应变片加速度传感器.doc

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

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质量保证：

1设计名称： 2
2摘要 3
3应用背景与目的： 3
4设计原理： 3
5设计任务及技术指标： 4
6悬臂梁结构设计： 4
7应变电桥的选择及设计计算 5
8电桥电路的选择设计与分析 8

v 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：
⑴测量范围：20g； ⑵精度：1%； ⑶频响：0.1~100HZ； ⑷重量：不大于 150g； ⑸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 M＝50ｇ
b.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=10mm
c.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 = πd^2/4 得:A=7.85×10-6
σ =N/A≤ [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 /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:
⑴当 a≤20g 时。 其中 a 为被测加速度。
设计步骤：⑴根据胡克定律及变形得（∆L AB ）= NL/（EA AB）
⑵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。

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 =（ρL）/S （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)/s+ (∆Lρ)/s -(∆SρL)/S^2 （2-2）
用式（2-1）去除式（2-2）得到
∆R/R= ∆L/L- ∆S/S + ∆ρ/ρ （2-3）
另外，我们知道导线的横截面积 S = πr^2,则 ∆S = 2πr*∆r ，所以，
∆S/S= (2∆r)/r （2-4）
从材料力学我们知道： ∆r/r= - µ∆L/L (2-5）
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）。
∆R/R= ∆ρ/ρ+∆L/L+2µ∆L/L=(1+2µ(∆ρ/ρ)/(∆L/L))*∆L/L = K*∆L/L（2-6）
其中： K = 1+2µ+(∆ρ/ρ)/(∆L/ L) （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：∆R/R = 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。

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=120Ω.电桥输出电压： U0=U((R1+R∆1)/(R+∆R1+ R−∆R2)−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=120Ω , 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+R∆1)/(R1+∆R1+R2−∆R2)−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
Qbe2.0
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
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。

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