摘 要

加速度传感器现已在游戏控制、汽车制动启动检测、振动测试与分析等领域得到广泛应用，对三维加速度传感器的研究也成为了一门重要科目，目前市面上存在的三维加速度传感器的种类大致可分为三类：压电式、电容式和压阻式。本文设计了一种新型的应变式三维加速度传感器。该三维加速度传感器的弹性元件采用由三个平行梁衔接而成的一体式结构，将三个方向的加速度信息利用电阻应变片测量出来，进而通过处理电路获得加速度测量结果。设计中采用Solidworks软件对弹性元件进行了有限元下的应力分析、应变分析和动态仿真，确定了弹性体在各方向下的应变情况，并且通过数学优化模型对弹性体的结构进行了优化设计，改善了传感器的性能。

在系统电路部分，设计出了由电桥电路、电源电路、放大电路、滤波电路和二次放大电路组成的系统电路，并用Proteus软件对系统电路进行了仿真，达到了预期结果，表明电路设计可行。

关键词：加速度传感器；应变式传感器；有限元；优化设计

Abstract

The acceleration sensor has been widely used in many fields.Just like game control, automotive brake start detection, vibration testing and analysis, etc. The study of three-dimensional acceleration sensor has also become an important subject.Three-dimensional acceleration sensor can be broadly divided into three categories on the market: piezoelectric, piezoresistive and capacitive formula.

This paper designed a novel strain of three-dimensional acceleration sensor.The elastic element,which belong to the three-dimensional acceleration sensor,was made of one-piece construction by using the convergence of three parallel beams.The acceleration information will be measured by resistance strain gauges.Then,through the processing circuit,we can get acceleration measurements.

Finite element analysis of stress, strain and dynamic were used in the design of the elastic element by Solidworks. Identified elastomer strain of three directions.And mathematical optimization model for the structure of the elastomer has been optimized to improve the performance of the sensor.

In the circuit system, it was devised by the bridge circuit, power circuit, amplifier circuit, filter circuit and the second amplifier circuit.Through the simulation in Proteus.Achieveed the expected results and proved the design of circuit was feasible.

Key Words：accelerometer ; strain sensor; finite element; design optimization

目录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2三维加速度传感器研究现状 1

1.2.1三维加速度传感器信号获取原理 1

1.2.2不同类型加速度传感器特点和应用 3

1.2.3三维加速度传感器主要结构形式 3

1.2.4应变式三维加速度传感器国内外研究现状 4

1.3设计研究内容 4

1.3.1设计方案 5

1.3.2经济可行性 6

第2章 应变式三维加速度传感器弹性元件设计 8

2.1 传感器的弹性元件结构设计 8

2.1.1 弹性元件设计原则 8

2.1.2 SolidWorks下的模型构建 8

2.1.3 应变片的选取 9

2.2应变式三维加速度传感器的结构优化 11

2.2.1 弹性元件的简化力学模型 11

2.2.2 弹性元件的数学优化模型 13

2.2.3 Matlab下的优化模型和程序 14

2.3 应变式三维加速度传感器的仿真分析 15

2.3.1 有限元下的应力应变仿真分析 16

2.3.2 有限元下的动态仿真分析 18

第3章 应变式三维加速度传感器测量电路 18

3.1 电源电路 18

3.1.1 变压器部分 18

3.1.2整流、稳压部分 18

3.2全桥差动电桥电路 19

3.3放大电路 22

3.4 滤波电路 23

3.4.1巴特沃斯低通滤波电路 23

3.4.2 四阶巴特沃斯低通滤波电路 23

3.5 二级放大电路 24

3.5.1 二级放大电路设计 24

3.5.2 二级放大电路仿真 25

第4章 总结 27

参考文献 28

致谢 29

第1章 绪论

1.1引言

加速度是描述物体运动状态的一种物理量，在社会各个领域都得到广泛利用，对应的加速度信号需要通过一定的方式获取然后再通过传感器来进行测量。加速度传感器，是一种敏感物体加速度信号并可以将其转换成电信号的器件，再通过相应的放大电路、调理电路后进行模数转换可以得到数字信号，便于在计算机中显示和储存。

日常生活中，我们接触的很多东西都运用到了加速度传感器，例如图1.1～图1.3中手机中的陀螺仪，汽车的制动启动检测，甚至在机器人和航空航天领域加速度传感器都得到了广泛运用。

图1.1 手机中的陀螺仪 图1.2 机器人运动元件 图1.3 航空航天领域

1.2三维加速度传感器研究现状

1.2.1三维加速度传感器信号获取原理

三维加速度传感器按获取加速度方式的不同，可以分成很多种，市面上比较多的有电容式、压电式和压阻式三种。

（1）电容式加速度传感器