20070403215_夏珩_压电式测力传感器设计

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1、济南大学毕业设计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

2、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

3、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

4、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-25-济南大学毕业设计。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

5、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

6、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。-25-济南大学毕业设计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

7、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