应变片式加速度传感器设计

WORD 完美格式编辑 应变片式加速度传感器应变片式加速度传感器 姓姓名名 学学号号 院院 （系）（系） 电气工程学院 专业名称专业名称电气工程及其自动化 班班级级电气 2（专升本） 2015 年 5 月 20 日 专业资料整理 WORD 完美格式编辑 说说明明书书摘摘要要 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。其结构由（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限位块组成。应变片式加速度传感器通过敏感栅将低频运动物体的加 速度转化为应变片的应变，引起电桥桥臂电阻的变化，经过温度补偿、放大 后输出加速度信号。其特点为应变片式加速度传感器具有体积小、低功耗、 结构简单、抗干扰能力强、运行稳定、经济性好。 专业资料整理 WORD 完美格式编辑 摘摘要要附附图图 应变式加速度传感器示意图 专业资料整理 WORD 完美格式编辑 权权利利要要求求书书 1、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。其结构由（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限位块组成。 电桥采用直流12V电源供电， 采用稳压的直流电源供电， 运放器采用双电源供电，电源电压为12V。 2、加速度传感器的敏感轴检测输入加速度，并将其作用转换为电阻应变 片阻值的变化，通过变送电路，将这种变化转换为对应的电压输出，从而达 到测量加速度的目的。传感器的主要量程 20g；输出 0～5V；零位输出 2.5V，用应变片测量的应变是通过测量敏感栅的电阻相对变化来得到。应变 片灵敏度系数很小（K≈2） ，而机械应变一般在 10με～3000με之间 （有 时也可达到 6000με） ，电阻相对变化是很小的，需要采用差动电桥。当悬臂 梁发生形变时，应变片的电阻值发生改变， 全桥式布片应变引起应变片电阻 的变化，从而达到测量振动加速度的目的。当悬臂梁受到加速度作用时，其 自由端必将发生位移，通过计算得到加速度电压的转换关系。 3应变片由于温度的变化所引起电阻的变化与弹性敏感元件所造成的 专业资料整理 WORD 完美格式编辑 电阻变化几乎有相同的数量级，为克服温度的影响和测量精度。我采用双金 属敏感栅自补偿应变片来补偿温度的变化。测量放大器由三个运算放大器组 成，分阻抗变换和增益变换两级。 专业资料整理 WORD 完美格式编辑 说说明明书书 基于应变片式的加速度传感器基于应变片式的加速度传感器 技术领域技术领域 应变式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟 和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域 背景技术背景技术 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。 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 Fma，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，从而就可以得到相应的加速度。 发明内容发明内容 用应变片测量应变是通过测量敏感栅的电阻相对变化来得到的。应变片灵 敏度系数 K≈2， 机械应变一般在 10με～3000με之间（有时也可达到 6000 专业资料整理 WORD 完美格式编辑 με） ，所以电阻相对变化是很小。然后用差动电桥电路来精确的测量这种微 弱的变化。在悬臂梁的正反两面各粘贴两片应变片，一边受拉，一边受压， 工作时将两个应变片接入电桥相领臂内，四片应变片的阻值相等（附图 2） ， 记为 R1R2R3R4R，且相邻应变片的电阻值变化相反，悬臂梁发生形变时， 应变片的电阻值发生改变，记为△R，那么桥臂上的电阻值变为 R1R△R， R2R-△R，R3R△R，R4R-△R。应变引起应变片电阻的变化，通过差动电 桥电路测出阻值的改变，对等截面梁应变片处的应变与物体运动加速度之间 的关系，应变值与悬臂端位移成正比，应变片电阻值的变化也正比于端部的 位移，由输出电阻的变化引起输出电压改变，输出电压与输入加速度采用全 桥电路可以得到振动加速度 a 与输出电压 U0 之间的线性关系，从而达到测量 振动加速度的目的。 本发明的有益效果为 应变片式加速度传感器具有体积小、低功耗、经济性好、结构简单、易 于维修等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实 验、测试仪器、设备振动监测等领域。 电阻应变式加速度传感器是弹性板受振动力作用产生应变，通过应变 电桥的输出信号进行测量。电阻应变式加速度传感器具有低频特性好和 较高的性价比，应用于振动测量领域内。应变片式加速度传感器的机械结 构采用金属制悬臂梁，提高了耐用性和稳定性。在其根部的上下两对称面 专业资料整理 WORD 完美格式编辑 上各粘贴两对半导体应变计。当悬臂梁自由端的惯性质量受到振动产生加 速度时，梁受弯曲而产生应力，使四个电阻发生变化，使其提高了抗噪声、 光源的干扰能力。 附图说明附图说明 图 1 金属电阻应变丝结构 图 2 电桥电路结构示意图； 图 3 为测控电路图示意图； 图 4 应变式加速度传感器示意图 图 5 应变式加速度传感器的数学模型 图 6 电路系统图块 附图标识 （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。 具体实施方式具体实施方式 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。 应变片或通过半导体加工技术将具有压阻效应的原料附着在悬接质量块 的膜片或悬臂梁上，由于受到加速度的作用，膜片和悬臂梁发生弯曲变形， 专业资料整理 WORD 完美格式编辑 应变材料受到拉或压应力后电阻发生变化。应变片式加速度传感器，为了克 服由于温度、各维间的互相耦合及其他噪声输入，通常将四个单独的敏感元 件以惠斯通电桥（图2）方式连接，从输出的信号中提取加速度信息。接下来 就可以直接接差分仪表放大器到处理电路，进而得到相应的数显值。 以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的详细说明，不能认定发明 的具体实施仅限于这些，对于在不脱离本发明思想前提下做出的简单推演及 替换，都应当视为本发明的保护范围。