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变换为力的非电量

2、，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

3、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

4、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。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

5、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100MP

6、a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。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

7、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

8、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。（2）采用并联结构，输出电容大、电

9、荷大，同时，时间常数大，宜用于缓慢信号的测量。（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，电压灵敏度随着而变化； （2）采用电压放大器，因，所以减小而使增大，低频特性变坏。 综合以上分析比

10、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。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

11、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

12、.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。 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

13、验台连接采用M5的螺栓连接，所以在支架上打的通孔，以方便装配。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)弹性极限。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

14、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/屈服极限/MPa弹性模量/MPa线膨胀系数/泊松比机械品质因数恒弹性合金3J538.012507.58.10.301000 （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

15、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钢的性能参数牌号推荐热处理力学性能硬度正火淬火退火抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率收缩率/%冲击功/J未热处理退火钢不小于不大于4585084060060

16、0355164039229197（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

17、等调整圆柱槽的方向11。 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。3.3 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

18、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

19、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

20、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（）频率响应（Hz1dB）工作温度（）最大可测力安装螺纹（mm）外形尺寸（mm）重量（g）YD-25-A400PC/N110,000-40+80100NM524六方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

21、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，螺栓和壳体采用基孔制过渡配合13。3.5 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

22、书，转子转速为12000转/分，则被测量频率为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。利用仿真软件可以测试出固有频率，验证机械结构是否合理。3.5.1 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，

23、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sol

24、idworks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=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。 建模及划分网格后图形如下图（3.1）所示 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。

25、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，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12000

26、r/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。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

27、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：测量电路（阻抗变换放大作用）压电元件 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

28、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

29、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，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，与电路其他参数无关。图4.2 电荷

30、放大器原理图 （2）电荷放大器框图图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馈网络组成。由 （4.1）可知，灵敏度为： （4.2）所以，则C减小使增大。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； 传感器电缆电容； 运算放大器的输入电容； 运算放大器的输入电阻； C反馈电容； R并联

31、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) （4.4） （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，增益A80dB，高增益有利于连接长电缆 （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： 设计的传感器的灵敏度初定为： （4.5）电荷放大器的灵敏度： （4.6） 因为： （4.7） 可以计算出反馈电容的容量： （4.8）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（） （4.

32、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 （4.10）计算出 （s） （4.11）又因为 （4.12）可以计算出反馈电阻的阻值：（M） （4.13)4.3.2 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）。图4.5

33、 有源低通滤波器又因为 (4.14)设电容值为C=0.1uF，可以计算出电容值为：（K） （4.15）有源滤波器的电压放大倍数： ( 4.16 )当=0时， ( 4.17 )所以，选择电阻值 K , K.4.3.3 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：图4.6 加法运算放大器它的计算式为： (4.18) 式中负号表示输出电压和输入电压反相。为了让 （4.19）成立，取 (K), 则：=0.7 (K)4.3.4 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馈电路，同相输入端接地。本次设计的放大倍数为0.5，即,令=5

34、K，=10K就可以得到。4.4 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。对整体电路图进行细节修正。完整的电路图中还包括正负电源，运放的正极接正电源，负极接负电源，并且要在正负电源的接口处并联电容，并联电容的作用是去耦滤波，保证运放工作环境，以便保证运放工作在线性范围内，工作稳定。 压电传感器的输出电荷量Q输入测量电路的电荷放大器，经电荷放大器转化和放大成电压信号，进入滤波电路，经滤波器将频率大于400Hz的的信号滤掉，输出的电压信号进入比例运算电路进行正负两个方向的信号相加和平均，最后输出两个信号的平均值，进入后续的记录显示电路。使用Protel 99 SE

35、 进行电路图的绘制。4.5 测量电路仿真 传感器的测量电路要求输出准确，响应速度快等，所以要对设计好的测量电路进行仿真测试。选择用EWB软件对测量电路进行仿真测试。 electronics Workbench (EWB) 软件是加拿大Interactive Image Technology 公司推出的用于电子电路仿真的虚拟电子工作台软件。它可以对模拟、数字或混合电路进行仿真。该软件的特点是采用直观的图形界面，在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，用屏幕抓取的方式选用元器件，创建电路连接测量仪器。软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。 EWB软件带有丰富的电路元件库

36、，提供多种电路分析方法。作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。 （1）搭建电路 利用EWB里提供的各元件搭建简易电路，搭建好的电路图如下： 图4.7 EWB仿真电路图图中，输入级选用波形发生器，输出级选用示波器。图中各元件按照所设计的电路图中的元件参数设置。 （2）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下图（4.8）（4.9）所示：图4.8 200H

37、z 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下图（4.10）（4.11）所示：图4.10 300hz完整波形图图4.11 300Hz稳定波形图 以上图中，竖直线1在的位置是波形开始稳定的位置，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：图4.12 波形发生器的参数设置界面 5 压电式传感器性能指标5.1 灵敏度 设计的压电式测力传感器选用的是YD-25-A

38、型压电传感器作为敏感元件，它的灵敏度为，整体灵敏度S=10mV/N。5.2 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，电荷放大器放大倍数为。所以经电荷放大器出来的电压最大值，由于力的方向有正有负，所以测量值范围为-10V+10V，量程为20V。5.3 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。5.4 精度 设计的压电式测力传感器的精度为：误差小于0.5%。6 结 论本文从压电式测力传感器的基本原理、结构出发，一直到传感器的灵敏度、量程计算、固有频率和测量系统的设计，系统的完整的对压电式测力传感器设计进行了论述。本文主要从事的工作有：（1） 设计了压电式测力

39、传感器的结构。从转子试验台的测力需要出发，利用现有的压电传感器，组合设计出了能够测量X、Y双向力的传感器。（2） 建立了压电式测力传感器的机械结构模型，并进行固有频率的分析。（3） 设计了合适的压电式测力传感器测量电路，并进行了EWB的仿真模拟。（4） 计算出设计的压电式测力传感器的各项性能指标。 有待进一步研究的问题和以后的工作方向： （1）制作出完整的压电式测力传感器，研究传感器固有频率、仿真分析和实际数据之间存在差异的原因并进行改善。 （2）对传感器测量电路做进一步的分析和改进，以达到提高测量精度，减小测量误差的目的。 （3）进一步研究压电式测力传感器在机械工业中其他方面的应用。参 考

40、文 献1 杨宝清. 现代传感器技术基础M. 第一版. 北京: 国防工业出版社, 2002.022 路小波, 陶云刚.智能结构中的压电传感器与驱动器J.仪表技术与传感器. 998年, 第1期：29313 黄心汉, 胡建元, 王健.一种非径向三梁结构六维腕力传感器弹性体及其优化设计J. 机器人,1992, 14(5): 1-74 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, 1990,115 卢江跃, 张军, 钱敏. 新型压电式车削测力仪J. 仪表技术与传感器, 2009年第12期: 32346 曾庆钊, 严振祥. 一种新型车轮六维力传感器J. 仪

41、表技术与传感器, 1997.(10)7 李允明, C.S.George Lee. 机器人腕部力传感器的标定J. 中国纺织大学报, 1986.8 孙宝元, 钱 敏, 张 军. 一种新型径向测力轴承传感器的研制A. 第 4 届全国敏感元件与传感器学术会议论文集C. 上海: 上海交通大学, 1995: 485-486.9 李科杰. 新编传感器技术手册M. 北京:国防工业出版社M. 2002: 14514910 吴宗泽, 罗圣国. 机械设计课程设计手册M. 北京: 高等教育出版社, 2008.411 孙桓, 陈作模, 葛文杰. 机械原理. 北京: 高等教育出版社, 2008.12 璞良贵, 纪明刚.

42、机械设计M. 北京: 北京高等教育出版社, 2001年13 韩进宏. 互换性与技术测量M. 北京: 机械工业出版社, 2009:2950 14 熊诗波, 黄长艺. 机械工程测试技术基础M. 第三版. 北京: 机械工业出版社, 2009.6: 13914915 Yang, Z; Sadler, J.P. Application of ANSYS of the analysis of flexible mechanismsJ. 4th International ANSYS Conference and Exhibition 1989. Part2. 1989: 31-45）16 刘润华. 电子技术M. 第二版. 山东: 中国石油大学出版社, 2007.7: 606717 赵家贵, 付小美, 董平. 新编传感器电路设计手册M. 北京: 中国计量出版社. 2002.9: 1-218 刘少强, 张靖. 传感器设计与应用实例M. 北京: 中国电力出版社. 2008: 16917019 K.W.Ragland AND R.E.Cullen, Piezoelectric Pressure Transducer with Acoustic Absorbing Rod, THE REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, VOLUME 38, NUMBER 6- 25 -