电式测力传感器设计说明书.doc

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 - 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 - 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。缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰，使输出具有扰动，非线性误