3.3 傳感器設(shè)計(jì)
彈性體的設(shè)計(jì)是多維傳感器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。本文在利用有限元分析方法對傳感器彈性體的靜態(tài)和動態(tài)特性仿真分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于E型膜片的彈 性體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、維間耦合小、容易標(biāo)定的特點(diǎn)。整個彈性體主要由彈性膜片、應(yīng)變計(jì)和受力轉(zhuǎn)接體三個部分組成，彈性體由 兩層E型膜片構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)X和Y兩個方向應(yīng)變力的測量。彈性膜片為圓形結(jié)構(gòu)，其直徑和厚度分別為φ15 mm和2 mm，厚度方向和測量方向一致。敏感元件采用箔式電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼在E型膜片上。傳感器的輸出是E型膜片的應(yīng)力，應(yīng)力的測量方式很多，本研究采用箔 式電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼在E型膜片上，用于測量彈性體上應(yīng)力的大小。應(yīng)變計(jì)貼片位置如圖4所示，X和Y方向應(yīng)變片安裝在E型膜片的下端，四片應(yīng)變片電阻 組成一個惠斯登全橋電路(如圖5所示)，實(shí)現(xiàn)輸出信號的自動解耦。當(dāng)力作用于傳感器時，由于力大小、方向的不同，各個方向的敏感電阻受到的應(yīng)力不同，從而 得到力與應(yīng)變之間的關(guān)系。以X方向?yàn)槔?，E型膜片敏感彈性部分的圓環(huán)平膜片屬于薄板結(jié)構(gòu)，在X向力的作用下，邊界條件比較簡單，可以等效為外圓周固定，集 中應(yīng)力作用在硬中心的圓形薄板。根據(jù)薄板理論可知，周邊固支具有硬中心的膜片在半徑r處的徑向應(yīng)力εr和切向應(yīng)力εθ為
式中：ω，h分別為圓形膜片的法向位移和厚度；F為施加力的等效集中力；f(r)，P(r)是僅與r有關(guān)的函數(shù)。
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