《《传感器应用技术》课程设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《传感器应用技术》课程设计（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、ZIBO VOCATIONAL INSTITUTE传感器应用技术课程设计题目 压电式力传感器的结构与应用姓名_学号_院（系）电子电气工程学院班级P10电信二班指导教师职称教授二O二年七月一日摘要此次压电式力传感器设计主要阐述了压电式力传感器的具体设计过程。设计过程主要包括设计格式、设计要求及设计过程中有关压电式力传 感器的设计，还有在整个设计过程中的有关计算、与传感器相连的测试电 路。本压电式传感器采用压缩型单项里传感器结构，利用纵向压电效应进 行工作，在设计中压电材料采用石英晶体。由于安装中需施加预紧力，以 保证该传感器的线性度良好，故留出一定的过载量，本设计中重点考虑了 各部分的面积、刚度
2、等参数，未讨论预紧力的选用范围，可能还存在一些 其他因素，如安装误差等可以影响设计传感器的性能，属于正常范围内， 使用中可忽略。目录摘要1第一章传感器的结构设计2第二章传感器的参数计算3第三章测量电路6总结 7参考文献8第一章传感器的结构设计传感器的结构如下图图一1、顶盖2、敏感元件3、导电片4、基座5、外壁6、预紧螺钉该传感器由顶盖、敏感元件、导电片、基座、外壁、预紧螺钉和输出插座组成。通过预紧螺钉加预紧力，将顶盖、基座和外壁焊接为一体，输出插座可与 同轴低噪声电缆连接。第二章传感器的参数计算1、压电晶体（石英）的几何尺寸F 石英片在机械强度上必须满足公式 S-5式中：s为石英晶片的受力面积
3、F为传感器待测力的最大力5为石英晶体的许用应力，为17.5 kg/mm2本设计中传感器的额定负载为400 kg，由于包括预紧力，并留出一定的过载量，取最大负载量为700 kg，因而S 40 mm2。设计中取晶片的长为10 mm，宽为6 mm，受力面积60 mm2。2、石英片的晶片电容值cT0 d这里取每片石英片的厚度为1.2mm，石英的e r =4.5,每片石英片的电容C =1.99 pF0为了提高传感器的灵敏度，取两片石英片并联方式，所以总的电容大小为3.98 pF。3、传感器刚度参数计算设在外力F的作用下，传感器的变形为5 ，xF = (k + k )512 x式中:k为敏感部分的组合刚1
4、1轴助邯讪）图二k为辅助部分组合刚度2k在晶片数一定时，决定了传感器的精度，因此，在结构设计中应确保k + k1 2k-1尽可能大。k + -12根据公式K = ESL式中：E:弹性模量S:受力面积L:受力方向厚度石英片的弹性模量为80 GPa，受力面积为60 mm2，厚度为2.4 mm，它的刚度-=2.00 x 10 6 N mmq导电片（银片）的弹性模量为71 GPa，受力面积为60 mm2，厚度为0.1mm，它的刚度-=4.26x 107 N mmd顶盖（铝合金）的弹性模量70 GPa，受力面积为80 mm2，厚度为1.0 mm，它的刚度为-=5.60x 106 Nmmt基座（钛合金）的
5、弹性模量为120.2 GPa，受力面积为70 mm2，厚度21mm，它的刚度-b =4.01 x 105 N mm预紧螺钉（钢质）的弹性模量为20.5 GPa，受力面积35 mm2，厚度为12mm，它的刚度-=5.98x 104 N mms根据公式K二 Eh3a 2（1卩 2）式中：E:弹性模量h:厚度a:直径卩：材料的泊松系数顶盖的直径为 12.1 mm ，卩=0.33,所以顶盖的弹性部分刚度k =5.37 x 102 N mmt外壁的受力面积为7 mm，弹性模量21 GPa ，受力方向厚度为39mm，它 的刚度k =3.77x 103 N mmb敏感部分组合刚度k相当于顶盖，导电片，石英片
6、，基座串联的刚度，即11k =3.13 x 105 N mm11111+ + + -k k k ktqbd辅助部分刚度k为顶盖弹性部分的抗弯刚度k与基座外壁的刚度k 串联,2tb再与预紧螺钉刚度k并联:sk kk 二一t+ k =6.03 x 104 N mm 2 k + kk = k + k =3.73x 105 N mmt传感器的总刚度为k与k的并联124、传感器的灵敏度k .s = n 1 d q k + k 1112式中：n为晶体片的数目d ii=2.31 pCN5、传感器的谐振频率=3.88 pC；N式中：m为传感器的顶盖质量m二 pv = (2.7x 10-3 x80x 1)g=2
7、.16x 10 -2 kg所以 f=20.91 kHz第三章测量电路测量电路如下图所示图三压电传感器用高保真高阻抗放大器(0PA604)借以实现将非电量变为电信号，这类传感器等效的信号源具有内阻极 高且信号很微弱的特点，因而也必须配接高输入阻抗的放大电路，而 且放大电路还必须具有精确放大微弱信号的能力。如图给出了高保真 运放OPA604构成的放大电路。该电路采用同相输入方式后可有效地 提高放大器的输入阻抗，为了防止交流干扰，压电信号采用屏蔽线输 入，该电路的电压放大倍数为:。A二V /V =(1 + RJR)OPA604的主要参数：忙占土 15V+ Tx = Z5C条件UPA604AP. AV
8、堆小典型输人馆址电茨VchOV50PA建模输人限抗0叨Ea共模输人阻抗10%10a共穩电压范曙1213V共模抑制比Vcm= 12V801.00an开环差範憎益Jtj .?kn v)iov80100dB增莅带宽G=ioo20MHz出电压Al- &00rt1112V输出电厦VO12V土 35mA开环辅出电霊25CiVO= 12V40mA常规电瀝电压15V电源电压能围土 4”524V电源电滝5. 3土右mA注：OPA604AP为E脚DIP封装.OPAA04AV为脚SO-E封装表面安装貼片式）总结此次课程设计说明书是按照传感器原理与应用压电式传感器的设计要求设 计的，并经过了严的科学运算，充分的考虑到
9、了各环节中可能出现的问题，参考 了有关书籍。本设计中对于传感器精度的确定和传感器各部分所用材料进行了相对缜密 的计算。但是毕竟理论与实际不能够完全一致，本设计仅是理论部分，并没有应 用于实际，所以还可能存在大量的问题，希望参与者能够提出改进的意见来进一 步完善此次设计，并在实际中将其改正。在这次的设计中真的学到了很多的知识，它们是教科书中没有的，通过查阅 资料以及上网手机与压电式传感器有关的内容，并把它们进一步理解，这是我的 收获，我想这些知识在以后的学习中会发挥一定的作用。在这次压电式力传感器 的设计中得到了指导老师的细心指导以及同学的支持和帮助，在此表示衷心的感 谢。参考文献1、张洪润等编，传感器技术大全 北京航空航天大学出版社，20072、谭福年编，常用传感器应用电路 电子科技大学出版社，19963、单成祥编，传感器的理论设计基础及其应用 国防工业出版社，19994、刘迎春，叶湘滨。传感器原理设计与应用。国防科技大学出版社19975、赵继文、何玉彬编，传感器与应用电路设计 科技出版社，2002
