电式测力传感器设计说明书

目录目录 .- 1 -1 前 言 .- 3 -1.1 设计的目的和意义 .- 3 -1.2 国内外研究现状 .- 3 -1.3 设计的内容 .- 4 -2 总体方案设计 .- 5 -2.1 功能与性能要求分析 .- 5 -2.2 设计方案比较分析与确定 .- 5 -2.2.1 设计方案拟定 .- 5 -2.2.2 设计方案比较与确定 .- 5 -3 机械部分设计 .- 7 -3.1 机械部分的组成和作用 .- 7 -3.2 机械零部件设计 .- 7 -3.2.1 支架的设计 .- 7 -3.2.2 弹性体的设计 .- 8 -3.2.3 传力块的设计 .- 9 -3.2.4 导向杆的设计 .- 9 -3.2.5 连接圆柱的设计 .- 10 -3.3 机械零部件的选型 .- 10 -3.3.1 轴瓦的选型 .- 10 -3.3.2 力敏感元件选型 .- 10 -3.3.3 预紧螺栓的选型 .- 11 -3.3.4 防松垫片的选型 .- 11 -3.3.5 预紧螺母的选型 .- 11 -3.4 机械部分总成 .- 11 -3.5 机械结构系统仿真 .- 11 -3.5.1 仿真软件选择 .- 12 -3.5.2 用 ANSYS进行模态分析 .- 12 -4 压电式测力传感器测量电路设计 .- 16 -4.1 传感器测量电路功能和要求分析 .- 16 -4.1.1 传感器测量电路的作用 .- 16 -4.1.2 传感器测量电路的要求 .- 16 -4.2 测量电路的组成 .- 16 -4.3 各组成部分的设计 .- 17 -4.3.1 电荷放大器 .- 17 -4.3.2 滤波电路 .- 20 -4.3.3 加法运算放大器 .- 20 -4.3.4 反相比例运算放大器 .- 21 - 2 -4.4 总体电路绘制 .- 21 -4.5 测量电路仿真 .- 21 -5 压电式传感器性能指标 .- 26 -5 压电式传感器性能指标 .- 26 -5.1 灵敏度 .- 26 -5.2 量程 .- 26 -5.3 频率特性 .- 26 -5.4 精度 .- 26 -6 结 论 .- 27 -参 考 文 献 .- 28 - 3 -1 前 言1.1 设计的目的和意义现代化生产中， 生产机械越来越智能化人性化，这就必须对设备和系统进行实时监控、实时调试和实时反馈，以便最好的掌握系统的运行情况，机械设备的使用情况，生产出合格而优质的产品。传感器在这方面的应用是越来越多也越来越重要。而其中对各种力的测量是一大部分，金属切削机床要求对切削力精确控制，高速主轴要求对轴的轴向力和径向力进行控制，以便控制转子的平衡。所以测力传感器的应用必不可少，而其中压电式测力传感器灵敏度高，反应迅速，并且输出为电荷或者电压，便于测量和观察。压电元件是一种典型的力-电变换元件，采用压电元件的压电式传感器可用于测量最终能变换为力的非电量，如力、压力、力矩、加速度等 1。压电元件构成的二维力传感器为直接输出型传感器，不需要对输出信号进行解耦运算，和它配套的测量电路以及低噪声、小电容、高绝缘电缆的出现，使压电式传感器在工程力学、生物医学、电声学等很多领域得到了广泛的应用 2。另一方面，由于所学的专业为机械工程及自动化，方向是机电方向，因此，选择压电式测力传感器设计作为毕业设计，可以在了解行业情况，论证设计方案到传感器各项数据选择计算以及后来的画图各个环节中，对我大学四年来所学知识进行综合的运用，是对我在去企业工作前实际工作能力考验 ，也是一个很好的锻炼机会。1.2 国内外研究现状压电现象是 100 多年前居里兄弟研究石英时发现的。现在人们利用压电效应制作出了应用于各种场合的传感器，包括压电式压力传感器，压电式加速度传感器等，广泛应用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制。经过 100 多年的发展，传感器也从最初的对被测量的直接测量到现在的与计算机结合，完成系统的实时测控和反馈。力传感器的研究成果是黄心汉等提出了一种三梁非径向对称结构的六维腕力传感器 3，袁哲俊等研制了一种新型的六维腕力传感器 4，卢江跃等研究的新型压电式车削测力仪 5，曾庆钊等研发了一种新型车轮六维力传感器 6，中科院合肥智能所和中国纺织大学先后研制了十字结构六维力传感器 7，等众多力传感器，孙宝元等研究了一种新型径向测量轴承 8。压电材料也从最初的单一石英晶体发展到了现在 PZT类压电陶瓷、压电半导体、以偏聚氟乙烯（PVDF） （薄膜）为代表的有机材料等新型材料。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。缺点是具有热释电- 4 -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：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。- 5 -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 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：方案一优点：（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。- 6 -（2）采用并联结构，输出电容大、电荷大，同时，时间常数 大，宜用RCa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 随着),(3 icaicav CfCdS而变化；icaC,（2）采用电压放大器，因 ，所以 减小而使 增大，Ria)/(11a低频特性变坏。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。- 7 -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。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。- 8 -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 的通孔，以m5.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：(3.1)EUp21弹性极限。p由式（1）可见，比值 越高越好，欲提高 ，则可选用高弹性极限或低p/2Ep/2弹性模量的材料。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/ 3cmg屈服极限/MPa弹性模量/MPa线膨胀系数/t160C泊松比 机械品质因数恒弹性合金 3J53 8.0 1250317G7.58.1 0.30 1000（2）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- 9 -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 mm，外径为 mm，外径被宽为 40mm 的正145.42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 钢的性能参数推荐热处理 力学性能 硬度抗拉强度 b/MPa屈服强度 s/MPa伸长率 5收缩率/%冲击功/JKA未热处理退火钢牌号 正火 淬火 退火不小于 不大于45 850 840 600 600 355 16 40 39 229 197（2）传力块结构和尺寸传力块和导向杆采用圆柱体连接，为了加工方便，传力块设计成方形体，在中间挖圆柱形槽，方便放置圆柱体。传力块高为 16mm，长为 30mm，宽为16mm。3.2.4 导向杆的设计（1）导向杆材料选择导向杆材料和传力块材料选为一样的，都用 45 钢。（2）导向杆结构和尺寸设计由于导向杆是传导力，控制力的方向，保证力在水平和垂直方向的稳定，所以导向杆应和壳体紧密连接，并且和预紧螺栓平滑、稳定无振动连接。基于加工和装配方便，将导向杆设计为长圆柱体，在一面挖圆柱槽以便和连接圆柱接触。并且为了装配方便，在导向杆的另一端铣一个很窄的方形槽，以便用螺丝刀等调整圆柱槽的方向 11。- 10 -为了加工壳体的方便，将导向杆的直径取为连接螺栓的内径，为 。方m15形槽以中心线对称，深 3mm，宽 2mm。3.2.5 连接圆柱的设计（1）连接圆柱材料选择连接圆柱材料同样选为 45 钢。（2）连着圆柱尺寸连接圆柱直径为 ，长为 24mm。m103.3 机械零部件的选型选型部分从轴瓦、力敏感元件、预紧螺栓、防松垫片、预紧螺母的选型几个方面阐述。3.3.1 轴瓦的选型轴瓦是连接主轴和弹性体的部件，也是保护轴在高速转动中少受冲击的部件，轴瓦的结构尺寸和轴配套，选用内径为 ，外径为 的轴瓦。内外径距m5.9m14离为 4.5mm，可以满足轴转动时的强度要求。3.3.2 力敏感元件选型测试系统中，力传感器的作用是把振动量转换成相应的电信号。为了准确进行测量，对力传感器有以下基本要求：1）便于传感器的安装，有利于导线的引出；2）具有较宽的动态范围,即对非常低和非常高的振动都能精确地响应；3)具有较宽的频率响应范围，并且在其频率响应范围内具有良好的线性度；4)对环境干扰具有最低的灵敏度；5)结构坚固,工作可靠,能够长时间保持稳定的特性。目前，国内外力传感器所采用的力敏元件主要有电阻应变片、压磁体和压电晶体。应变式力传感器是最早出现的力传感器，机理和技术都比较成熟，精度和分辨率都比较高，适合静态或准静态测量，一般用于传感器校准，并且由于其测量速度相对较慢、桥路受温度湿度影响较大，不太适宜应用在转子动力学系统中。压磁式力传感器具有输出信号大、抗干扰能力强、过载能力强、结构简单、可在恶劣环境下工作等优点，但是由于测量速度慢、准确性不高、存在磁滞，因此压磁式力传感器不太适宜于在转子动力学系统中。压电式力传感器具有静态刚性好、灵敏度高、精度高、线性度好、固有频率高、稳定性好、体积小等优点，并且传感器的频带宽、频响好、测量速度快，特别适合动态测试，通过合理的结构设计即可实现多维力集成测试，但是对压电式力传感器输入阻抗要求较高。由以上分析，结合转力学系统中频带宽、频响好、测量速度快等特点，本课题- 11 -选择了压电材料作为测力传感器的敏感元件。综合以上分析，选择型号为 YD-25-A 的压电式敏感元件。它的主要性能如下：表 3.3 YD-25-A 型压电式敏感元件的性能参数型号电荷灵敏度（ 2/mspC）频率响应（Hz1dB）工作温度（ ）C最大可测力安装螺纹（mm）外形尺寸（ mm）重量（g）YD-25-A 400PC/N 110,000 -40+80 100N M5 24 六方20293.3.3 预紧螺栓的选型为了配合导向杆的安装，预紧螺栓选用螺纹规格 d=M16 的光头 A 级全螺纹螺栓 12，性能等级为 8.8 级，表面氧化。螺纹采用细牙螺纹，螺距选为 1mm，公称长度为 39mm 以方便预紧的时候微调。螺栓材料为钢。标记为： 螺栓 GB/T 5783 M16393.3.4 防松垫片的选型根据预紧螺栓的型号，选择规格为 16，材料为 65Mn 表面氧化的标准型弹簧垫圈，标记为： 垫圈 GB/T 93 16。3.3.5 预紧螺母的选型根据预紧螺栓选择螺纹规格为 d=M16、性能等级为 8 级、不经表面处理、A级的型六角螺母。螺母材料为钢。标记为：螺母 GB/T 6170 M163.4 机械部分总成机械结构部分零部件设计完毕，按照从里到外的顺序依次安装。对轴和轴瓦、轴瓦和弹性体、螺栓和壳体的装配使用配合公差，以保证安装精度。轴瓦和轴的配合采用基轴制过盈配合 ，轴瓦和弹性体采用基轴制间隙配合 ，7/5.9hN 7/14hF螺栓和壳体采用基孔制过渡配合 13。/16jsH3.5 机械结构系统仿真机械结构设计完成后，必须知道传感器的固有频率。传感器的固有频率必须大于被测量频率的两倍以上。根据任务书，转子转速为 12000 转/分，则被测量频率为- 12 -200Hz，则设计的传感器的固有频率 必须大于 400Hz 才能正常的使用 14。利用仿0f真软件可以测试出固有频率 ，验证机械结构是否合理。0f3.5.1 仿真软件选择有限元方法是用于求解工程中各类问题的数值方法。应力分析中稳态的、瞬态的、线性的或非线性的问题以及热传导、流体流动和电磁学中的问题都可以用有限元方法进行分析解决。ANSYS 是一种广泛的商业套装工程分析软件。它在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，比如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析，在机械、电机、土木、电子和航空等领域的使用，都达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间 15。3.5.2 用 ANSYS进行模态分析模态分析是用来确定机械整体结构的固有频率和振型，也是谐响应分析和瞬态响应分析的起点。在 ANSYS 中，模态分析是线性分析，将忽略任何非线性特征。模态分析过程由建模及划分网格，加载和求解，扩展模态和结果分析四个步骤组成。第一步：建模及划分网格由于动力学分析对模型的几何特征要求不高，所以在进行模态分析时去掉支架外面的预紧螺母，去掉内部的连接圆柱体，简化模型后，用 solidworks 建模，外部零件组合一起形成外壳，内部零件组合一起形成内芯，在 ANSYS 系统中，用弹簧将内芯和外壳联接起来形成整体模型，弹性元件采用 65Mn 弹簧钢。（1）单元类型设置：单元类型 1（type1）选择为 SOLID45，单元类型2（type2）选择为 COMBIN14。（2）模型材料属性设置：弹性模量为 E= Gpa，泊松比为 =0.3，密度为12e=7800。（3）弹簧刚度 k 计算：令模型下部为全约束，竖直方向加力 F=1N，由于，则 。76528.0eVy 753.1eVy建模及划分网格后图形如下图（3.1）所示- 13 -图 3.1 建模及网格划分第二步：加载和求解指定分析类型为 Model，选择模态提取方法为 Powerdynamics 法。模态分析施加的载荷只包括位移约束，不包括压力。进行求解。第三步：扩展模态重新进入 ANSYS 求解器，指定扩展的模态数位 4，重新进行求解。第四步：结果分析进入通用后处理器（POST1） ，求出传感器的前四阶固有频率如下表 3.4 所示：表 3.4 传感器的固有震动频率（ Hz）阶次 1 2 3 4频率 1010.3 1034.1 1555.8 1647.1各阶固有频率变形图如下所示：- 14 -图 3.2 一阶固有频率变形图图 3.3 二阶固有频率变形图 - 15 -图 3.4 三阶固有频率变形图 图 3.5 四阶固有频率变形图通过以上分析，表明设计的传感器结构具有较高的一阶固有频率 1010.3Hz，设计任务书中给定的最大主轴转速为 12000r/min，可以估计出传感器接收的振动力最大频率为 200Hz，按照机构固有频率大于所要求的频率两倍（400Hz）来比较，一阶固有频率 1010.3Hz 远远满足 0-400Hz 的频率要求，不会产生共振现象。- 16 -4压电式测力传感器测量电路设计4.1 传感器测量电路功能和要求分析4.1.1 传感器测量电路的作用现代工业生产中，无论是对生产过程的检测和控制，还是对生产设备的运行状况检测，都需要传感器来测量反馈与控制，以提高生产效率和达到高质量的要求。传感器所获取的各种信号，必须经过信号调理电路进行处理，将之变成可以直接读取、记录和应用的信号 16。信号调理电路是将信号进行变换放大处理后、变成易于后续处理的较强信号的电路，一般称之为传感器电路。组合式压电测力传感器选用的敏感元件为压电传感器，因为压电传感器相当于平板电容器，所以内部阻抗很高，因此输出信号很弱小。不能直接显示和记录，需要进行阻抗变换和信号放大，所以设计的测量电路的作用是：阻抗变换器，将高阻抗变为低阻抗；信号放大器，进行电压放大和电荷放大。测量电路框图如下：非电量 电荷、电压 可用电荷、电压压电元件 图 4.1 测量电路框图4.1.2 传感器测量电路的要求压电式传感器输出的电信号非常微弱，且与电路之间的连接具有一定的距离，为了保证传感器能够精确的测量输出信号，必须对传感器的电路有一定的要求。（1）准确度（精度） 传感器电路具有高精度，是实现准确测量被测对象状态或参数的重要基础。为了实现高精度，电路应具备下列性能：低噪声与高抗干扰能力； 低漂移、高稳定性； 有合适的通频带； 线性；有合适的输入与输出阻抗；（2）响应速度快（3）可调性好（4）可靠性好（5）经济性强 174.2 测量电路的组成传感器的测量电路由信号放大电路、滤波电路、抗干扰电路、过载指示电路等压电元件测量电路（阻抗变换放大作用）- 17 -组成。放大电路一般应具有以下要求：（1）输入阻抗远大于信号源内阻；（2）抗共模电压干扰能力强；（3）在频带宽度内增益稳定、线性度好、漂移和适调小，信噪比高；（4）便于增益调整 18。考虑压电式传感器的输出为电压或者电荷，比较电压放大器和电荷放大器的优缺点，选用电荷放大器。测量电路还应包括滤波电路。因为采用同一轴上安装两个压电传感器测量相反方向的力，所以还有对两个信号进行相加的电路，为了测量的力值准确，对相加后的信号进行平均，还需要一个放大倍数为 0.5 的反相比例运算放大器。综上，测量电路由电荷放大器，滤波电路，加法运算放大器，反相比例运算放大器组成。4.3 各组成部分的设计4.3.1 电荷放大器（1）电荷放大器的基本原理如图（4.2）所示，运放的反相端与传感器相连，输出经电容 C 反馈到输入端。电容两端的电压为 ,电荷放大器的输出是CQUc，所以电荷放大器的输出电压与输入电荷量成正比，与反馈电容成反比，QU0与电路其他参数无关。图 4.2 电荷放大器原理图（2）电荷放大器框图- 18 -图 4.3 电荷放大器框图电荷变换器：是整个仪器的核心，它由运算放大器和反馈网络组成。由 （4.1）CQU0可知，灵敏度为： （4.2）S1所以 ，则 C 减小使 增大。SQ1Q适调与滤波：采用比例放大器的适调级，精度取决于比例电阻的精度，也与运算放大器的增益有关。低通滤波器采用有源滤波。输出级：使输出的电压、电流满足后续电路的要求值。过载指示：防止放大器工作进入非线性区，过载时通过继电器，使仪器复位。（3）电荷放大器的等效电路图1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNu mber Rev isio nSizeBDate: 2 7-May -20 1 1 Sheet o f File: C:Do cu men ts an d Settin gsAd min istrato r图图图图图 图图.d dbDrawn By:Cs Rs Ce RiCiQCRU0+-N图 4.4 电荷放大器等效电路图图中， 压电式传感器电容； 传感器泄露电阻；SCSR传感器电缆电容； 运算放大器的输入电容；e iC运算放大器的输入电阻； C反馈电容；iR- 19 -R并联在反馈电容两端的反馈电阻；把 C、R 等效到 N 的输入端时，等效电阻 ,等效电容 ,K 为)1( KR)1( KC运算放大器 N 的开环放大倍数， 为传感器供电角频率，则输出为：(4.3)1()1()1(0 CjRUicSis （4.4）j0（4）运算放大器的选择要求：低漂移、宽频带、高增益和高输入阻抗；所选带宽大于规定带宽，带宽上限，增益 A80dB，高增益有利于连接长电缆KHz10（5）电荷放大器的各项参数选择反馈电容的计算选用的压电传感器的灵敏度为： NpcS/401设计的传感器的灵敏度初定为：（4.5）mV/电荷放大器的灵敏度： （4.6）fCS12因为： （4.7） 21可以计算出反馈电容的容量： （4.8）Sf1负号表示电荷方向和给的方向相反，在计算电容容量的时候忽略掉。所以 （F）=0.04（ ） 821014Cf F（4.9）反馈电阻的阻值计算设电荷放大器响应时间 t=2ms，要求精度：误差 e 小于 0.5%。按照 e=0.5%计算电荷放大器的放电常数 ，由于 et（4.10）计算出 - 20 -（s） （4.11）4%5.012et又因为 （4.12fCR）可以计算出反馈电阻的阻值：（M ） （4.13)1010488ffCR4.3.2 滤波电路由无源 RC 电路和有源的运算放大器构成的滤波器，称为有源滤波器。它具有体积小、频率特性好等优点 19。如下图（4.5）所示。轴的最高转速为 12000 转/分，折合频率为 200Hz，采用有源低通滤波器，设上限截止频率为 。上限截止频率较低，应选用容量较大并适用于低频的电Hzf40容器才能满足要求。根据各种电容的参数和使用环境，选用独石电容器（CT） 。1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBATitleNumber RevisionSizeA3Date: 27-May-2011 Sheet of File: C:Documents and SettingsAdministrator图图图图图 图图.ddbDrawn By:R144K C20.1uFR151KR3F1KC80.1uF-+ U10图 4.5 有源低通滤波器又因为 (4.14)2140Rf设电容值为 C=0.1uF，可以计算出电容值为：（K） （4.15）40978.30.421 3604 CfR有源滤波器的电压放大倍数：( 4.16 )20153)(RAFuU- 21 -当 =0 时， ( 4.17 )153RAFum所以，选择电阻值 K , K.13FR4.3.3 加法运算放大器加法电路是运放的反相输入端有两个输入信号，同相输入端接地，加法运算电路如下图(4.6)所示：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 27-May-2011 Sheet of File: C:Documents and SettingsAdministrator图图图图图 图图.ddbDraw