0403215夏珩压电式测力传感器设计Word格式.docx

1、缺点是具有热释电性，会对力 学量测量造成干扰，使输出具有扰动，非线性误差大。有机压电材料有聚二氟乙烯、 聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。有机压电材料可大量生产和制成较大的面积 , 它与空气的声阻匹配具有独特的优越性 , 是很有发展潜力的新型电声材料。 压电式测力传感器现在已应用到工程机械、 高速机床、物理化学、生物学等学科。 小型化，集成化，智能化，广泛化，标准化是压电式测力传感器的发展趋势。但是压 电材料需要防潮措施， 而且输出的直流响应差， 需要采用高输入阻抗电路或电荷放大 器来克服这一缺陷。压电式测力传感器现在存在的问题是轴向灵敏度的幅值线性度问 题和反应时间问题。 能不能及时准确的测

2、量波动性大的力， 能不能在灵敏度方面精度 方面再提高一个层次，也是压电式测力传感器面临的问题。1.3设计的内容传感器的种类很多， 而利用压电元件的压电效应制作的压电式传感器有自身独特 的优点：它频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻。某些配套 仪表和低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。 压 电式测力传感器体积小， 结构简单，工作可靠； 测量范围宽，可测 100MPa以下的力； 测量精度较高；频率响应高，可达 30kHz，是动态力检测中常用的传感器，但由于压 电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。本次压电式测力传感器设计主要内容为

3、： 压电材料的选择， 工作原理设计， 压敏 元件的布局设计，测量电路设计，机械结构和测量电路仿真。2总体方案设计2.1功能与性能要求分析本次设计的压电式测力传感器的功能是测量高速转子的不平衡力。 高速转子在高 速转动中， 由于不平衡力的存在会产生振动， 影响机械加工精度。 为了控制这种不平 衡力，就要对力进行测量，以便监控转子的转动，从而对系统进行调试，达到最好的 加工性能。对压电式测力传感器的性能要求是：性能稳定，测量精确，误差小于 0.5%，灵敏度高，线性度好，固有频率高。2.2设计方案比较分析与确定通过对传感器的功能与性能分析可知， 单纯的采用单个压电敏感元件不能达到测 量 X轴和 Y

4、轴双向力的功能， 通过对压电传感器的现状分析， 决定采用组合的方法设 计压电式传感器。 组合式压电传感器采用现有的压电敏感元件， 通过合理的机械结构 设计将压电敏感元件嵌入进去，组合成具有传感器测力功能和轴承支撑功能的机构。2.2.1设计方案拟定综合考虑功能与性能要求， 结合相关资料， 组合式压电测力传感器的结构， 可拟 定如下设计方案。方案一：差动式并联敏感元件采用电荷放大器的压电式测力传感器 这种方案敏感元件的布局为： 在一个轴两个相反方向上放置两个相同的压电传感 器，两个相同的压电传感器分别测量一个轴向两个相反方向的力， 通过后接电路组成 差动系统。输出采用并联的方式，增强输出电压，方便

5、测量显示数据。放大器采用电 荷放大器，将传感器输出的电荷放大并转换成电压输出，方便测量。方案二：串联敏感元件采用电压放大器的压电式测力传感器这种方案采用将同一个轴向的两个相反方向的压电传感器串联一起， 采用电压放 大器将传感器输出的微弱电压信号放大输出。2.2.2设计方案比较与确定比较方案一和方案二，可得：（1）采用差动式结构，灵敏度可增大一倍，信噪比得到提高；可清除或减少环 境量的影响；抵消了共模误差，减少了非线性因子的影响。（2）采用并联结构，输出电容大、电荷大，同时，时间常数 CaR 大，宜用于 缓慢信号的测量。（3）采用电荷放大器，可以克服压电传感器的电压灵敏度随着电缆分布电容、 传感

6、器自身电容而变化的缺点； 同时可以克服传感器绝缘电阻的下降导致测量系统的 低频特性恶化的缺点。方案一缺点：（1）电荷放大器容易受到环境的干扰，从而产生误动作。方案二优点：（1）采用串联结构，将输出电压相加，可以提高输出电压值，方便测量，并且 自身电容小。（2）采用电压放大器可以得到很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，和高输出阻 抗的压电传感器匹配。方案二缺点：（1）采用电压放大器，电压灵敏度 Sv 33 f（ Ca, Cc, Ci） 随着Ca Cc CiCa , Cc, Ci 而变化；1 1 1（ 2）采用电压放大器，因 1 1 1 ，所以 Ra 减小而使 增大，RC （Ra / Ri ） C低频

7、特性变坏。 综合以上分析比较可知，确定使用方案一，这样可以得到性能更好更稳定，功 能更强的压电式测力传感器。3机械部分设计压电式测力传感器的机械结构部分设计应主要完成以下方面的内容： （1）选择合适的敏感元件，要求敏感元件稳定性好，具有较高的刚度和力 -电转换效 率。（2）设计敏感元件的布局形式，要求敏感元件能获得 X 、Y 双向的载荷信息，输出 信号之间没有干扰。（3）设计支架。支架应易于加工，所用材料性价比高。3.1机械部分的组成和作用 支架。支架的作用是支撑内部所以零件，并且能够代替轴承来支撑轴。 轴瓦。轴瓦的作用是保护高速主轴，起到弹性体和主轴的连接。 弹性体。 弹性体的作用是储存变形

8、和应力， 起弹性支承和导向作用， 将变形和应 力传递给敏感元件。力敏感元件。力敏感元件是将非电量的被测量 （压力）转化为可捕捉到的电量 （ Q） 的转换元件。传力块。传力块的作用是使 X 或 Y 轴向的力保持在垂直或水平方向。 导向杆。导向杆的作用是保持力的方向不变。 连接圆柱体。连接圆柱体是将导向杆和传力块连接起来的零件。 预紧螺栓。预紧螺栓的作用是在压电式测力传感器工作以前调节预紧力。 防松垫片。作用是防止预紧螺栓因为振动而松弛。 预紧螺母。作用和预紧螺栓一样，都是调解预紧力的。3.2机械零部件设计 机械零部件的尺寸和结构决定了传感器整体的结构和尺寸大小， 同时决定了整个 传感器的固有频率

9、。本部分主要从支架、弹性体、传力块、导向杆、连接圆柱的设计 方面阐述。3.2.1支架的设计（ 1）支架材料选择支架材料选用 45 钢，性价比高，并且性能好。（2）支架的结构。 支架的整体结构决定了本组合式压电式测力传感器的结构和组成方式。通过对 实验室转子试验台的测量和研究， 发现载实验室转子试验台上， 轴承座和工作台的连 接使用的是 M5 的螺栓，通过类比，发现只要所设计的支架厚度和刚度都大于 M5 的 螺栓，那么支架的刚度性能可以满足要求。支架的外形结构为圆柱被四边形切去形成的面， 平面方便螺栓和支架的装配接 触。在水平方向打两个对称的螺栓孔，竖直方向上面打通孔，下面挖孔，两个孔的中 心轴

10、线在一条竖直线上， 并且平行度要求很严。 水平孔的中心轴线和竖直孔的中心轴 线要求严格垂直。支架和试验台连接采用 M5 的螺栓连接，所以在支架上打 5.5mm的通孔，以 方便装配。3.2.2弹性体的设计（ 1）材料选择 弹性元件的主要性能指标有：弹性特性、灵敏度、刚度、有效面积和谢振频率。 由于要求其工作特性恒定， 就应该用高抗微塑变形的材料， 也就是具有高弹性极限的 材料。弹性极限越高，材料的弹性储能越大，非弹性效应也就越小。材料的弹性储能 为：21U 1 p （3.1）2Ep 弹性极限。由式（ 1）可见，比值 p2 / E越高越好，欲提高 p2 / E ，则可选用高弹性极限或低弹 性模量的

11、材料。对弹性元件材料提出以下要求： 强度高，弹性极限高； 具有高的冲击韧性 和疲劳极限； 弹性模量温度系数小而稳定； 热处理后应有均匀稳定的组织，且各 向同性；热膨胀系数小； 具有良好的机械加工和热处理性能； 具有高的抗氧化、 抗腐蚀性能； 弹性滞后应尽量小 9。综合以上因素，选择恒弹性合金 3J53。它的弹性模量温度系数小。在 -60+100C的 温度范围内，基本上是恒定的。它的主要参数如下：表 3.1 恒弹性合金 3J53 的性能参数材料密度3 / g cm屈服极限/MPa弹性模量线膨胀系数 t/10 6C 1泊松比机械品质 因数恒弹性合金 3J538.012507.58.10.30100

12、02）结构设计为保证传感器精度，要求弹性体无摩擦无间隙。由于弹性体直接装在轴瓦上， 所以采用内圆的结构形式。 又因为弹性体外部和敏感元件相连， 且敏感元件是正六方 形的面，和弹性体采用 M5 的螺纹连接，所以外表面采用方形切圆形形成的表面。在 接触面为平面，非接触面为圆弧面，有利于机械加工。（3）尺寸设计 弹性体和敏感元件的连接孔为 6.3mm，要保证刚度要求，则内表面和螺纹孔的 地面距离不能小于 5mm，最终取厚度为 13mm。最终设计，弹性体内径为 14 mm，外径为 42.5mm，外径被宽为 40mm 的正 方形切掉。3.2.3传力块的设计（ 1）材料选择 传力块应具有高的刚度，具有高的屈服强度和抗拉强度，综合各种碳素钢的性 价比，选择 45 钢作为传力块的材料。它的主要性能参数如下表 10表 3.2 45 钢的性能参数牌 号推荐热处