最新应变片加速度传感器Word文档下载推荐.docx
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v8电桥电路的选择设计与分析8
v1设计名称:
v2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。
v3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。
v4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。
v5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。
v6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(∆LAB)=NL/(EAAB)
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。
v7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。
v8电桥电路的选择设计与分析
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U0=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。
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:
U0=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。