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1、應(yīng)變式力傳感器的設(shè)計(jì)專 業(yè)自動(dòng)化班 級(jí)07084310學(xué) 號(hào)200713072005姓 名王帥指導(dǎo)教師劉濤 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);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)??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
2、傳感器不能用于靜態(tài)測量,因?yàn)榻?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(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1.1 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,在一定的溫度范圍之內(nèi),壓電性質(zhì)一直存在,但溫度超過這個(gè)范圍之后,壓電性質(zhì)完全消失(這個(gè)高溫就是所謂的
3、“居里點(diǎn)”)。由于隨著應(yīng)力的變化電場變化微小(也就說壓電系數(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年開始研究開發(fā),首先應(yīng)用在血壓計(jì)上,之后在過程控制領(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
4、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1.2 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(dòng)停止向洗衣機(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壓力傳感器的截面結(jié)構(gòu)圖,圖2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
5、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。 如圖2(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V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)
6、,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-R,于是V=RI 。這個(gè)V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)的輸出電壓比較小,所以必須用運(yùn)放IC1b和IC1C來進(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。 3.
7、2 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)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,沒有接觸過類似的課程設(shè)計(jì),所以這次實(shí)驗(yàn),我感覺有些困難。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
8、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)過大概一個(gè)小時(shí)的時(shí)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(fèi)。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(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)試出來了。通過這次傳感器技術(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)的過程,思考問題的方法,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)的過程中我們要培養(yǎng)自己的獨(dú)立分析
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