应变片式加速度传感器设计.docx

应变片式加速度传感器

姓 名：
学 号：
院 （系）： 电气工程学院
专业名称： 电气工程及其自动化
班 级： 电气2（专升本）

2015年5月20日

说　明　书　摘　要

通过应变片感应加速度的变化，并把应变片接到直流电桥中，通过电阻的变化引起直流电桥电压的变化，再将电桥输出的电压通过逻辑电路放大输出，然后将输出的电压信号送到控制中心，从而达到对加速度进行实时监控的目的。其结构由（1）惯性质量块 （2）应变量 (3) 硅油阻尼液 (4)应变片 (5)温度补偿电阻 (6)绝缘套管 (7)接线柱 (8)电缆 (9)压线柱 (10)壳体 (11)限位块组成。应变片式加速度传感器通过敏感栅将低频运动物体的加速度转化为应变片的应变，引起电桥桥臂电阻的变化，经过温度补偿、放大后输出加速度信号。其特点为应变片式加速度传感器具有体积小、低功耗、结构简单、抗干扰能力强、运行稳定、经济性好。

1

摘 要 附 图

应变式加速度传感器示意图

权　利　要　求　书

1、通过应变片感应加速度的变化，并把应变片接到直流电桥中，通过电阻的变化引起直流电桥电压的变化，再将电桥输出的电压通过逻辑电路放大输出，然后将输出的电压信号送到控制中心，从而达到对加速度进行实时监控的目的。其结构由（1）惯性质量块（2）应变量 (3 )硅油阻尼液 (4)应变片 (5)温度补偿电阻 (6)绝缘套管 (7)接线柱 (8)电缆 (9)压线柱 (10)壳体 (11)限位块组成。电桥采用直流12V电源供电，采用稳压的直流电源供电，运放器采用双电源供电，电源电压为±12V。
2、加速度传感器的敏感轴检测输入加速度，并将其作用转换为电阻应变片阻值的变化，通过变送电路，将这种变化转换为对应的电压输出，从而达到测量加速度的目的。传感器的主要量程：±20g；输出：0～5V；零位输出：2.5V，用应变片测量的应变是通过测量敏感栅的电阻相对变化来得到。应变片灵敏度系数很小（K≈2），而机械应变一般在10με～3000με之间 （有时也可达到6000με），电阻相对变化是很小的，需要采用差动电桥。当悬臂梁发生形变时，应变片的电阻值发生改变， 全桥式布片应变引起应变片电阻的变化，从而达到测量振动加速度的目的。当悬臂梁受到加速度作用时，其自由端必将发生位移，通过计算得到加速度—电压的转换关系。
3 应变片由于温度的变化所引起电阻的变化与弹性敏感元件所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，为克服温度的影响和测量精度。我采用双金属敏感栅自补偿应变片来补偿温度的变化。测量放大器由三个运算放大器组成，分阻抗变换和增益变换两级。
2

说　　明　　书
基于应变片式的加速度传感器
技术领域
应变式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域
背景技术
将应变片式加速度传感器，应用到汽车的高速运行保驾系统当中，对汽车在高速运行时的加速度进行实时监测，如有意外状况出现，汽车将自动启动保驾系统防止汽车侧翻等功能。
机械振动带动传感器的质量块振动，于是他们有共同的加速度 a。然后根据公式 F=ma，把加速度的变化转为力的变化。力作用在悬臂梁上使梁横向拉长或压缩，从而带动应变片电阻进行变化。应变片受拉，电阻增大，应变片受压，电阻减小。再通过电桥把位移的变化转为电压的变化，通过电压表测出相应被放大的电压信号，当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，力的变化则会与被测加速度成正比，从而就可以得到相应的加速度。
发明内容
用应变片测量应变是通过测量敏感栅的电阻相对变化来得到的。应变片灵敏度系数K≈2，机械应变一般在10με～3000με之间 （有时也可达到6000με），所以电阻相对变化是很小。然后用差动电桥电路来精确的测量这种微弱的变化。在悬臂梁的正反两面各粘贴两片应变片，一边受拉，一边受压，工作时将两个应变片接入电桥相领臂内，四片应变片的阻值相等（附图2），记为R1=R2=R3=R4=R，且相邻应变片的电阻值变化相反，悬臂梁发生形变时，应变片的电阻值发生改变，记为△R，那么桥臂上的电阻值变为R1=R+△R，R2=R-△R，R3=R+△R，R4=R-△R。应变引起应变片电阻的变化，通过差动电桥电路测出阻值的改变，对等截面梁应变片处的应变与物体运动加速度之间的关系，应变值与悬臂端位移成正比，应变片电阻值的变化也正比于端部的位移，由输出电阻的变化引起输出电压改变，输出电压与输入加速度采用全桥电路可以得到振动加速度a与输出电压U0之间的线性关系，从而达到测量振动加速度的目的。
本发明的有益效果为：
应变片式加速度传感器具有体积小、低功耗、经济性好、结构简单、易于维修等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。
电阻应变式加速度传感器是弹性板受振动力作用产生应变，通过应变电桥的输出信号进行测量。 电阻应变式加速度传感器具有低频特性好和较高的性价比，应用于振动测量领域内。应变片式加速度传感器的机械结构采用金属制悬臂梁，提高了耐用性和稳定性。在其根部的上下两对称面上各粘贴两对半导体应变计。当悬臂梁自由端的惯性质量受到振动产生加速度时，梁受弯曲而产生应力，使四个电阻发生变化，使其提高了抗噪声、光源的干扰能力。 

附图说明
图1 金属电阻应变丝结构
图2电桥电路结构示意图；
图3为测控电路图示意图；
图4应变式加速度传感器示意图
图5应变式加速度传感器的数学模型
图6电路系统图块
附图标识：（1）惯性质量块 （2）应变量 (3 ) 硅油阻尼液 (4)应变片 (5)温度补偿电阻 (6)绝缘套管 (7)接线柱 (8)电缆 (9)压线柱 (10)壳体 (11)限位块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
应变片或通过半导体加工技术将具有压阻效应的原料附着在悬接质量块的膜片或悬臂梁上，由于受到加速度的作用，膜片和悬臂梁发生弯曲变形，应变材料受到拉或压应力后电阻发生变化。应变片式加速度传感器，为了克服由于温度、各维间的互相耦合及其他噪声输入，通常将四个单独的敏感元件以惠斯通电桥（图2）方式连接，从输出的信号中提取加速度信息。接下来就可以直接接差分仪表放大器到处理电路，进而得到相应的数显值。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些，对于在不脱离本发明思想前提下做出的简单推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

4

说 明 书 附 图
图1 金属电阻应变丝结构

图2电桥电路结构示意图

图3为测控电路图示意图

图4应变式加速度传感器示意图

附图5应变式加速度传感器数学模型

图6电路系统图块