压电式力传感器的设计

机械工程测试课程设计

学院：xxxxxx 专业班级：xxxxxx 学号：xxxxxx 姓名：xxx

《力的测量课程设计》

目 录

设计摘要 ..........................1 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...................5 总结 ..............................6 参考文献...........................6

设计摘要

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。

引言

压电式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，这是王伟老师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。

第一章 传感器的结构设计

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。

第二章 传感器的参数计算

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 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

为石英晶体的许用应力，为17.5 kg/mm2

本设计中传感器的额定负载为1000 kg，由于包括预紧力，并留出一定的过载量，取最大负载量为7000 kg，因而S  40 mm2。

设计中取晶片的长为10 mm，宽为6 mm，受力面积60 mm2。

F



2、石英片的晶片电容值

C0

0rS

d

这里取每片石英片的厚度为1.2mm，石英的r=4.5，每片石英片的电容

C0=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，F(k1k2)x

式中：k1为敏感部分的组合刚度

k2为辅助部分组合刚度 图二

kk1决定了传感器的精度，因此，在结构设计中应确保1

k1k2k1k

2

尽可能大。

根据公式 K

ES 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 mm2，厚度为2.4 mm，它的刚 度kq=2.00106Nmm

导电片（银片）的弹性模量为71 GPa，受力面积为60 mm2，厚度为0.1 mm，它的刚度kd=4.26107 mm

顶盖（铝合金）的弹性模量70 GPa，受力面积为80 mm2，厚度为1.0 mm，它的刚度为kt=5.60106 mm

基座（钛合金）的弹性模量为120.2 GPa，受力面积为70 mm2，厚度21 mm，它的刚度kb=4.01105 Nmm

预紧螺钉（钢质）的弹性模量为20.5 GPa，受力面积35 mm2，厚度为12 mm，它的刚度ks=5.98104 Nmm

Eh3 根据公式K2 2

a(1) 式中： E:弹性模量 h:厚度 a:直径

：材料的泊松系数

顶盖的直径为12.1mm，所以顶盖的弹性部分刚度kt'=5.37102Nmm =0.33，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kb'=3.77103mm

敏感部分组合刚度k1相当于顶盖，导电片，石英片，基座串联的刚度，即

k1

1

ktkqkbkd

=3.13105Nmm

辅助部分刚度k2为顶盖弹性部分的抗弯刚度kt'与基座外壁的刚度kb'串联，再与

'

kt'kb

预紧螺钉刚度ks并联： k2'ks =6.03104mm '

ktkb

传感器的总刚度为k1与k2的并联 kk1k2=3.73105Nmm

4、传感器的灵敏度

sqn

k1

d11 k1k2

式中: n为晶体片的数目

d11=2.31 N sq=3.88 N

5、传感器的谐振频率

f01

2

k

式中：m为传感器的顶盖质量 m

m=（2.7103801）g=2.16102kg 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：。AVV0Vi （1RR1）OPA604的主要参数

:

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，并经过了严格的科学运算，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，希望王伟老师能够理解和体谅。 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。

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

机械工程测试课程设计

学院：xxxxxx 专业班级：xxxxxx 学号：xxxxxx 姓名：xxx

《力的测量课程设计》

目 录

设计摘要 ..........................1 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...................5 总结 ..............................6 参考文献...........................6

设计摘要

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。

引言

压电式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，这是王伟老师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。

第一章 传感器的结构设计

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。

第二章 传感器的参数计算

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 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

为石英晶体的许用应力，为17.5 kg/mm2

本设计中传感器的额定负载为1000 kg，由于包括预紧力，并留出一定的过载量，取最大负载量为7000 kg，因而S  40 mm2。

设计中取晶片的长为10 mm，宽为6 mm，受力面积60 mm2。

F



2、石英片的晶片电容值

C0

0rS

d

这里取每片石英片的厚度为1.2mm，石英的r=4.5，每片石英片的电容

C0=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，F(k1k2)x

式中：k1为敏感部分的组合刚度

k2为辅助部分组合刚度 图二

kk1决定了传感器的精度，因此，在结构设计中应确保1

k1k2k1k

2

尽可能大。

根据公式 K

ES 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 mm2，厚度为2.4 mm，它的刚 度kq=2.00106Nmm

导电片（银片）的弹性模量为71 GPa，受力面积为60 mm2，厚度为0.1 mm，它的刚度kd=4.26107 mm

顶盖（铝合金）的弹性模量70 GPa，受力面积为80 mm2，厚度为1.0 mm，它的刚度为kt=5.60106 mm

基座（钛合金）的弹性模量为120.2 GPa，受力面积为70 mm2，厚度21 mm，它的刚度kb=4.01105 Nmm

预紧螺钉（钢质）的弹性模量为20.5 GPa，受力面积35 mm2，厚度为12 mm，它的刚度ks=5.98104 Nmm

Eh3 根据公式K2 2

a(1) 式中： E:弹性模量 h:厚度 a:直径

：材料的泊松系数

顶盖的直径为12.1mm，所以顶盖的弹性部分刚度kt'=5.37102Nmm =0.33，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kb'=3.77103mm

敏感部分组合刚度k1相当于顶盖，导电片，石英片，基座串联的刚度，即

k1

1

ktkqkbkd

=3.13105Nmm

辅助部分刚度k2为顶盖弹性部分的抗弯刚度kt'与基座外壁的刚度kb'串联，再与

'

kt'kb

预紧螺钉刚度ks并联： k2'ks =6.03104mm '

ktkb

传感器的总刚度为k1与k2的并联 kk1k2=3.73105Nmm

4、传感器的灵敏度

sqn

k1

d11 k1k2

式中: n为晶体片的数目

d11=2.31 N sq=3.88 N

5、传感器的谐振频率

f01

2

k

式中：m为传感器的顶盖质量 m

m=（2.7103801）g=2.16102kg 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：。AVV0Vi （1RR1）OPA604的主要参数

:

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，并经过了严格的科学运算，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，希望王伟老师能够理解和体谅。 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。

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