压电式力传感器的设计

设计任务书
一、题目：压电式力传感器的设计
二、设计要求：
1.小型低频的单向力传感器
2.最大测力为400千克
3.压电材料采用石英晶体
三、设计成果要求：
1.设计说明书一份
2.设计参数合理，设计步骤完整。

结果标准，论述充分，思路清楚，有条理，
给出相应的参考文献。

设计摘要
此次压电式力传感器设计说明书是按照长春理工大学材料科学与工程学院2010年教学计划的要求设计编写的，其中主要阐述了压电式力传感器的具体设计过程。

设计过程主要包括设计格式、设计要求及设计过程中有关压电式力传感器的设计，还有在整个设计过程中的有关计算、与传感器相连的测试电路。

本压电式传感器采用压缩型单项里传感器结构，利用纵向压电效应进行工作，在设计中压电材料采用石英晶体。

由于安装中需施加预紧力，以保证该传感器的线性度良好，故留出一定的过载量，本设计中重点考虑了各部分的面积、刚度等参数，未讨论预紧力的选用范围，可能还存在一些其他因素，如安装误差等可以影响设计传感器的性能，属于正常范围内，使用中可忽略。

目录
引言 (1)
第一章传感器的结构设计 (2)
第二章传感器的参数计算 (3)
第三章测量电路 (6)
总结 (7)
参考文献 (8)
引言
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，在工业中有着不可少的作用。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

传感器原理与应用作为一门课程，我们在认真学好理论课程的同时，还要与实际结合起来，只有这样才能对压电式传感器的使用有更好的理解。

通过对传感器的设计来加深对理论课程的理解，这是学院要求我们进行课程设计的目的。

做到理论联系实际，从而学会正确分析传感器使用过程中出现的问题，不断总结经验，进而用来来指导实践，这样我们才能将学好的知识得到很好的应用。

也为我们日后再该领域的进一步研究打下坚实的基础。

传感器的结构如下图
图一
1、顶盖
2、敏感元件
3、导电片
4、基座
5、外壁
6、预紧螺钉
该传感器由顶盖、敏感元件、导电片、基座、外壁、预紧螺钉和输出插座组成。

通过预紧螺钉加预紧力，将顶盖、基座和外壁焊接为一体，输出插座可与同轴低噪声电缆连接。

1、压电晶体（石英）的几何尺寸
石英片在机械强度上必须满足公式 δ
F
S ≥
式中： S 为石英晶片的受力面积 F 为传感器待测力的最大力
δ为石英晶体的许用应力，为17.5 2/kg mm
本设计中传感器的额定负载为400 kg ，由于包括预紧力，并留出一定的过载量，取最大负载量为700 kg ，因而S ≥ 40 2mm 。

设计中取晶片的长为10 mm ，宽为6 mm ，受力面积60 2mm 。

2、石英片的晶片电容值
d
S
r 00εε=
C
这里取每片石英片的厚度为1.2mm ，石英的r ε=4.5，每片石英片的电容
0C =1.99pF
为了提高传感器的灵敏度，取两片石英片并联方式，所以总的电容大小为3.98pF 。

3、传感器刚度参数计算
设在外力F 的作用下，传感器的变形为x δ，12()x F k k δ=+
式中：1k 为敏感部分的组合刚度
2k 为辅助部分组合刚度 图二
在晶片数一定时，112k k k +决定了传感器的精度，因此，在结构设计中应确保1
12
k
k k +
尽可能大。

根据公式 ES K L
=
式中：E:弹性模量 S:受力面积 L:受力方向厚度
石英片的弹性模量为80 GPa ，受力面积为60 2mm ，厚度为2.4 mm ，它的刚 度q k =2.00⨯610mm N
导电片（银片）的弹性模量为71 GPa ，受力面积为60 2mm ，厚度为0.1 mm ，它的刚度d k =4.26⨯710 mm N
顶盖（铝合金）的弹性模量70 GPa ，受力面积为80 2mm ，厚度为1.0 mm ，它的刚度为t k =5.60⨯610 mm N
基座（钛合金）的弹性模量为120.2 GPa ，受力面积为70 2mm ，厚度21 mm ，它的刚度b k =4.01⨯510 mm N
预紧螺钉（钢质）的弹性模量为20.5 GPa ，受力面积35 2mm ，厚度为12 mm ，它的刚度s k =5.98⨯410 mm N
根据公式322
(1)Eh K a μ=- 式中： E:弹性模量 h:厚度 a:直径
μ：材料的泊松系数
顶盖的直径为12.1mm ，μ=0.33，所以顶盖的弹性部分刚度't k =5.37⨯210mm N 外壁的受力面积为7 mm ，弹性模量21 GPa ，受力方向厚度为39mm ，它的刚
度'b k =3.77⨯310mm N
敏感部分组合刚度1k 相当于顶盖，导电片，石英片，基座串联的刚度，即
d
b q t k k k k k 11111
1+++=
=3.13⨯510mm N
辅助部分刚度2k 为顶盖弹性部分的抗弯刚度't k 与基座外壁的刚度'b k 串联，再与
预紧螺钉刚度s k 并联： s k k k k k k ++⋅='
b
't '
b
't 2 =6.03⨯410mm N 传感器的总刚度为1k 与2k 的并联 21k k k +==3.73⨯510mm N
4、传感器的灵敏度
1
1112
q k s n
d k k =+ 式中: n 为晶体片的数目
11d =2.31 N pC q s =3.88 N pC
5、传感器的谐振频率
m
k
f π
21
0= 式中：m 为传感器的顶盖质量 m ρν==（2.7⨯310-⨯80⨯1）g=2.16⨯210-kg 所以f=20.91kHz
第三章 测量电路
测量电路如下图所示
图三 压电传感器用高保真高阻抗放大器(OPA604)
在自控系统或一些检测系统中，常应用压电器件作为传感器，借以实现将非
电量变为电信号，这类传感器等效的信号源具有内阻极高且信号很微弱的特点，因而也必须配接高输入阻抗的放大电路，而且放大电路还必须具有精确放大微弱信号的能力。

如图给出了高保真运放OPA604构成的放大电路。

该电路采用同相输入方式后可有效地提高放大器的输入阻抗，为了防止交流干扰，压电信号采用屏蔽线输入，该电路的电压放大倍数为：。

）（1i 0V R R 1V V A δ+== OPA604
的主要参数:
输入信号
输出信号
总结
此次课程设计说明书是按照传感器原理与应用压电式传感器的设计要求设计的，并经过了严的科学运算，充分的考虑到了各环节中可能出现的问题，参考了有关书籍。

本设计中对于传感器精度的确定和传感器各部分所用材料进行了相对缜密的计算。

但是毕竟理论与实际不能够完全一致，本设计仅是理论部分，并没有应用于实际，所以还可能存在大量的问题，希望参与者能够提出改进的意见来进一步完善此次设计，并在实际中将其改正。

在这次的设计中真的学到了很多的知识，它们是教科书中没有的，通过查阅资料以及上网手机与压电式传感器有关的内容，并把它们进一步理解，这是我的收获，我想这些知识在以后的学习中会发挥一定的作用。

在这次压电式力传感器的设计中得到了指导老师的细心指导以及同学的支持和帮助，在此表示衷心的感谢。

辽宁工程技术大学测控技术与仪器09-2 孟凡华
参考文献
1、张洪润等编，《传感器技术大全》北京航空航天大学出版社，2007
2、谭福年编，《常用传感器应用电路》电子科技大学出版社，1996
3、单成祥编，《传感器的理论设计基础及其应用》国防工业出版社，
1999
4、刘迎春，叶湘滨。

《传感器原理设计与应用》。

国防科技大学出版社，
1997
5、赵继文、何玉彬编，《传感器与应用电路设计》科技出版社，2002
电气与控制工程学院。