活塞课程设计

6. 跪求· ··关于活塞式压电式压力传感器的课程设计，包括各个参数的详细计算和活塞式传感器的图片

活塞式压电传感器课程设计

专业:测控技术与仪器

班级:08测控

姓名:单雨

目 录
引言 1
1.传感器课程设计的目的和任务 2
1.1目的 2
1.2要求 2
2.传感器设计方案的选择 3
2.1传感器种类的选择 3
2.2传感器支承的选择 4
2.3电级结构的选择 5
3.传感器机械设计各部分的参数确定 7
3.1晶片的参数 7
3.1.1压电系数 7
3.1.2晶片的直径的确定 9
3.2验算 9
3.3电极的设计 12
3.4弹簧设计 12
4.传感器整体的结构设计 15
附录 16
参考书目 17

引 言
压电式压力传感器基于压电效应的压力传感器。它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成（见图）。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号(见压电式传感器)。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温和体积小。压电材料最适合于研制这种压力传感器。目前比较有效的办法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法,例如XYδ（+20°～+30°）割型的石英晶体可耐350℃的高温。而LiNbO3单晶的居里点高达1210℃，是制造高温传感器的理想压电材料。
压电式压力传感器的结构类型很多，但它们的基本原理与结构仍与前述压电式加速度和力传感器大同小异。突出的不同点是，它必须通过弹性膜、盒等，把压力收集、转换成力，再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶体作压电元件。压电压力传感器种类及型号繁多，按弹性敏感元件分，主要有两种，活塞式和膜片式。在压电式传感器中，常采用两或两片以上的压电元件组合、并联两种方式工作，并联时，输出电容大、电荷大，同时，时间常数τ= 大，宜于用于缓慢信号的测量，并宜用于以电荷作输出的场合。串联时，输出电压高，自身电容小，宜使用于输出为电压及测量电路的输入阻抗很高的场合。活塞式压力传感器也分为中压活塞式和高压活塞式传感器。根据要求选择的时活塞式直接支承并联式传感器。其主要是根据外界受力的变化来转变成电压的变化从而测到外界的压力的变化,压力与外接电压是一个线性变化的关系。下面就是压电式压力传感器的具体选择方案等说明书

1.传感器课程设计的目的和任务
1.1目的
（1）. 巩固所学知识，加强对传感器原理的进一步理解；
（2）. 理论与实际相结合，“学以致用”；
（3）. 综合运用知识，培养独立设计能力；
（4）. 着重掌握典型传感器的设计要点，方法与一般过程；
（5）. 培养学生精密机械与测控电路的设计能力。
1.2要求
(1)．设计时必须从实际出发，综合考虑实用性、经济性、安全性、先进性及操作维修方便。如果可以用比较简单的方法实现要求，就不必过份强调先进性。并非是越先进越好。同样，在安全性、方便性要求较高的地方，应不惜多用一些元件或采用性能较好的元件，不能单纯考虑简单、经济；
(2)．独立完成作业。设计时可以收集、参考传感器同类资料，但必须深入理解，消化后再借鉴。不能简单地抄袭；
(3)．在课程设计中，要随时复习传感器的工作原理。积极思考。不能直接向老师索取答案和图纸。
(4). 设计传感器测头机械机构方案,绘制总装图(CAD为工具),编写传感器设计说明书。

2.传感器设计方案的选择
设计一台活塞式压电式压力传感器
设计的参数
1.量程范围（压缩）40 MPa
2.灵敏度为1.6×10-3pC/Pa
3.固有频率≥40kHz
4.线性度≤1％
5.绝缘电阻≥1012Ω
压电式压力传感器的结构类型很多，但它们的基本原理与结构仍与前述压电式加速度和力传感器大同小异。突出的不同点是，它必须通过弹性膜、盒等，把压力收集、转换成力，再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶体作压电元件。其结构主要是由本体、弹性敏感元件和压电转换元件组成。
2.1 传感器种类的选择
压电压力传感器种类及型号繁多，按弹性敏感元件分，主要有两种，活塞式和膜片式。
活塞式压电式传感器的应用特点：
(1)灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简单、牢固，可靠性好，寿命长；
(2)体积小，重量轻，刚度、强度、承载能力和测量范围大，动态响应频带宽，动态误差小；
(3) 易于大量生产，便于选用，使用和校准方便，并适用于近测、遥测。

（a）中压活塞式 传感器 (b) 膜片式石英压力传感器结构图

图 1 压电式压力传感器结构图
图(a) 1本体 2活塞3弹簧4晶片5绝缘套6晶片7电极 8绝缘套9晶体10垫块

图(b) 1街头 2绝缘套3芯体4绝缘管 5电极引线6本体7晶体8压块9绝缘管10压紧螺母11繁定螺母

2.2传感器支承的选择

(a) 直接支承 (b)间接支承
图 2 压电压力传感器结构简图
1本体 2支撑螺杆3压电转换元件4电极5压电转换元件6膜片
图1 中(a)为晶片直接支承在本体上 （b） 为晶片间接支承在本体上。这两种结构形式的谐振频率相差很大。
2.3 电级结构的选择
传感器的固有频率为 0¬2=K/m，为了使活塞活动灵活，必须增加长度，这样将使质量 增加而使 下降，一般取 0 30kHz 。如果采用导电胶粘接晶片和电极，可提高刚度K，使 0 提高至40kHz。
在压电式传感器中，常采用两或两片以上的压电元件组合、并联两种方式工作，如下图所示。

（a）并联方式 （b）串联方式

图3 压电式的连接方式

(1)并联结构
如图5（a）所示，负极集中在中间，正极为上、下两个面的串联，此种方式称为并联方式。
n片并联时，并联输出电容为
输出电压为
极板上电荷为
式中 n ¬——片数；
C1、U1、Q1——单片时的电容、电压、电荷量。

(2)串联结构
如图5（b）所示，上极板为正极，下极板为负极，中间正、负电荷抵消方式称为串联结构形式。
输出电荷量为

输出电压为

输出电容量为

由此可见：
（1） 并联时，输出电容大、电荷大，同时，时间常数τ= 大，宜于用于
慢信号的测量，并宜用于以电荷作输出的场合。
（2） 串联时，输出电压高，自身电容小，宜使用于输出为电压及测量电路的
入阻抗很高的场合。

根据要求选择的时活塞式直接支承并联式传感器

3.传感器机械设计各部分的参数确定:
3.1晶片参数确定
3.1.1 压电系数
根据正压电效应原理可知，当一个平行于X轴的力Fx作用于垂直于X轴的压电元件的平面上时，则在该平面上产生的点和密度为
1=d11 1=d11=d11 （3-1）
式中 d11———压电系数：晶体受单位力作用时产生的电荷量；
1———Ax面上的作用应力。
所以，在弹性限内电荷密度 1与应力（作用力）成正比。
如果同时在压电原件的x、y、z三个轴向上作用拉（压）力，对yz、xy、xz平面上作用切向力，则个平面上的电荷密度可用数学表达式表示如下：
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 各平面上的电荷密度；
1、 2、 3——Ax、Ay、Az平面上作用的轴向应力；
23、 31、 12——切向应力；
dij——压电系数
将式（1-8）以矩阵形式表示，则有

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）称为压电系数矩阵。实验得到石英晶体的压电系数矩阵为

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） 压电系数矩阵是正确选择力—电转换方式和转换效率的重要依据；
（2） 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应；
（3） 石英晶体的压电系数共有18个。但由于晶体的对称性，可以确定的压电系数只有两个。
对于右旋石英晶体， <0和 >0：对于左旋石英晶体则是 >0, <0，即
= 2.3× C/N, = 7.3× C/N
3.1.2晶片的直径的确定
为纵向灵敏度的计算公式为
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
晶片直径及厚度大于0.5mm
3.2验算
弹性元件的材料应具有：
（1)强度高和耐蚀性好；
（2)弹性模量要高；
（3)温度系数要低。
弹性储能是衡量弹性材料的一个重要指标。弹性储能是指单位体积所吸收最大变形的功，它表示在弹性元件的材料吸收最大变形功时，而不产生永久变形的能力。
最大变形功为

式中 W——最大弹性变形功；
——弹性极限；
E——弹性模量。
由上式可见：
（1）要使W增加，则必使E减小；
（2）但弹性元件要求有较高E值；
（3）以上两者矛盾，综合考虑，常取E值高的材料作弹性元件；
（4）测量超高压时，选用超高强度的合金材料（ >1600MPa），如马氏体、不锈钢、镍钴钼合金等。
无论选用哪种材料，都要求具有良好的机械加工性能、热处理性能和焊接性能好等。

要保持具有良好的线性。
具有良好的线性关系必使在最大动态力作用下不脱离接触，此时，必须满足以下条件：在最大动态力作用下产生的变形 不超过预应力产生的变形x，即

最大动态力为 ，由胡克定律，由

因而，在此动态力作用下产生的变形为

在位移 下产生的弹性力为

所以最小预用力为

显然， ，预应力的下限值应取 。

机械强度的设计计算
（1） 根据使用条件和测量要求合理选择材料；
（2） 合理设计整体结构和零件尺寸；
（3） 用于超高压测量的传感器要进行连接螺纹的强度校合，以满足整个传感器强度要求和可靠性。压力传感器的强度设计主要是对弹性元件和转换元件。
设： 为被测最大压力；A为膜片有效受力面积；A’为压电转换元件（晶片）的面积； 为压电元件（晶片）的强度极限；[ ]为允许应力。则压电元件（晶片）上承受的最大力为
= •A
=4.0× ×3.48×
=1.39× N
3.3电极设计
纵向效应晶体组件的设计
晶体元件一般设计成机械串联（受力）、电气并联，以薄金属片做电极（图9-41），或以金属镀层做电极（图9-42）。
以金属片为电极的应用较为普遍，因其结构工艺简单。

（a）金属薄片式 (b)金属镀层式
图4 晶体元件组
3.4.弹簧设计

图5 弹簧设计图
1.弹簧的作用：
保证测头与被测目标可靠接触。
2.设计要求：
测量力要求：小于100g，不能太硬。
行程要求： 2mm，伸缩行程。
3.关于材料的选择和参数计算：
弹簧材料的选择，应根据弹簧承受载荷的性质、应力状态、应力大小、工作温度、环境介质、使用寿命、对导电导磁的要求、工艺性能、材料来源和价格等因素确定。弹簧材料除了注意其化学成分外，还应特别注意其冶金及热处理的工艺质量。相同成分的材料由于冶金及热处理工艺质量不同，其机械性能往往有很大差别。传感器内部弹簧较小，选用经预先热处理的油淬火回火的弹簧钢丝。
考虑最大工作负荷为 ，并且在低温下使用的弹簧材料，应具有良好的低温韧性。碳素弹簧钢丝、琴钢丝和 1Cr18Ni9 等奥氏体不锈钢弹簧钢丝、铜合金、镍合金有较好的低温韧性和强度，本传感器还需要该材料膨胀系数变化极小。综上各因素，我们小组决定选取材料1Cr18Ni9，其许用切应力 ，通过查阅机械手册表，选取其弹簧指数为C=14，则曲度系数
。
计算弹簧丝径 ，选取标准值 。
弹簧中径 。节距一般取 ，这里取 。根据量程 ，查机械手册表，选取弹簧工作圈数的标准值 ，由此得弹簧自由高度 。压缩高度 。

表1弹簧设计所有参数
丝径 中径 载荷 压缩高度 自由高度
0.35 5 0.1kg 1.225 4

为了进一步提高弹簧的许用剪切应力，需对弹簧采取强压处理。经强压处理后的弹簧，可提高弹簧的许用剪切应力，最高可增加25％左右。强压处理的基本原理是将弹簧预制的比要求的自由高度高一些，然后压缩弹簧至并紧，使其应力超过弹簧材料的弹性极限。强压处理过的弹簧再加载时，其许用弹性极限比强压处理前提高很多。强压处理方式采用长时间一次强压，保持时间为48h左右。
4.传感器整体的结构设计

图6 活塞式压力传感器总设计图

总结
1•通过这次课程设计，我对传感器设计基础知识复习了一遍，而且更重要的是又学到了很多新的知识，获得了新的经验。我从中学会了根据具体的数据进行查表、筛选，从而进行设计。学会知道团队精神的重要性，在这次的课程设计当中，在一些材料的选用，数据的算法等方面与其他同学进行了交流，提高了自己的工作效率。
2•在如此短的时间内，依靠个人能力是不可能完成如此繁琐的资料查找与收集。所以，通过这次课程设计，加强了同学之间的交流，大大增进了我们组的凝聚力，协作的精神更强了。而且自己也学到了很多实际的有用的东西，相信对以后的工作一定会有很大的益处。
3•最后，在此对郭易老师的指导与教学表示感谢，通过老师的帮助使得我们的工作效率得到了很大的提高。

参考书目
[1] 黄贤武 ,郑筱霞 . 传感器原理与应用 .北京：电子科技大学出版社 1995年 35-40
[2] 王化祥,张淑英.传感器原理及应用.天津：天津大学出版社 ,1999年 56-60
[3] 高晓蓉.传感器技术.西南交通大学出版社，2003年 66-70
[4] 郁有文，常健.传感器原理及工程应用.西安：西安电子科技大学出版社，2001年 75-80
[5]何希才.传感器及其应用电路 .北京:电子工业出版社 2001 90-100
[6] 陈杰 ,黄鸿.传感器与检测技术 .北京：高等教育出版社 2002年 100-103
[7] 于建红 . 传感技术学报 .2007年 2-4

7. 活塞式压气机课程设计

活塞式压缩机的 工作原理
活塞式压缩机属于最早的压缩机设计之一，但它仍然是最通用和内非常高效的一容种压缩机。活塞式压缩机通过连杆和曲轴使活塞在气缸内向前运动。 如果只用活塞的一侧进行压缩，则称为单动式。如果活塞的上、下两侧都用，则称为双动式。
活塞式压缩机的用途非常广泛，几乎没有任何限制。 它可以压缩空气，也可以压缩气体，几乎不需要作任何改动。 活塞式压缩机是唯一一种能够将空气和气体压缩至高压，以适合 诸如呼吸空气等用途的设计。
活塞式压缩机的配置可包括从适用于低压／小容量用途的单缸配置，到能压缩至非常高压力的多级配置。在多级压缩机中，空气被分级压缩，逐级增大压力。
压缩能力：
活塞式压缩机系列的功率范围为 0.75 kW 至 1500 kW (1hp 至 2000hp)，所产生的工作压力为 1.5 bar 至 414 bar (21 至 6004psi)。
其典型用途是：
气体压缩（CNG、氮气、惰性气体、填埋气体）
高压空气（水中呼吸器钢瓶的呼吸用空气、地震勘察、气动回路等）
PET 吹瓶、发动机起动、工业

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