2023年0403215夏珩压电式测力传感器设计

1前 言设计的目的和意义便于测量和观看。压电元件是一种典型的力-电变换元件，承受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]。压电元学、生物医学、电声学等很多领域得到了广泛的应用[2]。运用，是对我在去企业工作前实际工作力量考验，也是一个很好的熬炼时机。国内外争论现状压电现象是100100多年的进展，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响。力传感器的争论成果是黄心汉等提出了一种三梁非径向对称构造的六维腕力传感器[3]，袁哲俊等研制了一种型的六维腕力传感器[4]，卢江跃等争论的型压电式车削测力仪[5]，曾庆钊等研发了一种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构造六维力传感器[7]，等众多力传感器，孙宝元等争论了一种型径向测量轴承[8]PZT类压偏聚氟乙烯PVD〔薄膜〕电陶瓷的优点是烧制便利、易成型、耐湿、耐高温。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,-0-它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有进展潜力的型电声材料。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进展趋势。但是压方面再提高一个层次，也是压电式测力传感器面临的问题。设计的内容的优点：它频带宽、灵敏度高、信噪比高、构造简洁、工作牢靠和重量轻。某些配套压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。元件的布局设计，测量电路设计，机械构造和测量电路仿真。-1-2总体方案设计功能与性能要求分析加工性能。对压电式测力传感器的性能要求是：性能稳定，测量准确，误差小于0.5%，灵敏度高，线性度好，固有频率高。设计方案比较分析与确定量X轴和Y设计方案拟定定如下设计方案。方案一：差动式并联敏感元件承受电荷放大器的压电式测力传感器荷放大器，将传感器输出的电荷放大并转换成电压输出，便利测量。方案二：串联敏感元件承受电压放大器的压电式测力传感器大器将传感器输出的微弱电压信号放大输出。设计方案比较与确定方案一优点：境量的影响；抵消了共模误差，削减了非线性因子的影响。C

R大，宜用于a-2-缓慢信号的测量。承受电荷放大器，可以抑制压电传感器的电压灵敏度随着电缆分布电容、低频特性恶化的缺点。方案一缺点：〔1〕电荷放大器简洁受到环境的干扰，从而产生误动作。方案二优点：自身电容小。抗的压电传感器匹配。方案二缺点：d承受电压放大器，电压灵敏度Sd

33 f(C

随着C,Ca

,Ci

而变化；

v C CCa c i

a c i低频特性变坏。

1 1 RC (Ra

1 ，所以R//R)C i

减小而使增大，能更强的压电式测力传感器。-3-3机械局部设计压电式测力传感器的机械构造局部设计应主要完成以下方面的内容：-电转换效率。X、Y双向的载荷信息，输出信号之间没有干扰。设计支架。支架应易于加工，所用材料性价比高。机械局部的组成和作用轴瓦。轴瓦的作用是保护高速主轴，起到弹性体和主轴的连接。力传递给敏感元件。〔压力〔Q〕的转换元件。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。防松垫片。作用是防止预紧螺栓由于振动而松弛。预紧螺母。作用和预紧螺栓一样，都是调解预紧力的。机械零部件设计方面阐述。支架的设计支架材料选择45支架的构造。支架的整体构造打算了本组合式压电式测力传感器的构造和组成方式。通过对M5的螺栓，通过类比，觉察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。-4-线要求严格垂直。M5的螺栓连接，所以在支架上打5.5mm的通孔，以便利装配。弹性体的设计材料选择材料。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：1 2U p 2 E

(3.1) p由式〔1〕可见，比值性模量的材料。

2/E越高越好，欲提高p

2/E，则可选用高弹性极限或低弹p①②具有高的冲击韧性和疲乏极限；③弹性模量温度系数小而稳定；④热处理后应有均匀稳定的组织，且各抗腐蚀性能；⑧弹性滞后应尽量小[9]。综合以上因素，选择恒弹性合金3J53-60~+100°C的温度范围内，根本上是恒定的。它的主要参数如下：线膨胀系数材料密度/g线膨胀系数材料密度/gcm3/MPa/MPat/泊松比106C1因数恒弹性合3J538.012507.5~8.10.301000构造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，形的面，和弹性体承受M5的螺纹连接，所以外外表承受方形切圆形形成的外表。在接触面为平面，非接触面为圆弧面，有利于机械加工。-5-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，则内外表和螺纹孔的5mm13mm。最终设计，弹性体内径为14mm，外径为42.5mm，外径被宽为40mm的正方形切掉。传力块的设计材料选择45钢作为传力块的材料。它的主要性能参数如下表[10]推举热处理力学性能硬度屈服牌号推举热处理力学性能硬度屈服牌号正火淬火退火抗拉强度/MPa强度s/MPa率/%冲击功AK/J未热处理退火钢45850 840 600600355不小于16不大于4039229197传力块构造和尺寸传力块和导向杆承受圆柱体连接，为了加工便利，传力块设计成方形体，在中间挖圆柱形槽，便利放置圆柱体。传力块高为16mm，长为30mm，宽为16mm。导向杆的设计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。导向杆构造和尺寸设计由于导向杆是传导力，掌握力的方向，保证力在水平和垂直方向的稳定，所以[11]。为了加工壳体的便利，将导向杆的直径取为连接螺栓的内径，为15mm。方形3mm2mm。连接圆柱的设计连接圆柱材料选择-6-连接圆柱材料同样选为45钢。连着圆柱尺寸连接圆柱直径为10mm24mm。机械零部件的选型阐述。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，轴瓦的构造尺寸和轴配套，选用内径为9.5mm，外径为14mm的轴瓦。内外径距4.5mm，可以满足轴转动时的强度要求。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。为了准确进展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,即对格外低和格外高的振动都能准确地响应；3)具有较宽的频4)对环境干扰具有最低的灵敏度；5)构造结实,工作牢靠,能够长时间保持稳定的特性。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。力传感器不太适宜于在转子动力学系统中。阻抗要求较高。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：型号度频率响应〔Hz±1dB型号度频率响应〔Hz±1dB度测力安装螺纹〔mm〕外形尺寸〔mm〕重量〔g〕-7-〔pC〔pC/ms2〕〕〔C〕YD-25-A400PC/N1~10,000-40~+80100NM524六方×2029为了协作导向杆的安装，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，外表氧化。螺纹承受细牙螺纹，螺距选为1mm，公称长39mm以便利预紧的时候微调。螺栓材料为钢。标记为：螺栓GB/T 5783 M16×39防松垫片的选型依据预紧螺栓的型号，选择规格为16，材料为65Mn外表氧化的标准型弹簧垫圈，标记为：垫圈GB/T9316。预紧螺母的选型依据预紧螺栓选择螺纹规格为d=M16、性能等级为8级、不经外表处理、A级的型六角螺母。螺母材料为钢。标记为：螺母 GB/T 6170 M16机械局部总成基轴制过盈协作9.5N7/h7，轴瓦和弹性体承受基轴制间隙协作14F7/h7，螺栓和壳体承受基孔制过渡协作16H7/js7[13]。机械构造系统仿真机械构造设计完成后，必需知道传感器的固有频率。传感器的固有频率必需大12023/分，则被测量频率为200Hz，则设计的传感器的固有频率f 必需大于400Hz才能正常的使用[14]。利用仿真0软件可以测试出固有频率f，验证机械构造是否合理。0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-8-方法进展分析解决。ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。它在机械构造系统受到外力负载所消灭的反响，比方应力、位移、温度等，依据该反响可知道机械构造系统受到外力受的负载也相当多，理论分析往往无法进展。想要解答，必需先简化构造，承受数值模拟方法分析，在机械、电机、土木、电子和航空等领域的使用，都到达某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计本钱，缩短设计时间[15]ANSYSANSYS中，模态分析是线性分析，将无视任何非线性特征。成。第一步：建模及划分网格面的预紧螺母，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65Mn单元类型设置：单元类型1〔type1〕选择为SOLID45，单元类型2〔type2〕COMBIN14。模型材料属性设置：弹性模量为E=2e11Gpa，泊松比为µ=0.3，密度为ρ=780。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1V 0.65283e7，则ky Vy

1.53e7。建模及划分网格后图形如以下图〔3.1〕所示图3.1 建模及网格划分其次步：加载和求解Powerdynamics法。模态分析施加的载荷只包括位移约束，不包括压力。进展求解。第三步：扩展模态4，重进展求解。第四步：结果分析进入通用后处理器〔POST13.4-9-3.4传感器的固有震惊频率〔Hz〕阶次1234频率1010.31034.11555.81647.1各阶固有频率变形图如下所示：图3.2 一阶固有频率变形图图3.3 二阶固有频率变形图图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，说明设计的传感器构造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12023r/min，可以估量出传感器接收的振动力最大频率为200Hz，依据机构固有频率大于所要求的频率两倍〔400Hz〕来比较，一阶固1010.3Hz0-400Hz的频率要求，不会产生共振现象。4传感器测量电路功能和要求分析传感器测量电路的作用的较强信号的电路，一般称之为传感器电路。阻抗变换和信号放大，所以设计的测量电路的作用是：①阻抗变换器，将高阻抗变为低阻抗；②信号放大器，进展电压放大和电荷放大。测量电路框图如下：非电量非电量压电元件电荷、电压测量电路〔阻抗变换放大作用〕可用电荷、电压4.1测量电路框图传感器测量电路的要求为了保证传感器能够准确的测量输出信号，必需对传感器的电路有肯定的要求。-10-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根底。为了实现高精度，电路应具备以下性能：①低噪声与高抗干扰力量响应速度快可调性好牢靠性好经济性强[17]测量电路的组成组成。〔1〕〔2〕抗共模〔3〔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0.5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。各组成局部的设计电荷放大器〔4.2〕所示，运放的反相端与传感器相连，输出经电容C反响到输入端。电容两端的电压为 U Q ,电荷放大器的输出是c CU Q ，所以电荷放大器的输出电压与输入电荷量成正比，与反响电容成反比，0 C与电路其他参数无关。

图4.2 电荷放大器原理图图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响网络组成。由 U Q0 C-11-

〔4.1〕可知，灵敏度为： S U0 1Q Q C所以S 1C，则C减小使S 增大。Q Q

〔4.2〕器的增益有关。低通滤波器承受有源滤波。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。电荷放大器的等效电路图RC∞-+Cs Rs Ce Ci Ri+Q N U04.4电荷放大器等效电路图CSC

—压电式传感器电容； RS—传感器电缆电容； C

—传感器泄露电阻；—运算放大器的输入电容；e iR—运算放大器的输入电阻；C—反响电容；iR—并联在反响电容两端的反响电阻；C、RNR”R(1K,等效电容C”C1K,KN为传感器供电角频率，则输出为：jKU 0

[(1Rs

i jR

CCc

(1K)C]

(4.3)U 0

1jR

〔4.4〕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100KHzA>80dB，高增益有利于连接长电缆-12-电荷放大器的各项参数选择①反响电容的计算S1

400pc/N设计的传感器的灵敏度初定为：S10mV/N 〔4.5〕电荷放大器的灵敏度：

CS 1C2f

〔4.6〕由于： SSS1 2S

〔4.7〕可以计算出反响电容的容量： Cf

1 〔4.8〕S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无视掉。所以 C

41010

4108〔F〕=0.04〔F〕 〔4.9〕Sf S 1102S②反响电阻的阻值计算差e小于0.5%。依据e=0.5%计算电荷放大器的放电常数 ，由于

t〔4.10〕e计算出 t

21024〔s〕 〔4.11〕e 0.5%又由于 R Cf f可以计算出反响电阻的阻值：

〔4.12〕R f Cf

44108

1108

100〔MΩ〕 〔4.13)滤波电路RC12023/200Hz，承受有源低通滤波器，设上限截止频率为f 400Hz上限截止频率较低应选用容量较大并适用于低频的电容0器才能满足要求。依据各种电容的参数和使用环境，选用独石电容器〔CT。图4.5 有源低通滤波器-13-又由于

1 (4.14)0 2RC14 2C=0.1uF，可以计算出电容值为：1 114R 2fC140 2

3.978910324000.1106

4〔KΩ〕 〔4.15〕有源滤波器的电压放大倍数：1R R1()21R R1()203F 15u当ω=0时， A um

1 3F (4.17)RRR15R3F

1KΩ ,R15

1KΩ.加法运算放大器路如以下图(4.6)所示：图4.6 加法运算放大器它的计算式为：17u(R171 R16

u 17uR10 R 20R26

) (4.18)式中负号表示输出电压和输入电压反相。为了让 u1

(u10

u ) 〔4.19〕20成立，取R R17

R 2 (KΩR26

R //R17

//R26

=0.7(KΩ)反相比例运算放大器反相比例运算电路是一电压并联负反响电路，同相输入端接地。本次设计的放uR大倍数为0.5，即A 0 F0.5,令R uR

=10KΩ就可以得到。uf u R F 1i 1总体电路绘制由设计好的电荷放大器、滤波器、放大器等组合成完整的电路原理图。对整体-14-运放工作环境，以便保证运放工作在线性范围内，工作稳定。400Hz的平均值，进入后续的记录显示电路。Protel99SE进展电路图的绘制。测量电路仿真EWBelectronicsWorkbench(EWB)InteractiveImageTechnology面板外形和操作方式都与实物相像，可以实时显示测量结果。EWB软件带有丰富的常用电子仪器测量方法。搭建电路利用EWB里供给的各元件搭建简易电路，搭建好的电路图如下：图4.7 EWB仿真电路图-15-中的元件参数设置。仿真测试波形发生器调到正弦波，频率调到200Hz，电压分别调到10mV。完整的波形和稳定时候的波形图分别如以下图〔4.8〔4.9〕所示：图4.8 200Hz完整波形图图4.9 200Hz稳定波形图波形发生器调到正弦波300Hz，电压调大10mV，完整波形和稳定波形如以下图〔4.10〕〔4.11〕所示：4.10300hz完整波形图图4.11 300Hz稳定波形图以上图中，竖直线1在的位置是波形开头稳定的位置，从T1方框可以看出此时竖线1和波形相交的点的电压和响应时间竖线2放置的位置是波形已经稳定的时候，它与波形相交点的参 数是竖线1的参考值。从图中可以看出，波形没有失真，响应速度也很快。附波形发生器的参数设置界面图：4.12波形发生器的参数设置界面-16-5压电式传感器性能指标灵敏度YD-25-A灵敏度为S1400pc/NS=10mV/N。量程压电式测力传感器的灵敏度S=10mV/N。可测量的最大力为Fmax

100N，电荷Au

10Umax

SF Amax u

101031001010V，由于力的方向有正有负，所以测量值范围为-10V~+10V20V。频率特性设计的压电式测力传感器具有很好的低频响应特性。精度设计的压电式测力传感器的精度为：误差小于0.5%。-17-6结 论述。本文主要从事的工作有：X、Y建立了压电式测力传感器的机械构造模型，并进展固有频率的分析。设计了适宜的压电式测力传感器测量电路，并进展了EWB的仿真模拟。有待进一步争论的问题和以后的工作方向：数据之间存在差异的缘由并进展改善。量误差的目的。进一步争论压电式测力传感器在机械工业中其他方面的应用。-18-参考文献杨宝清.现代传感器技术根底[M].第一版.北京:国防工业出版社,2023.02路小波,陶云刚.智能构造中的压电传感器与驱动器[J].仪表技术与传感器.998年,1期：29~31黄心汉,胡建元,王健.一种非径向三梁构造六维腕力传感器弹性体及其优化设计[J].机器人,1992,14(5):1-7袁哲俊,王娜君.机器人用六维力、力矩传感器.中国专利,专利号:CN-2066134U,1990,11卢江跃,张军,钱敏.型压电式车削测力仪[J].仪表技术与传感器,202312期:32~34曾庆钊,严振