報告壓力傳感器設(shè)計與實現(xiàn)

傳感器設(shè)計與實現(xiàn)報告＜論文〉——壓力傳感器設(shè)計學生姓名學 號專業(yè)電氣自動化技術(shù)題 目PS壓力傳感器設(shè)計教 師劉艷偉壓力傳感器設(shè)計與實現(xiàn)——PS壓力傳感器摘要壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質(zhì)，當沿著一定方向受到機械力作用發(fā)生變形時，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)【1】；當機械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時候，某些晶體可能產(chǎn)生出電的效應(yīng)，這就是所謂的極化效應(yīng)?？茖W家就是根據(jù)這個效應(yīng)研制出了壓電傳感器。壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。關(guān)鍵詞：壓力；結(jié)構(gòu)；PS壓力系統(tǒng)TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章緒論 1\o"CurrentDocument"1.1背景 1\o"CurrentDocument"1.2傳感器的定義 1\o"CurrentDocument"1.3傳感器的分類 1\o"CurrentDocument"1.4設(shè)計目的 2\o"CurrentDocument"第2章原理分析 3\o"CurrentDocument"2.1工作原理 3\o"CurrentDocument"第3章實現(xiàn)過程 4\o"CurrentDocument"3.1電路圖設(shè)計 4\o"CurrentDocument"參考文獻： 6第1章緒論1.1背景壓力傳感器⑵中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場變化微?。ㄒ簿驼f壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。早在1954年美國C.S.Smith首先確認了半導(dǎo)體壓電效應(yīng)，1955年C.Herring指出：這種壓電電阻效應(yīng)是由于應(yīng)力的作用，引起導(dǎo)體與價電子帶能量狀態(tài)的變化，以及載流子數(shù)量與遷移率變化所產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。日本從1970年開始研究開發(fā)，首先應(yīng)用在血壓計上，之后在過程控制領(lǐng)域及轎車發(fā)動機控制部分都獲得了廣泛的應(yīng)用。最近幾年在家用電器、裝配機器人等應(yīng)用領(lǐng)域普遍采用電子壓力傳感器作為壓力控制、壓力監(jiān)控和判斷真空吸附的效果。1.2傳感器的定義國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。1.3傳感器的分類目前對傳感器尚無一個統(tǒng)一的分類方法，但比較常用的有如下三種：1、 按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器2、 按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。3、按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類，可分為：輸出為開關(guān)量(“1”和〃0”或“開”和“關(guān)”)的開關(guān)型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。關(guān)于傳感器的分類按被測物理量分：如：力，壓力，位移，溫度，角度傳感器等；按照傳感器的工作原理分：如：應(yīng)變式傳感器、壓電式傳感器、壓阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器等；按照傳感器轉(zhuǎn)換能量的方式分：能量轉(zhuǎn)換型：如：壓電式、熱電偶、光電式傳感器等；能量控制型：如：電阻式、電感式、霍爾式等傳感器以及熱敏電阻、光敏電阻、濕敏電阻等；按照傳感器工作機理分：結(jié)構(gòu)型：如：電感式、電容式傳感器等；物性型：如：壓電式、光電式、各種半導(dǎo)體式傳感器等；按照傳感器輸出信號的形式分：模擬式：傳感器輸出為模擬電壓量；數(shù)字式：傳感器輸出為數(shù)字量，如：編碼器式傳感器。1.4設(shè)計目的圖1是壓力傳感器在全自動洗衣機中的應(yīng)用實例。如圖所示，利用氣室，將在不同水位情況下水壓的變化，作為空氣壓力的變化檢測出來，從而可以在設(shè)定的水位上自動停止向洗衣機注水。冒 LIFS壓力第2章 原理分析2.1工作原理圖2為PS壓力傳感器的截面結(jié)構(gòu)圖，圖3為其傳感器部分的結(jié)構(gòu)。如圖所示，在壓力傳感器半導(dǎo)體硅片上有一層擴散電阻體，如果對這一電阻體施加壓力，由于壓電電阻效應(yīng)，其電阻值將發(fā)生變化。受到應(yīng)變的部分，即膜片由于容易感壓而變薄，為了減緩來自傳感器底座應(yīng)力的影響，將壓力傳感器片安裝在玻璃基座上。心加醐如圖3（b）所示，當向空腔部分加上一定的壓力時，膜片受到一定程度的拉伸或收縮而產(chǎn)生形變。壓電電阻的排列方法如圖4所示，受到拉伸的電阻R2和R4的阻

值增加；受到壓縮的電阻R1和R3阻值減小。?4由于各壓電電阻如圖4那樣組成橋路結(jié)構(gòu)，如果將它們連接到恒流源上，則由于壓力的增減，將在輸出端獲得輸出電壓△V，當壓力為零時的AV等于偏置電壓Voffset,在理想狀態(tài)下我們希望Voffset=0V實際上在生成擴散電阻體時，由于所形成的擴散電阻體尺寸大小的不同和存在雜質(zhì)濃度的微小差異，因此總是有某個電壓值存在。壓力為零時，R1=R2=R3=R4=R，我們把加上一定壓力時R1、R2電阻的變化部分記作△R;相應(yīng)R3、R4電阻的變化部分記作-AR，于是△V=ARI。這個AV相對壓力呈現(xiàn)幾乎完全線性的特性，只是隨著溫度的變化而有所改變。第3章實現(xiàn)過程3.1電路圖設(shè)計圖5是PS壓力傳感器的外圍電路設(shè)計實例，圖中用恒流源來驅(qū)動壓力圖5、壓力傳感器器設(shè)計電路由于橋路失衡時的輸出電壓比較小，所以必須用運放IC1b和IC1C來進行放大。圖中VR1為偏置調(diào)整，VR2為壓力靈敏度調(diào)整，VR3為沒有加壓時輸出電壓調(diào)整，C1、C2用于去除噪聲。另外，如果電源電壓波動的話，將引起輸出電壓的變化，所以必須給電路提供一個穩(wěn)定的電源。結(jié)論傳感器技術(shù)是一門理論性和實踐性都很強的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門綜合性的技術(shù)基礎(chǔ)學科，它需要數(shù)學、物理學、電子學、力學、機械等知識，同時還要掌握各種物理量的變換原理、各種靜態(tài)和動態(tài)物理量（如力、振動、噪聲、壓力和溫度等）的測定，以及實驗裝置的設(shè)計和數(shù)據(jù)分析等方面所涉及的基礎(chǔ)理論。在做此次實驗前，我把老師所講的傳感器教材通讀了一遍，對傳感技術(shù)有了一定得了解。因為在這之前，沒有接觸過類似的課程設(shè)計，所以這次實驗，我感覺有些困難。傳感技術(shù)是一門綜合性的課程知識，想做好這次實驗，必須要有較好的理論知識，例如：電路，模電，還有畫圖時，也要用軟件畫圖multisim仿真軟件的使用。只有熟悉了這些們課程才能真正的完成這次實驗。首先，是電路圖的設(shè)計，要明白傳感器的原理及在電路中的作用是什么。雖然最終設(shè)計出的電路圖不是很復(fù)雜，但是也是幾經(jīng)周折。其次，是在multisim中連接電路元件，讓我進一步得熟悉了這個軟件的功能，并能運用自如。雖然畫圖時比較麻煩，經(jīng)過大概一個小時的時間才畫完，但看著自己畫的圖，覺得很有成就感。最后，是電路的仿真，者可以說是最關(guān)鍵的一部了，前面所有的工作都是在為它打基礎(chǔ)，一旦仿真失敗就意味著所有得努力可能全部白費。仿真的結(jié)果雖然顯示出數(shù)字來了，但是和是要得要求相差很遠。因此，就一次一次的調(diào)試，改變電阻的阻值，以及滑動變阻器的阻值，最終把結(jié)果調(diào)試出來了。通過這次傳感器技術(shù)的實驗，使我學到了不少實用的知識，更重要的是，做實驗的過程，思考問題的方法,這與做其他的實驗是通用的，真正使我們受益匪淺.在這次實驗的過程中我們要培養(yǎng)自己的獨立分析問題，和解決問題的能力。在調(diào)試電路圖的過程中，要自己學會思考。最后，通過這次實驗我不但對理論知識有了更加深刻的理解，更加增強了我的綜合能力，希望以后能多有這樣