傳感器課程設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)、題目：壓電式力傳感器的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)要求：1. 小型低頻的單向力傳感器2. 最大測(cè)力為400千克3. 壓電材料采用石英晶體三、設(shè)計(jì)成果要求：1. 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份2. 設(shè)計(jì)參數(shù)合理,設(shè)計(jì)步驟完整.結(jié)果標(biāo)準(zhǔn),論述充分,思路活楚,有條理, 給出相應(yīng)的參考文獻(xiàn).設(shè)計(jì)摘要此次壓電式力傳感器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)是根據(jù)長(zhǎng)春理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2021年教學(xué)方案的要求設(shè)計(jì)編寫(xiě)的,其中主要闡述了壓電式力傳感器 的具體設(shè)計(jì)過(guò)程.設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括設(shè)計(jì)格式、設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)過(guò)程中有關(guān)壓電式力傳感 器的設(shè)計(jì),還有在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的有關(guān)計(jì)算、與傳感器相連的測(cè)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

2、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(guò)載量,本設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮了各局部 的面積、剛度等參數(shù),未討論預(yù)緊力的選用范圍,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,屆于正常范圍內(nèi),使用中可忽略.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(cè)量電路6總結(jié)7參考文獻(xiàn)8壓力傳感器是工業(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

3、應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中, 比方說(shuō)心室導(dǎo)管式微音器就是由壓 電傳感器制成的,由于測(cè)量動(dòng)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?cè)谡J(rèn)真學(xué)好理論課程的同時(shí), 還要與 實(shí)際結(jié)合起來(lái),只有這樣才能對(duì)壓電式傳感器的使用有更好的理解.通過(guò)對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)來(lái)加深對(duì)理論課程的理解,這是學(xué)院要求我們進(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(huì)正確分析傳感器使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn) 題,不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),進(jìn)而用來(lái)來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐,這樣我們才能將學(xué)好的知識(shí)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)的根底.第一早傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳感器的結(jié)構(gòu)如以下圖圖一1、頂蓋2、敏感元件3

4、、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(guò)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)度上必須滿足公式S _ -5式中：S為石英晶片的受力面積F為傳感器待測(cè)力的最大力5為石英晶體的許用應(yīng)力,為17.5 kg / mm2本設(shè)計(jì)中傳感器的額定負(fù)載為400 kg,由丁包括預(yù)緊力,并留出一定的過(guò) 載量,取最大負(fù)載量為700 kg ,因而S 40 mm2.設(shè)計(jì)中取晶片的長(zhǎng)為10 mm,寬為6 mm,受力面積60 mm2.2、石英片的晶

5、片電容值C；0 rSC0 -,d這里取每片石英片的厚度為1.2 mm ,石英的氣=4.5 ,每片石英片的電容C0=1.99 pF為了提升傳感器的靈敏度,取兩片石英片并聯(lián)方式,所以總的電容大小為 3.98 pF.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：x , F=(& k2)、x式中：k為敏感局部的組合剛度k2為輔助局部組合剛度在晶片數(shù)一定時(shí),k1決定了傳感器的精度,因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)保證 k1k1 k2k1 k2盡可能大ES根據(jù)公式K =一L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 GPa,受力面積為60 mm2 ,厚度為2.4 mm,它的剛度

6、 kq =2.00 106 N mm導(dǎo)電片銀片的彈性模量為71 GPa ,受力面積為60 mm2 ,厚度為0.1 mm,它的剛度 kd =4.26 107 N. mm頂蓋鋁合金的彈性模量70 GPa,受力面積為80 mm2,厚度為1.0 mm,它的剛度為kt=5.60 106 N mm基座鈦合金的彈性模量為120.2 GPa ,受力面積為70 mm2 ,厚度21 mm ,它的剛度 kb =4.01 105 N.mm預(yù)緊螺釘鋼質(zhì)的彈性模量為20.5 GPa,受力面積35 mm2,厚度為12 mm,它的剛度 ks=5.98 104 N. mm根據(jù)公式K =Eh3a21-2式中：E:彈性模量h:厚度

7、a:直徑卜：材料的泊松系數(shù)頂蓋的直徑為12.1mm ,=0.33,所以頂蓋的彈性局部剛度kt=5.37 乂 102 N/mm外壁的受力面積為7 mm,彈性模量21 GPa ,受力方向厚度為39mm ,它的剛 度 kb =3.77 103 N. mm敏感局部組合剛度kl相當(dāng)丁頂蓋,導(dǎo)電片,石英片,基座申聯(lián)的剛度,即ki5 _ _,=3.13 10 N mm1111+ + +ktkqkbkd輔助局部剛度k2為頂蓋彈性局部的抗彎剛度kt與基座外壁的剛度虹申聯(lián),再與預(yù)緊螺釘剛度ks并聯(lián):=ks =6.03104 N mmkt燈傳感器的總剛度為ki與k2的并聯(lián)k = k1 k2 =3.73 105 N

8、mm4、傳感器的靈敏度ki& = nd11k1k2式中：n為晶體片的數(shù)目61=2.31 pC. N導(dǎo)=3.88 pC N5、傳感器的諧振頻率式中:m為傳感器的頂蓋質(zhì)量m=K=(2.7 10室 80 1) g=2.16 10 kg所以 f=20.91 kHz第三章測(cè)量電路測(cè)量電路如以下圖所示圖三壓電傳感器用高保真高阻抗放大器(OPA604)10010kC . A+15V在自控系統(tǒng)或一些檢測(cè)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?hào),這類傳感器等效的信號(hào)源具有內(nèi)阻極高且信號(hào)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(hào)的水平.如圖給

9、出了高保真運(yùn)放 OPA60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升放大器的輸入阻抗,為了預(yù)防交流干擾,壓電信號(hào)采用 屏蔽線輸入,該電路的電壓放大倍數(shù)為：.Av=V/Vj = (I+R&fRi)OPA604勺主要參數(shù)：參數(shù)條件OPA604AP. AV.單位最小典型最大輸入偏置電流VcmOVSOpA差模輸入阻抗1亦8n共模輸入阻抗I0ir10a共模屯壓范圍1213V片模抑制比Vcm=12V8.100du開(kāi)環(huán)基模增益J?L2kfl VoilOVgo100dB增益帶寬gioo20MHz輸出電壓1112V輸出電流Vo=l2V35mA開(kāi)環(huán)輸出電阻25i短路電流Vo=2V40mA常規(guī)電面電壓1

10、5V電源電壓范圍 4. 524V電源電淹5. 36mA注：OPA604AP為8腳D【P封裝.OPA604AV為8腳SO4封裝外表安裝聒片式)n總結(jié)此次課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)是根據(jù)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(guò)了嚴(yán)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(wèn)題, 參考 了有關(guān)書(shū)籍.本設(shè)計(jì)中對(duì)于傳感器精度確實(shí)定和傳感器各局部所用材料進(jìn)行了相對(duì)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)僅是理論局部,并沒(méi)有應(yīng) 用于實(shí)際,所以還可能存在大量的問(wèn)題,希望參與者能夠提出改進(jìn)的意見(jiàn)來(lái)進(jìn)一 步完善此次設(shè)計(jì),并在實(shí)際中將其改正.在這次的設(shè)計(jì)中真的學(xué)到了很多的知識(shí), 它們是教科書(shū)中沒(méi)有的,通過(guò)查閱 資料以及上網(wǎng) 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(shí)在以后的學(xué)習(xí)中會(huì)發(fā)揮一定的作用. 在這次壓電式力傳感器 的設(shè)計(jì)中得到了指導(dǎo)老師的細(xì)心指導(dǎo)以及同學(xué)的支持和幫助, 在此表示衷心的感 謝.參考文獻(xiàn)1、張洪潤(rùn)等編,?傳感