应变片加速度传感器

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1、第 1 页 共 11 页应变片式加速度传感器(acceleration transducer)汽车高速运行保驾系统中的应用项目经理 ：市场调研： 方案策划： 软 硬 件：采 买：质量保证：第 2 页 共 11 页1 设计名称： .22 摘要 .33 应用背景与目的： .34 设计原理： .35 设计任务及技术指标： .46 悬臂梁结构设计： .47 应变电桥的选择及设计计算 .58 电桥电路的选择设计与分析 .8第 3 页 共 11 页1 设计名称：应变片式加速度传感器2 摘要本设计通过应变片感应加速度的变化，并把应变片接到直流电桥中，通过电阻的变化引起直流电桥电压的变化，再将电桥输出的电压通

2、过逻辑电路放大输出，然后将输出的电压信号送到控制中心，从而达到对加速度进行实时监控的目的。3 应用背景与目的：将应变片式加速度传感器，应用到汽车的高速运行保驾系统当中，对汽车在高速运行时的加速度进行实时监测，如有意外状况出现，汽车将自动启动保驾系统防止汽车侧翻等功能。4 设计原理：机械振动带动传感器的质量块振动，于是他们有共同的加速度 a。然后根据公式 F=ma，把加速度的变化转为力的变化。力作用在悬臂梁上使梁横向拉长或压缩，从而带动应变片电阻进行变化。应变片受拉，电阻增大，应变片受压，电阻减小。再通过电桥把位移的变化转为电压的变化，通过电压表测出相应被放大的电压信号，当被测振动频率远低于加速

3、度计的固有频率时，力的变第 4 页 共 11 页化则会与被测加速度成正比（加速度单位为 m/s2，但在振动测量中往往用标准重力加速度 g 作单位，1g= 9.80665m/s2。 ）从而就可以得到相应的加速度。5 设计任务及技术指标：测量范围：20g； 精度：1%； 频响：0.1100HZ； 重量：不大于 150g； 电桥电压：5V。6 悬臂梁结构设计：（1）采用等强度悬臂梁结构，其图如下1惯性质量块 2应变量 3硅油阻尼液 4应变片 5温度补偿电阻6绝缘套管 7接线柱 8电缆 9压线柱 10壳体 11限位块 （2）材料选择及尺寸确定：第 5 页 共 11 页a.壳体及质量块选用碳钢，质量块取

4、 M50b.弹性元件（悬臂梁）选用铍青铜主要参数：选取 Qbe2.0 作为梁的材料。 （E=5000Mpa，P=8.26g/cm,)取d=10mmc.许用应力 （悬臂梁）最大拉应力应取:F=ma=50*20*10*10-3=10N(设 g=10N/KG)(3)设计计算：a、在最大加速度时，即 a=20g 时，有悬臂梁最大的拉。压力为 10N。强度计算及校核 A = d2/4 得:A=7.8510-6 =N/A 是否成立?如果成立，则强度足够；如果不成立，则强度不够。 =u /n 其中：n-安全系数。取 n=1.4 经计算可知满足要求b、质量块相对于基座的位移可按下列原则确定:当 a20g 时。

5、 其中 a 为被测加速度。设计步骤：根据胡克定律及变形得（L AB ）= NL/（EA AB）取原长 L=20mm,则L=（102010-3）/（50007.85）=5.09610-5M且温度的变化引起长度，直径的变化可以忽略。7 应变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：120 欧A：分析及各尺寸确定第 6 页 共 11 页R =（L）/S （2-1）其中：L-金属导线长度 S-金属导线横截面积 -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 L，横截面积则缩小，它的截面圆半径减少 r。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

6、应变效应。将变形后电导率记作 ，对式（2-1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，其电阻值改变了多少。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，我们知道导线的横截面积 S = r2,则 S = 2r*r ，所以，S/S= (2r)/r （2-4）从材料力学我们知道： r/r= - L/L (2-5）其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。 是表示材料横向效应泊松系数。把式（2-4） （2-5）代入（2-3） 。R/R= /+L/L+2L/L=(1+2( /)/(L/L)* L/L = K*L

7、/L（2-6）第 7 页 共 11 页其中： K = 1+2+(/)/(L/ L) （2-7）在材料力学中 L/L 称作为应变，记作 ，用它来表示弹性往往显得太大，常常把它的百万分之一作为单位，记作 。这样，式（-）常写作：R/R = K (2-8)式（2-8）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：电阻应变片直径取为 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。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层，如图 1，敏感栅电阻值 120 。基底：为保持敏感栅固定的

8、形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上。应变计工作时，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 0.02mm。引线：它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。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。第 8 页 共 11 页保护盖层：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，用它分别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表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。B：最大工作电流工作电流大，应变计输出的信号就大。因而灵敏度高，但过大的电流

9、会使应变计过热。使灵敏系数变化。蠕变。零漂增加，甚至烧坏应变计，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，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。8 电桥电路的选择设计与分析A：直流电桥的电压灵敏度设计分析第 9 页 共 11 页其中 R1 为应变片电阻，其阻值将会随应变片的拉伸或压缩而发生变化，应变片会随加速度的改变而发生形变，从而应变片的电阻的大小会随加速度的改变而发生变化。R2 也为应变片电阻，但其阻值之随温度改变.R3，R4 其大小 R3=R4=120.电桥输出电压： U

10、0=U(R1+R1)/(R+R1+ RR2)R3/(R3+R4),当 U0=0V 时，此时为平衡电桥，有 R1/R2=R3/R4。传感器工作时，悬臂梁的长度变化从而使其电阻应变片变化R。此时电桥为不平衡输出：设桥臂比为 n=1则得 U 0 = U*(R/2)*R由此可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变片允许功耗的限制。所以要适当的选择。电桥电压与 n 成函数。恰当的选择桥臂比 n 的值，可以得到电桥有较高的电压灵敏度。式中对函数求微分可知：当 n=1 时，R3，R4 其大小 R1=R2=R3=R4=120 , K = (R/2)*R由此式

11、可知:当电源电压及电阻的变化一定时，电桥的输出电压及电压灵敏度将与各桥臂的电阻值的大小无关。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，忽略了其它影响，是一种理想的情况。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：U 0 = U(R1+R1)/(R1+R1+R2R2)R3/(R3+R4)=U*(R/2)*R.得： K = (R/2)*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大电路，如下图所示：第 10 页 共 11 页C:传感器温度误

12、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大的误差。解决的方法：由于采用差动电桥，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，所以差动电桥不具有温度误差，他具有温度补偿能力。成本预算表格材料 单价 销售公司 用量 总计碳钢 4.02元/Kg天津鲁岳销售有限公司 1Kg 4元Qbe2.0 230元/Kg 无锡鼎井金属材料有限公司 10g 2.3元硅应变片 18元/片 威海诺金传感技术有限公司 1片 18元粘接剂 7元/Kg 上海赫特化工有限公司 2Kg 14元第 11 页 共 11 页此文只作为参考，系小组劳动成果，应用背景方面有一定程度的创新。硅油阻尼液 35元/Kg 广州帅源化工有限公司500g 17.5元电阻 0.2元/个 深圳红利丰科技有限公司 5个 1元其他 / 50元 104.8元