報(bào)告壓力傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)報(bào)告＜論文〉——壓力傳感器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)專業(yè)電氣自動(dòng)化技術(shù)題 目PS壓力傳感器設(shè)計(jì)教 師劉艷偉壓力傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)——PS壓力傳感器摘要壓力傳感器是工業(yè)實(shí)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(dāng)沿著一定方向受到機(jī)械力作用發(fā)生變形時(shí)，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)【1】；當(dāng)機(jī)械力撤掉之后，又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時(shí)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)。科學(xué)家就是根據(jù)這個(gè)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(cè)量，因?yàn)榻?jīng)過(guò)外力作用后的電荷，只有在回路具有無(wú)限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測(cè)量動(dòng)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(jì)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(shí)現(xiàn)過(guò)程 4\o"CurrentDocument"3.1電路圖設(shè)計(jì) 4\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)： 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(guò)這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微?。ㄒ簿驼f(shuō)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(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。早在1954年美國(guó)C.S.Smith首先確認(rèn)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(jià)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(kāi)始研究開(kāi)發(fā)，首先應(yīng)用在血壓計(jì)上，之后在過(guò)程控制領(lǐng)域及轎車發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)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(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。1.3傳感器的分類目前對(duì)傳感器尚無(wú)一個(gè)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(hào)的性質(zhì)分類，可分為：輸出為開(kāi)關(guān)量(“1”和〃0”或“開(kāi)”和“關(guān)”)的開(kāi)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(cè)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(jī)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(hào)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(jì)目的圖1是壓力傳感器在全自動(dòng)洗衣機(jī)中的應(yīng)用實(shí)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(cè)出來(lái)，從而可以在設(shè)定的水位上自動(dòng)停止向洗衣機(jī)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(kuò)散電阻體，如果對(duì)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(lái)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(dāng)向空腔部分加上一定的壓力時(shí)，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(dāng)壓力為零時(shí)的AV等于偏置電壓Voffset,在理想狀態(tài)下我們希望Voffset=0V實(shí)際上在生成擴(kuò)散電阻體時(shí)，由于所形成的擴(kuò)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(gè)電壓值存在。壓力為零時(shí)，R1=R2=R3=R4=R，我們把加上一定壓力時(shí)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(gè)AV相對(duì)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(shí)現(xiàn)過(guò)程3.1電路圖設(shè)計(jì)圖5是PS壓力傳感器的外圍電路設(shè)計(jì)實(shí)例，圖中用恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng)壓力圖5、壓力傳感器器設(shè)計(jì)電路由于橋路失衡時(shí)的輸出電壓比較小，所以必須用運(yùn)放IC1b和IC1C來(lái)進(jìn)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(méi)有加壓時(shí)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(dòng)的話，將引起輸出電壓的變化，所以必須給電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電源。結(jié)論傳感器技術(shù)是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門綜合性的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科，它需要數(shù)學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)、力學(xué)、機(jī)械等知識(shí)，同時(shí)還要掌握各種物理量的變換原理、各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)物理量（如力、振動(dòng)、噪聲、壓力和溫度等）的測(cè)定，以及實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等方面所涉及的基礎(chǔ)理論。在做此次實(shí)驗(yàn)前，我把老師所講的傳感器教材通讀了一遍，對(duì)傳感技術(shù)有了一定得了解。因?yàn)樵谶@之前，沒(méi)有接觸過(guò)類似的課程設(shè)計(jì)，所以這次實(shí)驗(yàn)，我感覺(jué)有些困難。傳感技術(shù)是一門綜合性的課程知識(shí)，想做好這次實(shí)驗(yàn)，必須要有較好的理論知識(shí)，例如：電路，模電，還有畫圖時(shí)，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(shí)驗(yàn)。首先，是電路圖的設(shè)計(jì)，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(jì)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(jìn)一步得熟悉了這個(gè)軟件的功能，并能運(yùn)用自如。雖然畫圖時(shí)比較麻煩，經(jīng)過(guò)大概一個(gè)小時(shí)的時(shí)間才畫完，但看著自己畫的圖，覺(jué)得很有成就感。最后，是電路的仿真，者可以說(shuō)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(fèi)。仿真的結(jié)果雖然顯示出數(shù)字來(lái)了，但是和是要得要求相差很遠(yuǎn)。因此，就一次一次的調(diào)試，改變電阻的阻值，以及滑動(dòng)變阻器的阻值，最終把結(jié)果調(diào)試出來(lái)了。通過(guò)這次傳感器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，使我學(xué)到了不少實(shí)用的知識(shí)，更重要的是，做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，思考問(wèn)題的方法,這與做其他的實(shí)驗(yàn)是通用的，真正使我們受益匪淺.在這次實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中我們要培養(yǎng)自己的獨(dú)立分析問(wèn)題，和解決問(wèn)題的能力。在調(diào)試電路圖的過(guò)程中，要自己學(xué)會(huì)思考。最后，通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)我不但對(duì)理論知識(shí)有了更加深刻的理解，更加增強(qiáng)了我的綜合能力，希望以后能多有這樣