應(yīng)變片加速度傳感器.doc

應(yīng)變片式加速度傳感器(acceleration transducer)汽車高速運(yùn)行保駕系統(tǒng)中的應(yīng)用 項(xiàng)目經(jīng)理 ： 市場(chǎng)調(diào)研： 方案策劃： 軟 硬 件： 采 買： 質(zhì)量保證：1設(shè)計(jì)名稱：22摘要33應(yīng)用背景與目的：34設(shè)計(jì)原理：35設(shè)計(jì)任務(wù)及技術(shù)指標(biāo)：46懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：47應(yīng)變電橋的選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算58電橋電路的選擇設(shè)計(jì)與分析8v 1設(shè)計(jì)名稱：應(yīng)變片式加速度傳感器v 2摘要本設(shè)計(jì)通過應(yīng)變片感應(yīng)加速度的變化，并把應(yīng)變片接到直流電橋中，通過電阻的變化引起直流電橋電壓的變化，再將電橋輸出的電壓通過邏輯電路放大輸出，然后將輸出的電壓信號(hào)送到控制中心，從而達(dá)到對(duì)加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。v 3應(yīng)用背景與目的：將應(yīng)變片式加速度傳感器，應(yīng)用到汽車的高速運(yùn)行保駕系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)汽車在高速運(yùn)行時(shí)的加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如有意外狀況出現(xiàn)，汽車將自動(dòng)啟動(dòng)保駕系統(tǒng)防止汽車側(cè)翻等功能。v 4設(shè)計(jì)原理： 機(jī)械振動(dòng)帶動(dòng)傳感器的質(zhì)量塊振動(dòng)，于是他們有共同的加速度 a。然后根據(jù)公式 F=ma，把加速度的變化轉(zhuǎn)為力的變化。力作用在懸臂梁上使梁橫向拉長(zhǎng)或壓縮，從而帶動(dòng)應(yīng)變片電阻進(jìn)行變化。應(yīng)變片受拉，電阻增大，應(yīng)變片受壓，電阻減小。再通過電橋把位移的變化轉(zhuǎn)為電壓的變化，通過電壓表測(cè)出相應(yīng)被放大的電壓信號(hào)，當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，力的變化則會(huì)與被測(cè)加速度成正比（加速度單位為m/s2，但在振動(dòng)測(cè)量中往往用標(biāo)準(zhǔn)重力加速度g作單位，1g= 9.80665m/s2。）從而就可以得到相應(yīng)的加速度。v 5設(shè)計(jì)任務(wù)及技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量范圍：20g； 精度：1%； 頻響：0.1100HZ； 重量：不大于 150g； 電橋電壓：5V。v 6懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： （1）采用等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)，其圖如下 1慣性質(zhì)量塊 2應(yīng)變量 3硅油阻尼液 4應(yīng)變片 5溫度補(bǔ)償電阻6絕緣套管 7接線柱 8電纜 9壓線柱 10殼體 11限位塊 （2） 材料選擇及尺寸確定：a.殼體及質(zhì)量塊選用碳鋼，質(zhì)量塊取 M50b.彈性元件（懸臂梁）選用鈹青銅主要參數(shù)：選取Qbe2.0作為梁的材料。（E=5000Mpa，P=8.26g/cm,)取d=10mmc.許用應(yīng)力 （懸臂梁）最大拉應(yīng)力應(yīng)取: F=ma=50*20*10*10-3=10N(設(shè)g=10N/KG)(3)設(shè)計(jì)計(jì)算：a、在最大加速度時(shí)，即 a=20g 時(shí)，有懸臂梁最大的拉。壓力為10N。 強(qiáng)度計(jì)算及校核 A = d2/4 得:A=7.8510-6 =N/A 是否成立? 如果成立，則強(qiáng)度足夠；如果不成立，則強(qiáng)度不夠。 =u /n 其中：n-安全系數(shù)。取 n=1.4經(jīng)計(jì)算可知滿足要求b、質(zhì)量塊相對(duì)于基座的位移可按下列原則確定: 當(dāng) a20g 時(shí)。 其中 a 為被測(cè)加速度。 設(shè)計(jì)步驟：根據(jù)胡克定律及變形得（L AB ）= NL/（EA AB） 取原長(zhǎng) L=20mm,則L=（102010-3）/（50007.85）=5.09610-5M 且溫度的變化引起長(zhǎng)度，直徑的變化可以忽略。 v 7應(yīng)變電橋的選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)變片的選擇：選用小型硅應(yīng)變片額定電阻：120歐A：分析及各尺寸確定 R =（L）/S （2-1） 其中：L-金屬導(dǎo)線長(zhǎng)度 S-金屬導(dǎo)線橫截面積 -電導(dǎo)率（不同材料電阻率不同） 當(dāng)金屬導(dǎo)線兩端受拉力 F 伸長(zhǎng)變形。設(shè)其伸長(zhǎng)L，橫截面積則縮小，它的截面圓半徑減少r。金屬電阻絲在變形后，電阻率也會(huì)有所改變，這種現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。 將變形后電導(dǎo)率記作，對(duì)式（2-1）求全微分，即求出電阻絲伸長(zhǎng)后，其電阻值改變了多少。有， R = (L)/s+ (L)/s -(SL)/S2 （2-2） 用式（2-1）去除式（2-2）得到 R/R= L/L- S/S + / （2-3） 另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積 S = r2,則 S = 2r*r ，所以， S/S= (2r)/r （2-4） 從材料力學(xué)我們知道： r/r= - L/L (2-5） 其中，負(fù)號(hào)表示伸長(zhǎng)時(shí)，半徑方向是縮小的。是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式（2-4）（2-5）代入（2-3）。R/R= /+L/L+2L/L=(1+2(/)/(L/L)*L/L = K*L/L（2-6）其中： K = 1+2+(/)/(L/ L) （2-7） 在材料力學(xué)中L/L 稱作為應(yīng)變，記作，用它來(lái)表示彈性往往顯得太大，常常把它的百萬(wàn)分之一作為單位，記作。這樣，式（-）常寫作：R/R = K (2-8) 式（2-8）說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率和電阻絲伸長(zhǎng)率之間的關(guān)系。K 為靈敏度系數(shù)，阻值變化通常較小。電阻應(yīng)變片及其結(jié)構(gòu)： 電阻應(yīng)變片直徑取為 0.05mm 高電阻率的金屬電阻絲繞成柵狀，繞成柵狀是為了獲得高的阻值，將其粘貼在絕緣的基體上，電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護(hù)用的覆蓋層，如圖 1，敏感柵電阻值 120 。 基底：為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，通常用粘結(jié)劑將它固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基底上。應(yīng)變計(jì)工作時(shí)，基底起著把彈性體應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞給敏感柵的作用。為此，基底必須很薄，取 0.02mm。 引線：它起著敏感柵與測(cè)量電路之間的過渡連接和引導(dǎo)作用。通常取直徑約 0.1mm 的低阻鍍錫銅線，并用釬焊與敏感柵端連接。保護(hù)蓋層：用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的保護(hù)層；起著防潮、防蝕、防損等作用。 粘結(jié)劑：在制造應(yīng)變計(jì)時(shí)，用它分別把蓋層和敏感柵固結(jié)于基底；在使用應(yīng)變計(jì)時(shí)，用它把應(yīng)變計(jì)基底再粘貼在彈性體表面的被測(cè)部位。因此它也起著傳遞應(yīng)變的作用。B：最大工作電流 工作電流大，應(yīng)變計(jì)輸出的信號(hào)就大。因而靈敏度高，但過大的電流會(huì)使應(yīng)變計(jì)過熱。使靈敏系數(shù)變化。蠕變。零漂增加，甚至燒壞應(yīng)變計(jì)，所以根據(jù)散熱，敏感柵形狀尺寸，取 A=25mA。測(cè)量原理： 用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，將其粘貼在彈性體上。當(dāng)彈性體受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。v 8電橋電路的選擇設(shè)計(jì)與分析A：直流電橋的電壓靈敏度設(shè)計(jì)分析 其中 R1 為應(yīng)變片電阻，其阻值將會(huì)隨應(yīng)變片的拉伸或壓縮而發(fā)生變化，應(yīng)變片會(huì)隨加速度的改變而發(fā)生形變，從而應(yīng)變片的電阻的大小會(huì)隨加速度的改變而發(fā)生變化。R2也為應(yīng)變片電阻，但其阻值之隨溫度改變.R3，R4 其大小R3=R4=120.電橋輸出電壓： U0=U(R1+R1)/(R+R1+ RR2)R3/(R3+R4),當(dāng)U0=0V時(shí)，此時(shí)為平衡電橋，有 R1/R2=R3/R4。傳感器工作時(shí)，懸臂梁的長(zhǎng)度變化從而使其電阻應(yīng)變片變化R。此時(shí)電橋?yàn)椴黄胶廨敵觯涸O(shè)橋臂比為 n=1則得 U 0 = U*(R/2)*R由此可以看出電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，電橋電壓越高電橋靈敏度越高。但供電電壓的提高受應(yīng)變片允許功耗的限制。所以要適當(dāng)?shù)倪x擇。電橋電壓與 n 成函數(shù)。恰當(dāng)?shù)倪x擇橋臂比 n 的值，可以得到電橋有較高的電壓靈敏度。式中對(duì)函數(shù)求微分可知：當(dāng) n=1 時(shí)，R3，R4 其大小 R1=R2=R3=R4=120 , K = (R/2)*R 由此式可知:當(dāng)電源電壓及電阻的變化一定時(shí)，電橋的輸出電壓及電壓靈敏度將與各橋臂的電阻值的大小無(wú)關(guān)。B：直流電橋的非線性誤差及其補(bǔ)償方法 由于上面的分析都是假定應(yīng)變片的參數(shù)變化小，忽略了其它影響，是一種理想的情況。而實(shí)際中的是不能忽略的。現(xiàn)采用差動(dòng)電橋補(bǔ)償非線性誤差。在兩橋臂上安裝兩個(gè)應(yīng)變片一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，該電橋輸出電壓有：U 0 = U(R1+R1)/(R1+R1+R2R2)R3/(R3+R4)=U*(R/2)*R.得： K = (R/2)*R 所以此時(shí)電壓靈敏度與呈線性關(guān)系，無(wú)線性誤差同時(shí)靈敏度提高一倍。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅男盘?hào)微弱可采用放大電路，如下圖所示： C:傳感器溫度誤差及其補(bǔ)償 溫度誤差產(chǎn)生的原因：把應(yīng)變片安裝在自由的懸梁臂上，即使懸梁臂不受任何力的作用，應(yīng)變計(jì)的電阻也會(huì)隨著溫度的變化而變化，這種變化疊加在測(cè)量結(jié)果中將產(chǎn)生很大的誤差。 解決的方法：由于采用差動(dòng)電橋，當(dāng)溫度變化時(shí)兩個(gè)橋臂的應(yīng)變片電阻都同時(shí)隨溫度的變化而變化，所以差動(dòng)電橋不具有溫度誤差，他具有溫度補(bǔ)償能力。成本預(yù)算表格材料單價(jià)銷售公司用量總計(jì)碳鋼4.02元/Kg天津魯岳銷售有限公司1Kg 4元Qbe2.0230元/Kg無(wú)錫鼎