壓電式力傳感器的設(shè)計(jì)

1、機(jī)械工程測試課程設(shè)計(jì)學(xué)院：xxxxxx專業(yè)班級：xxxxxx學(xué)號：xxxxxx姓名：xxx力的測量課程設(shè)計(jì)目 錄 設(shè)計(jì)摘要 .1 引言 .1第一章 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).2第二章 傳感器的參數(shù)計(jì)算.3第三章 測量電路.5總結(jié) .6參考文獻(xiàn).6設(shè)計(jì)摘要設(shè)計(jì)過程主要包括設(shè)計(jì)格式、設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)過程中有關(guān)壓電式力傳感器的設(shè)計(jì)，還有在整個設(shè)計(jì)過程中的有關(guān)計(jì)算、與傳感器相連的測試電路。本壓電式傳感器采用壓縮型單項(xiàng)里傳感器結(jié)構(gòu)，利用縱向壓電效應(yīng)進(jìn)行工作，在設(shè)計(jì)中壓電材料采用石英晶體。由于安裝中需施加預(yù)緊力，以保證該傳感器的線性度良好，故留出一定的過載量，本設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮了各部分的面積、剛度等參數(shù)，未討論預(yù)緊力

2、的選用范圍，可能還存在一些其他因素，如安裝誤差等可以影響設(shè)計(jì)傳感器的性能，屬于正常范圍內(nèi)，使用中可忽略。引言 壓電式力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)，在工業(yè)中有著不可少的作用。壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因?yàn)闇y量動態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。傳感器原理與應(yīng)用作為一門課程，我們在認(rèn)真學(xué)好理論課程的同時，還要與實(shí)際結(jié)合起來，只有這樣才能對壓電式傳感器的使用有更好的理解。 通過對

3、傳感器的設(shè)計(jì)來加深對理論課程的理解，這是王偉老師要求我們進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的目的。做到理論聯(lián)系實(shí)際，從而學(xué)會正確分析傳感器使用過程中出現(xiàn)的問題，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而用來來指導(dǎo)實(shí)踐，這樣我們才能將學(xué)好的知識得到很好 的應(yīng)用。也為我們?nèi)蘸笤僭擃I(lǐng)域的進(jìn)一步研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第一章 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳感器的結(jié)構(gòu)如下圖 圖一1、頂蓋2、敏感元件3、導(dǎo)電片4、基座5、外壁6、預(yù)緊螺釘 該傳感器由頂蓋、敏感元件、導(dǎo)電片、基座、外壁、預(yù)緊螺釘和輸出插座組成。通過預(yù)緊螺釘加預(yù)緊力，將頂蓋、基座和外壁焊接為一體，輸出插座可與同軸低噪聲電纜連接。第二章 傳感器的參數(shù)計(jì)算1、壓電晶體（石英）的幾何尺寸石英片在機(jī)械強(qiáng)度上必須

4、滿足公式 式中： S為石英晶片的受力面積 F 為傳感器待測力的最大力 為石英晶體的許用應(yīng)力，為17.5 本設(shè)計(jì)中傳感器的額定負(fù)載為1000 ，由于包括預(yù)緊力，并留出一定的過載量，取最大負(fù)載量為7000 ，因而S 40 。設(shè)計(jì)中取晶片的長為10 ，寬為6 ，受力面積60 。2、石英片的晶片電容值 這里取每片石英片的厚度為1.2，石英的=4.5，每片石英片的電容=1.99 為了提高傳感器的靈敏度，取兩片石英片并聯(lián)方式，所以總的電容大小為3.98。3、傳感器剛度參數(shù)計(jì)算 設(shè)在外力F的作用下，傳感器的變形為， 式中：為敏感部分的組合剛度 為輔助部分組合剛度 圖二在晶片數(shù)一定時，決定了傳感器的精度，因此

5、，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)確保盡可能大。根據(jù)公式 式中：E:彈性模量 S:受力面積 L:受力方向厚度石英片的彈性模量為80 ，受力面積為60 ，厚度為2.4 ，它的剛度=2.00導(dǎo)電片（銀片）的彈性模量為71 ，受力面積為60 ，厚度為0.1 ，它的剛度=4.26 頂蓋（鋁合金）的彈性模量70 ，受力面積為80 ，厚度為1.0 ，它的剛度為=5.60 基座（鈦合金）的彈性模量為120.2 ，受力面積為70 ，厚度21 ，它的剛度=4.01 預(yù)緊螺釘（鋼質(zhì)）的彈性模量為20.5 ，受力面積35 ，厚度為12 ，它的剛度=5.98 根據(jù)公式 式中： E:彈性模量 h:厚度 a:直徑 ：材料的泊松系數(shù)頂蓋的直

6、徑為12.1，=0.33，所以頂蓋的彈性部分剛度=5.37外壁的受力面積為7 ，彈性模量21 ，受力方向厚度為39，它的剛度=3.77敏感部分組合剛度相當(dāng)于頂蓋，導(dǎo)電片，石英片，基座串聯(lián)的剛度，即=3.13輔助部分剛度為頂蓋彈性部分的抗彎剛度與基座外壁的剛度串聯(lián)，再與預(yù)緊螺釘剛度并聯(lián)： =6.03傳感器的總剛度為與的并聯(lián) =3.734、傳感器的靈敏度式中: n為晶體片的數(shù)目 =2.31 =3.88 5、傳感器的諧振頻率 式中：m為傳感器的頂蓋質(zhì)量 =（2.7801）g=2.16 所以f=20.91第三章 測量電路測量電路如下圖所示 圖三 壓電傳感器用高保真高阻抗放大器(OPA604)輸出信號輸

7、入信號 在自控系統(tǒng)或一些檢測系統(tǒng)中，常應(yīng)用壓電器件作為傳感器，借以實(shí)現(xiàn)將非電量變?yōu)殡娦盘?，這類傳感器等效的信號源具有內(nèi)阻極高且信號很微弱的特點(diǎn)，因而也必須配接高輸入阻抗的放大電路，而且放大電路還必須具有精確放大微弱信號的能力。如圖給出了高保真運(yùn)放OPA604構(gòu)成的放大電路。該電路采用同相輸入方式后可有效地提高放大器的輸入阻抗，為了防止交流干擾，壓電信號采用屏蔽線輸入，該電路的電壓放大倍數(shù)為：。OPA604的主要參數(shù):總結(jié)此次課程設(shè)計(jì)說明書是按照傳感器原理與應(yīng)用壓電式傳感器的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的，并經(jīng)過了嚴(yán)格的科學(xué)運(yùn)算，充分的考慮到了各環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的問題，參考了有關(guān)書籍。 本設(shè)計(jì)中對于傳感器精度的確定和傳感器各部分所用材料進(jìn)行了相對縝密的計(jì)算。但是畢竟理論與實(shí)際不能夠完全一致，本設(shè)計(jì)僅是理論部分，并沒有應(yīng)用于實(shí)際，所以還可能存在大量的問題，希望王偉老師能夠理解和體諒。 在這次的設(shè)計(jì)中真的學(xué)到了很多的知識，它們是教科書中沒有的，通過查閱資料以及上網(wǎng)手機(jī)與壓電式傳感器有關(guān)的內(nèi)容，并把它們進(jìn)一步理解，這是我的收獲，我想這些知識在以后的學(xué)習(xí)中會發(fā)揮一定的作用。參考文獻(xiàn)1、張洪潤等編，傳感器技術(shù)大全 北京航空航天大學(xué)出版社，20072、譚福年編，常用傳感器