电位器式加速度传感器设计.doc

湖 南 科 技 大 学

课 程 设 计

课程设计名称： 《传感器/测控电路》课程设计
学 生 姓 名 ： 杨振峰
学 院 ： 机电工程学院
专业及班级 ： 测控技术与仪器二班
学 号 ： 1203030216
指 导 老 师 ： 余以道、杨书仪

2015年 6月

目录
一.绪论……………………………………1
二.课程设计的任务与要求………………1
三.课程设计的内容………………………
1.课程设计方案的确定
2.电位器式加速度传感器的基本原理
3.传感器结构设计及计算
4.测控电路的设计与计算
四.总结与分析……………………………
五.参考的文摘……………………………

一、前言
我国国家标准（GB 7665-1987）中传感器的定义是；“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的期间或装置”。信息技术已成为当今全球的战略技术，作为各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件——传感器，已成为各个应用领域，特别是自动检测、自动控制系统中不可缺少的核心部件。传感器技术正深刻影响着国民经济和国防建设的各个领域。
例如，化工产品自动生产，各种航天器上，生物工程、环境保护、灾情预报、生命科学等等每一项现代科学技术的研究以及人们的日常生活等，几乎无一不与传感器和传感器技术紧密联系着。因此，毫不夸张地说：没有传感器及其技术将没有现代科学技术的迅速发展。
作为当代理工科而且学习过传感器，测控电路知识的大学生，学习如何设计一个简单实用的传感器并掌握其设计思路是非常有必要的。
二、课程设计的任务与要求
1、传感器设计部分：
①根据被测量选择传感器的类型；
②根据被测量与电阻、电感、电容、电磁转换原理及压电、光电、热电效应等，选择传感器的性能和结构参数；
③根据传感器敏感元件输出电量的类型设计转换电路和后续信号处理电路。
2、传感器测控电路设计部分：
①将传感器敏感元件测量的物理量（如位移、加速度、温度、压力等）转换成电信号（电压、电流或电荷量）；
②根据功能要求设计放大电路、滤波电路、调制解调电路、限幅电路等，提取有用信号，剔除无用信号；
③经过A/D转换、运算处理得到被测信号的各种所需参数。
说明书及设计图的一些注意事项
1、设计题目及要求(需要注明传感器的设计参数)；
2、基本原理简述；
3、总体设计方案的确定；
4、传感器结构设计及计算，绘制相应的结构设计图（建议运用Autocad软件）；
5、说明书编写；
6、参考文献。

三、课程设计的内容

.本次课程设计老师提供的课题有40多个，而我悬着的是电位器式加速度传感器，电位器式加速度传感器通过惯性质量块的惯性和片弹簧的应变感应加速度，引起位移变化，并连接到电位器上，通过引起电阻的变化使电桥的输出电压的变化的目的，在通过模数转换将电桥的电压变化显示出来，得出装置收到的外力是多少。

2.传感器的基本原理
惯性质量块在被测加速度的作用下，是片状弹簧产生正比于被测加速度的位移，弹簧产生的弹力与质量块受到的力达到平衡就不会再产生位移，从而引起电刷在电位器的电阻元件上滑动导致，输出一个与加速度成正比的电压信号。本次设计测量加速度的范围，允许的线性误差为，输入电压为、所能响应的频率范围。

传感器的结构图
电位器传感器的特点：结构简单，价格低廉，性能稳定，能承受恶劣环境条件，输出功率大，一般不需要对输出信号放大就可以直接驱动伺服元件和显示仪表；其缺点是精度不高，动态响应较差，不适于测量快速变化量。

3. 弹簧片的设计
当惯性质量块挤到弹簧片时，使弹簧的发生位移，直到弹力与外力达到平衡，弹簧片的弹力与弹簧片的长、宽、高、厚度都有关系。（弹簧片的弹力）、（弹簧片的宽度）、、（形变量）、（弹簧片的形变量）、H（弹簧片的厚度）
（1-1）
算经过设计综合考虑，弹簧片的b=6mm、H=0.5mm、e=20000kg/m、L=22mm弹簧片的最大形变量=5mm。计一下所能提供的最大的弹力为：

4. 计算惯性质量块的质量
由结构图得知、的最大值为10g
所以

5.电位器的选择
（1）涂敷于基体表面而成，该工艺简单，是目前应用最广泛的电位器。特点是分辩力高耐磨性好，寿命较长。缺点是电流噪声，非线性大， 耐潮性以及阻值稳定性差。
　 （2）有机实心电位器：有机实心电位器是一种新型电位器，它是用加热塑压的方法，将有机电阻粉压在绝缘体的凹槽内。有机实心电位器与碳膜电位器相比具有耐热性好、功率大、可靠性高、耐磨性好的优点。但温度系数大、动噪声大、耐潮性能差、制造工艺复杂、阻值精度较差。在小型化、高可靠、高耐磨性的电子设备以及交、直流电路中用作调节电压、电流。
　　（3） 金属玻璃铀电位器：用丝网印刷法按照一定图形，将金属玻璃铀电阻浆料涂覆在陶瓷基体上，经高温烧结而成。特点是：阻值范围宽，耐热性好，过载能力强，耐潮，耐磨等都很好，是很有前途的电位器品种，缺点是接触电阻和电流噪声大。
　　（4 ）绕线电位器：绕线电位器是将康铜丝或镍铬合金丝作为电阻体，并把它绕在绝缘骨架上制成。绕线电位器特点是接触电阻小，精度高，温度系数小，其缺点是分辨力差，阻值偏低，高频特性差。主要用作分压器、变阻器、仪器中调零和工作点等。
　　（5 ）金属膜电位器：金属膜电位器的电阻体可由合金膜、金属氧化膜、金属箔等分别组成。特点是分辩力高、耐高温、温度系数小、动噪声小、平滑性好。
　　（6） 导电塑料电位器：平滑性好、分辩力优异耐磨性好、寿命长、动噪声小、可靠性极高、耐化学腐蚀。用于宇宙装置、导弹、飞机雷达天线的伺服系统等。
　　（7） 带开关的电位器：有旋转式开关电位器、推拉式开关电位器、推推开关式电位器
　　（8 ）预调式电位器：预调式电位器在电路中，一旦调试好，用蜡封住调节位置，在一般情况下不再调节。
　　 （9） 直滑式电位器：采用直滑方式改变电阻值。
　　（10） 双连电位器：有异轴双连电位器和同轴双连电位器
　　（11） 无触点电位器：无触点电位器消除了机械接触，寿命长、可靠性高，分光电式电位器、磁敏式电位器等。
根据综合上述的电位器，直滑式电位器更适合作为传感器电位器
直滑式电位器的简单结构如下：

图1 直滑式电位器
电位器的最大行程：10mm
阻值范围是：
阻值的允许偏差：10%
额定功率：0.2W
零位电阻：0欧
接触电阻：0欧
绝缘电阻：0欧
阻值的变化方式：线性
输出电压与输入电压的关系如下：
（1-2）
（1-3）
-为此电位器的灵敏度系数。
当输出端带负载R它们有如下关系：
（1-4）
参考本设计允许的非线性误差计算：
（1-5）
由于要求线性误差小于
所以
6.测控电路设计与计算
见附图测控电路图。图中RP1为电位器传感器，RP1滑动端输出电压经IC1A构成的电压跟随器送到由IC1B和IC1C组成的电压比较器，分别输出行程上限和行程下限控制信号。
RP1滑动端输出电压为0~5V，则IC1A输出也为0~5V电压。对于IC1C来说，若实际行程小于下限行程（即V+<V-)时，则IC1C输出为0V；若实际行程大于下限行程(即V+>V-)时，择IC1C输出为5V。
对于IC1B来说，当实际行程小于上限(即V+>V-)时，输出的上限控制信号为5V，当实际行程大于上限（即V+<V-)时，输出的上限控制信号为0V。此时IC1C因V+>V-一直保持为5V。
根据所响应的频率设计滤波电路。

四、总结与分析
通过为期两周的传感器与测控电路的课程设计，不仅巩固了所学的传感器与测控电路的相关知识，而且学会了如何将自己所学到的知识运用到实际设计与生活之中，还学到了许多关于设计的方法与思路。通过对课程设计中所遇到的难题以及疑惑之处的深入探究与解决，丰富了我们的课外知识，拓宽了我们的视野，更加提高了我们对实际问题的解决能力。
当然，首次进行传感器/测控电路设计的我们参考设计的传感器以及后续测控电路肯定存在许多缺陷和不足之处，而我们在设计过程中只能尽量避免出现不必要的误差与设计缺陷，而一个传感器真正投入生产还有很多试验改进过程，鉴于我们能力有限，只要我们在设计过程中学到如何设计，分析，怎样改进即可，这为以后我们真正设计新的传感器或者创新打下必要的基础！
最后，特别感谢在传感器/测控电路课程设计过程中给予我指导与帮助的杨书仪老师和余以道老师以及测二的同学们。
五、参考文献
[1] 康华光.电子技术基础 高教出版社，2000．
[2] 唐文彦.传感器 机械工业出版社，2006
[3] 张国雄,测控电路 机械工业出版社，2011
[4] 张洪润,传感器技术大全 北京航空航天大学出版社，2007
[5] 潘炼，传感器原理及应用 电子工业出版社，2012
[6] 鲍丙豪，传感器手册 化学工业出版社，2007
[7] 赵负图，集成电路手册 化学工业出版社，2002