活塞課程設計

6. 跪求· ··關於活塞式壓電式壓力感測器的課程設計，包括各個參數的詳細計算和活塞式感測器的圖片

活塞式壓電感測器課程設計

專業:測控技術與儀器

班級:08測控

姓名:單雨

目 錄
引言 1
1.感測器課程設計的目的和任務 2
1.1目的 2
1.2要求 2
2.感測器設計方案的選擇 3
2.1感測器種類的選擇 3
2.2感測器支承的選擇 4
2.3電級結構的選擇 5
3.感測器機械設計各部分的參數確定 7
3.1晶片的參數 7
3.1.1壓電系數 7
3.1.2晶片的直徑的確定 9
3.2驗算 9
3.3電極的設計 12
3.4彈簧設計 12
4.感測器整體的結構設計 15
附錄 16
參考書目 17

引 言
壓電式壓力感測器基於壓電效應的壓力感測器。它的種類和型號繁多，按彈性敏感元件和受力機構的形式可分為膜片式和活塞式兩類。膜片式主要由本體、膜片和壓電元件組成（見圖）。壓電元件支撐於本體上，由膜片將被測壓力傳遞給壓電元件，再由壓電元件輸出與被測壓力成一定關系的電信號(見壓電式感測器)。這種感測器的特點是體積小、動態特性好、耐高溫等。現代測量技術對感測器的性能出越來越高的要求。例如用壓力感測器測量繪制內燃機示功圖，在測量中不允許用水冷卻，並要求感測器能耐高溫和體積小。壓電材料最適合於研製這種壓力感測器。目前比較有效的辦法是選擇適合高溫條件的石英晶體切割方法,例如XYδ（+20°～+30°）割型的石英晶體可耐350℃的高溫。而LiNbO3單晶的居里點高達1210℃，是製造高溫感測器的理想壓電材料。
壓電式壓力感測器的結構類型很多，但它們的基本原理與結構仍與前述壓電式加速度和力感測器大同小異。突出的不同點是，它必須通過彈性膜、盒等，把壓力收集、轉換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態特性及其穩定性，通常多採用石英晶體作壓電元件。壓電壓力感測器種類及型號繁多，按彈性敏感元件分，主要有兩種，活塞式和膜片式。在壓電式感測器中，常採用兩或兩片以上的壓電元件組合、並聯兩種方式工作，並聯時，輸出電容大、電荷大，同時，時間常數τ= 大，宜於用於緩慢信號的測量，並宜用於以電荷作輸出的場合。串聯時，輸出電壓高，自身電容小，宜使用於輸出為電壓及測量電路的輸入阻抗很高的場合。活塞式壓力感測器也分為中壓活塞式和高壓活塞式感測器。根據要求選擇的時活塞式直接支承並聯式感測器。其主要是根據外界受力的變化來轉變成電壓的變化從而測到外界的壓力的變化,壓力與外接電壓是一個線性變化的關系。下面就是壓電式壓力感測器的具體選擇方案等說明書

1.感測器課程設計的目的和任務
1.1目的
（1）. 鞏固所學知識，加強對感測器原理的進一步理解；
（2）. 理論與實際相結合，「學以致用」；
（3）. 綜合運用知識，培養獨立設計能力；
（4）. 著重掌握典型感測器的設計要點，方法與一般過程；
（5）. 培養學生精密機械與測控電路的設計能力。
1.2要求
(1)．設計時必須從實際出發，綜合考慮實用性、經濟性、安全性、先進性及操作維修方便。如果可以用比較簡單的方法實現要求，就不必過份強調先進性。並非是越先進越好。同樣，在安全性、方便性要求較高的地方，應不惜多用一些元件或採用性能較好的元件，不能單純考慮簡單、經濟；
(2)．獨立完成作業。設計時可以收集、參考感測器同類資料，但必須深入理解，消化後再借鑒。不能簡單地抄襲；
(3)．在課程設計中，要隨時復習感測器的工作原理。積極思考。不能直接向老師索取答案和圖紙。
(4). 設計感測器測頭機械機構方案,繪制總裝圖(CAD為工具),編寫感測器設計說明書。

2.感測器設計方案的選擇
設計一台活塞式壓電式壓力感測器
設計的參數
1.量程范圍（壓縮）40 MPa
2.靈敏度為1.6×10-3pC/Pa
3.固有頻率≥40kHz
4.線性度≤1％
5.絕緣電阻≥1012Ω
壓電式壓力感測器的結構類型很多，但它們的基本原理與結構仍與前述壓電式加速度和力感測器大同小異。突出的不同點是，它必須通過彈性膜、盒等，把壓力收集、轉換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態特性及其穩定性，通常多採用石英晶體作壓電元件。其結構主要是由本體、彈性敏感元件和壓電轉換元件組成。
2.1 感測器種類的選擇
壓電壓力感測器種類及型號繁多，按彈性敏感元件分，主要有兩種，活塞式和膜片式。
活塞式壓電式感測器的應用特點：
(1)靈敏度和解析度高，線性范圍大，結構簡單、牢固，可靠性好，壽命長；
(2)體積小，重量輕，剛度、強度、承載能力和測量范圍大，動態響應頻帶寬，動態誤差小；
(3) 易於大量生產，便於選用，使用和校準方便，並適用於近測、遙測。

（a）中壓活塞式 感測器 (b) 膜片式石英壓力感測器結構圖

圖 1 壓電式壓力感測器結構圖
圖(a) 1本體 2活塞3彈簧4晶片5絕緣套6晶片7電極 8絕緣套9晶體10墊塊

圖(b) 1街頭 2絕緣套3芯體4絕緣管 5電極引線6本體7晶體8壓塊9絕緣管10壓緊螺母11繁定螺母

2.2感測器支承的選擇

(a) 直接支承 (b)間接支承
圖 2 壓電壓力感測器結構簡圖
1本體 2支撐螺桿3壓電轉換元件4電極5壓電轉換元件6膜片
圖1 中(a)為晶片直接支承在本體上 （b） 為晶片間接支承在本體上。這兩種結構形式的諧振頻率相差很大。
2.3 電級結構的選擇
感測器的固有頻率為 0¬2=K/m，為了使活塞活動靈活，必須增加長度，這樣將使質量 增加而使 下降，一般取 0 30kHz 。如果採用導電膠粘接晶片和電極，可提高剛度K，使 0 提高至40kHz。
在壓電式感測器中，常採用兩或兩片以上的壓電元件組合、並聯兩種方式工作，如下圖所示。

（a）並聯方式 （b）串聯方式

圖3 壓電式的連接方式

(1)並聯結構
如圖5（a）所示，負極集中在中間，正極為上、下兩個面的串聯，此種方式稱為並聯方式。
n片並聯時，並聯輸出電容為
輸出電壓為
極板上電荷為
式中 n ¬——片數；
C1、U1、Q1——單片時的電容、電壓、電荷量。

(2)串聯結構
如圖5（b）所示，上極板為正極，下極板為負極，中間正、負電荷抵消方式稱為串聯結構形式。
輸出電荷量為

輸出電壓為

輸出電容量為

由此可見：
（1） 並聯時，輸出電容大、電荷大，同時，時間常數τ= 大，宜於用於
慢信號的測量，並宜用於以電荷作輸出的場合。
（2） 串聯時，輸出電壓高，自身電容小，宜使用於輸出為電壓及測量電路的
入阻抗很高的場合。

根據要求選擇的時活塞式直接支承並聯式感測器

3.感測器機械設計各部分的參數確定:
3.1晶片參數確定
3.1.1 壓電系數
根據正壓電效應原理可知，當一個平行於X軸的力Fx作用於垂直於X軸的壓電元件的平面上時，則在該平面上產生的點和密度為
1=d11 1=d11=d11 （3-1）
式中 d11———壓電系數：晶體受單位力作用時產生的電荷量；
1———Ax面上的作用應力。
所以，在彈性限內電荷密度 1與應力（作用力）成正比。
如果同時在壓電原件的x、y、z三個軸向上作用拉（壓）力，對yz、xy、xz平面上作用切向力，則個平面上的電荷密度可用數學表達式表示如下：
1= d11 1+ d12 2+ d13 3+ d14 23+ d15 31+ d16 12
2= d21 1+ d22 2+ d23 3+ d24 23+ d25 31+ d26 12 （3-2）
3= d31 1+ d32 2+ d33 3+ d34 23+ d35 31+ d36 12

式中 1、 2、 3——Ax、Ay、Az 各平面上的電荷密度；
1、 2、 3——Ax、Ay、Az平面上作用的軸向應力；
23、 31、 12——切向應力；
dij——壓電系數
將式（1-8）以矩陣形式表示，則有

1
2

1 3

2 =D 4

3 5

6

式中 4= 23， 5= 31， 6= 12

d11 d12 d13 d14 d15 d16
D= d11 d12 d13 d14 d15 d16 （3-3）
d11 d12 d13 d14 d15 d16

式（1-4）稱為壓電系數矩陣。實驗得到石英晶體的壓電系數矩陣為

2.31 -2.31 0 0.67 0 0
D= 0 0 0 0 -0.67 -4.62 （3-4）

0 0 0 0 0 0
由式（3-4）可知
（1） 壓電系數矩陣是正確選擇力—電轉換方式和轉換效率的重要依據；
（2） 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應；
（3） 石英晶體的壓電系數共有18個。但由於晶體的對稱性，可以確定的壓電系數只有兩個。
對於右旋石英晶體， <0和 >0：對於左旋石英晶體則是 >0, <0，即
= 2.3× C/N, = 7.3× C/N
3.1.2晶片的直徑的確定
為縱向靈敏度的計算公式為
SQ =nd11•A （3-5）
SQ=1.6×10-3 Pc/Pa=1.6×10-15C/Pa
所以 1.6× =2×2.3× ×A
A=348
A=
D=21.06mm
晶片直徑及厚度大於0.5mm
3.2驗算
彈性元件的材料應具有：
（1)強度高和耐蝕性好；
（2)彈性模量要高；
（3)溫度系數要低。
彈性儲能是衡量彈性材料的一個重要指標。彈性儲能是指單位體積所吸收最大變形的功，它表示在彈性元件的材料吸收最大變形功時，而不產生永久變形的能力。
最大變形功為

式中 W——最大彈性變形功；
——彈性極限；
E——彈性模量。
由上式可見：
（1）要使W增加，則必使E減小；
（2）但彈性元件要求有較高E值；
（3）以上兩者矛盾，綜合考慮，常取E值高的材料作彈性元件；
（4）測量超高壓時，選用超高強度的合金材料（ >1600MPa），如馬氏體、不銹鋼、鎳鈷鉬合金等。
無論選用哪種材料，都要求具有良好的機械加工性能、熱處理性能和焊接性能好等。

要保持具有良好的線性。
具有良好的線性關系必使在最大動態力作用下不脫離接觸，此時，必須滿足以下條件：在最大動態力作用下產生的變形 不超過預應力產生的變形x，即

最大動態力為 ，由胡克定律，由

因而，在此動態力作用下產生的變形為

在位移 下產生的彈性力為

所以最小預用力為

顯然， ，預應力的下限值應取 。

機械強度的設計計算
（1） 根據使用條件和測量要求合理選擇材料；
（2） 合理設計整體結構和零件尺寸；
（3） 用於超高壓測量的感測器要進行連接螺紋的強度校合，以滿足整個感測器強度要求和可靠性。壓力感測器的強度設計主要是對彈性元件和轉換元件。
設： 為被測最大壓力；A為膜片有效受力面積；A』為壓電轉換元件（晶片）的面積； 為壓電元件（晶片）的強度極限；[ ]為允許應力。則壓電元件（晶片）上承受的最大力為
= •A
=4.0× ×3.48×
=1.39× N
3.3電極設計
縱向效應晶體組件的設計
晶體元件一般設計成機械串聯（受力）、電氣並聯，以薄金屬片做電極（圖9-41），或以金屬鍍層做電極（圖9-42）。
以金屬片為電極的應用較為普遍，因其結構工藝簡單。

（a）金屬薄片式 (b)金屬鍍層式
圖4 晶體元件組
3.4.彈簧設計

圖5 彈簧設計圖
1.彈簧的作用：
保證測頭與被測目標可靠接觸。
2.設計要求：
測量力要求：小於100g，不能太硬。
行程要求： 2mm，伸縮行程。
3.關於材料的選擇和參數計算：
彈簧材料的選擇，應根據彈簧承受載荷的性質、應力狀態、應力大小、工作溫度、環境介質、使用壽命、對導電導磁的要求、工藝性能、材料來源和價格等因素確定。彈簧材料除了注意其化學成分外，還應特別注意其冶金及熱處理的工藝質量。相同成分的材料由於冶金及熱處理工藝質量不同，其機械性能往往有很大差別。感測器內部彈簧較小，選用經預先熱處理的油淬火回火的彈簧鋼絲。
考慮最大工作負荷為 ，並且在低溫下使用的彈簧材料，應具有良好的低溫韌性。碳素彈簧鋼絲、琴鋼絲和 1Cr18Ni9 等奧氏體不銹鋼彈簧鋼絲、銅合金、鎳合金有較好的低溫韌性和強度，本感測器還需要該材料膨脹系數變化極小。綜上各因素，我們小組決定選取材料1Cr18Ni9，其許用切應力 ，通過查閱機械手冊表，選取其彈簧指數為C=14，則曲度系數
。
計算彈簧絲徑 ，選取標准值 。
彈簧中徑 。節距一般取 ，這里取 。根據量程 ，查機械手冊表，選取彈簧工作圈數的標准值 ，由此得彈簧自由高度 。壓縮高度 。

表1彈簧設計所有參數
絲徑 中徑 載荷 壓縮高度 自由高度
0.35 5 0.1kg 1.225 4

為了進一步提高彈簧的許用剪切應力，需對彈簧採取強壓處理。經強壓處理後的彈簧，可提高彈簧的許用剪切應力，最高可增加25％左右。強壓處理的基本原理是將彈簧預制的比要求的自由高度高一些，然後壓縮彈簧至並緊，使其應力超過彈簧材料的彈性極限。強壓處理過的彈簧再載入時，其許用彈性極限比強壓處理前提高很多。強壓處理方式採用長時間一次強壓，保持時間為48h左右。
4.感測器整體的結構設計

圖6 活塞式壓力感測器總設計圖

總結
1•通過這次課程設計，我對感測器設計基礎知識復習了一遍，而且更重要的是又學到了很多新的知識，獲得了新的經驗。我從中學會了根據具體的數據進行查表、篩選，從而進行設計。學會知道團隊精神的重要性，在這次的課程設計當中，在一些材料的選用，數據的演算法等方面與其他同學進行了交流，提高了自己的工作效率。
2•在如此短的時間內，依靠個人能力是不可能完成如此繁瑣的資料查找與收集。所以，通過這次課程設計，加強了同學之間的交流，大大增進了我們組的凝聚力，協作的精神更強了。而且自己也學到了很多實際的有用的東西，相信對以後的工作一定會有很大的益處。
3•最後，在此對郭易老師的指導與教學表示感謝，通過老師的幫助使得我們的工作效率得到了很大的提高。

參考書目
[1] 黃賢武 ,鄭筱霞 . 感測器原理與應用 .北京：電子科技大學出版社 1995年 35-40
[2] 王化祥,張淑英.感測器原理及應用.天津：天津大學出版社 ,1999年 56-60
[3] 高曉蓉.感測器技術.西南交通大學出版社，2003年 66-70
[4] 郁有文，常健.感測器原理及工程應用.西安：西安電子科技大學出版社，2001年 75-80
[5]何希才.感測器及其應用電路 .北京:電子工業出版社 2001 90-100
[6] 陳傑 ,黃鴻.感測器與檢測技術 .北京：高等教育出版社 2002年 100-103
[7] 於建紅 . 感測技術學報 .2007年 2-4

7. 活塞式壓氣機課程設計

活塞式壓縮機的 工作原理
活塞式壓縮機屬於最早的壓縮機設計之一，但它仍然是最通用和內非常高效的一容種壓縮機。活塞式壓縮機通過連桿和曲軸使活塞在氣缸內向前運動。 如果只用活塞的一側進行壓縮，則稱為單動式。如果活塞的上、下兩側都用，則稱為雙動式。
活塞式壓縮機的用途非常廣泛，幾乎沒有任何限制。 它可以壓縮空氣，也可以壓縮氣體，幾乎不需要作任何改動。 活塞式壓縮機是唯一一種能夠將空氣和氣體壓縮至高壓，以適合 諸如呼吸空氣等用途的設計。
活塞式壓縮機的配置可包括從適用於低壓／小容量用途的單缸配置，到能壓縮至非常高壓力的多級配置。在多級壓縮機中，空氣被分級壓縮，逐級增大壓力。
壓縮能力：
活塞式壓縮機系列的功率范圍為 0.75 kW 至 1500 kW (1hp 至 2000hp)，所產生的工作壓力為 1.5 bar 至 414 bar (21 至 6004psi)。
其典型用途是：
氣體壓縮（CNG、氮氣、惰性氣體、填埋氣體）
高壓空氣（水中呼吸器鋼瓶的呼吸用空氣、地震勘察、氣動迴路等）
PET 吹瓶、發動機起動、工業

8. 機械 課程設計 活塞式油泵機構的設計和運動分析

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9. 求個柴油機活塞環的cad圖紙，課程設計要用

傳統柴油發動機的來特點：熱效率和自經濟性較好，柴油機採用壓縮空氣的辦法來提高空氣溫度，使空氣溫度超過柴油的自燃點，這時再噴入柴油、柴油噴霧和空氣混合的同時自己點火燃燒。因此，柴油發動機無需點火系統。同時，柴油機的供油系統也相對簡單，因此柴油發動機的可靠性要比汽油發動機的好。由於不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油機壓縮比很高。熱效率和經濟性都要好於汽油機，同時在相同功率的情況下，柴油機的扭矩大，最大功率時的轉速低，適合於載貨