《傳感器技術(shù)及應(yīng)用(全彩)》工作任務(wù)5-1力電傳感器

工作任務(wù)五

其它電效應(yīng)傳感器及應(yīng)用之一力電傳感器壓力、氣體和濕度雖是不能直接測(cè)量的，需要借助于某種物體的物理參數(shù)隨壓力、氣體和濕度不同而明顯變化的特性進(jìn)行間接測(cè)量。這些傳感器就是通過測(cè)量某些物理量參數(shù)隨壓力、氣體和濕度的變化而間接測(cè)量壓力、氣體和濕度的。壓力、氣體和濕度的測(cè)量與控制，同樣需要把這些物理量轉(zhuǎn)換成電量，所以也就產(chǎn)生了把壓力、氣體和濕度的物理量轉(zhuǎn)換為電量，才能完成它們的檢測(cè)與控制。概述

任務(wù)描述這幾個(gè)物理量與上述其它物理量不一樣，而是由它的量變完成檢測(cè)與控制，傳感器把它們的量變轉(zhuǎn)換成電能。力電傳感器、氣敏傳感器和濕敏傳感器電路是由這幾個(gè)的量源、轉(zhuǎn)換器件和控制電路組成的，如下圖所示。任務(wù)條件壓力、氣體和濕度傳感器電路是以力電、氣敏、濕敏傳感器為核心的測(cè)量、控制及應(yīng)用電路，正確選擇力電、氣敏、濕敏傳感器是實(shí)現(xiàn)壓力、氣體和濕度測(cè)量和控制的關(guān)鍵。由于力電、氣敏、濕敏傳感器是把壓力、氣體和濕度量值轉(zhuǎn)換為電能信息，所以除了聲電和振動(dòng)類傳感器，驅(qū)動(dòng)電路是必需的電路。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是終端，它可以采用不同的執(zhí)行方式模式，一般是光、電、聲、機(jī)械模式。力電傳感器是用于測(cè)量壓力參數(shù)，把壓力參數(shù)轉(zhuǎn)換成電參量的傳感器。它廣泛應(yīng)用于壓力遙測(cè)、記錄、監(jiān)控和自控等。

之一力電傳感器

一、應(yīng)用案例

由壓力傳感器構(gòu)成的具有恒流源的應(yīng)用電路，適用于對(duì)壓力進(jìn)行精確的地方。電路圖如下圖。1.具有恒流源的壓力傳感器應(yīng)用電路

安裝電路注意事項(xiàng)（1）制作線路板后，根據(jù)電路圖檢查線路有否開路或短路；（2）必須選擇電路合適的元器件參數(shù)，為了更好地實(shí)現(xiàn)電路功能，可適當(dāng)調(diào)整電路元器件的參數(shù)；注意調(diào)整電位器RP，使壓力傳感器在沒有受到外力作用時(shí)，輸出VO為0。（3）特別檢查壓力傳感器的質(zhì)量，它是電路工作和功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵；安裝電路注意事項(xiàng)（4）要按裝配工藝要求進(jìn)行焊接和安裝；（5）要選擇合適的電源電壓，不能隨意變動(dòng)電源的電壓，否則電路不能正常工作；（6）測(cè)試電路參數(shù)時(shí)要按規(guī)范操作儀器設(shè)備，不得在帶電的情況下進(jìn)行元器件的焊接與安裝。電路組成和功能作用

電路主要由穩(wěn)壓器IC5、4只運(yùn)算放大器IC1～4和壓力傳感器組成。其中IC1與R1、R2與R3（IC5LM385）共同構(gòu)成了恒流源電路，IC5LM385提供恒定電壓1.235V（或2.5V）；IC2、IC3、IC4及其外圍元件構(gòu)成了儀表放大電路。壓力傳感器連接在IC1恒流源電路的反饋回路中，壓力傳感器的輸出接到儀表放大器的輸入端。這種連接方式和采用恒流源供電措施既保證了流過傳感器的電流穩(wěn)定而使測(cè)量精度大大提高，又使電路結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單。一、應(yīng)用案例

用硅壓阻式壓力傳感器做成的電子秤秤盤信號(hào)放大電路。其中RP1是用于調(diào)整滿量程的電位器，RP2是調(diào)整零壓力時(shí)的輸出電位器。電路圖如下圖。2.電子秤秤盤信號(hào)放大電路

硅壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用電路線路板如下圖。安裝電路注意事項(xiàng)（1）制作線路板后，根據(jù)電路圖檢查線路有否開路或短路；（2）必須選擇電路合適的元器件參數(shù)，為了更好地實(shí)現(xiàn)電路功能，可適當(dāng)調(diào)整電路元器件的參數(shù)；注意調(diào)整電位器RP2，使SP1壓力傳感器在沒有放上重物時(shí)，VOUT輸出為0。（3）特別檢查壓力傳感器的質(zhì)量，它是電路工作和功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵；安裝電路注意事項(xiàng)（4）要按裝配工藝要求進(jìn)行焊接和安裝；（5）要選擇合適的電源電壓，不能隨意變動(dòng)電源的電壓，否則電路不能正常工作；（6）測(cè)試電路參數(shù)時(shí)要按規(guī)范操作儀器設(shè)備，不得在帶電的情況下進(jìn)行元器件的焊接與安裝。焊接線路板和安裝元件SP（2kG）的壓力傳感器，接上電源，把Vout接在毫伏表上，在秤盤上放置重物，測(cè)量在不同的重物時(shí)，Vout的讀數(shù)并記錄在表中。電路組成和功能作用

電路由壓阻式壓力傳感器SP，IC1的A、B、C組成平衡放大電路，IC1的D放大電路組成。IC1中的A、B、C、D均為運(yùn)算放大器。電路工作過程

秤盤電路：

秤盤電路是由承載物體的秤架（盤）和硅壓阻式壓力應(yīng)變傳感器SP(2kG)相連接的電路組成，在壓力傳感器的硅膜上有4個(gè)等值電阻，它們以電橋方式連接，當(dāng)受到壓力作用時(shí)，電橋失去平衡。從而有一個(gè)與壓力成正比的電壓輸出，所以只要把物體放在秤架（盤）上，物體的重量使壓力應(yīng)變傳感器輸出相應(yīng)的信號(hào)。模擬放大電路：

這是由IC5

LM324組成的電子秤秤量重物的輸入電路，運(yùn)算放大器A和B組成了平衡對(duì)稱雙輸入、雙輸出的差動(dòng)放大電路，RP1為為使運(yùn)算放大器A和B獲得相同增益進(jìn)行調(diào)整，也是用于調(diào)整滿量程的電位器。電阻R3、R9為反饋電阻。在沒有重物放在秤架上時(shí)，差動(dòng)放大電路AB“3”、“5”腳的兩輸入信號(hào)電平均為0。運(yùn)算放大器C對(duì)差動(dòng)放大電路A、B的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)電阻R12送到運(yùn)算放大器D對(duì)信號(hào)再進(jìn)行放大，電阻R5、R14分別是運(yùn)算放大器C、D的反饋電阻。

在調(diào)整模擬放大電路時(shí)要使運(yùn)算放大器D的“12”腳的電位為0，這樣電子秤秤量重物時(shí)的結(jié)果可確保誤差是最小的，為了保證“12”腳的電位為0，在“12”腳接入零位電路。零位電路非常簡(jiǎn)單，由電阻R6、電位器RP2、電阻R7串接，并在R6、R7兩端分別接＋12V和－12V。調(diào)整電位器RP2，在靜態(tài)時(shí)，可使“12”腳的電位為0。一旦RP2位置確定，就不能改變。運(yùn)算放大器LM324D的“14”腳是重物秤量時(shí)整個(gè)模擬放大電路輸出信號(hào)端口。該模擬放大電路在秤盤沒有放重物時(shí)，“14”腳是沒有任何的信號(hào)輸出的。一、應(yīng)用案例

應(yīng)用水位3.水位變送器應(yīng)用在水位控制電路

變送器Sentor控制水位的控制電路，調(diào)整電位器RP4和RP5，可以調(diào)整控制水位的高度。電路圖如圖。

水位控制電路線路板如下圖。安裝電路注意事項(xiàng)（1）制作線路板后，根據(jù)電路圖檢查線路有否開路或短路；（2）必須選擇電路合適的元器件參數(shù)，為了更好地實(shí)現(xiàn)電路功能，可適當(dāng)調(diào)整電路元器件的參數(shù)；注意調(diào)整電位器RP4和RP5，使P5插頭接負(fù)載的電流為4~20mA；（3）特別檢查水位變送器的質(zhì)量，它是電路工作和功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵；安裝電路注意事項(xiàng)（4）要按裝配工藝要求進(jìn)行焊接和安裝；（5）要選擇合適的電源電壓，不能隨意變動(dòng)電源的電壓，否則電路不能正常工作；（6）測(cè)試電路參數(shù)時(shí)要按規(guī)范操作儀器設(shè)備，不得在帶電的情況下進(jìn)行元器件的焊接與安裝。電路組成和功能作用

電路由水位變送器Sentor檢測(cè)電路，IC1

INA128組成信號(hào)運(yùn)算放大電路，IC3

XTR115組成V/I變換器，為單片機(jī)電路，四位數(shù)碼管DS1和VT1、VT3~5四只三極管8050組成水位顯示電路，IC2

MAX485組成數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器等組成。該電路能夠直接顯示水位的高度，并且當(dāng)水位低于或高于某設(shè)定的深度時(shí)，會(huì)發(fā)出提示信號(hào)。電路工作過程

把水位變送器Sentor放置在設(shè)定的水深中，水位變送器把檢測(cè)到的水位高度的信號(hào)后輸出送到IC1的“3”“2”腳，經(jīng)IC1

INA128放大后，由“6”腳輸出，信號(hào)分成兩路，一路輸入到IC5

STC5616AD單片機(jī)AD-OUT端，由單片機(jī)IC5

5616進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，數(shù)字信號(hào)由IC2

MAX485通信端口輸出。同時(shí)，由四位數(shù)碼管DS1顯示被測(cè)水位的高度。IC2

MAX485接口芯片是實(shí)現(xiàn)本電路與其它設(shè)備的連接的通信接口。電路中，S18、S19、S20三個(gè)按鈕是備用功能按鈕，可根據(jù)需要定義其使用功能。

另一路信號(hào)經(jīng)電位器RP4進(jìn)入V/I變換器IC3

XTR115，IC3和三極管VT2組成的電路把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成負(fù)載4~20mA的恒定電流，由P5連接負(fù)載。調(diào)節(jié)電位器RP4和RP5可精準(zhǔn)調(diào)整負(fù)載電流。電路中IC3

XTR115的“1”腳輸出穩(wěn)定的直流電壓2.5V，提供給IC1

INA128作基準(zhǔn)參考，使測(cè)量的的數(shù)值更加精準(zhǔn)。

下面我們看看XTR115電流環(huán)電路的應(yīng)用。

在各種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中通常用一個(gè)儀表放大器來完成信號(hào)的調(diào)理，但是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行長線傳輸時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生以下問題：

①由于傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào)，傳輸線會(huì)受到噪聲的干擾；

②傳輸線的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降；

③現(xiàn)場(chǎng)無法提供儀表放大器的工作電壓。為了解決上述問題并避開相關(guān)噪聲的影響，通常用電流來傳輸信號(hào)，這是因?yàn)殡娏鲗?duì)噪聲并不敏感。在這里XTR115是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流4~20mA

的信號(hào)，并用4mA

表示零信號(hào)，用20mA

表示信號(hào)的滿刻度，而將低于4mA

和高于20mA

的信號(hào)用作各種故障的報(bào)警。二、知識(shí)鏈接

壓力傳感器按內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，可分為機(jī)械式和半導(dǎo)體式兩大類。而半導(dǎo)體式也可分為半導(dǎo)體式壓力傳感器、電容型半導(dǎo)體壓力傳感器和薄膜式半導(dǎo)體傳感器。下表是介紹半導(dǎo)體式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。壓阻式壓力傳感器電路符號(hào)與標(biāo)稱

壓阻式壓力傳感器種類和型號(hào)很多，其使用制作的單晶材料有硅、鍺、銻化銦、磷化鎵、磷化硅、碳化硅等，用它們做成P型或N型半導(dǎo)體應(yīng)變片。如圖所示為壓阻式壓力傳感器符號(hào)其電路標(biāo)稱為SP和實(shí)物圖。

壓力應(yīng)變傳感器實(shí)物壓阻式壓力傳感器符號(hào)壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)與原理

壓力傳感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，常用的壓力傳感器有金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片、壓電式測(cè)力傳感器、壓力真空泵、壓電石英晶體等。下圖是金屬電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖。壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)與原理

由硅片制成的壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)及其外形和符號(hào)見下圖所示。壓阻式傳感器的核心是電阻應(yīng)變片，通常利用應(yīng)變片將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換為阻值的變化，再通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)或電流信號(hào)，通過放大后再用數(shù)字或模擬顯示儀器指示。

由硅片制成的壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖壓阻式壓力傳感器外形導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下伸長或縮短時(shí)，它的電阻值會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。將應(yīng)變片貼在被測(cè)物體上，使其隨著被測(cè)物的應(yīng)變一起伸縮，這樣應(yīng)變片里面的金屬材料就隨著外界的應(yīng)變一起伸長或縮短，其阻值也就會(huì)相應(yīng)地變化。應(yīng)變片就是利用應(yīng)變效應(yīng)，通過測(cè)量電阻的變化而對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量的。電阻應(yīng)變片分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。電阻應(yīng)變式傳感器的使用方法：一是將應(yīng)變片直接粘貼于被測(cè)構(gòu)件上，用來測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)變或應(yīng)力；二是將應(yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器敏感元件。

電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變電阻的變化是極其微弱的，一般的電阻測(cè)量儀表無法滿足要求，通常采用惠斯通電橋電路進(jìn)行測(cè)量，將電阻相對(duì)變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化?；菟雇姌螂娐芬娤聢D所示，其中R1和R3方向一致，R2和R4方向一致，它們之間互相垂直。當(dāng)應(yīng)變片受到應(yīng)力發(fā)生變形時(shí)，R1、R3的阻值變化與R2、R4的阻值變化就不相同，當(dāng)不受力時(shí)，電橋平衡，輸出端D和C的輸出電壓UCD＝0，一旦受力，只要將受力的方向調(diào)整合適，就可以使一個(gè)方向的兩只電阻（R1和R