梯形变截面悬臂梁式质量传感器设计与分析
课程设计(等截面悬臂梁静应变测试与分析)
太原科技大学课程说明书目录设计任务 (2)设计仪表及器材 (2)DH3818静态电阻应变仪介绍 (4)设计原理 (8)设计过程 (13)原始数据记录 (14)数据处理分析 (17)参考文献 (23)心得体会 (23)一、课题设计名称等截面悬臂梁静应变测试与分析二、设计任务1、掌握电阻应变片的选用原则和方法。
2、学习电阻应变片粘贴技术。
3、掌握静态电阻应变仪单点测量的基本原理。
4、固应力分析的概念，学会对构件的受力分析和应变测量。
三、设计仪表及器材DH3818静态电阻应变仪、常温用电阻应变片、悬臂梁(等截面梁)、万用电表、砝码一套、粘贴剂、清洗剂、引线若干、电烙铁及其他工具。
四、DH3818静态电阻应变仪介绍（一）、概述DH3818静态应变测量仪由数据采集箱、微型计算机及支持软件组成。
可自动、准确、可靠、快速测量大型结构、模型及材料应力试验中多点的静态应变（应力）值。
广泛应用于机械制造、土木工程、桥梁建设、航空航天、国防工业、交通运输等领域。
若配接适当的应变式传感器，也可对多点静态的力、压力、扭矩、位移、温度等物理量进行测量。
特点：手控状态时，大屏数码管显示测量通道和输入应变量，且可通过功能键设置显示通道、修正系数及平衡操作；自动平衡：内置120Ω标准电阻， 1／4桥（公用补偿）、半桥、全桥连接方便。
（二）、技术指标1、测量点数：有可测10点和20点两种，每台计算机可控制十六台静态应变测量仪；2、程控状态下采样速率：10测点/秒；3、测试应变范围：±19999με；4、分辨率：1με；5、系统不确定度：不大于0.5%±3με；6、零漂：≤4με/2h(程控状态)；7、自动平衡范围：±15000με，灵敏度系数K＝2.00，120Ω应变计阻值误差的±1.5%；8、测量结果修正系数范围：0.0000～9.9999(手动状态)；9、适用应变计电阻值： 50～10000Ω；10、应变计灵敏度系数： 1.0～3.0可进行任意修正；长导线电阻修正范围：0.0～100Ω；11、交流电源电压： 220V±10％， 50Hz±2％；12、仪器功率：约15W ；（三）、工作原理测量原理：以1/4桥、120Ω桥臂电阻为例对测量原理加以说明。
悬臂梁压力传感器 测量电路设计
悬臂梁压力传感器测量电路设计引言悬臂梁压力传感器是一种常见的传感器，用于测量压力和负荷。
它通常由悬臂梁和测量电路组成。
本文将重点介绍悬臂梁压力传感器的测量电路设计。
悬臂梁原理悬臂梁压力传感器的基本工作原理是利用悬臂梁在受到外力作用时产生的位移来测量压力。
当外力作用于悬臂梁上时，悬臂梁会产生弯曲变形，这个变形量与外力的大小成正比。
测量电路通过检测悬臂梁的位移量来推导出外力大小。
测量电路设计1. 悬臂梁传感器首先，我们需要选择合适的悬臂梁传感器。
悬臂梁传感器通常由弹簧材料制成，具有良好的弹性和机械特性。
选择合适的悬臂梁传感器非常重要，需要考虑测量范围、灵敏度、稳定性等因素。
2. 桥式电路悬臂梁传感器通常使用桥式电路进行测量。
桥式电路包括四个电阻和一个悬臂梁传感器。
电阻分为两组，分别串联在两侧，悬臂梁传感器连接在两组电阻之间。
当悬臂梁受到外力后产生位移时，桥式电路会产生一个不平衡的电压信号，这个信号与外力大小成正比。
3. 运放放大器为了放大桥式电路产生的微弱信号，通常需要使用运放放大器。
运放放大器具有高增益、低噪声和高输入阻抗等特性，非常适合悬臂梁压力传感器的应用。
运放放大器的输入端连接桥式电路的输出，输出端连接到模数转换器或其他的信号处理电路。
4. 滤波电路由于环境噪声等因素的存在，桥式电路可能会受到一些干扰。
为了减少这些干扰对测量结果的影响，可以加入滤波电路。
滤波电路可以通过选择合适的滤波器类型和参数来减小噪声和干扰信号。
结论悬臂梁压力传感器的测量电路设计是实现准确测量压力和负荷的关键。
本文介绍了悬臂梁压力传感器的原理，并详细介绍了测量电路的设计要点，包括悬臂梁传感器选择、桥式电路、运放放大器和滤波电路。
通过合理设计和调试，可以获得准确、稳定的测量结果，满足实际应用需求。
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压电微传感器悬臂梁结构的优化设计
压电微传感器悬臂梁结构的优化设计
摘要：压电微传感器是一种利用压电材料的特性进行物理量测量的微型传感器。
悬臂梁结构是压电微传感器中常用的结构形式之一。
本文通过对压电微传感器悬臂梁结构的优化设计研究，探讨了如何提高传感器的灵敏度和稳定性。
关键词：压电微传感器；悬臂梁；优化设计；灵敏度；稳定性
引言：压电微传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高等特点，广泛应用于机械振动、压力、温度等物理量的测量。
悬臂梁结构是压电微传感器中常用的结构形式，其通过压电材料的挠曲效应实现对外界物理量的测量。
然而，目前悬臂梁结构的设计存在灵敏度低和稳定性差的问题，需要进行优化设计。
方法：本文首先分析了悬臂梁结构的工作原理和设计参数，包括悬臂梁的长度、宽度、厚度等。
然后，通过有限元仿真软件对不同设计参数下的悬臂梁结构进行模拟分析，得出了不同参数对传感器灵敏度和稳定性的影响。
最后，根据仿真结果进行优化设计，得到了一种灵敏度和稳定性均较高的悬臂梁结构。
结果与讨论：通过优化设计，我们得到了一种长度为L、宽度为W、厚度为H的悬臂梁结构，其灵敏度和稳定性均较高。
在实验中，我们对该结构进行了振动测试和压力测试，结果表明该
结构能够准确且稳定地测量外界物理量。
同时，我们与传统的悬臂梁结构进行了对比，发现优化设计的悬臂梁结构在灵敏度和稳定性方面有明显的改善。
结论：本文通过对压电微传感器悬臂梁结构的优化设计研究，提出了一种灵敏度和稳定性较高的结构。
优化设计的悬臂梁结构可以提高传感器的测量精度和可靠性，具有较好的应用前景。
在今后的研究中，可以进一步优化设计参数，探索其他结构形式，提高压电微传感器的性能。
悬臂剪切梁型称重传感器抗侧向载荷能力分析
2 2b
1hbwwppczcyyz14弹性应变梁与固定端附近的过度段bb截面用与cc截面同样方法可得到hbppyz15弹性应变梁应变区aa截面首先利用式2计算最大剪应力hhjsqyyxzxz?maxmax16由图5方截工字梁弹性元件在pz载荷作用下的力学模型可求得截面静矩和惯性矩822maxhbbhhsy?1233hbbhhjy?将截面静矩和惯性矩代入式16得22317max332xz?xyqhhhbhbhbhbhh????联立式6式17并令xzmaxxymax得bh222223333hbbhhbhhhbhbbhbbh?hbhhqqppxyxzyz???????18应变区的最大主应力733max62hbbhhboap?bjoapzyzaz???19同样有33max62hbbbhhoaphjoapyzyay?????20联立式1920并令maxmaxayaz得bh3333hbbhbbh?hbhppyz???212x向载荷px承载率在x向载荷px作用下应变剪切梁的力学模型如图6所示
h
(h 2
+
H− 4
h)
+
b
h 2
h 4
=
B(H 2
− h2) 8
+ bh2
3
横截面对中性轴的惯性矩为：
Jz
=
BH 3
− (B 12
− b)h3
=
B(H 3
− h3 ) + bh3 12
将剪力、静矩、惯性矩代入式（2）即可得到工字梁腹板上的剪应力和剪应 变
τ xy max
=
QS z J zb
=
3Py 2b
通常悬臂剪切梁型称重传感器的额定量程为 100kg～30t。圆截面工字梁结 构，多用于小量程称重传感器，采用盲孔灌封和波纹管焊接双重密封；方截面工 字梁结构用于较大量程称重传感器，采用盲孔灌封和圆膜片焊接双重密封。两种 结构均在盲孔内工字梁的腹板中心线上，反对称的粘贴两片双剪切型电阻应变 计。由弹性力学知粘贴在腹板上的电阻应变计处于二向应力状态，其应力张量可 用矩阵形式表示：
称重传感器--悬臂梁称重传感器—LCX-1悬臂梁称重传感器
mV/V
2±0.01 3.0±0.01
零点平衡
mV/V
±0.010
综合误差
%R.O.
±0.02
非线性
%R.O.
±0.02
滞后
%R.O.
±0.02
重复性
%R.O.
±0.01
蠕变（30分钟）
%R.O.
±0.02
正常工作温度Biblioteka 围℃-10...+40
允许工作温度范围
℃
-20...+70
温度对灵敏度影响
称重传感器--悬臂梁称重传感器—LCX-1悬臂梁称重传感器
悬臂梁称重传感器
型号：LCX-1
产品特点：
安装高度低，结构紧凑
测量精度高，长期稳定性好
优质合金钢，表面镀镍
适用于地上衡、平台秤、超薄型电子汽车衡、化工、食品、医药等行业配料称重控制
技术参数
额定载荷（R.C.）
t
0.05、1、1.5、2、5、7.5、10
激励
红：＋黑：–
信号
绿：＋白：–
%R.O./10℃
±0.02
温度对零点影响
%R.O./10℃
±0.02
推荐激励电压
VDC
10
最大激励电压
VDC
15
输入阻抗：
Ω
380±5
输出阻抗：
Ω
350±3
绝缘阻抗
MΩ
>5000
安全过载
%R.C.
150
极限过载
%R.C.
300
弹性元件材料
合金钢、不锈钢
防护等级
IP67IP68
电缆线长度
m
5m
接线方式
用悬臂梁式称重传感器设计一个电子天平
用悬臂梁式称重传感器设计一个电子天平1.设计思路本实验采用悬臂梁式称重传感器，所称物体产生的压力由称重传感器检测，并由传感器测量电路转化为相应的模拟电信号输出。
称重传感器输出的模拟量，数值一般很小，达不到A/D转换接收的电压范围。
所以送A/D转换之前要对其进行前端放大、整形滤波等处理。
然后输出信号再经由A/D转换电路转化为相应的数字量。
由于本实验采用的ICL7107是3位半双积分型A/D转换器，能直接驱动共阳极LED数码管，故不需要使用单片机进行相应的数据处理和转换，ICL7107将模拟量转换为数字量之后直接将其转化成七段LED显示所需的字型码，输入到相应的信号电极就实现了所称物重数字量的输出。
2.设计方案将电阻丝应变片粘贴到悬臂梁上合适的位置，并接入全桥测量电路，相对的桥臂受力相同，相邻的桥臂受力相反，其中一对受拉力作用，另一对受压力作用。
由于电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，从而引起电压发生变化，即电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
利用电桥传感器测应力的变化，可以间接的测量物体的质量。
传感器测出的信号经过放大电路放大处理成为符合A/D输入范围的电信号后进入A/D转换器，最后通过芯片内部电路将转换后的数字量转化为LED可识别的七段字型码送交LED显示器显示。
压力测量仪的原理在该称重系统的设计中有着极大的应用。
其大概的原理框图主要由以下五个部分组成：传感器、传感器专用电源、信号放大系统、模数转换系统及显示器等组成。
其原理框图如图1所示：图1 压力测量仪组成框图2.1称重式传感器选择合适的满足要求的传感器是实验成功的关键，本实验选择CZL-1R称重传感器，其量程为3.0Kg，而要求的量程是0 ～ 1.999Kg，可见该传感器的超载能力为：150%，在一定范围内的超载情况下具有保护作用；灵敏度:1mV/V；温度灵敏度漂移：0.002%℃；输入阻抗：405±15Ω，输出阻抗：350±15Ω；激励电压：10V；工作温度范围：-20～+60℃。
悬臂梁加速度传感器设计讲解
悬臂梁加速度传感器设计组员：陈曦雷钰琛李峰殷思民周志成CONTENTS设计思路设计任务及技术指标悬臂梁与质量块设计设计结果一、设计思路SETP1机械振动带动传感器的质量块振动，并且他们有共同的加速度aSETP2根据公式F=ma，把加速度的变化转为力的变化。
力就作用悬臂梁使粱横向拉长或压缩，从而带动应变片电阻的变化。
一个应变片受拉，电阻增大，另一个受压，电阻减小SETP3 通过电桥把位移的变化转为电压的变化，通过电压放大用电压表测出相应的电压，从而就可以得到相应的加速度CONTENTS设计思路设计任务及技术指标悬臂梁与质量块设计设计结果二、设计任务及技术指标测量范围：800g精度：1%频响：1~1000HZ~重量：不大于200g电桥电压：5VCONTENTS设计思路设计任务及技术指标悬臂梁与质量块设计设计结果三、悬臂梁与质量块设计整体结构图~三、悬臂梁与质量块设计梁结构设计根据设计指标估计如下结构参数梁长度为16.5mm,伸出部分为12.5mm，固定端为8mm 梁厚度为1mm，体积约为95mm3~材料初选为普通碳钢，密度ρ=7.8g/cm3普通碳钢性能表三、悬臂梁与质量块设计~三、悬臂梁与质量块设计梁零件图~三、悬臂梁与质量块设计质量块设计质量块分为上下两个质量块，材料选择铍青铜，密度ρ=8g/cm3~铍青铜性能表三、悬臂梁与质量块设计上下质量块零件图~三、悬臂梁与质量块设计计算梁的最大绕度绕度反映了梁与质量块的活动空间~三、悬臂梁与质量块设计 有限元分析~位移图 应力图应变图通过算出质量块的等效质量M=1.707g ，质量块产生的最大惯性力F a =Ma max其中a max =800g =7840m s 2 所以F a =13.379N三、悬臂梁与质量块设计相关计算~三、悬臂梁与质量块设计相关计算~电桥输出电压：U0≈−14U Eδ,其中U E为供桥电压，δ为应变片电阻变化率电桥电压灵敏度，与静态灵敏度S g和灵敏度系数成正比S v≈14U E Ks g=0.0012 v g满足条件三、悬臂梁与质量块设计连结件明细表~CONTENTS设计思路设计任务及技术指标悬臂梁与质量块设计设计结果四、设计结果梁材料 普通碳钢 ~质量块材料 铍青铜 壳体材料 透明硬质塑料阻尼材料 甲基硅油，阻尼比δ=0.5应变片 硅应变片，基底尺寸5×4mm 2，硅片尺寸3×0.4×0.06mm 2四、设计结果读书的好处1、行万里路，读万卷书。
基于槽式悬臂梁结构的微质量传感器设计
基于槽式悬臂梁结构的微质量传感器设计高仁璟;赵剑;李雪;唐祯安【摘要】As the sensitivity of a piezoelectric mass sensor directly depends on the structural frequency variation induced by the mass added. This paper proposes a structure designing method for improving the measuring sensitivity of the mass sensor by using a structure which consists of a symmetrical trough (Ⅰ-shaped cross-section) cantilever and piezoelectric films. Then, we design and fabricate a novel piezoelectric resonance micro-mass sensor. Considering the influences of the section shape, natural frequency and the vibration mode on the sensitivity, an analytical model is established for analyzing the frequency variation caused by the micro particles. With the same geometric parameters, the simulation and experiments are performed for the sensors with the I-shaped cross-section cantilever and the rectangular section cantilever. It shows that the first order natural frequency of the Ⅰ-shape cross-section cantilever is 1 851 Hz, and that of the rectangular section cantilever is 1 610 Hz. Moreover, corresponding sensor sensitivities are 3. 12 × 104 and 1. 5× 104 Hz/g, respectively, and the former is twice of the latter. The method is feasible and effective for improving the measuring precision of mass sensors.%压电式微质量传感器的测试精度直接依赖于结构频率对质量变化的灵敏程度.本文利用对称槽型梁和压电薄膜组成的对称敏感结构,提出了一种提高传感器灵敏度的结构设计方法,并设计了一种高精度谐振式微质量传感器.建立了结构频率变化对吸附质量敏感性的分析模型,并研究了槽型截面参数、自振频率及振动模态对灵敏度的影响.与矩形截面结构进行了仿真与实验对比,结果表明,相同几何尺寸参数下,槽型截面悬臂梁的一阶自振频率为1 851 Hz,矩形截面悬臂梁的一阶自振频率为1 610 Hz,相应的传感器灵敏度则分别为3.12×104 Hz/g和1.5×104 Hz/g,前者是后者的2倍.该项设计为提高微质量传感器灵敏度提供了一种新思路.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2012(020)001【总页数】7页(P102-108)【关键词】质量传感器;槽型悬臂梁;压电薄膜;灵敏度【作者】高仁璟;赵剑;李雪;唐祯安【作者单位】大连理工大学汽车工程学院,辽宁大连116024;大连理工大学汽车工程学院,辽宁大连116024;大连理工大学电气工程学院,辽宁大连116024;大连理工大学电气工程学院,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TH715.1;TN3841 引言压电谐振式微质量传感器是以压电材料为换能器的新型传感器［1－4］，利用传感器吸附物质后谐振频率的变化来实现对待测物质的定性和定量分析，它集激励与传感功能于一体，具有结构简单、响应快，成本低和精度高的特点，并且测试过程中无需昂贵的光学位移检测系统和化学分析仪器、不受使用环境限制等，因此，在汽车、航空航天、生物医学、化学、环保、军事等领域有广泛的应用前景。
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仪 器 仪 表 学 报
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Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ．１ ２ Ｄｅ ｅ ．２ ０１ ３
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梯 形 变截 面 悬 臂 梁 式 质 量 传 感 器 设 计 与分 析 米
赵 剑 ，朱传 月 ，高仁 碌
大连 １ １ ６ ０ ２ ４ ） （ 大连 理Ｔ大学汽车工程学院工业装备结 构分析国家重点实验室 摘
要 ：谐振式微质量传感器 的灵敏度取 决于弹性元件 的几何尺寸 和结构 形式 。单纯依靠结构尺寸微 型化 方法 已难 以满足传
（ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔ ， Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｆ ｏ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍｏ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ， Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｆ ｏ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎ １ １ ６ ０ ２ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
而 验 证 了提 出 的灵 敏度 提 升 方 法 的 有 效 性 和 可 行 性 。
关键词 ： 质量传感器 ； 变截 面悬臂梁 ； 灵敏 度
中图 分 类 号 ： Ｔ Ｈ ７ １ ５ ． １ 文献标识码 ： Ａ 国家标准学科分类代码 ： ４ ６ ０ ． ４ ０
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｈｉ ｇ ｈ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕｔ ｉ ｏ ｎ ｍａ ｓ ｓ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ
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感器Ｔ程实 用性 的要求 ， 因而需要探索 新的改善传感器能 的方法 。在保证传感 器外形尺寸不变的基础上 ， 提 出通 过改变弹性
梁的表面形状 （ 梯形 ） 和截 面构 型（ 槽型 ） 来进 一步提升传感器灵敏度 的新方 法 ， 建立 了基 于槽 型变截 面弹性 梁的传感器 灵敏度
分析模型 ， 分析 了影响传感器灵敏度 的关键设计 因素 ， 得 到了结构设 计参数 、 自振频 率及灵敏 度之 间的关系表达式 。仿 真结果 表明 ， 在相同外形尺寸参数下 ， 矩形截面悬臂梁传感器 的 自振频率和质量检测灵敏度为 １ ２ ５ ４ ． ２ Ｈ ｚ 和９ ． ８×１ ０ Ｈ ｚ ／ ｇ ， 槽型变截 面悬臂梁传感 器的 白振 频率和灵敏度为 １ ７ ７ ６ ． １ Ｈ ｚ 和３ ８ ． ０×１ ０ Ｈ ｚ ／ ｇ 。相对 于矩 形截面梁传 感器 ， 灵敏度提 高 了 ２ ８ ７ ． ８ ％， 从