1前 言設(shè)計的目的和意義便于測量和觀看。壓電元件是一種典型的力-電變換元件，承受壓電元件的壓電式傳感器可用于測量最終能變換為力的非電量，如力、壓力、力矩、加速度等[1]。壓電元學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)等很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。運(yùn)用，是對我在去企業(yè)工作前實(shí)際工作力量考驗(yàn)，也是一個很好的熬煉時機(jī)。國內(nèi)外爭論現(xiàn)狀壓電現(xiàn)象是100100多年的進(jìn)展，傳感器也從最初的對被測量的直接測量到現(xiàn)在的與計算機(jī)結(jié)合，完成系統(tǒng)的實(shí)時測控和反響。力傳感器的爭論成果是黃心漢等提出了一種三梁非徑向?qū)ΨQ構(gòu)造的六維腕力傳感器[3]，袁哲俊等研制了一種型的六維腕力傳感器[4]，盧江躍等爭論的型壓電式車削測力儀[5]，曾慶釗等研發(fā)了一種型車輪六維力傳感器[6]，中科院合肥智能所和中國紡織大學(xué)先后研制了十字構(gòu)造六維力傳感器[7]，等眾多力傳感器，孫寶元等爭論了一種型徑向測量軸承[8]PZT類壓偏聚氟乙烯PVD〔薄膜〕電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是燒制便利、易成型、耐濕、耐高溫。缺點(diǎn)是具有熱釋電性，會對力學(xué)量測量造成干擾，使輸出具有擾動，非線性誤差大。有機(jī)壓電材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龍等十余種高分子材料。有機(jī)壓電材料可大量生產(chǎn)和制成較大的面積,-0-它與空氣的聲阻匹配具有獨(dú)特的優(yōu)越性,是很有進(jìn)展?jié)摿Φ男碗娐暡牧?。小型化，集成化，智能化，廣泛化，標(biāo)準(zhǔn)化是壓電式測力傳感器的進(jìn)展趨勢。但是壓方面再提高一個層次，也是壓電式測力傳感器面臨的問題。設(shè)計的內(nèi)容的優(yōu)點(diǎn)：它頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、構(gòu)造簡潔、工作牢靠和重量輕。某些配套壓100MPa以下的力；測量精度較高；頻率響應(yīng)高，可達(dá)30kHz，是動態(tài)力檢測中常用的傳感器，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。元件的布局設(shè)計，測量電路設(shè)計，機(jī)械構(gòu)造和測量電路仿真。-1-2總體方案設(shè)計功能與性能要求分析加工性能。對壓電式測力傳感器的性能要求是：性能穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確，誤差小于0.5%，靈敏度高，線性度好，固有頻率高。設(shè)計方案比較分析與確定量X軸和Y設(shè)計方案擬定定如下設(shè)計方案。方案一：差動式并聯(lián)敏感元件承受電荷放大器的壓電式測力傳感器荷放大器，將傳感器輸出的電荷放大并轉(zhuǎn)換成電壓輸出，便利測量。方案二：串聯(lián)敏感元件承受電壓放大器的壓電式測力傳感器大器將傳感器輸出的微弱電壓信號放大輸出。設(shè)計方案比較與確定方案一優(yōu)點(diǎn)：境量的影響；抵消了共模誤差，削減了非線性因子的影響。C

R大，宜用于a-2-緩慢信號的測量。承受電荷放大器，可以抑制壓電傳感器的電壓靈敏度隨著電纜分布電容、低頻特性惡化的缺點(diǎn)。方案一缺點(diǎn)：〔1〕電荷放大器簡潔受到環(huán)境的干擾，從而產(chǎn)生誤動作。方案二優(yōu)點(diǎn)：自身電容小?？沟膲弘妭鞲衅髌ヅ洹７桨付秉c(diǎn)：d承受電壓放大器，電壓靈敏度Sd

33 f(C

隨著C,Ca

,Ci

而變化；

v C CCa c i

a c i低頻特性變壞。

1 1 RC (Ra

1 ，所以R//R)C i

減小而使增大，能更強(qiáng)的壓電式測力傳感器。-3-3機(jī)械局部設(shè)計壓電式測力傳感器的機(jī)械構(gòu)造局部設(shè)計應(yīng)主要完成以下方面的內(nèi)容：-電轉(zhuǎn)換效率。X、Y雙向的載荷信息，輸出信號之間沒有干擾。設(shè)計支架。支架應(yīng)易于加工，所用材料性價比高。機(jī)械局部的組成和作用軸瓦。軸瓦的作用是保護(hù)高速主軸，起到彈性體和主軸的連接。力傳遞給敏感元件。〔壓力〔Q〕的轉(zhuǎn)換元件。導(dǎo)向桿。導(dǎo)向桿的作用是保持力的方向不變。連接圓柱體。連接圓柱體是將導(dǎo)向桿和傳力塊連接起來的零件。防松墊片。作用是防止預(yù)緊螺栓由于振動而松弛。預(yù)緊螺母。作用和預(yù)緊螺栓一樣，都是調(diào)解預(yù)緊力的。機(jī)械零部件設(shè)計方面闡述。支架的設(shè)計支架材料選擇45支架的構(gòu)造。支架的整體構(gòu)造打算了本組合式壓電式測力傳感器的構(gòu)造和組成方式。通過對M5的螺栓，通過類比，覺察只要所設(shè)計的支架厚度和剛度都大于M5的螺栓，那么支架的剛度性能可以滿足要求。-4-線要求嚴(yán)格垂直。M5的螺栓連接，所以在支架上打5.5mm的通孔，以便利裝配。彈性體的設(shè)計材料選擇材料。彈性極限越高，材料的彈性儲能越大，非彈性效應(yīng)也就越小。材料的彈性儲能為：1 2U p 2 E

(3.1) p由式〔1〕可見，比值性模量的材料。

2/E越高越好，欲提高p

2/E，則可選用高彈性極限或低彈p①②具有高的沖擊韌性和疲乏極限；③彈性模量溫度系數(shù)小而穩(wěn)定；④熱處理后應(yīng)有均勻穩(wěn)定的組織，且各抗腐蝕性能；⑧彈性滯后應(yīng)盡量小[9]。綜合以上因素，選擇恒彈性合金3J53-60~+100°C的溫度范圍內(nèi)，根本上是恒定的。它的主要參數(shù)如下：線膨脹系數(shù)材料密度/g線膨脹系數(shù)材料密度/gcm3/MPa/MPat/泊松比106C1因數(shù)恒彈性合3J538.012507.5~8.10.301000構(gòu)造設(shè)計為保證傳感器精度，要求彈性體無摩擦無間隙。由于彈性體直接裝在軸瓦上，形的面，和彈性體承受M5的螺紋連接，所以外外表承受方形切圓形形成的外表。在接觸面為平面，非接觸面為圓弧面，有利于機(jī)械加工。-5-尺寸設(shè)計彈性體和敏感元件的連接孔為6.3mm，要保證剛度要求，則內(nèi)外表和螺紋孔的5mm13mm。最終設(shè)計，彈性體內(nèi)徑為14mm，外徑為42.5mm，外徑被寬為40mm的正方形切掉。傳力塊的設(shè)計材料選擇45鋼作為傳力塊的材料。它的主要性能參數(shù)如下表[10]推舉熱處理力學(xué)性能硬度屈服牌號推舉熱處理力學(xué)性能硬度屈服牌號正火淬火退火抗拉強(qiáng)度/MPa強(qiáng)度s/MPa率/%沖擊功AK/J未熱處理退火鋼45850 840 600600355不小于16不大于4039229197傳力塊構(gòu)造和尺寸傳力塊和導(dǎo)向桿承受圓柱體連接，為了加工便利，傳力塊設(shè)計成方形體，在中間挖圓柱形槽，便利放置圓柱體。傳力塊高為16mm，長為30mm，寬為16mm。導(dǎo)向桿的設(shè)計導(dǎo)向桿材料選擇導(dǎo)向桿材料和傳力塊材料選為一樣的，都用45鋼。導(dǎo)向桿構(gòu)造和尺寸設(shè)計由于導(dǎo)向桿是傳導(dǎo)力，掌握力的方向，保證力在水平和垂直方向的穩(wěn)定，所以[11]。為了加工殼體的便利，將導(dǎo)向桿的直徑取為連接螺栓的內(nèi)徑，為15mm。方形3mm2mm。連接圓柱的設(shè)計連接圓柱材料選擇-6-連接圓柱材料同樣選為45鋼。連著圓柱尺寸連接圓柱直徑為10mm24mm。機(jī)械零部件的選型闡述。軸瓦的選型軸瓦是連接主軸和彈性體的部件，也是保護(hù)軸在高速轉(zhuǎn)動中少受沖擊的部件，軸瓦的構(gòu)造尺寸和軸配套，選用內(nèi)徑為9.5mm，外徑為14mm的軸瓦。內(nèi)外徑距4.5mm，可以滿足軸轉(zhuǎn)動時的強(qiáng)度要求。力敏感元件選型測試系統(tǒng)中，力傳感器的作用是把振動量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。為了準(zhǔn)確進(jìn)展1〕便于傳感器的安裝，有利于導(dǎo)線的引出；2〕具有較寬的動態(tài)范圍,即對格外低和格外高的振動都能準(zhǔn)確地響應(yīng)；3)具有較寬的頻4)對環(huán)境干擾具有最低的靈敏度；5)構(gòu)造結(jié)實(shí),工作牢靠,能夠長時間保持穩(wěn)定的特性。橋路受溫度濕度影響較大，不太適宜應(yīng)用在轉(zhuǎn)子動力學(xué)系統(tǒng)中。力傳感器不太適宜于在轉(zhuǎn)子動力學(xué)系統(tǒng)中。阻抗要求較高。擇了壓電材料作為測力傳感器的敏感元件。綜合以上分析，選擇型號為YD-25-A的壓電式敏感元件。它的主要性能如下：型號度頻率響應(yīng)〔Hz±1dB型號度頻率響應(yīng)〔Hz±1dB度測力安裝螺紋〔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為了協(xié)作導(dǎo)向桿的安裝，預(yù)緊螺栓選用螺紋規(guī)格d=M16的光頭A級全螺紋螺栓[12]，性能等級為8.8級，外表氧化。螺紋承受細(xì)牙螺紋，螺距選為1mm，公稱長39mm以便利預(yù)緊的時候微調(diào)。螺栓材料為鋼。標(biāo)記為：螺栓GB/T 5783 M16×39防松墊片的選型依據(jù)預(yù)緊螺栓的型號，選擇規(guī)格為16，材料為65Mn外表氧化的標(biāo)準(zhǔn)型彈簧墊圈，標(biāo)記為：墊圈GB/T9316。預(yù)緊螺母的選型依據(jù)預(yù)緊螺栓選擇螺紋規(guī)格為d=M16、性能等級為8級、不經(jīng)外表處理、A級的型六角螺母。螺母材料為鋼。標(biāo)記為：螺母 GB/T 6170 M16機(jī)械局部總成基軸制過盈協(xié)作9.5N7/h7，軸瓦和彈性體承受基軸制間隙協(xié)作14F7/h7，螺栓和殼體承受基孔制過渡協(xié)作16H7/js7[13]。機(jī)械構(gòu)造系統(tǒng)仿真機(jī)械構(gòu)造設(shè)計完成后，必需知道傳感器的固有頻率。傳感器的固有頻率必需大12023/分，則被測量頻率為200Hz，則設(shè)計的傳感器的固有頻率f 必需大于400Hz才能正常的使用[14]。利用仿真0軟件可以測試出固有頻率f，驗(yàn)證機(jī)械構(gòu)造是否合理。0仿真軟件選擇有限元方法是用于求解工程中各類問題的數(shù)值方法。應(yīng)力分析中穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)-8-方法進(jìn)展分析解決。ANSYS是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。它在機(jī)械構(gòu)造系統(tǒng)受到外力負(fù)載所消滅的反響，比方應(yīng)力、位移、溫度等，依據(jù)該反響可知道機(jī)械構(gòu)造系統(tǒng)受到外力受的負(fù)載也相當(dāng)多，理論分析往往無法進(jìn)展。想要解答，必需先簡化構(gòu)造，承受數(shù)值模擬方法分析，在機(jī)械、電機(jī)、土木、電子和航空等領(lǐng)域的使用，都到達(dá)某種程度的可信度，頗獲各界好評。使用該軟件，能夠降低設(shè)計本錢，縮短設(shè)計時間[15]ANSYSANSYS中，模態(tài)分析是線性分析，將無視任何非線性特征。成。第一步：建模及劃分網(wǎng)格面的預(yù)緊螺母，去掉內(nèi)部的連接圓柱體，簡化模型后，用solidworks建模，外部零件組合一起形成外殼，內(nèi)部零件組合一起形成內(nèi)芯，在ANSYS系統(tǒng)中，用彈簧將內(nèi)芯65Mn單元類型設(shè)置：單元類型1〔type1〕選擇為SOLID45，單元類型2〔type2〕COMBIN14。模型材料屬性設(shè)置：彈性模量為E=2e11Gpa，泊松比為μ=0.3，密度為ρ=780。彈簧剛度k計算：令模型下部為全約束，豎直方向加力 F=1N，由于1V 0.65283e7，則ky Vy

1.53e7。建模及劃分網(wǎng)格后圖形如以下圖〔3.1〕所示圖3.1 建模及網(wǎng)格劃分其次步：加載和求解Powerdynamics法。模態(tài)分析施加的載荷只包括位移約束，不包括壓力。進(jìn)展求解。第三步：擴(kuò)展模態(tài)4，重進(jìn)展求解。第四步：結(jié)果分析進(jìn)入通用后處理器〔POST13.4-9-3.4傳感器的固有震驚頻率〔Hz〕階次1234頻率1010.31034.11555.81647.1各階固有頻率變形圖如下所示：圖3.2 一階固有頻率變形圖圖3.3 二階固有頻率變形圖圖3.4 三階固有頻率變形圖圖3.5 四階固有頻率變形圖通過以上分析，說明設(shè)計的傳感器構(gòu)造具有較高的一階固有頻率1010.3Hz，設(shè)計任務(wù)書中給定的最大主軸轉(zhuǎn)速為12023r/min，可以估量出傳感器接收的振動力最大頻率為200Hz，依據(jù)機(jī)構(gòu)固有頻率大于所要求的頻率兩倍〔400Hz〕來比較，一階固1010.3Hz0-400Hz的頻率要求，不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。4傳感器測量電路功能和要求分析傳感器測量電路的作用的較強(qiáng)信號的電路，一般稱之為傳感器電路。阻抗變換和信號放大，所以設(shè)計的測量電路的作用是：①阻抗變換器，將高阻抗變?yōu)榈妥杩?；②信號放大器，進(jìn)展電壓放大和電荷放大。測量電路框圖如下：非電量非電量壓電元件電荷、電壓測量電路〔阻抗變換放大作用〕可用電荷、電壓4.1測量電路框圖傳感器測量電路的要求為了保證傳感器能夠準(zhǔn)確的測量輸出信號，必需對傳感器的電路有肯定的要求。-10-準(zhǔn)確度〔精度〕傳感器電路具有高精度，是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量被測對象狀態(tài)或參數(shù)的重要根底。為了實(shí)現(xiàn)高精度，電路應(yīng)具備以下性能：①低噪聲與高抗干擾力量響應(yīng)速度快可調(diào)性好牢靠性好經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)[17]測量電路的組成組成?！?〕〔2〕抗共模〔3〔4〕便于增益調(diào)整[18]。考慮壓電式傳感器的輸出為電壓或者電荷，比較電壓放大器和電荷放大器的優(yōu)0.5綜上，測量電路由電荷放大器，濾波電路，加法運(yùn)算放大器，反相比例運(yùn)算放大器組成。各組成局部的設(shè)計電荷放大器〔4.2〕所示，運(yùn)放的反相端與傳感器相連，輸出經(jīng)電容C反響到輸入端。電容兩端的電壓為 U Q ,電荷放大器的輸出是c CU Q ，所以電荷放大器的輸出電壓與輸入電荷量成正比，與反響電容成反比，0 C與電路其他參數(shù)無關(guān)。

圖4.2 電荷放大器原理圖圖4.3 電荷放大器框圖電荷變換器：是整個儀器的核心，它由運(yùn)算放大器和反響網(wǎng)絡(luò)組成。由 U Q0 C-11-

〔4.1〕可知，靈敏度為： S U0 1Q Q C所以S 1C，則C減小使S 增大。Q Q

〔4.2〕器的增益有關(guān)。低通濾波器承受有源濾波。輸出級：使輸出的電壓、電流滿足后續(xù)電路的要求值。過載指示：防止放大器工作進(jìn)入非線性區(qū)，過載時通過繼電器，使儀器復(fù)位。電荷放大器的等效電路圖RC∞-+Cs Rs Ce Ci Ri+Q N U04.4電荷放大器等效電路圖CSC

—壓電式傳感器電容； RS—傳感器電纜電容； C

—傳感器泄露電阻；—運(yùn)算放大器的輸入電容；e iR—運(yùn)算放大器的輸入電阻；C—反響電容；iR—并聯(lián)在反響電容兩端的反響電阻；C、RNR”R(1K,等效電容C”C1K,KN為傳感器供電角頻率，則輸出為：jKU 0

[(1Rs

i jR

CCc

(1K)C]

(4.3)U 0

1jR

〔4.4〕運(yùn)算放大器的選擇要求：低漂移、寬頻帶、高增益和高輸入阻抗；所選帶寬大于規(guī)定帶寬，帶寬上限100KHzA>80dB，高增益有利于連接長電纜-12-電荷放大器的各項參數(shù)選擇①反響電容的計算S1

400pc/N設(shè)計的傳感器的靈敏度初定為：S10mV/N 〔4.5〕電荷放大器的靈敏度：

CS 1C2f

〔4.6〕由于： SSS1 2S

〔4.7〕可以計算出反響電容的容量： Cf

1 〔4.8〕S負(fù)號表示電荷方向和給的方向相反，在計算電容容量的時候無視掉。所以 C

41010

4108〔F〕=0.04〔F〕 〔4.9〕Sf S 1102S②反響電阻的阻值計算差e小于0.5%。依據(jù)e=0.5%計算電荷放大器的放電常數(shù) ，由于

t〔4.10〕e計算出 t

21024〔s〕 〔4.11〕e 0.5%又由于 R Cf f可以計算出反響電阻的阻值：

〔4.12〕R f Cf

44108

1108

100〔MΩ〕 〔4.13)濾波電路RC12023/200Hz，承受有源低通濾波器，設(shè)上限截止頻率為f 400Hz上限截止頻率較低應(yīng)選用容量較大并適用于低頻的電容0器才能滿足要求。依據(jù)各種電容的參數(shù)和使用環(huán)境，選用獨(dú)石電容器〔CT。圖4.5 有源低通濾波器-13-又由于

1 (4.14)0 2RC14 2C=0.1uF，可以計算出電容值為：1 114R 2fC140 2

3.978910324000.1106

4〔KΩ〕 〔4.15〕有源濾波器的電壓放大倍數(shù)：1R R1()21R R1()203F 15u當(dāng)ω=0時， A um

1 3F (4.17)RRR15R3F

1KΩ ,R15

1KΩ.加法運(yùn)算放大器路如以下圖(4.6)所示：圖4.6 加法運(yùn)算放大器它的計算式為：17u(R171 R16

u 17uR10 R 20R26

) (4.18)式中負(fù)號表示輸出電壓和輸入電壓反相。為了讓 u1

(u10

u ) 〔4.19〕20成立，取R R17

R 2 (KΩR26

R //R17

//R26

=0.7(KΩ)反相比例運(yùn)算放大器反相比例運(yùn)算電路是一電壓并聯(lián)負(fù)反響電路，同相輸入端接地。本次設(shè)計的放uR大倍數(shù)為0.5，即A 0 F0.5,令R uR

=10KΩ就可以得到。uf u R F 1i 1總體電路繪制由設(shè)計好的電荷放大器、濾波器、放大器等組合成完整的電路原理圖。對整體-14-運(yùn)放工作環(huán)境，以便保證運(yùn)放工作在線性范圍內(nèi)，工作穩(wěn)定。400Hz的平均值，進(jìn)入后續(xù)的記錄顯示電路。Protel99SE進(jìn)展電路圖的繪制。測量電路仿真EWBelectronicsWorkbench(EWB)InteractiveImageTechnology面板外形和操作方式都與實(shí)物相像，可以實(shí)時顯示測量結(jié)果。EWB軟件帶有豐富的常用電子儀器測量方法。搭建電路利用EWB里供給的各元件搭建簡易電路，搭建好的電路圖如下：圖4.7 EWB仿真電路圖-15-中的元件參數(shù)設(shè)置。仿真測試波形發(fā)生器調(diào)到正弦波，頻率調(diào)到200Hz，電壓分別調(diào)到10mV。完整的波形和穩(wěn)定時候的波形圖分別如以下圖〔4.8〔4.9〕所示：圖4.8 200Hz完整波形圖圖4.9 200Hz穩(wěn)定波形圖波形發(fā)生器調(diào)到正弦波300Hz，電壓調(diào)大10mV，完整波形和穩(wěn)定波形如以下圖〔4.10〕〔4.11〕所示：4.10300hz完整波形圖圖4.11 300Hz穩(wěn)定波形圖以上圖中，豎直線1在的位置是波形開頭穩(wěn)定的位置，從T1方框可以看出此時豎線1和波形相交的點(diǎn)的電壓和響應(yīng)時間豎線2放置的位置是波形已經(jīng)穩(wěn)定的時候，它與波形相交點(diǎn)的參 數(shù)是豎線1的參考值。從圖中可以看出，波形沒有失真，響應(yīng)速度也很快。附波形發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置界面圖：4.12波形發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置界面-16-5壓電式傳感器性能指標(biāo)靈敏度YD-25-A靈敏度為S1400pc/NS=10mV/N。量程壓電式測力傳感器的靈敏度S=10mV/N?？蓽y量的最大力為Fmax

100N，電荷Au

10Umax

SF Amax u

101031001010V，由于力的方向有正有負(fù)，所以測量值范圍為-10V~+10V20V。頻率特性設(shè)計的壓電式測力傳感器具有很好的低頻響應(yīng)特性。精度設(shè)計的壓電式測力傳感器的精度為：誤差小于0.5%。-17-6結(jié) 論述。本文主要從事的工作有：X、Y建立了壓電式測力傳感器的機(jī)械構(gòu)造模型，并進(jìn)展固有頻率的分析。設(shè)計了適宜的壓電式測力傳感器測量電路，并進(jìn)展了EWB的仿真模擬。有待進(jìn)一步爭論的問題和以后的工作方向：數(shù)據(jù)之間存在差異的緣由并進(jìn)展改善。量誤差的目的。進(jìn)一步爭論壓電式測力傳感器在機(jī)械工業(yè)中其他方面的應(yīng)用。-18-參考文獻(xiàn)楊寶清.現(xiàn)代傳感器技術(shù)根底[M].第一版.北京:國防工業(yè)出版社,2023.02路小波,陶云剛.智能構(gòu)造中的壓電傳感器與驅(qū)動器[J].儀表技術(shù)與傳感器.998年,1期：29~31黃心漢,胡建元,王健.一種非徑向三梁構(gòu)造六維腕力傳感器彈性體及其優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)器人,1992,14(5):1-7袁哲俊,王娜君.機(jī)器人用六維力、力矩傳感器.中國專利,專利號:CN-2066134U,1990,11盧江躍,張軍,錢敏.型壓電式車削測力儀[J].儀表技術(shù)與傳感器,202312期:32~34曾慶釗,嚴(yán)振