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1、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：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8v 1设计名称：应变片式加速度传感器v 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。v 3应用背景与目
2、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。v 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度计的固有频率时，力的变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
3、速度g作单位，1g= 9.80665m/s2。）从而就可以得到相应的加速度。v 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。v 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：a.壳体及质量块选用碳钢，质量块取 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
4、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。 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）/（5
5、0007.85）=5.09610-5M 且温度的变化引起长度，直径的变化可以忽略。 v 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 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）
6、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/L（2-6）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
7、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
8、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。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
9、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。v 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 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： U0=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
10、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
11、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： C:传感器温度误差及其补偿 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Qbe2.0230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。第 11 页 共 11 页
