壓力傳感器設(shè)計(jì)

式傳感器

的設(shè)

電子式壓力計(jì)學(xué)院：通信與電子工程學(xué)院班級(jí)：**.電子****2007******：：同組成員：指導(dǎo)教師： *****日期：2021年05月14日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。*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)；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，*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(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：壓力目錄摘要I第1章緒論11.1背景11.2應(yīng)用實(shí)例1第2章原理分析32.1工作原理3第3章實(shí)現(xiàn)過(guò)程53.1電路圖設(shè)計(jì)53.2電路仿真6心得體會(huì)8第1章緒論背景壓力傳感器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，在一定的溫度圍之，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過(guò)這個(gè)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)變化微小〔也就說(shuō)壓電系數(shù)比擬低〕，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擬低的環(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)場(chǎng)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)控制局部都獲得了廣泛的應(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。圖1電子壓力傳感器模型設(shè)計(jì)目的圖2是壓力傳感器在全自動(dòng)洗衣機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例。如下圖，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)停頓向洗衣機(jī)注水。圖2壓力傳感器在全自動(dòng)洗衣機(jī)中的應(yīng)用第2章原理分析2.1工作原理圖1為PS壓力傳感器的截面構(gòu)造圖，圖2為其傳感器局部的構(gòu)造。如下圖，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)變的局部，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。如圖2〔b〕所示，當(dāng)向空腔局部加上一定的壓力時(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3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。圖4由于各壓電電阻如圖4那樣組成橋路構(gòu)造，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AV，當(dāng)壓力為零時(shí)的ΔV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*個(gè)電壓值存在。壓力為零時(shí)，R1=R2=R3=R4=R，我們把力口上一定壓力時(shí)R1、R2電阻的變化局部記作ΔR;相應(yīng)R3、R4電阻的變化局部記作-ΔR,于是ΔV=ΔRI。這個(gè)ΔV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)壓力傳感器。圖5壓力傳感器設(shè)計(jì)電路由于橋路失衡時(shí)的輸出電壓比擬小，所以必須用運(yùn)放ICIb和IC1C來(lái)進(jìn)展放大。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。電路仿真心得體會(huì)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)根底課，也是一門綜合性的技術(shù)根底學(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根底理論。在做此次實(shí)驗(yàn)前，我把教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mu止isim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)比擬麻煩，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根底，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