压电式力传感器的课程设计.doc

? 课程设计 ? ? ? 课程名称 压电式力传感器的设计 分校名称 马鞍山电视（网络）大学 年级名称 09秋机械(本科) 专业名称 机械制造及其自动化 学生姓名 指导教师 ? 2011 年 10月 30日 设计任务书 一、题目：压电式力传感器的设计 二、设计要求： 1.小型低频的单向力传感器 2.最大测力为 400千克 3.压电材料采用石英晶体 三、设计成果要求： 1.设计说明书一份 2.设计参数合理，设计步骤完整。结果标准，论述充分，思路清楚，有条理，给出相应的参考文献。 设计摘要 此次压电式力传感器设计说明书是按照长春理工大学材料科学与工程学院2010年教学计划的要求设计编写的，其中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 引言 ..............................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 引言 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛 式中：为敏感部分的组合刚度 为辅助部分组合刚度 图二 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尽可能大。 根据公式 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 ，受力面积为60 ，厚度为2.4 ，它的刚 度=2.00 导电片（银片）的弹性模量为71 ，受力面积为60 ，厚度为0.1 ，它的刚度=4.26 顶盖（铝合金）的弹性模量70 ，受力面积为80 ，厚度为1.0 ，它的刚度为=5.60 基座（钛合金）的弹性模量为120.2 ，受力面积为70 ，厚度21 ，它的刚度=4.01 预紧螺钉（钢质）的弹性模量为20.5 ，受力面积35 ，厚度为12 ，它的刚度=5.98 根据公式 式中： E:弹性模量 h:厚度 a:直径 ：材料的泊松系数 顶盖的直径为12.1，=0.33，所以顶盖的弹性部分刚度=5.37 外壁的受力面积为7 ，弹性模量21 ，受力方向厚度为39，它的刚度=3.77 敏感部分组合刚度相当于顶盖，导电片，石英片，基座串联的刚度，即 =3.13 辅助部分刚度为顶盖弹性部分的抗弯刚度与基座外壁的刚度串联，再与预紧螺钉刚度并联： =6.03 传感器的总刚度为与的并联 =3.73 4、传感器的灵敏度 式中: n为晶体片的数目 =2.31 =3.88 5、传感器的谐振频率 式中：m为传感器的顶盖质量 =（2.7801）g=2.16 所以f=20.91 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(OPA604) 在自控系统或一些检测系统中，常应用压电器件作为传感器，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