课程设计(论文)—应变式加速度传感器设计

一．传感器设计1、应变式加速度传感器简介能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，称为传感器，通常由敏感元件和转换元件组成。应变式加速度传感器是一种低频传感器，由弹性梁，质量块，应变片及电桥等组成，质量块在加速度作用下，产生惯性力使弹性梁变形，引起应变片阻值发生变化，通过电桥来获取信号，是车辆振动测量常用传感器。2应变式加速度传感器结构在这种传感器中,质量块支撑在弹性体上,弹性体上贴有应变片（图1）。测量时,在质量块的惯性力作用下,弹性体产生应变,应变片把应变变为电阻值的变化，最后通过测量电路输出正比于加速度的电信号。弹性体做成空心圆柱形增加传感器的固有振动频率和粘贴应变片的表面积。另一种结构形式为悬臂梁式，弹性振梁的一端固定于外壳，一端装有质量块。应变片贴在振梁固定端附近的上下表面上。振梁振动时，应变片感受应变。应变片可在测量电路中接成差动桥式电路。应变片加速度计也适用于单方向（静态）测量。用于振动测量时,最高测量频率取决于固有振动频率和阻尼比,测量频率可达3500赫。下图是传感器结构图图1传感器结构简图3应变式加速度传感器特点这种结构灵敏度高，但体积较大，实际应用中需要硅油提供大的阻尼力应变式振动传感器的主要优点是低频响应好，可以测量直流信号（如匀加速度）。4.计算设计：设计步骤根据设计指标估计如下结构参数：梁长度：L(mm):11梁宽度：b(mm):5梁厚度：h(mm):0.5质量块半径：r(mm):3质量块厚度：c(mm):4许用应力系数取：0.55；梁根部最大应变：εmax≤400(με)。基本原理：质量块M在加速度a作用下产生惯性力：aFMa梁在惯性力的作用下产生应变：26xxaLFEbh应变引起应变片阻值变化ΔR，电桥失去平衡而输出电压，通过测量电压可求得加速度。计算梁的最大挠度挠度反映梁质量块的活动空间22(mm)2BHRR0()(0.5)(mm)wRHchmax0(mm)ww如图所示，代入R=7，B=6，c=4,h=0.5,得H=6.7544e-004mm,0w=0.0021mm壳体质量：0m=壳体体积壳体材料密度质量块质量：1m=质量块体积质量块材料密度弹性梁质量：(g)梁材料密度梁体积2m硅油质量：硅油密度充油空间3m质量块等效质量：)(621kgmmM由上面给出的数据，可得1m=1.8g，2m=0.216g得M=0.0105kg。质量产生的最大惯性力：max(N)aFMa其中maxa=50g=4902/sm，所以aF=5.145N。许用应力:bT5.0=8105)N/m(2贴片处梁长(根据应变片尺寸决定):)(83mmllx贴片处的应变：26EbhLFxax=1.5929410)ε/g(静态应变灵敏度：26EbhMgLsxg=3.1857e-006)ε/g(贴片处最大应变：gSamaxmax=0.0016)ε(x梁根部应变：26EbhLFaL=2.19410)ε(0004.0)ε(,满足条件。梁端宽度校核：TaThLFb26=4.6870e-004b=5mm单臂工作时的计算公式:梁自由端静挠度：334EbhMgLwg=7.0670e-007m梁自由端最大动挠度：maxwgwamax=3.4628e-004m0w=0.0021mm无阻尼固有频率：MLEbhfn334π21=592.6741HZ有阻尼固有频率:cf21ncff=513.2708HZ291HZ,满足条件。单臂工作时的电桥输出电压：14OEUU其中：Ue为供桥电压(v)；δ为应变片电阻变化率；电桥电压灵敏度(1个g作用下的输出电压)：与静态灵敏度sg和灵敏度系数K成正比，则单臂电桥灵敏度：gEgEKsUUS4141(1)V=0.0012)v/g(,满足条件。5设计结果梁材料：1号材料（不锈钢：弹性模量E＝2.14×1011N/m2，密度385.7cmg，抗拉强度27/10100mNb）质量块材料：碳钢（弹性模量29/102mNE，密度385.7cmg）壳体材料：硬铝（弹性模量211/1072.0mNE，密度386.2cmg）阻尼材料：甲基硅油（密度395.0cmg，阻尼比5.0）应变片：硅应变片（型号A，基底尺寸245mm，硅片尺寸306.04.03mm）结构尺寸表1桥臂工作方式梁长(mm)梁宽(mm)梁厚(mm)块半径(mm)块厚(mm)总质量(g)11150.53410.5传感器性能表2根部应变(με)静态灵敏度(ε/g)阻尼比固有频率(Hz)有阻尼频率(Hz)供桥电压(v)电桥灵敏度电桥灵敏度(v/g)219.023.1857e-0060.5592.6741513.2708100.0012图2设计结果简图6传感器幅频特性计算及评价图3传感器幅频特性（2分）9mmL12Lmm6bmm0.5hmm二．信号调理器设计信号调理器是传感器的二次仪表。作用：对传感器输出的微弱信号进行放大；对传感器输出的含噪信号处理,获得所需信号；为A／D转换提供具有足够能量的电压信号。设计内容包括：电桥放大器设计；恒流电源设计；调零电路设计；标定电路设计；微积电路设计；抗混淆滤波电路设计。技术要求：输出电压±5V、±10V；放大器增益应满足A/D转换需求；具有正负应变标定功能；调零调范围满足电阻精度和温漂要求；三阶抗混叠滤波器：截止频率满足传感器频率指标。1、电桥放大器设计（1）电桥放大器电路原理：电桥放大器由电桥、供桥电源（恒流源）、调零电路、标定电路和运算放大器等组成。常用的几种基本形式：电源接地式电桥放大器；电源浮地式电桥放大器；双运放差动电桥放大器；高精度电桥放大器。考虑其性能、使用方便以及性价比等等，此设计采用的是电源接地式电桥放大器。原理图如下图4：图4电桥放大器有关计算：设工作臂：)1()1(RRRRRx由电路知：RUUIe1，RUI2，RUUIo3，fRUI5，xRUI6根据节点电流定律，有：321III，654III由此解得：xfeRRRRUU111，ffoeRRRURUU12由运放特性：UU，解得)1)(1(1fefoRRURRU当1和RRf时，近似有fefoRRURRU2（2）恒流源工作原理、设计计算、电路原理图恒流电源：输出电流正比于输入电压的电路，称之为电压—电流变换电路。若输入电压恒定，其输出到负载中的电流也恒定，与负载无关，则为恒流电源。基本的恒流源电路：输出电流为：1IIUEIRR当E和R1恒定时1I恒定，与fR无关，输出电压为供桥电压电压和桥臂电阻可求得恒定电流。（3）调零电路工作原理、设计计算、电路原理图电桥初始平衡状态输出应为零，如不为零，则应采取调零措施，否则影响测量精度。实际上电桥平衡状态输出常不为零，原因：(A)等臂电桥各桥臂电阻值不可能绝对相等；(B)各桥臂的接触电阻、导线电阻存在差异；(C)温度等环境因素对各桥臂的影响不完全一样；(D)贴片产生的误差。因此在电桥中需要设置调零电路。调零电路结构调零电阻值计算公式01,SSRRRRRR（4）标定电路工作原理、设计计算、电路原理图传感器和电桥的灵敏度，在使用过程中，由于测量环境的变化、元件的老化、测量布线的不同等因素的影响，其灵敏度会发生一定的变化，需要重新标定，因此，在其二次仪表中要求设计标定电路。标定方法：(A)采用标定电阻标定；(B)采用标定电桥标定。标定电路由具有高稳定性的精密电阻组成：电桥放大器总成：总体电路简易电桥放大器的反馈电阻值选取对于单臂工作，有：2feOfRUURRR选择1fR和2fR使0U分别为：5v和10v接地电阻：2R=1fR图5电桥放大器总成电桥放大器参数及元件值表3最高工作频率(Hz)电桥灵敏度(v/g)供桥电压(V)应变片阻值R(Ω)应变片工作电流(mA)桥臂工作方式1-4)(1fR)(2fR)(3R)(4R)(5R)(0R)(SR2910.001210100010143K82K43K5102.082M8.2K8.2K2.滤波器设计（1）.滤波器的作用：A.滤波器是使传感器输出的非带限信号变为带限信号，以满足抽样定理。B.去除信号中不关心的部分，1AoUeU2A1K2KxRKRf431KRf822KR4335104RKR2.80KRS2.81000RRRMR082.25(2).双二次函数和一阶节函数低通双二次和一阶节函数低通双二次函数：2222()ppPpKHSSaSbSSQ其中，2,pKbb为极点频率；/ppaQ，pQ为极点品质因素。低通一阶节函数：00()bHssb(3).传递函数和电路图正反馈传递函数1212211212212121()1111(1)kRRCCHssskRCRCRCRRCC其中12baRkRKb比较系数法确定元件值比较系数1212112122121212111(1)1kbRRCCkaRCRCRCbRRCC三个方程五个未知数，令：121CC解得：121212(:12,)1babaCCRkRRRRaaRb即或负反馈传递函数12122123123121()11111RRCCHsssRRRCRRCC比较系数：231211233111111bRRCCaCRRRRKR取KKb三个方程五个未知数，令：23RRR解得12221241(2)22CaCKbKRaKKRRa低通一阶节电路传递函数：11111()1RCHssRC比较系数，并取C1=1，得：101Rb(4).滤波器设计计算：三阶归一化巴氏低通滤波器传递函数为：)1)(1(1)(2ssssH0a=0.969405711a=0.969405712a=1.68974743双二次电路类型：正反馈。已知3dB截止频率为：fc=291Hz)/(48.182729114.322sradfwcc设计三阶巴特沃兹低通滤波器巴氏三阶归一化低通传递函数：解归一化：css001)(bsbsH111RC=48.1827则KCRFC6.548.1827/11.0111K=1a=48.1827将系数代入正反馈双二次电路的元件公式，得：图6有源三阶低通滤波器电路图（正反馈）滤波器参数及元件值表4滤波器类型号)(1kR)(2kR)(3kR)(4kR)μF(1C)μF(2C)μF(3C频率设计值元件标化前元件标化后截止频率Hz截止点衰减dB截止频率Hz截止点衰减dB截止频率Hz截止点衰减dB15.65.630.10.10.12913386.54032.6811409.97782.9347AoUiUAKR6.51FC1.01KR6.52KR0.33FC1.02KRb10KRa10FC1.03图7滤波器幅频曲线（2分）(5).波滤器电路仿真、设计结果评价图8滤波器仿真曲线（2分）3．积分电路设计（1）加速度、速度和位移之间的转换加速度传感器只能测量振动加速度；速度和位移通过积分电路实现：一是通过一次积分电路输出位移；一是通过二次积分电路输出速度。如果是测量振动位移，则速度和加速度分别通过一次和二次微分电路来实现。如果是测量振动速度，则一次微分为加速度，一次积分为位移。（2）RC积分电路原理：输出电压与输入电压的积分成比例：teRCeiod1要求：RCT以满足在积分时间内电容能直线放电RC积分电路的积分特性也不是固定的，由RC和T的值决定。RC积分电路的频率特性：传递函数：RCjHV11)