传感器高

西南交通大学本科课程设计说明书传感器及信号分析课程设计年级：09级学号：20091398姓名：高青春专业：测控技术与仪器指导老师：武川辉2012年12月第一部分应变式加速度传感器设计一、传感器设计1、应变式加速度传感器简介：结构、特点、主要用途（1）结构图1传感器结构图2、传感器结构原件名称：3、基本尺寸：4、传感器弹性梁结构：5、传感器的主要用途：传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。二所选择材料：1、弹性梁材料学号：20091398选择编号为8编号材料弹性模量E（2m/N）密度(3/cmg)抗拉强度b（2/mN）8弹簧钢4111005.275.77101602、硅应变片型号F型号基地尺寸2mm硅片尺寸2mm电阻值灵敏的系数K工作电流AmF4506.04.0335021015图2设计结果简图二、设计计算：1、初步确定梁和质量块的参数、即估算l、b、h、M、a的值：梁长度：l=10（mm）；梁厚度：h=1.1（mm）；梁宽度：b=4（mm）；质量块半径：r=4（mm）；质量块厚度：c=3（mm）；2、总质量及等效质量计算壳体质量：）（g51191.886.2]8.0)2/16.0(46.1)2/3.1(6.16.12[m220质量块质量：)(9177.1221gcrm弹性梁质量：)(3560.075.741.1102glhbm惯性质量：)(9770.16/21gmmM硅油质量：)(5883,43gm总质量M=6.8620(g)15(g),可得估算正确。3、计算梁的最大允许挠度：）（）（mm0880.12-22BRRH）（）（mm8320.1)h5.0c(w0HR要满足：0maxww4、梁应变灵敏度计算：)(0194.0807.9gNMF贴片处梁长：)mm(83LLx梁应变灵敏度：)/(101235.1662gEbhLFxgg5、梁根部应变检查：梁根部允许最大应变：）（0004.0lmax50g作用时，质量块产生的惯性力：）（NFF9694.050ga梁根部应变：lmax52a)(10724.76EbhLFg6、梁宽度检查：取材料的许用应力系数为0.5，则许用应力为：）（297m/108.0101605.0NT由许用应力计算梁的最小允许端宽：)(108946.6652minmhLFbTa由于梁厚min9.0bb则估算正确。7、梁自由端挠度检查：两自由端最大允许挠度w0前面已经算出，梁自由端最大动挠度：)(103713.54633mEbhLFwag满足要求：0maxww，则估算正确。8、传感器固有频率计算：无阻尼固有频率：)(105207.1421333HzMLEbhfn有阻尼固有频率：)(9.131612Hzffnc其中，阻尼比为：5.0由于有阻尼固有频率大于了传感器最高频率1316.9Hz398Hz，所以计算正确。9、检查最高工作频率处的非线性误差：通过幅频曲线检查10-310-210-110010100.20.40.60.811.2w/wcH(w)1.04430.3022图3传感器幅频特性0443.1)52(])(1[1222cc评价：05.1wA，可以看处此传感器的幅频特性很好，个方便参数设计很合理，能够很明显地反映出它的工作性能，达到了设计的要求水平。10计算传感器灵敏度：单臂工作时的电桥输出电压：RRUUUEE4141-0工作片的电阻变化率与梁应变灵敏度成正比，比例系数为KggKRR传感器灵敏度即为电桥灵敏度：)/v(0012.04141gKUUSgEgEU三、设计结果:梁材料：弹簧钢4质量块材料：碳钢壳体材料：硬磊硅油：甲基硅油应变片：硅应变片结构尺寸表1桥臂工作方式梁长（mm）梁宽（mm）梁厚（mm）块半径（mm）块厚（mm）总质量）（g11040.9436.8620传感器性能表2根部应变）（静态灵敏度)/(g阻尼比固有频率)(HZ有阻尼频率)(HZ供桥电压)(V电桥灵敏度(v/g)5-10724.76-101235.15.07.15209.1316200012.0第二部分信号调理器设计一、信号调理器设计信号调理器的作用、设计内容、技术要求图4电桥放大器1、电桥放大器电路原理：计算过程:取RRR120021输入信号：单臂工作=电桥灵敏度=0.0012输出电压：ifURRU10，取v50U，)(50003fRR2恒流源工作原理及计算：取7654RRRR;恒流源向桥路输出电流：应变片工作电流21RUIIE)(600,15.0244RRUIE3调零电路工作原理及计算：设桥臂电阻值的最大变化率为0.05，则有)(5.1735005.0R得)(6650)1(22RRRRs则取)(6650sRR4标定电路及计算过程：单臂工作：)(5.367RRRD5电桥放大器总成：总体电路图5电桥放大器总成电桥放大器参数及原件值表3最高工作频率)(HZ电桥灵敏度)/(vg共桥电压)v(应变片阻值）（应变片工作电流）（Am桥臂工作方式1-41fR）（2fR）（3R）（4R）（5R）（0R）（sR）（3980.0012203501515K2.5K5K6003706K6K二、滤波器设计1、滤波器原理，滤波器在信号调理器中的作用滤波是信号处理中的一个重要概念。滤波分经典滤波和现代滤波。经典滤波的概念，是根据富立叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。实际上，任何一个电子系统都具有自己的频带宽度（对信号最高频率的限制），频率特性反映出了电子系统的这个基本特点。而滤波器，则是根据电路参数对电路频带宽度的影响而设计出来的工程应用电路。用模拟电子电路对模拟信号进行滤波，其基本原理就是利用电路的频率特性实现对信号中频率成分的选择。根据频率滤波时，是把信号看成是由不同频率正弦波叠加而成的模拟信号，通过选择不同的频率成分来实现信号滤波。当允许信号中较高频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做高通滤波器。当允许信号中较低频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做低通滤波器。当只允许信号中某个频率范围内的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做带通滤波器。理想滤波器的行为特性通常用幅度-频率特性图描述，也叫做滤波器电路的幅频特性。2、双二次函数和一阶节函数双二次函数及一阶节函数的定义：低通双二次函数：ba)(2SSKSHL低通滤波器一阶函数：bb)(SSH3、正负反馈双二次电路和一阶节电路：传感函数和电路图（1）正反馈双二次电路如图正反馈双二次电路为RC有源二次电路，由二阶RC低通滤波器和同相运算放大器组成，如图所示。低通双二次函数：ba)(2SSKSH电路传递函数为：2121222211221211]1)1(11[1)(CCRRCRkCRCRSSCCRRkSH其中，abRRk1，取k=2b，比较两函数的系数得：取121CC，baRaRCC212112k1（2）负反馈双二次电路：如图负反馈双二次电路由二阶RC低通滤波器和反相运算放大器组成，如图所示。低通双二次函数：ba)(2SSKSHL,若取KbK，有ba)(2SSKbSHL低通双二次电路：2123321221211]111[1)(CCRRRRRSSCCRRSH取RRRC321,1,可以得到：aKRRaKKRbKaCC22)2(13212221（3）低通一阶电路：如图低通一阶电路由一阶RC低通滤波器和电压跟随器组成，如图所示。传递函数：111111)(CRSCRSH与一阶函数：bb)(SSH，比较系数得bCR111，若取11C，则bR114、滤波器设计计算过程：已知截止频率为：ZHf398，（学号：20091398）设计计算三阶切比雪夫有源低通滤波器如下：切氏归一低通：))((1)(2120aSaSaSSH，解归一化得：))2)((2(1)(2120aSafSafSSHL)85886528.0398232994890.0)3982)((32994890.03982(12SSS5365510825189338418258252SSS将上式分解为一个一阶与一个双二次函数的串联。一阶低通切氏有源滤波器设计:825825)(1SbSbSH,比较系数可得：0012.08251111RC取比例因子710a反归一化得：KRuFC12,1.011负反馈二阶有源切氏滤波器设计：对二次函数：536551082518933841ba-)(222SSSSKbSH对二次电路：2123321221211]111[1)(CCRRRRRSSCCRRSH比较两函数系数得：5.3825111153655101133212132KRRaRRRCbCCRR取：RRRC321,1，求得原件值：0067.08255.520019.05.38255.520042.053655105.5)825()2(1421222221aKRRaKKRbKaCC取比例因子710a反归一化得：KRKRpFCuFC67194201.02121滤波器参数及元件表4滤波器类型1R)(K2R)(K3R)(K4R)(K1C)(uF2C)(uF3C)(uF频率设计值原件标化值元件标化后截止频率截止点衰减截止频率截止点衰减截止频率截止点衰减8196767670.10.142003983Bd4090.704090.6根据以上计算，将一阶滤波器电路与二阶滤波器电路并联，可得三阶有源低通滤波器电路如下图：图63阶有源低通滤波设计电路5滤波器电路