 时，此时为平衡电桥，有R1/R2=R3/R4o传感器工作时，悬辟梁的长 度变化从而使其电阻应变片变化AR。此时电桥为不平衡输出：设桥 臂比为n=l贝 IJ 得 U° = UAr由此町以看出电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，电桥电压越 高电桥灵敏度越高。但供电电压的提高受应

10、变片允许功耗的限制。所 以要适当的选择。电桥电压与n成换数。恰当的选择桥愕比11的值， 可以得到电桥有较髙的电压灵敏度。式中对函数求微分口J知：为n=l时R3, Ri 其人小 Ri=R2=R3=R4=120QK = %由此式可知:当电源电压及电阻的变化定时，电桥的输出电压 及电压灵敏度将与各桥件的电阻值的人小无关。B：直流电桥的非线性误差及其补偿方法由于上面的分析都是假定应变片的参数变化小，忽略了的影响，是-种理想的情况。而实际中的是不能忽略的。现采用差动电桥补偿非线性误差。在两桥臂上安装两个应变片一个受拉，一个受压，该电桥输出电压有：Uo = ugR +M +鸟-龊）-%3 + R 丿=UA/，2R 得：k=a%r所以此时电压灵敏度与呈线性关系，无线性误差同时灵敏度提高 一倍。因为传感器输出的信号微弱可采用放人电路，如卜图所示：C：传感器温度误差及其补偿温度误差产生的原因：把应变片安装在自由的悬梁臂上，即使悬 梁臂不受任何力的作用，应变计的电阻也会随着温度的变化而变化， 这种变化叠加在测量结果中将产生很人的误是。解决的方法：由于采用井动电桥，当温度变化时两个桥臂的应变 片电阻都同时随温度的变化而变化，所以井动电桥不具有温度误并， 他貝有温度补偿能力。八、参考文献1、