畢業(yè)設(shè)計(jì)——壓力傳感器設(shè)計(jì)1

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(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(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

3、“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

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(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。 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(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(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(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。 3.

7、2 電路仿真心得體會(huì)傳感器技術(shù)是一門(mén)理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門(mén)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(mén)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(huà)圖時(shí)，也要用軟件畫(huà)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(huà)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(huà)完，但看著自己畫(huà)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