应变片式加速度传感器
传感器设计名称：专业班级：姓名：学
号：
指导老师：
课程设计
测控技术与仪器一班
阳水雄107余以道、杨书仪
2010年6月23日
目录
一、设计名称……………………………………………………2二、设计目的……………………………………………………2三、设计思路……………………………………………………2四、设计任务及技术指标………………………………………2五、悬臂梁结构设计……………………………………………3六、应变片电桥的选择及设计计算……………………………5
A：分析及各尺寸的确定……………………………………5B：最大工作电流……………………………………………7
七、电桥电路的选择与设计分析………………………………7
A:直流电桥的电压灵敏度设计分析…………………………7B:直流电桥的非线性误差及其补偿方法……………………8C:传感器温度误差及其补偿…………………………………9
八、参考文献……………………………………………………9
附表：
传感器设计CAD零件图……………………………………………10传感器设计CAD装配图……………………………………………10测控电路原理Proteus图…………………………………………11
一、设计名称
应变片加速度传感器
二、设计目的
（1）了解传感器设计的一般方法、步骤及应变片加速度传感器的结构。
（2）掌握应变片加速度传感器的工作原理。
（3）通过自己动手设计，加深传感器的理解，以及提高自己的动手收集资料，解决问题的能力
三、设计思路
机械振动带动传感器的质量块振动，并且他们有共同的加速度a。再根据公式F=ma，把加速度的变化转为力的变化。力就作用悬臂梁使粱横向拉长或压缩，从而带动应变片电阻的变化。一个应变片受拉，电阻增大，另一个受压，电阻减小。再通过电桥把位移的变化转为电压的变化，通过电压放大用电压表测出相应的电压，从而就可以得到相应的加速度。
四、设计任务及技术指标
测量范围：20g精度：1%
频响：0.1~100HZ；重量：不大于100g电桥电压：5V
五、悬臂梁结构设计
（1）采用等强度悬臂梁结构，其图如下：
（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M＝50ｇb、弹性元件（悬臂梁）选用铍青铜主要参数：
物理特性
性能\合金
。
密度g/cmat20C
。
热膨胀系数at20-300C
。。
比热Cal/gCat20C
。
导电率%IACSat20C纵弹性模量LMEMPa横弹性模量LMEMPa
。。
热导率Cal/cmsecCat20C
QBe2.08.261.78*10-5
0.[**************].2-0.31
参数CuBe108.751.76*10-5
0.[**************].40-0.62
CuBe78.751.75*10-5
0.[**************].40-0.60
选取Qbe2.0作为梁的材料。
有E＝5000MpaP=8.26g/cm。并取d=10mmc、许用应力
（悬臂梁）最大的拉压力取F=ma=50×20×10×10-3=10N（设g=10N/KG）（3）设计计算原则:
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=πd
2
得:A=7.85×10-6
σ=≤[σ]是否成立?
如果成立，则强度足够；如果不成立，则强度不够。
[σ]=σu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a≤20g时。其中a为被测加速度。设计步骤：
根据胡克定律及变形得
∆LAB=AB
取原长L=20mm
则△L=10×20×10-3/5000×7.85=5.096×10-5M且温度的变化引起长度，直径的变化可以忽略。
选取Qbe2.0作为梁的材料。
有E＝5000MpaP=8.26g/cm。并取d=10mm
c、许用应力
（悬臂梁）最大的拉压力取F=ma=50×20×10×10-3=10N（设g=10N/KG）
（3）设计计算
原则:
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=πd2
得:A=7.85×10-6σ=≤[σ]是否成立?
如果成立，则强度足够；如果不成立，则强度不够。
[σ]=σu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a≤20g时。其中a为被测加速度。
设计步骤：根据胡克定律及变形得
∆LAB=AB取原长L=20mm
则△L=10×20×10-3/5000×7.85=5.096×10-5M
且温度的变化引起长度，直径的变化可以忽略。
六、应变片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：120Ω
A：分析及各尺寸的确定
R=ρL(Ω)（2-1）
其中：L-金属导线长度S-金属导线横截面积ρ-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ΔL，横截面积则缩小，它的截面圆半径减少Δr。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Δρ，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=∆ρL+∆Lρ-∆SρL2（2-2）
用式（2-1）去除式（2-2）得到
∆R=∆-∆+∆ρ（2-3）
另外，我们知道导线的横截面积S=πr2，则∆S=2πr∗∆r，所以；∆=2∆（2-4）（2-5）从材料力学我们知道：∆=-µ∆其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式（2-4）（2-5）代入（2-3）。
∆=∆ρ+∆+2µ∆=(1+2µ(∆ρ)/(∆))*∆=K*∆（2-6）L其中：K=1+2µ+(∆ρ)/(∆)
（2-7）
在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，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με。
这样，式（２-６）常写作：
∆=Kε(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120Ω。
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。零飘增加，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。
七、电桥电路的选择与设计分析
A：直流电桥的电压灵敏度设计分析
其中R1为应变片电阻，其阻值将会谁加速度的变化而变化。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=120Ω。电桥输出电压：U0=U((R1+R∆1)R+∆R+R−∆R)−R3+R)，当U0=0V
112234
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U0=U∆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=120Ω
K=∆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，忽略了的影响，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：U0=U((R1+R∆1)R+∆R+R−∆R)−R3+R)=U∆RR.
112234
得：K=∆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。
八、参考文献
1、《传感器》.唐文彦.机械工业出版社
2、《测控电路》.张国雄.机械工业出版社
3、《工程力学》.单辉祖、谢传锋.高等教育出版社
4、《传感器技术手册》.袁希光.
国防工业出版社
附录一：
零件图附录二：
装配图
附录三：
测控电路图