压电式压力传感器

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范文一:电阻应压式压力传感器

电阻应变式压力传感器结构、工作原理

姓名: 年级: 专业: 学号:

1. 电阻应变式传感器结构

电阻应变式传感器有由弹性敏感元件与电阻应变片构成。其中弹性敏感元件在感受被测量是将产生形变,其表面产生应变,而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变,传感器中的电阻应变

片具有金属的应变效应,即在外力作用下产生机械形变,从而使电阻值随之发生相应的变化。

(a)(b)

在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片, 在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片,然后接成全桥测量电路。

电阻应变片结构:

如图丝式应变片的结构,它是由敏感栅、基底、覆盖层和引线等部分组成

电阻丝应变片的基本结构

1—敏感栅 2—基底 3—盖层 4—引线

电阻丝应变片是用直径为0.025mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值,将电阻丝排列成栅网状,称为敏感栅,并粘贴在绝缘的基片上,电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。

2. 电阻应变式传感器的制作工艺与原理

2.1 电阻应变片各结构功能

(1) 敏感栅是应变片的核心部分,起作用是敏感应变的大小,常用材料有铜

镍合金(俗称康铜)、镍铬合金及镍镉改良型合金、铁铬合金、镍铬铁合金、铂及铂金。本设计使用康铜作为敏感栅材料。

(2) 基底的作用是固定敏感栅,并使敏感栅与弹性元件相互绝缘。基底要将

被测体的应变准确的传递到敏感栅上,因此它很薄,一般为0.03mm~~0.06mm,使它与被测体及敏感栅能牢固地粘接在一起。基底要挠性好,具有一定的机械强度、粘接性和绝缘性、蠕变和滞后小、不吸潮、热稳定性能好。常用材料有纸、胶膜和玻璃纤维布等。

(3) 覆盖层的作用是保护敏感栅使其避免受到机械损伤或防止高温氧化及防

潮、防蚀、防损等。覆盖层材料常采用做基底的胶膜或浸含有机液(例如环氧树脂、酚醛树脂等)的玻璃纤维布,也可以在敏感栅上涂覆制片时所用的胶黏剂作为保护层。

(4) 引线是连接敏感栅和被测量电路的丝状或带状的金属导线。要求引线具

有低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数。一般采用焊接方便的镀锡软铜线。

2.2 应变片的粘贴

(1) 准备:①试件——在粘贴部位的表面,用砂布在与轴向成45°的方向

交叉打磨至Ra为6.3μm→清洗净打磨面→划线,确定贴片坐标线→均匀涂一薄层粘结剂作底;②应变计——外表和阻值检查→刻划轴向标记→清洗。 (2) 涂胶:在准备好的试件表面和应变计基底上均匀涂一薄层粘结剂。 (3) 贴片:将涂好胶的应变计与试件,按坐标线对准贴上→用手指顺轴向压,

去除气泡和多余胶液→按固化条件固化处理。 (4) 复查:①贴片偏差应在许可范围内;②阻值变化应在测量仪器预调平范

围内;③引线和试件间的绝缘电阻应大于200MΩ。 (5) 接线:根据工作条件选择好导线,然后通过中介接线片(柱)把应变计引

线和导线焊接,并加以固定。 (6) 防护:在安装好的应变计和引线上涂以中性凡士林油、石蜡(短期防

潮);或石蜡—松香—黄油的混合剂(长期防潮);或环氧树脂、氯丁橡胶、清漆等(防机械划伤)作防护用,以保证应变计工作性能稳定可靠。

常用的粘结剂类型:硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂类和酚醛树脂类等。

2.3 工作原理

1.金属的电阻应变效应

当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值将发生变化,这种效应称为电

阻应变效应。 设有一段长为l,截面积为A,电阻率为ρ的导体(如金属丝),它具有的电阻为:

当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时,其l、A和ρ均发生变化,因而导体的电阻随之发生变化。通过对式(2-1)两边取对数后再作微分,即可求得其电阻相

对变化:

式中 ——材料的轴向线应变,常用单位με(1με=1×10-6mm/mm);

而 。

其中 r——导体的半径,受拉时r缩小;

μ——导体材料的泊松比。

代入上式可得:

勃底特兹明(Бриджмен)通过实验研究发现,金属材料的电阻率相对变化

与其体积相对变化之间有如下关系:

式中 C——由一定的材料和加工方式决定的常数;

代入式(2-3),并考虑到实际上ΔR/R,故可得

式中

——金属丝材的应变灵敏系数(简称灵敏系数)。

上式表明:金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变

电阻效应。 对于金属材料,

。可见它由两部分组成:前部分

为受力后金属丝几何尺寸变化所致,一般金属μ≈0.3,因此(1+2μ)≈1.6;后部分为电阻率随应变而变的部分。以以本设计康铜为例,C≈1,C(1-2μ)≈0.4,所以此时K0=Km≈2.0。显然,金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。

3. 电阻应变式压力传感器主要特性

3.1、灵敏度系数 (1)金属丝灵敏度

KS[(12)C(12)]

(2)应变片的灵敏度系数

3.2、横向效应

如图金属应变片的敏感栅丝既受轴向应变影响,又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。横向效应使得敏感栅丝灵敏度降低,带来测量误差。常用横向效应系数H来表征,H越大,横向效应越明显,测量误差越大。H受到半径r和栅长l的影响。

3.3非线性及温度误差的补偿方法

RR

K

3.3.1减小非线性误差方法--差动电桥

R1

R1

A

A

(a)(b)

Uo

1  1若ΔE 3

RR

RRR

R

1122

R3R4RUo

R1=ΔR2,R1=R2,R3=R4,则得

ER12R

1

3.3.2温度补偿方法

双丝组合式补偿方法

利用两组电阻丝材料的电阻温度系数不同(一个为正,一个为负)的特性,将二者串联缠绕成敏感栅。若敏感栅R1和R2由于温度变化而产生的电阻变化为ΔR1t和ΔR2t大小相等而符号相反,就可以实现温度补偿,电阻R1和R2的比值关系可由下式决定

4.小结

应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力, 如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、 枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等。 优点

1、精度高,测量范围宽; 2、频率响应特性好;

3、结构简单、尺寸小,质量轻

4、可在高温、高速、高压、强烈振动、强磁 场及核辐射合化学腐蚀的恶劣条件下正常工作;

5、易于实现小型化、固态化;

6、价格低廉,品种多样,便于选择。 缺点

非线性差、抗干扰能力差、不能显示应力梯度的变化等等

参考文献

[1] 温殿忠,赵晓峰,张振辉.《传感器原理及其应用》[M].黑龙江大学出版社,

2008.119-174.

[2] 叶湘滨,熊飞丽,张文娜等.《传感器与测试技术》[M].国防工业出版社, 2008.99-130. [3] 潘炼.《传感器原理及应用》[M].电子工业出版社, 2011.60-90. [4] 周乐挺.《传感器与检测技术》[M].高等教育出版社, 2008.10-50. [5] 孟立凡,蓝金辉.《传感器原理与应用》[M]. 电子工业出版社,2010.20-50.

电阻应变式压力传感器结构、工作原理

姓名: 年级: 专业: 学号:

1. 电阻应变式传感器结构

电阻应变式传感器有由弹性敏感元件与电阻应变片构成。其中弹性敏感元件在感受被测量是将产生形变,其表面产生应变,而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变,传感器中的电阻应变

片具有金属的应变效应,即在外力作用下产生机械形变,从而使电阻值随之发生相应的变化。

(a)(b)

在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片, 在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片,然后接成全桥测量电路。

电阻应变片结构:

如图丝式应变片的结构,它是由敏感栅、基底、覆盖层和引线等部分组成

电阻丝应变片的基本结构

1—敏感栅 2—基底 3—盖层 4—引线

电阻丝应变片是用直径为0.025mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值,将电阻丝排列成栅网状,称为敏感栅,并粘贴在绝缘的基片上,电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。

2. 电阻应变式传感器的制作工艺与原理

2.1 电阻应变片各结构功能

(1) 敏感栅是应变片的核心部分,起作用是敏感应变的大小,常用材料有铜

镍合金(俗称康铜)、镍铬合金及镍镉改良型合金、铁铬合金、镍铬铁合金、铂及铂金。本设计使用康铜作为敏感栅材料。

(2) 基底的作用是固定敏感栅,并使敏感栅与弹性元件相互绝缘。基底要将

被测体的应变准确的传递到敏感栅上,因此它很薄,一般为0.03mm~~0.06mm,使它与被测体及敏感栅能牢固地粘接在一起。基底要挠性好,具有一定的机械强度、粘接性和绝缘性、蠕变和滞后小、不吸潮、热稳定性能好。常用材料有纸、胶膜和玻璃纤维布等。

(3) 覆盖层的作用是保护敏感栅使其避免受到机械损伤或防止高温氧化及防

潮、防蚀、防损等。覆盖层材料常采用做基底的胶膜或浸含有机液(例如环氧树脂、酚醛树脂等)的玻璃纤维布,也可以在敏感栅上涂覆制片时所用的胶黏剂作为保护层。

(4) 引线是连接敏感栅和被测量电路的丝状或带状的金属导线。要求引线具

有低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数。一般采用焊接方便的镀锡软铜线。

2.2 应变片的粘贴

(1) 准备:①试件——在粘贴部位的表面,用砂布在与轴向成45°的方向

交叉打磨至Ra为6.3μm→清洗净打磨面→划线,确定贴片坐标线→均匀涂一薄层粘结剂作底;②应变计——外表和阻值检查→刻划轴向标记→清洗。 (2) 涂胶:在准备好的试件表面和应变计基底上均匀涂一薄层粘结剂。 (3) 贴片:将涂好胶的应变计与试件,按坐标线对准贴上→用手指顺轴向压,

去除气泡和多余胶液→按固化条件固化处理。 (4) 复查:①贴片偏差应在许可范围内;②阻值变化应在测量仪器预调平范

围内;③引线和试件间的绝缘电阻应大于200MΩ。 (5) 接线:根据工作条件选择好导线,然后通过中介接线片(柱)把应变计引

线和导线焊接,并加以固定。 (6) 防护:在安装好的应变计和引线上涂以中性凡士林油、石蜡(短期防

潮);或石蜡—松香—黄油的混合剂(长期防潮);或环氧树脂、氯丁橡胶、清漆等(防机械划伤)作防护用,以保证应变计工作性能稳定可靠。

常用的粘结剂类型:硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂类和酚醛树脂类等。

2.3 工作原理

1.金属的电阻应变效应

当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值将发生变化,这种效应称为电

阻应变效应。 设有一段长为l,截面积为A,电阻率为ρ的导体(如金属丝),它具有的电阻为:

当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时,其l、A和ρ均发生变化,因而导体的电阻随之发生变化。通过对式(2-1)两边取对数后再作微分,即可求得其电阻相

对变化:

式中 ——材料的轴向线应变,常用单位με(1με=1×10-6mm/mm);

而 。

其中 r——导体的半径,受拉时r缩小;

μ——导体材料的泊松比。

代入上式可得:

勃底特兹明(Бриджмен)通过实验研究发现,金属材料的电阻率相对变化

与其体积相对变化之间有如下关系:

式中 C——由一定的材料和加工方式决定的常数;

代入式(2-3),并考虑到实际上ΔR/R,故可得

式中

——金属丝材的应变灵敏系数(简称灵敏系数)。

上式表明:金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变

电阻效应。 对于金属材料,

。可见它由两部分组成:前部分

为受力后金属丝几何尺寸变化所致,一般金属μ≈0.3,因此(1+2μ)≈1.6;后部分为电阻率随应变而变的部分。以以本设计康铜为例,C≈1,C(1-2μ)≈0.4,所以此时K0=Km≈2.0。显然,金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。

3. 电阻应变式压力传感器主要特性

3.1、灵敏度系数 (1)金属丝灵敏度

KS[(12)C(12)]

(2)应变片的灵敏度系数

3.2、横向效应

如图金属应变片的敏感栅丝既受轴向应变影响,又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。横向效应使得敏感栅丝灵敏度降低,带来测量误差。常用横向效应系数H来表征,H越大,横向效应越明显,测量误差越大。H受到半径r和栅长l的影响。

3.3非线性及温度误差的补偿方法

RR

K

3.3.1减小非线性误差方法--差动电桥

R1

R1

A

A

(a)(b)

Uo

1  1若ΔE 3

RR

RRR

R

1122

R3R4RUo

R1=ΔR2,R1=R2,R3=R4,则得

ER12R

1

3.3.2温度补偿方法

双丝组合式补偿方法

利用两组电阻丝材料的电阻温度系数不同(一个为正,一个为负)的特性,将二者串联缠绕成敏感栅。若敏感栅R1和R2由于温度变化而产生的电阻变化为ΔR1t和ΔR2t大小相等而符号相反,就可以实现温度补偿,电阻R1和R2的比值关系可由下式决定

4.小结

应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力, 如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、 枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等。 优点

1、精度高,测量范围宽; 2、频率响应特性好;

3、结构简单、尺寸小,质量轻

4、可在高温、高速、高压、强烈振动、强磁 场及核辐射合化学腐蚀的恶劣条件下正常工作;

5、易于实现小型化、固态化;

6、价格低廉,品种多样,便于选择。 缺点

非线性差、抗干扰能力差、不能显示应力梯度的变化等等

参考文献

[1] 温殿忠,赵晓峰,张振辉.《传感器原理及其应用》[M].黑龙江大学出版社,

2008.119-174.

[2] 叶湘滨,熊飞丽,张文娜等.《传感器与测试技术》[M].国防工业出版社, 2008.99-130. [3] 潘炼.《传感器原理及应用》[M].电子工业出版社, 2011.60-90. [4] 周乐挺.《传感器与检测技术》[M].高等教育出版社, 2008.10-50. [5] 孟立凡,蓝金辉.《传感器原理与应用》[M]. 电子工业出版社,2010.20-50.

范文二:压电式微压力传感器

成绩: 天津工业大学理学院 传感器课程设计

设计题目:压电式微压力传感器的设计 设 计 者(学号):AAA(07……) AAA(07……) AAA(07……)

联系方式:E-MAIL TEL

200 年 月 日

目 录

一、序言 二、方案设计及论证 三、设计图纸 四、总结心得或体会 五、主要参考文献

一、序言

1.压电式传感器简介 压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。 它以某些晶体受力后在其表面 产生电荷的压电效应为转换原理,压电晶体是机电转化元件,从而实现非电量的 电测量。近年来,由于电子技术的飞速发展,随着与之配套的二次仪表以及低噪 声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现,使压电传感器的使用更为方便。因此,在 通讯、超声、雷达、宇航、雷达等许多技术领域中,压电式传感器都获得了广泛 的应用。 压电传感元件是力敏元件, 它能测量最终能变换为力的那些物理量,典型的 有如下几种: ( 1 )力测量:压电式力传感器主要利用石英晶体的纵向和剪切的压电 效应,因为石英晶体刚度大、滞后小,热释电效应小等优点,力传感器除 可测单向作用力外还可利用不同切割方向的多片晶体,依靠其不同的压电 效应测量多方向力,如空间作用力 3 个方向的分力 F x 、 F y 、 F z 。 ( 2 )压力测量:压电式压力传感器主要利用弹性元件(膜片、活塞等) 收集压力变成作用于晶体片上的力,因为弹性元件所用材料的性能对传感 器的特性有很大影响。 ( 3 )加速度测量:压电式加速度传感器是利用质量块 m ,由预紧力压在 晶体片上,当质量块受被测加速度 a 作用时,晶体片处会受到惯性力 F=ma , 由此产生压电效应,因此质量块的质量决定了传感器的灵敏度,也影响着 传感器的高频响应。 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可 靠、质量轻、功耗小、寿命长,特别是它具有良好的动态特性,因此适合有 很宽频带的周期作用力和高速变化的冲击力。 2.压电式压力传感器的发展现状 采用压电原理进行压力检测的常用的传感器有压电爆震传感器、 振梁式压电 压力传感器、检测切削状态的压电压力传感器、振筒式压电压力传感器、音叉式 压电压力传感器等。 分析现行压电式压力传感器可看出,目前的传感器主要为中、大量程,高精 度传感器,成本高,价格昂贵,而小量程,低成本,中低精度的压电压力传感器

较少,而这类传感器又有广泛用途,如脉搏、各种微小动态力检测,因此我们选 择压电微压力传感器为研究对象,目的在于设计一种小量程、低成本、高灵敏度 的测量动态微小压力的传感器,可满足市场对中低精度、

小体积、低成本的微压 传感器的需求。 压电式微压传感器适应了市场的需求。这种传感器广泛用于工业 控制中的振动和加速度信号检测, 医疗保健中的心音, 检测脉博, 管壁油压波动, 振动加速度,各种振动、冲击、碰撞报警,以及其他动态压力检测。

二、方案设计及论证

1. 压电式压力传感器的工作原理 压电微压传感器属于压电式压力传感器。 最简单的压电式传感器的工作原 理如图 1 所示。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀,形成金属膜,构成两 个电极。 当压电晶片受到压力 F 的作用时, 分别在两个极板上积聚数量相等而极 性相反的电荷,形成电场。因此,压电传感器可以看作是一个电荷发生器,也可 以看成是一个电容器。

图 1 压电式传感器的工作原理 如果施加于压电晶片的外力不变,积聚在极板上的电荷又无泄漏,那么在外 力继续作用时,电荷量将保持不变。这时在极板上积聚的电荷与力的关系为 q=DF 式中:q——为电荷量; F——为作用力(N); D——为压电常数(C/N),与材质及切片的方向有关。 上式表明,电荷量与作用力成正比。当然,在作用力终止时,电荷就随之消 失。显然,若要测得力值 F,主要问题是如何测得电荷值。值得注意的是,利用 压电式传感器测量静态或准静态量值时,必须采取一定的措施,使电荷从压电晶 片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下,电荷可以得到不 (1)

断补充,可以供给测量电路一定的电流,故压电传感器适宜作动态测量。 2. 传感器的结构 压电式微压传感器结构包括 : 传感器的外壳,塑料支架,弹性垫圈,敏 感元件的信号引线,放大器,电路盖板,如图 2 所示(见图纸)。敏感元 件由压电陶瓷单晶片粘贴在直径较大的金属衬片上构成。金属衬片既作为 压电陶瓷单晶片的背衬,又作为敏感元件的接地极。敏感元件的信号输出 极,通过压电陶瓷单晶片表面焊接导线接至放大器的输入端。金属衬片边 缘通过塑料支架封压在金属外壳的底部,金属外壳底端开孔,使敏感面外 露,直接接触压力信号,同时外壳与内置放大器的地线连通,形成一屏蔽 回路,将整个传感器包封在屏蔽腔内,可有效地敏感微小压力,去除一干 扰信号。 作为敏感元件的压电陶瓷单晶片表面被有金属电极,电极引线细而软, 并包覆绝缘层,压电陶瓷单晶片表面处于自由状态,有利于压电陶瓷单晶 片产生自由弯曲振动,从而提高敏感元件的灵敏度。传感器内的放大器为 一高输入、低输出阻抗的电荷放大器,它不仅将压电陶瓷单晶片表面产生 的电荷放大并转换成电压输出,而且提

高了传感器携带负载的能力。 图 2 中的放大器应使用高输入低输出阻抗的电荷放大器和场效应放大 器,此压电微压传感器选用 J 型场效应放大器。 图 2 中传感器的金属外壳为一底端开孔的圆桶结构,孔径小于金属衬 片的压电微压传感器的设计与制作直径 0.5mm~1.5mm ,外壳采用软性金属 如铝或铜制作,以防在加工和压边中断裂,壳壁厚 0.3mm~lmm 。压电微压 传感器属于压电式压力传感器。 3. 敏感元件 敏感元件如图 3 所示 ( 见图纸 ) , 压电陶瓷单晶片 4 粘贴在金属衬片 3 上, 衬片应选取软性金属如铜、铝等金属或金属合金制作,以便在压力作用下 产生较大形变。压电陶瓷单晶片表面被有电极,其上接有细软的引线 6 ,压 电陶瓷单晶片表面处于自由状态,以充分实现自由弯曲振动,引线接至放 大器的输入端,压力作用到金属衬片上,衬片带动压电陶瓷片变形,产生 形变,继而产生电荷,再经放大器放大,并转换成电压信号输出。此压电

微压传感器中金属衬片为铜片,厚度 0.1mm~0.3mm ,压电陶瓷单晶片用压 电陶瓷 PZ-T5 制作,厚 50μ m~0.2mm 。 敏感元件压电陶瓷单晶片的直径应小于金属衬片,衬片留有封装边缘。 敏感元件由塑料支架,垫圈、电路盖板,通过卷压外壳上边缘封装在外壳 底部,金属衬片作为敏感元件的接地极与外壳连通,同时外壳接至放大器 的接地脚 7b ,形成一屏蔽回路,将整个传感器封装在屏蔽腔中,可有效的 提取微小信号,去除其他干扰。 塑料支架为一圆桶结构,如图 4 所示 (见图纸 ) ,桶底开有两个小孔 2a 及 2b,分别与盖板的过孔 8a、 8b 对应。盖板上的布线图如图 5 所示 (见图 纸 ) ,斜线部分布有导电层。放大器的输出管脚 7a 通过塑料支架底面孔 2a 和盖板的过孔 8a 引出,接地管脚 7b 通过 2b 和 8b 引出,两引出脚分别焊 接到盖板的过孔上。外壳上边缘卷压盖板外缘导电层,使放大器的地端与 外壳连通,形成一屏蔽回路。 4. 传感器工作电路 由于压电式传感器的输出电信号很微弱, 通常应把传感器信号先输入到高输 入阻抗的前置放大器中, 经过阻抗交换以后,方可用一般的放大检波电路再将信 号输入到指示仪表或记录器中(其中测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大 器) 。 前置放大器的作用有两点:其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输 出;其二是放大传感器输出的微弱电信号。 传感器的工作电路如图 6 所示 ( 见图纸 )。其中场效应管的输入阻抗大于 200M Ω,输出阻抗小于 100 Ω,频率范围 2Hz~20Hz ,电源电压 3~15VDC , 电阻 R 为可调电阻,调节范围: 2kΩ ~15k Ω ,传感器输出端接有隔直电容, 以

剔除直流信号。调节电阻 R 可调节输出灵敏度。压电元件的容抗很高造 成电缆的分布电容和噪声信号干扰较大,影响输出特性。因此设计引入了 前置放大器来进行高阻抗向低阻抗的转换。传感器的电路如图 6 所示。前 置放大器主要由 J 型场效应管和二极管组成。 二极管抑制了场效应管输入端 的反向电流,对场效应管起保护作用。在图 6 中,E 表示电源电压,R 表示

与场效应管连接的负载电阻。传感器的输入电压几乎与电缆的分布电容无 关,因此能减轻外部干扰的影响。输出电压能通过改变电阻 R 的阻值来调 整。 5. 压力测量误差分析 压力的测量误差因素有以下几方面: (1) 压力传感器引起的误差 压力传感器的安装好坏直接影响测量精度,故应按要求使用密封圈、隔热帽 和保护罩。在压力超过350 MPa时, 不使用密封圈、隔热帽和保护罩会带来5%左 右的误差。 另外, 当测量孔深度过长(大于5 mm) 时, 测量孔本身会成为低通滤波 器, 从而导致测量曲线失真。 (2) 传输线引起的误差 由于压电传感器输出的是电荷, 如果传输电缆绝缘电阻低或过长, 都会造成 电荷泄漏, 影响测量结果。 如使用1 m长的低噪声电缆作为传输线, 其绝缘电阻大 于1012 Ω, 可最大限度地减小由传输线引起的误差。 (3) 热干扰产生的误差 在温度升高时, 而压电晶体又具有热电效应, 这会使热电效应产生的电荷与 压电效应产生的电荷混叠在一起, 从而导致测量结果失真。因此, 在压电式压力 传感器前端应安装隔热帽和保护罩, 以减小热电效应引起的误差。 6. 测压系统的标定 进行测压系统的标定可以有效减少测量误差。 整个测压系统标定可通过压力 传感器标定和压力测试通路标定两个步骤进行。 压力传感器的标定分为静态标定 和动态标定两种, 具体可依据其使用场合来确定。本文的压力传感器标定采用静 态标定方法。静态标定就是标准的和被标定的压力传感器都固定不动, 同时进行 测定某个瞬变压力峰值, 以此来确定被测压力传感器的灵敏度。因此, 静态标定 可在一定程度上减少压力测量的动态误差。 压力测试通路标定是用标准的电荷校 准仪代替压力传感器, 来对整个压力测试通路进行标定, 从而得到测试通路的相 对误差, 以减小由测试通路带来的影响。

三、设计图纸(机械图用 cad 绘制,电路图用 protel 绘制)

图 6 压电压力传感器工作电路图

图 7 场效应管电路图

四、总结心得或体会 ………….. 五、主要参考文献

[1]王化祥,张淑英,传感器原理及应用,天津:天津大学出版社,1999,1~ 2 [3]张福学,王丽坤,现代压电学(下册),北京:科学出版社,2002,400~403 [3]朱同淑,压电

微压传感器. 北京邮电大学硕士学位论文. 2006 [4]田慧,栗保明,压电式压力传感器的测量与标定系统. 新特器件应用. 2009, 10 (9) 3~6

范文三:压电式压力传感器_于梅

国 外计 量

1 9 92

第8 期

压电式压 力 传 威器

PC B 压 电 电 子 有 限 公 司

1

.

对 振 动 加速 度 的 补 偿 前言

1 )

所 有 的 零部 件加工 精 度

,

都 很高

采 用 了先 进

。 。

,

各 压 电 元 件 表 面 和 其安 装 面 均 进 行 了

,

当 今 的 压 电 式 传 感器 ( 图

的 技术

,

抛 光 为确保 各 部件 之 间 紧 密结 合 在薄壁 筒里 对 晶 片 组 进 行 预压

频响应 光焊接

尺寸 小

工作 频 率 范 围 宽

它 们输 出

以 便 获 得 良好 的 线 性 和 高

可 进 行振 动 补偿

结 构 设计 通常 可满 足 各

,

将 这 个刚 性 和 弹 性敏 感 元件安 装 在 一 通 过激

种 特殊 用 途

现 代 传 感器 由一 刚 性 多 片 叠 加 的

敏 感元 件 还 包括 一 个

,

个提 供 全 静 电 屏 蔽 所需 的金 属 壳 体 里

,

人 造 石 英敏 感 元件 构 成

用 薄 镍 铁 合金 膜 片 密封 传 感 器

然后

完 整 的 加速 度计

最 小和 抑 制 谐 振

其 作 用 是将 振 动 灵 敏 度降 至

为 了 将 石英 晶 体输 出 的 高阻

再 将 敏 感 元 件 和 放 大器 组 件焊 接 在一 起

的 生 产工 序是 进 行 试 验和 标 定

10 0 00 一 l

,

最后

抗 静 电 荷 转 换 成 与 数 显 装 置 和 记 录 仪相 匹 配 的

低 阻 抗 电压 信 号

子 放 大器

经 精 密 加 工 的 压 力传 感 器 动 态范 围大 于 由于 采 用 刚 性 的 石 英 晶 体 柱支 承

膜片

,

,

传感 器 里 还 有一 个 内 装微 电

所 以 压 力传 感 器 在 每 平方 英 寸几千 磅 静

载 作 用下 测量 微 小 声压 变化 方面 具 有 独特 的 性 能

如 果改 变 晶 体 片的 数 量 和 直径

和 支 承 结构

晶 体 外壳

膜 片 直径 以 及 绝缘 材 料 等 方 面 设

,

集 成 电路 放 大器

,

就 可 将 传 感 器改 装 成 感 受声 压的 高 灵 敏 度

o po Ps i

传 声器 或 1 0 0

力 传感 器

(磅 / 时 ) 的 弹 道 式压

厕量 高 频 冲 击 波

声 和 湍 流时

,

,

装有 平 滑

,

膜 片 的 小 型 压 力 传感 器通 常采 用 埋 头安 装

避 免 出 现 谐 振 管 或谐 振 腔 由于 环 境条 件 各异

殊 的 考虑

在 某些 实 际应 用 中 需要 对 其 安装 条 件 进 行 特

密封 环

而 各式 各 样 的 安 装 接头使 传 感 器安

・ l 甩l

1

{ 蘸蘸勤

, , ・ ・ ・

抽 [

预 压箱 电极

装 能满 足 这 些 特 殊 的 要 求

温 排 放 时 的 脉 动和 声

水 冷 却和 火 花 塞接

,

头 使 传 感 器能 安装 在 内燃 机 里

测量 燃烧 和 高

外壳

氦 放气 孔 接 头 能保 护 传

感 器 膜 片 免 受 进行火 箭 发 动 机燃 烧 不 稳 定 压力

测 量时 产 生 的 高温气 流 的 影 响

可对 加 速

度进 行 补 偿 的 压 力传 感 器

,

普通 塑料 尼 龙 从而 在进 行 室

“ ”。

或 迭 尔 林 (聚 甲 醛树 脂 ) 接 头为 传感 器 的地 绝

如 图 1 所示

敏 感 元 件 是 由 金膜 电 极 隔 开

缘提 供 了一 个廉 价 的 解决 方 法

,

的 多 片 石 英 晶 体组 成

采 用 机 一 电的 办 法 将惯

,

温 下 较 低压 力 的 测量 时避 免 出现 接 地 回 路

牲 质量和 附 加的 晶 体 片与 敏感 元 件连 接

34

实现

虽 然 某 些 石 英 压 电 式 压 力传 感器 的 放电时

间 常数 长得 足 以 进 行 静 标定

用 于 动 态测 量

、 。

,

但 建 议 它 们 主要

电 荷 放 大 器价 格 昂贵

,

因 此正 在 日 益 被 更

加 经济

动态 线 代

功 能 性 更 强 的 集成 电 压 放 大 器 所 取

压 电 式 传 感 器 以 其具 有高 频 响 应

性 范 围宽

人注 目

电压 输 出高

坚 固耐 用 的 特性 而 引

,

现 代 新 型 的 压 电 式 压 力 传 感 器 (图 2 ) 都 有 一 个 内 装 微 电 子 集成 电 路 信 号 调 节器

,

既 便 在满 应 力 负载 下

膜 片 与 晶 体片

调节

;

之 间 的 偏 差 也只 有 几 个 微 英 寸

实验室 击波

、 、

器 由一 廉 价 电 源通过 简 单 的 二 线 电 路 供 电

现代 的 压 电 式压 力 传 感 器被 广 泛 地 应 用 于 工厂

、 、

个 高 阻 抗 电 路 都 被 密封 在 压 力 传感 器 的 不 锈钢

壳体 里

施 工现 场

发 电站

航 空和 水

输 出是 一 个通 过 普 通 同 轴 电 缆 的 低 阻

没 有 衰 减 或 增加 噪 声 这

.

下等 环 境 的 动 态 压 力 测量 爆炸

常 见 的 测量 包括 冲 压缩

, ( 1 0 0 0 )电 压 信号

弹道

燃烧

脉动

发动

种 被 称 为 新型 的 传 感 器 属 于 1

C P

.

.

型 (集

机 喘振

2

.

高强 度 声 以及 流 体 传 导 噪 声

工 作原 理

成 电路 压 电 型 ) 公 司 的 注 册 商标

I C I C

.

.

.

P P

.

是 PC B 压

电电 子 有限

,

.

.

型传 感 器 由一 低 成

本 的 电 源 通 过 信号 线 提 供 直 流 激励 进 行 工 作

电子学 原 理 期

,

根 据 静 电 学 定律 v

年 代和 六 千年代 早 — 在五Q十 / 压 电 传 感器 产

=

并 通 过 信 号 线 向外 输 出 信 号

它 可 以 直 接与 装

C

,

I C P

.

.

.

” “

电源 功 率 的 新 型 数 字 示 波器 / 分

生 的 静 电 荷 信号 ( Q ) 通 过 晶 体

电 缆和 输 入

析 仪 连 接使 用

内装放 大器

电 路 (到 阴极 输 出 器或 电 子 管放 大 器电 路 ) 的 总 电 容 ( C ) 转 换 成 电 压 信号 系统 灵 敏 度 (m

V

存 在 的 问 题是

/ P i) 值 取决 于 电缆 压 容 只

,

要 电缆 长度 一 改 变

就 需 要 对 传 感 器进

行 重 新

,

2

Á

.

.

标定

随 着 电 荷放 大 器 的 出 现

这 种 电压 模 式

IC P

.

电 压式 系 统 ( 集 成 电 路 压 电 型 )

,

的技 术 已 被 废弃

信 号 处理 技 术 发 展 迅 猛

目前

I C P

.

电 荷 放大 器 是 将 电荷 信 号 存储 在一 个 位 于

压 力传 感 器 已 走 出实 验 室 步 人 工矿

施 工现 场

高 增益 放大 器 反 馈 电 路 上 的 精 密 电 容 器 里 消 除 了早 期 电 压 系统 的 电 容 衰 减效应 信 号 调 节 技 术方面 跨 出 了重 要 的 一 步 问题 大

等严 劣 环 境 中 环 境范 围 性

,

微 电子 技 术 在 压 电 式 压 力 传 感

,

从而 在 尽管电

器 中 的 应 用改 善 了 传 感 器 的 特 性

拓 宽 了使用

提 高 了 整个 系 统 的 准 确 度 和 可 靠

荷 系 统 改 善 了电 缆 电 容 衰 减 影 响 系 统 灵 敏度 的

,

同 时 由 于 不 需 要昂 贵 的 低 噪 声 电缆 和 电 荷

,

但 临 阂 噪 声 级 随 输 入端 电 容 的 增 加 而 增

放天 器

19 9 1

,

大 大降 低 了 每 个 通 道 的 成 本

.

这 样 长 电 缆 电 容 虽 然 可 以 没 有 衰 减地 传 却 带 来 了降 低 分 辨 率 的 高 噪 声

( 上 接第 3 0 页)

于梅译 自

25

,

M

5

,

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C

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l, ,

,

,

N

0

17 6 ~ 17 8

( 上 接 第6 4 页)

这 里指 出 时

:

,

,

在编 制 实 现 上 列 算 法 的 程 序

,

完成

某 些 有 益 于利 用 的 因 素

其 中 之 一 就 是数

,

的 选取

为 了 在现 发生 计 算程 序 循 环

,

的选

当函

,

) 取 必 须 大 于 计算 机零 件 中 的 平 方 根 ( 8

如果其

,

选取 时 没 有考 虑 此 限 制 从 计 算清 去 程序

王 信化 译 自

则 必 须考 虑 到

支 架 的最 大 问 题是 其 所 能 容纳 的 最 大 底 片 X Z“ 尺 寸 的 限度 2 底 片 的 支架 已 试制 成功 当尺 寸 再大 时 底 片 的 振 动 问题 可能 就 变 得更 加重 要 上 面 已 描 述 了 一个 简 单而 又 经 济 的 全 息 底 片 支 架 设 计 这 种 支 架 能 有 效地 使 用 底 片 底

,

,

,

数 值 在 算 法 的 几 个 步距 长 度上 重 复 出现 之 际

片 得 以 稳 固支 撑 和 保 持 平 展

.

用 这 种支 架可 获

o

H 3M E P

T E X

范文四:电容差压式压力传感器

3.1.2压力传感器检测电路的设计

物理学中的“压强”在检测领域和工业中称为“压力”,用p表示。根据不同的测量条件,压力可分为绝对压力和相对压力。相对压力又分为差压和表压,相应地,测量压力的传感器也分为三大类:绝对压力传感器、差压传感器和表压传感器。此课题中,根据需要我们选用MIK3051电容式差压变送器。

1、利用差动变送器测量液体的压力

电容差压变送器的高压侧(p1)进气孔及低压侧(p2)进气孔通过管道与储液罐相连,就组成差压式液位计,如图3-3所示。

图3-3差压式液位计

设储液罐是密闭的,则施加在高压侧腔体内的压力为

p1=p0+ρg(h- h0) (3-1)

式中 p0:密闭容器上部空间的气体压力;

ρ:液体的密度;

g:重力加速度;

h:待测液位;

h0:差压变送器的安装高度。

而施加在低压侧腔体内的压力p2仅为密闭容器上部空间的气体压力,所以p2= p0。施加在差压电容膜片上的压力之差为

Δp= p1-p2=ρg(h- h0) (3-2) 由式(3-2)可知,差压变送器的输出与液位成正比。

2、电容差压电路传感器工作原理

差压是指两个压力p1和p2之差,又称为压力差。当差压表两侧面均向大气敞开时,差压等于零。当压力表中的膜片左侧管道的压力大于右侧时,电容差压表内部的膜片将向管道的右侧弯曲;反之,膜片将向管道的左侧弯曲。膜片的弯曲方向由左右两侧的压力之差决定,而与大气压(环境压力)无关。

检测膜片

图3-4 差压电容式变送器结构

差压传感器在使用时不允许在一侧仍保持很高的压力的情况下,将另一侧的压力降低至零,这将使原来用于测量微小差压的膜片破裂。所以在它的两侧最好安装一个保护用的均压阀。

3、MIK3051电容差压变送器的结构框图

C X

图3-5 电容差压变送器的结构框图

调频电路是将电容传感器作为LC振荡期谐振回路的一部分。当电容差压变送器工作时,电容Cx发生变化,就使振荡器的频率f产生相应的变化。由于振荡器的频率受电容传感器的调制,这样就实现了C/F的转换,其频率可由下式决定

=

(3-3) 式中 L——振荡回路的固定电感;

C——振荡回路的总电容。

变送器的输出信号是一个受被测量控制的调频波,频率的变化在鉴频器中变换为电压幅度的变化,经过放大器放大、检波后输出电压,作为下一步A/D转换器的输入。限幅器的作用是对叠加在有用信号上的干扰电压进行“削峰”,提高抗干扰能力。

范文五:电子式压力式{传感器)

成绩评定:

传感器技术 课程设计

题 目 电子式压力式传感器

摘要

一、压力式传感器的背景

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的,这样的传感器也称为压电传感器。

晶体是各向异性的,非晶体是各向同性的。某些晶体介质,当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时,就产生了极化效应;当机械力撤掉之后,又会重新回到不带电的状态,也就是受到压力的时候,某些晶体可能产生出电的效应,这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压电传感器。

压电效应是压电传感器的主要工作原理,压电传感器不能用于静态测量,因为经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的,所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力.

关键词:压力

目 录

一 、设计目的 ------------------------- 1

二、设计任务与要求 --------------------- 2

2.1设计任务 ------------------------- 2

2.2设计要求 ------------------------- 2

三、设计步骤及原理分析 ----------------- 3

3.1设计方法 ------------------------- 3

3.2设计步骤 ------------------------- 4

3.3设计原理分析 ---------------------- 5

四、课程设计小结与体会 ---------------- 11

五、参考文献 ------------------------- 12

一 、设计目的:

图1是压力传感器在全自动洗衣机中的应用实例。如图所示,利用气室,将在不同水位情况下水压的变化,作为空气压力的变化检测出来,从而可以在设定的水位上自动停止向洗衣机注水。

图 1 压力传感器在全自动洗衣机中的应用

二、设计任务与要求

2.1设计任务

2.2设计要求

1.实现基本功能

2.画好电路图

3.完成设计报告

三、设计步骤及原理分析

3.1设计方法:图1为PS压力传感器的截面结构图,图2为其传感器部分的结构。如图所示,在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体,如果对这一电阻体施加压力,由于压电电阻效应,其电阻值将发生变化。受到应变的部分,即膜片由于容易感压而变薄,为了减缓来自传感器底座应力的影响,将压力传感器片安装在玻璃基座上。

图2

如图2(b)所示,当向空腔部分加上一定的压力时,膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。压电电阻的排列方法如图3所示,受到拉伸的电阻R2和R4的阻值增加;受到压缩的电阻R1和R3阻值减小

图三

实际上在生成扩散电阻体时,由于所形成的扩散电阻体尺寸大小的不同和存在杂质浓度的微小差异,因此总是有某个电压值存在。压力为零时,R1=R2=R3=R4=R,我们把加上一定压力时R1、R2电阻的变化部分记作ΔR;相应R3、R4电阻的变化部分记作-ΔR,于是ΔV=ΔRI 。

这个ΔV相对压力呈现几乎完全线性的特性,只是随着温度的变化而有所改变。

3.2电路图设计

压力传感器的外围电路设计实例,图中用恒压源来驱动压力传感器

由于桥路失衡时的输出电压比较小,所以必须用运放IC1b和IC1C来进行放大。图中VR1为偏置调整,VR2为压力灵敏度调整,VR3为没有加压时输出电压调整,C1、C2用于去除噪声。另外,如果电源电压波动的话,将引起输出电压的变化,所以必须给电路提供一个稳定的电源。

3.3电路仿真

四.心得体会

传感器技术是一门理论性和实践性都很强的专业基础课,也是一门综合性的技术基础学科,它需要数学、物理学、电子学、力学、机械等知识,同时还要掌握各种物理量的变换原理、各种静态和动态物理量(如力、振动、噪声、压力和温度等)的测定,以及实验装置的设计和数据分析等方面所涉及的基础理论。在做此次实验前,我把老师所讲的传感器教材通读了一遍,对传感技术有了一定得了解。因为在这之前,没有接触过类似的课程设计,所以这次实验,我感觉有些困难。 传感技术是一门综合性的课程知识,想做好这次实验,必须要有较好的理论知识,只有熟悉了这些们课程才能真正的完成这次实验。首先,是电路图的设计,要明白传感器的原理及在电路中的作用是什么。虽然最终设计出的电路图不是很复杂,但是也是几经周折。其次,是在multisim中连接电路元件,让我进一步得熟悉了这个软件的功能,并能运用自如。因此,就一次一次的调试,改变电阻的阻值,以及滑动变阻器的阻值,最终把结果调试出来了。

通过这次传感器技术的实验,使我学到了不少实用的知识,更重要的是,做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我们受益匪浅.在这次实验的过程中我们要培养自己的独立分析问题,和解决问题的能力。在调试电路图的过程中,要自己学会思考。 最后,通过这次实验我不但对理论知识有了更加深刻的理解,更加增强了我的综合能力。使我们整体对各个方面都得到了不少的提高让我

们得到更好的锻炼。

五、参考文献

[1]邱关源.电路[M].北京:高等教育出版社(第四版),1999

摘要:本书主要内容有:电路模型和电路定律、电阻定律的等效变换,电阻电路的一般分析、电路定律。含有运算放大器的电阻电路、一阶电路、二阶电路、向量法、正弦稳态电路的分析,含有耦合电感的电路、三相电路等等。

[2]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:清华大学出版社,2003

摘要:本书以MCS-51为主线,系统地论述了单片机的组成原理、指令系统和汇编语言程序设计、终端系统、并行和串行I/O接口以及MCS-51对D/A的接口等问题,并在此基础上讨论了单片机应用系统的设计。

范文六:压电式力传感器的设计

机械工程测试课程设计

学院:xxxxxx 专业班级:xxxxxx 学号:xxxxxx 姓名:xxx

《力的测量课程设计》

目 录

设计摘要 ..........................1 引言 .............................1

第一章 传感器的结构设计...........2 第二章 传感器的参数计算...........3 第三章 测量电路...................5 总结 ..............................6 参考文献...........................6

设计摘要

设计过程主要包括设计格式、设计要求及设计过程中有关压电式力传感器的设计,还有在整个设计过程中的有关计算、与传感器相连的测试电路。 本压电式传感器采用压缩型单项里传感器结构,利用纵向压电效应进行工作,在设计中压电材料采用石英晶体。由于安装中需施加预紧力,以保证该传感器的线性度良好,故留出一定的过载量,本设计中重点考虑了各部分的面积、刚度等参数,未讨论预紧力的选用范围,可能还存在一些其他因素,如安装误差等可以影响设计传感器的性能,属于正常范围内,使用中可忽略。

引言

压电式力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业,在工业中有着不可少的作用。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中,比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的,因为测量动态压力是如此普遍,所以压电传感器的应用就非常广泛。

传感器原理与应用作为一门课程,我们在认真学好理论课程的同时,还要与实际结合起来,只有这样才能对压电式传感器的使用有更好的理解。

通过对传感器的设计来加深对理论课程的理解,这是王伟老师要求我们进行课程设计的目的。做到理论联系实际,从而学会正确分析传感器使用过程中出现的问题,不断总结经验,进而用来来指导实践,这样我们才能将学好的知识得到很好 的应用。也为我们日后再该领域的进一步研究打下坚实的基础。

第一章 传感器的结构设计

传感器的结构如下图

图一

1、顶盖 2、敏感元件 3、导电片 4、基座 5、外壁 6、预紧螺钉

该传感器由顶盖、敏感元件、导电片、基座、外壁、预紧螺钉和输出插座组成。通过预紧螺钉加预紧力,将顶盖、基座和外壁焊接为一体,输出插座可与同轴低噪声电缆连接。

第二章 传感器的参数计算

1、压电晶体(石英)的几何尺寸

石英片在机械强度上必须满足公式 S 式中: S为石英晶片的受力面积 F 为传感器待测力的最大力

为石英晶体的许用应力,为17.5 kg/mm2

本设计中传感器的额定负载为1000 kg,由于包括预紧力,并留出一定的过载量,取最大负载量为7000 kg,因而S  40 mm2。

设计中取晶片的长为10 mm,宽为6 mm,受力面积60 mm2。

F

2、石英片的晶片电容值

C0

0rS

d

这里取每片石英片的厚度为1.2mm,石英的r=4.5,每片石英片的电容

C0=1.99pF

为了提高传感器的灵敏度,取两片石英片并联方式,所以总的电容大小为3.98pF。

3、传感器刚度参数计算

设在外力F的作用下,传感器的变形为x,F(k1k2)x

式中:k1为敏感部分的组合刚度

k2为辅助部分组合刚度 图二

kk1决定了传感器的精度,因此,在结构设计中应确保1

k1k2k1k

2

尽可能大。

根据公式 K

ES L

式中:E:弹性模量 S:受力面积 L:受力方向厚度

石英片的弹性模量为80 GPa,受力面积为60 mm2,厚度为2.4 mm,它的刚 度kq=2.00106Nmm

导电片(银片)的弹性模量为71 GPa,受力面积为60 mm2,厚度为0.1 mm,它的刚度kd=4.26107 mm

顶盖(铝合金)的弹性模量70 GPa,受力面积为80 mm2,厚度为1.0 mm,它的刚度为kt=5.60106 mm

基座(钛合金)的弹性模量为120.2 GPa,受力面积为70 mm2,厚度21 mm,它的刚度kb=4.01105 Nmm

预紧螺钉(钢质)的弹性模量为20.5 GPa,受力面积35 mm2,厚度为12 mm,它的刚度ks=5.98104 Nmm

Eh3 根据公式K2 2

a(1) 式中: E:弹性模量 h:厚度 a:直径

:材料的泊松系数

顶盖的直径为12.1mm,所以顶盖的弹性部分刚度kt'=5.37102Nmm =0.33,外壁的受力面积为7 mm,弹性模量21 GPa,受力方向厚度为39mm,它的刚

度kb'=3.77103mm

敏感部分组合刚度k1相当于顶盖,导电片,石英片,基座串联的刚度,即

k1

1

ktkqkbkd

=3.13105Nmm

辅助部分刚度k2为顶盖弹性部分的抗弯刚度kt'与基座外壁的刚度kb'串联,再与

'

kt'kb

预紧螺钉刚度ks并联: k2'ks =6.03104mm '

ktkb

传感器的总刚度为k1与k2的并联 kk1k2=3.73105Nmm

4、传感器的灵敏度

sqn

k1

d11 k1k2

式中: n为晶体片的数目

d11=2.31 N sq=3.88 N

5、传感器的谐振频率

f01

2

k

式中:m为传感器的顶盖质量 m

m=(2.7103801)g=2.16102kg 所以f=20.91kHz

第三章 测量电路

测量电路如下图所示

图三 压电传感器用高保真高阻抗放大器(OPA604)

在自控系统或一些检测系统中,常应用压电器件作为传感器,借以实现将非

电量变为电信号,这类传感器等效的信号源具有内阻极高且信号很微弱的特点,因而也必须配接高输入阻抗的放大电路,而且放大电路还必须具有精确放大微弱信号的能力。如图给出了高保真运放OPA604构成的放大电路。该电路采用同相输入方式后可有效地提高放大器的输入阻抗,为了防止交流干扰,压电信号采用屏蔽线输入,该电路的电压放大倍数为:。AVV0Vi (1RR1)OPA604的主要参数

:

总结

此次课程设计说明书是按照传感器原理与应用压电式传感器的设计要求设计的,并经过了严格的科学运算,充分的考虑到了各环节中可能出现的问题,参考

了有关书籍。

本设计中对于传感器精度的确定和传感器各部分所用材料进行了相对缜密的计算。但是毕竟理论与实际不能够完全一致,本设计仅是理论部分,并没有应用于实际,所以还可能存在大量的问题,希望王伟老师能够理解和体谅。 在这次的设计中真的学到了很多的知识,它们是教科书中没有的,通过查阅资料以及上网手机与压电式传感器有关的内容,并把它们进一步理解,这是我的收获,我想这些知识在以后的学习中会发挥一定的作用。

参考文献

1、张洪润等编,《传感器技术大全》 北京航空航天大学出版社,2007 2、谭福年编,《常用传感器应用电路》 电子科技大学出版社,1996 3、单成祥编,《传感器的理论设计基础及其应用》 国防工业出版社, 1999

4、 刘迎春,叶湘滨。《传感器原理设计与应用》。国防科技大学出版社, 1997

5、赵继文、何玉彬编,《传感器与应用电路设计》 科技出版社,2002机械工程测试课程设计

学院:xxxxxx 专业班级:xxxxxx 学号:xxxxxx 姓名:xxx

《力的测量课程设计》

目 录

设计摘要 ..........................1 引言 .............................1

第一章 传感器的结构设计...........2 第二章 传感器的参数计算...........3 第三章 测量电路...................5 总结 ..............................6 参考文献...........................6

设计摘要

设计过程主要包括设计格式、设计要求及设计过程中有关压电式力传感器的设计,还有在整个设计过程中的有关计算、与传感器相连的测试电路。 本压电式传感器采用压缩型单项里传感器结构,利用纵向压电效应进行工作,在设计中压电材料采用石英晶体。由于安装中需施加预紧力,以保证该传感器的线性度良好,故留出一定的过载量,本设计中重点考虑了各部分的面积、刚度等参数,未讨论预紧力的选用范围,可能还存在一些其他因素,如安装误差等可以影响设计传感器的性能,属于正常范围内,使用中可忽略。

引言

压电式力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业,在工业中有着不可少的作用。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中,比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的,因为测量动态压力是如此普遍,所以压电传感器的应用就非常广泛。

传感器原理与应用作为一门课程,我们在认真学好理论课程的同时,还要与实际结合起来,只有这样才能对压电式传感器的使用有更好的理解。

通过对传感器的设计来加深对理论课程的理解,这是王伟老师要求我们进行课程设计的目的。做到理论联系实际,从而学会正确分析传感器使用过程中出现的问题,不断总结经验,进而用来来指导实践,这样我们才能将学好的知识得到很好 的应用。也为我们日后再该领域的进一步研究打下坚实的基础。

第一章 传感器的结构设计

传感器的结构如下图

图一

1、顶盖 2、敏感元件 3、导电片 4、基座 5、外壁 6、预紧螺钉

该传感器由顶盖、敏感元件、导电片、基座、外壁、预紧螺钉和输出插座组成。通过预紧螺钉加预紧力,将顶盖、基座和外壁焊接为一体,输出插座可与同轴低噪声电缆连接。

第二章 传感器的参数计算

1、压电晶体(石英)的几何尺寸

石英片在机械强度上必须满足公式 S 式中: S为石英晶片的受力面积 F 为传感器待测力的最大力

为石英晶体的许用应力,为17.5 kg/mm2

本设计中传感器的额定负载为1000 kg,由于包括预紧力,并留出一定的过载量,取最大负载量为7000 kg,因而S  40 mm2。

设计中取晶片的长为10 mm,宽为6 mm,受力面积60 mm2。

F

2、石英片的晶片电容值

C0

0rS

d

这里取每片石英片的厚度为1.2mm,石英的r=4.5,每片石英片的电容

C0=1.99pF

为了提高传感器的灵敏度,取两片石英片并联方式,所以总的电容大小为3.98pF。

3、传感器刚度参数计算

设在外力F的作用下,传感器的变形为x,F(k1k2)x

式中:k1为敏感部分的组合刚度

k2为辅助部分组合刚度 图二

kk1决定了传感器的精度,因此,在结构设计中应确保1

k1k2k1k

2

尽可能大。

根据公式 K

ES L

式中:E:弹性模量 S:受力面积 L:受力方向厚度

石英片的弹性模量为80 GPa,受力面积为60 mm2,厚度为2.4 mm,它的刚 度kq=2.00106Nmm

导电片(银片)的弹性模量为71 GPa,受力面积为60 mm2,厚度为0.1 mm,它的刚度kd=4.26107 mm

顶盖(铝合金)的弹性模量70 GPa,受力面积为80 mm2,厚度为1.0 mm,它的刚度为kt=5.60106 mm

基座(钛合金)的弹性模量为120.2 GPa,受力面积为70 mm2,厚度21 mm,它的刚度kb=4.01105 Nmm

预紧螺钉(钢质)的弹性模量为20.5 GPa,受力面积35 mm2,厚度为12 mm,它的刚度ks=5.98104 Nmm

Eh3 根据公式K2 2

a(1) 式中: E:弹性模量 h:厚度 a:直径

:材料的泊松系数

顶盖的直径为12.1mm,所以顶盖的弹性部分刚度kt'=5.37102Nmm =0.33,外壁的受力面积为7 mm,弹性模量21 GPa,受力方向厚度为39mm,它的刚

度kb'=3.77103mm

敏感部分组合刚度k1相当于顶盖,导电片,石英片,基座串联的刚度,即

k1

1

ktkqkbkd

=3.13105Nmm

辅助部分刚度k2为顶盖弹性部分的抗弯刚度kt'与基座外壁的刚度kb'串联,再与

'

kt'kb

预紧螺钉刚度ks并联: k2'ks =6.03104mm '

ktkb

传感器的总刚度为k1与k2的并联 kk1k2=3.73105Nmm

4、传感器的灵敏度

sqn

k1

d11 k1k2

式中: n为晶体片的数目

d11=2.31 N sq=3.88 N

5、传感器的谐振频率

f01

2

k

式中:m为传感器的顶盖质量 m

m=(2.7103801)g=2.16102kg 所以f=20.91kHz

第三章 测量电路

测量电路如下图所示

图三 压电传感器用高保真高阻抗放大器(OPA604)

在自控系统或一些检测系统中,常应用压电器件作为传感器,借以实现将非

电量变为电信号,这类传感器等效的信号源具有内阻极高且信号很微弱的特点,因而也必须配接高输入阻抗的放大电路,而且放大电路还必须具有精确放大微弱信号的能力。如图给出了高保真运放OPA604构成的放大电路。该电路采用同相输入方式后可有效地提高放大器的输入阻抗,为了防止交流干扰,压电信号采用屏蔽线输入,该电路的电压放大倍数为:。AVV0Vi (1RR1)OPA604的主要参数

:

总结

此次课程设计说明书是按照传感器原理与应用压电式传感器的设计要求设计的,并经过了严格的科学运算,充分的考虑到了各环节中可能出现的问题,参考

了有关书籍。

本设计中对于传感器精度的确定和传感器各部分所用材料进行了相对缜密的计算。但是毕竟理论与实际不能够完全一致,本设计仅是理论部分,并没有应用于实际,所以还可能存在大量的问题,希望王伟老师能够理解和体谅。 在这次的设计中真的学到了很多的知识,它们是教科书中没有的,通过查阅资料以及上网手机与压电式传感器有关的内容,并把它们进一步理解,这是我的收获,我想这些知识在以后的学习中会发挥一定的作用。

参考文献

1、张洪润等编,《传感器技术大全》 北京航空航天大学出版社,2007 2、谭福年编,《常用传感器应用电路》 电子科技大学出版社,1996 3、单成祥编,《传感器的理论设计基础及其应用》 国防工业出版社, 1999

4、 刘迎春,叶湘滨。《传感器原理设计与应用》。国防科技大学出版社, 1997

5、赵继文、何玉彬编,《传感器与应用电路设计》 科技出版社,2002

范文七:压电式测力传感器

压电式测力传感器的原理及应用

1引言:

生活中的声控开关、商场中的智能大门、时下正热的红外遥感技术,对这一切就时时刻刻发生我们身边和应用到我们生活中的随口拖出的“神秘”东西,对于这些智能的生活用具到底怎样工作的呢?在这之中我们不得不提到一个重要的幕后操纵者——传感器,什么是传感器,传感器的工作原理及其性能是什么,„„,本文将通过介绍传感器中的一种压电式传感器带领我们进入这个神秘的世界,并通过实例的解析去认识它

2 传感器的综述

2.1 传感器的专业术语及系统介绍

传感器:(广义)凡能外界信息并按一定规律转换成便于测量和控制的信息的装置;(狭义) 只有将外界信息按一定规律转换成电量的装置。 传感器的总特性:主要指传感器以及被测对象和后接仪器组成的测量系统的输入和输出的匹 配、传感器的机械特性以及其工作特性。 静态特性:表示传感器在被测量各值处于稳定状态时的输入-输出的关系,其指标是灵敏度、

线性度、稳定度迟滞等。

动态特性:指输入随时间变化的特性,它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。它 取决于传感器本身,另外与被测量的形式有关。

传感器的组成:通常,传感器由敏感元件,传感元件和其他辅助件组成,又是也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。如下图:

敏感元件:直接感受被测量(一般为非电量),并输出与被测量成确定关系的其他量(一般 为电量)的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片、热电偶等都为敏感元件。

传感元件:又称变换器,它一般情况下不直接感受被测量,而是将敏感元件的输出量转换为 电量输出的元件。如应变式传感器中的应变片等。

信号调节与辅助电路:能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有 用电信号的电路。常用的电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器等。 传感器的简单分类:1、按被测量分类; 2、按物理量的典型效应分类。

2.2 压电式测力传感器的性能分析及工作原理

2.2.1 压电式测力传感器的介绍及工作原理

压电效应:某些电介质物体,在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之变形时,内部会产生极化现象,同时会在其表面产生电荷。当将外力去掉后,它们又重新回到不带电的状态。这种现象就称为压电效应。

正压电效应:人们把这种机械能转化为电能的现象,就称为正压电效应。 逆压电效应:在电介质的极化方向上施加电场,它会产生机械形变;当去掉外加电场时,电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象,称为“逆压电效应”。

定义:具有压电特性的电介质称为压电材料,用压电材料制成的传感器叫做压电传感器。 压电式传感器可以看作是电荷发生器,它又是一个电容器,如图1所示。其电容量为

C

0

„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(2.1) 

式中:——压电式材料的相对介电常数,石英晶体=4.5,钛酸钡=1200; 0——真空介电常数,0=8.8510F/m;

-12

——极板间距离; ——极板面积。

在图所示压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀形成金属膜,构成两个电极,F为施加在晶片上的外力。实验已证明压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。

图2-1 压电式测力传感器的模型

压电式传感器接入电路等效电路图,如下图所示:其中Cc为连接电缆的寄生电容形成的传感器的并生电容,R0后续电路的输入阻抗和传感器中漏电阻形成的泄漏电阻。

图2-2 传感器等效电路

2.2.2 压电式测力传感器的材料及性能分析

具有压电效应的电介质称为压电材料,典型的压电材料有石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料等。

(一)石英晶体的压电效应

图2-3 石英晶体的结构图

x轴——电轴,垂直于x轴晶面上的压电效应最显著;

y轴——机械轴,在电场作用下,此轴的机械变形最显著;

z轴——光轴(中性轴),该轴方向上无压电效应。

1、纵向压电效应

纵向压电效应是沿着x轴对晶体施加力时,在垂直于x轴的表面上产生电荷,如图(A)、(B)所示,产生的电荷与作用力的大小成正比,与晶片尺寸无关。 2、横向压电效应

横向压电效应是沿着y轴对晶体施加力时,在垂直于x轴的表面上产生电荷,如图(C)、(D)所示,产生的电荷与作用力的大小成正比,与晶片尺寸无关。

图2-4 石英晶体是四种受力情况(A、B、C、D)

石英晶体的压电效应的产生机理:石英晶体的化学分子为SiO2,每一个晶体单元有3个硅离子和6个氧离子,他们交替排列,在垂直z轴平面上分布在正六边形的顶角上,如下图(A)所示。当作用力为零时,正负电荷平衡,外部不带电。

图2-5 石英晶体的几种受力情况

图2-5 石英晶体的几种受力情况

当沿x轴施加拉力作用时电荷分布如图(B)所示,当施加相反的力时,则点和分布相反; 当沿y轴施加压力作用时电荷分布如图(C)所示,当施加相反的力时,则点和分布相反; 当沿z轴施加作用力时,由于负离子平移,故在表面上没有电荷出现。因此沿Z轴方向上不产生压电效应。

(二)压电陶瓷的压电效应 1、压电陶瓷的结构:

压电陶瓷是人造多晶体,其压电原理与石英晶体完全不同。其结构为多晶体,如图2-6所示。内部存在许多电畴,就象磁性材料内部存在磁畴样。压电陶瓷刚烧结成时,其内部各晶粒中的电畴的自发极化方向是杂乱无章、相互抵消的。

图2-6 压电陶瓷结构及极化

2、压电陶瓷的极化

极化的目的是设法使压电陶瓷内部杂乱无章相互抵消的电畴方向取向一致。

在烧结后的压电陶瓷上施加一外磁场E,在电场作用下,电畴的自发极化方向趋向电场,方 向一致。极化后压电陶瓷有一定的极化强度。当外磁场去掉后,各电的极化方向基本上保持与原电场方向一致,保留一些极化强度。

图2-7 压电陶瓷的压电效应

由于存在极化强度,在压电陶瓷极化方向两端便出现束缚电荷。由于束缚电荷的作用,在陶瓷极化方向两端很快吸附一层来自外界的自由电荷。在无外力作用时,束缚电荷和自由电荷在数量上相等,极性相反,对外不显电性。如图2-7(a)所示。

2.3 压电式测力传感器的应用 2.3.1 压电式测力传感器的分类

压电式力传感器按其用途和压电元件组成可分为单向力、双向力和三向力传感器。它可以测量几百至几万牛顿的动态力。 1、单向力传感器

单向力传感器的压电元件采用xy(即x0)切型石英晶体,利用其纵向压电效应,通过d11实现力——电转换。 2、双向力传感

双向力传感器基本上有两种组合,其一是垂直分力与切向分力,即Fz与Fx(或Fy);

其二是测量互相垂直的两个切向分力,即Fz与Fy。无论那一种组合,传感器的结构形式相似。

3、三向力传感器

三向力传感器可以对空间任一个或三个力同时进行测量。传感器有三组石英晶片,三组输出的极性相同。

2.3.2 压电式测力传感器的应用及工作原理

1、单向力传感器:

如图3-1所示:两片压电晶片沿电轴方向叠在一起,采用并联接法,中间为片形电极(负极),它收集负电荷。底座与传力盖形成正极,绝缘套使正、负极隔离。

图3-1 单向压电石英力传感器结构

压电式测力传感器由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及底座等组成。传感器上盖为传力元件,被测力F通过上盖使压电晶片沿电轴方向受压力作用,将产生弹性形变,将力传递到两片并联的压电晶片上,产生电荷,负电荷由中间电极输出,正电荷直接与底座连接输出。 这种传感器有以下特点: ①、体积小,重量轻(仅10g); ②、固有频率高(约50—60KHz); ③、可检测高达5000N(变化频率少于20KHz)的动态力,

④、分辩率高,可达10-3N 。 2、压电式金属加工切削力测量

图3-2 金属加工力测量示意图

由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测量变化剧烈的载荷。如图3-2所示,图中压电传感器位于车刀前部的下方, 当进行切削加工时, 切削力通过刀具传给压电传感器, 压电传感器将切削力转换为电信号输出, 记录下电信号的变化便测得切削力的变化。 3、梁式力传感器

F

固定点

F

固定点

电缆

图3-3 粱式力传感器图示

等强度弹性元件的悬臂梁如图3-4所示:梁的固定端宽度为b0,自由端宽度为b,梁长为L,梁厚为h。当集中力F作用在自由端时,距作用力任何距离x的截面上的应力相等。因此,沿着梁的长度方向上的截面抗弯模量W的变化与弯矩M的变化成正比,即



M6FL

常数Wb0h2„„„„„„„„„„„„„„„„„(3.1)

F

R1

L

L

bR2

图3-4 等强度弹性元件的悬臂梁

在等强度的设计中,往往采用矩形截面,保持截面厚度不变,只改变梁的宽度。设沿梁长度方向上某一截面到力的作用点的距离为x,的应变值为 

bx为与x值相应的梁宽,则等强度梁各点

6Fx

„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(3.2) 2

bxhE

式中:E为传感器的弹性模量。

如果当电桥的供电电压为Ui时,其输出电压Uo为

UoUik „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(3.3) 带入上式消去,可得 

6FxUo

„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(3.4) 

bxh2EUik

bxh2E

整理可得: FUo „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(3.5)

bUikx

粱式力传感器弯曲悬臂梁结构,外形高度低,结构强度高。用于拉伸力或压缩力测量,抗偏、抗侧向力强; 防尘密封,量程范围广,精度高,性能稳定可靠,安装使用方便;拉式或压式承载;适用于电子秤、衡器等各种测力/称重的工业自动化测量控制系统。

范文八:电子压力式传感器)

成绩评定:

传感器技术 课程设计

题 目 电子压力式传感器

摘要

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的,这样的传感器也称为压电传感器。

晶体是各向异性的,非晶体是各向同性的。某些晶体介质,当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时,就产生了极化效应;当机械力撤掉之后,又会重新回到不带电的状态,也就是受到压力的时候,某些晶体可能产生出电的效应,这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压电传感器。

压电效应是压电传感器的主要工作原理,压电传感器不能用于静态测量,因为经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的,所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力.

关键词:压力 压电

目 录

一 、设计目的 ------------------------- 1

二、设计任务与要求 --------------------- 2

2.1设计任务 ------------------------- 2

2.2设计要求 ------------------------- 2

三、设计步骤及原理分析 ----------------- 3

3.1设计方法 ------------------------- 3

3.2设计步骤 ------------------------- 4

3.3设计原理分析 ---------------------- 6

四、课程设计小结与体会 ----------------- 7

五、参考文献 -------------------------- 8

一 、设计目的:

图1是压力传感器在全自动洗衣机中的应用实例。如图所示,利用气室,将在不同水位情况下水压的变化,作为空气压力的变化检测出来,从而可以在设定的水位上自动停止向洗衣机注水。

图 1 压力传感器在全自动洗衣机中的应用

二、设计任务与要求

2.1设计任务

2.2设计要求

1.实现基本功能

2.画好电路图

3.完成设计报告

三、设计步骤及原理分析

3.1设计方法:图1为PS压力传感器的截面结构图,图2为其传感器部分的结构。如图所示,在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体,如果对这一电阻体施加压力,由于压电电阻效应,其电阻值将发生变化。受到应变的部分,即膜片由于容易感压而变薄,为了减缓来自传感器底座应力的影响,将压力传感器片安装在玻璃基座上。

图2

如图2(b)所示,当向空腔部分加上一定的压力时,膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。压电电阻的排列方法如图3所示,受到拉伸的电阻R2和R4的阻值增加;受到压缩的电阻R1和R3阻值减小

图三

实际上在生成扩散电阻体时,由于所形成的扩散电阻体尺寸大小的不同和存在杂质浓度的微小差异,因此总是有某个电压值存在。压力为零时,R1=R2=R3=R4=R,我们把加上一定压力时R1、R2电阻的变化部分记作ΔR;相应R3、R4电阻的变化部分记作-ΔR,于是ΔV=ΔRI 。

这个ΔV相对压力呈现几乎完全线性的特性,只是随着温度的变化而有所改变。

3.2电路图设计

压力传感器的外围电路设计实例,图中用恒压源来驱动压力传感器

由于桥路失衡时的输出电压比较小,所以必须用运放IC1b和IC1C来进行放大。图中VR1为偏置调整,VR2为压力灵敏度调整,VR3为没有加压时输出电压调整,C1、C2用于去除噪声。另外,如果电源电压波动的话,将引起输出电压的变化,所以必须给电路提供一个稳定的电源。

3.3电路仿真

四.心得体会

传感器技术是一门理论性和实践性都很强的专业基础课,也是一门综合性的技术基础学科,它需要数学、物理学、电子学、力学、机械等知识,同时还要掌握各种物理量的变换原理、各种静态和动态物理量(如力、振动、噪声、压力和温度等)的测定,以及实验装置的设计和数据分析等方面所涉及的基础理论。在做此次实验前,我把老师所讲的传感器教材通读了一遍,课外也查阅了相关实验指导书籍,对传感技术有了一定得了解。因为在这之前,没有接触过类似的课程设计,所以这次实验,我感觉有些困难。

传感技术是一门综合性的课程知识,想做好这次实验,必须要有较好的理论知识,只有熟悉了这些们课程才能真正的完成这次实验。首先,是电路图的设计,要明白传感器的原理及在电路中的作用是什么。虽然最终设计出的电路图不是很复杂,但是也是几经周折。其次,是在multisim中连接电路元件,让我进一步得熟悉了这个软件的功能,并能运用自如。因此,就一次一次的调试,改变电阻的阻值,以及滑动变阻器的阻值,最终把结果调试出来了。

通过这次传感器技术的实验,使我学到了不少实用的知识,更重要的是,做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我们受益匪浅.在这次实验的过程中我们要培养自己的独立分析问题,和解决问题的能力。在调试电路图的过程中,要自己学会思考。 最后,通过这次实验我不但对理论知识有了更加深刻的理解,更加增

强了我的综合能力。使我们整体对各个方面都得到了不少的提高让我们得到更好的锻炼。

五、参考文献

[1]邱关源.电路[M].北京:高等教育出版社(第四版),1999

摘要:本书主要内容有:电路模型和电路定律、电阻定律的等效变换,电阻电路的一般分析、电路定律。含有运算放大器的电阻电路、一阶电路、二阶电路、向量法、正弦稳态电路的分析,含有耦合电感的电路、三相电路等等。

[2]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:清华大学出版社,2003 摘要:本书以MCS-51为主线,系统地论述了单片机的组成原理、指令系统和汇编语言程序设计、终端系统、并行和串行I/O接口以及MCS-51对D/A的接口等问题,并在此基础上讨论了单片机应用系统的设计。

范文九:电容式压力传感器

电容式压力传感器

电容式压力[b]传感器[/b]一般出弹性体扣可变电容器组成,其工作原理与咆存式力侦伶感胎类似.被测压力首先使弹性体(通常足股j门猎换成变形量,此膜片又是可变电容船的一个活动极板,膜片的变形就会创起可变电容路电容的变化,泅过测量电容的吸化使可得到被测压力的大小.

图7-21为是动电容式压力传感器原理图.两固定电密极板为镀上金属膜的凹型玻璃圆片,在两边压差为零时,膜片不变形,两个电容相等.当两个腔的压差增大时,膜片向低压一边弯曲.佃一个电容增大,一个电容减小,电容的变化气压差成反比.测出此电容的变化即可知道被测的压差值.

[local]E:/xiaozhu/Novels/20130128/15-11-20-14-499.jpg[/local]

[b]转载请注明出处-仪器交易网([/b][b][/b][b])[/b][b]

[/b](文章来源:http://www.njjery.com/ )

范文十:硅电容式压力传感器

辽宁大学学报

自然科学版第32卷第2期2005年

JOURNALOFLIAONINGUNIVERSITY

NaturalSciencesEdition

Vo.l32No.22005

硅电容式压力传感器

王中文,王丽娟

1*

2

(1.辽宁大学物理系,辽宁沈阳110036;2.辽宁大学轻型产业学院,辽宁沈阳110036)

要:在广泛地比较了各种设计方案产业化的难易程度的基础上,最终确定了符合现有的工艺条件、易于产品化以及与其他产品生产相兼容的最佳方案,给出了MEMS的具体的工艺流程.关键词:硅电容;微机械;差压传感器;MEMS.

中图分类号:TN312

文献标识码:A文章编号:10005846(2005)02013104

我们所处的时代是信息时代.信息的获取、检测要靠传感器和传感技术来实现.传感器越来越

广泛地应用于汽车、石油钻探、温度、压力、气体的检测等.现有的传感器的设计标准比较低,漂移比较大,不能满足现在对传感器需求标准的要求.本文在总结各种工艺设计方案的基础上,给出了合理的最佳化设计的方案,对传感器参数标准有所提高,克服了以前设计及生产的弊端,有利于传感器的生产产业化.

材质的.金属的韧性非常好,尤其是金属膜片比较薄的时候,特别容易形成褶皱.如果压力传感器的敏感膜片出现褶皱将严重影响传感器的性能,所以在加工过程中应特别小心,这也是传感器加工过程中一个十分棘手的问题.随着MEMS加工技术的成熟和广泛采用,人们自然想到利用硅替代金属制作敏感膜片,因为硅不仅有一定的机械强度,而且刚性良好不易变形,同时也是一种十分理想的弹性体.由此可见,敏感元件具有良好的刚性和弹性,对于电容式压力传感器来说是非常必要的.

电容结构的基本理论:两个平行的导电板之间绝缘并且不考虑边缘电场效应的情况下,所形成电容的表达式为

C=

0rS0/d0

(1)

式中

0为真空中的介电常数,r为介质的相对介电常数,s0为极板的相对面积,d0为两极板间的距离.

从电容的表达式中可以看出,改变电容C有3种方法:

改变介质的相对介电常数r; 改变极板的相对面积S0;!改变两极板间距离d0.通过外界因素来改变以上参数,电容的输出就会发生变化,有一增量C,从而可以反映出外界因素

1

电容式压力传感器的基本理论

由于近年来集成电路工艺的不断提高与完善以及MEMS理论的进一步成熟,现在的传感器在工作原理、结构设计以及制造工艺上对传统的传感器有了很大的突破.尤其是在力学量传感器上,现在普遍采用的传感器的工作原理是应变式和压阻式等,也有采用单电容式的;而在材料上,有采用蓝宝石、陶瓷、金属应变丝、多晶硅和单晶硅等等.不论哪种材料,各种传感器都有各自的敏感元件,尤其是应变式、压阻式和电容式传感器,它们都有一个弹性元件,本文就是通过硅岛膜的位移来感应压力的.

早期的电容式压力传感器的敏感元件是金属

*作者简介:王中文(1969-),男,辽宁锦州人,实验师,从事微电子技术的研究工作.

132

辽宁大学学报

自然科学版2005年

作用的大小,电容式压力传感器就是利用这种原理来制造的.从这种变换原理出发,人们就可以设计出很多种结构,各种结构又适用于不同物理量的测量.

极间距变化型电容式压力传感器的优点是可进行动态非接触式测量,对被测系统的影响小,灵敏度高,适用于较小位移(0.01 m~数百 m)的测量.但这种传感器有线性误差,传感器的杂散电容也对灵敏度和测量精确度有影响,与传感器配合使用的电子线路也比较复杂.面积变化型电容式压力传感器的优点是输出与输入成线性关系.

但与极间距变化型相比,灵敏度较低,适用于较大直线位移及角位移的测量.但对于压力传感器来说,现在普遍采用的是改变极板间距d0来改变电容.因为,这种结构不论在数据采集和处理上或是在制作工艺上,都比通过改变另外2个参数的结构容易得多.所以,现在的电容式压力传感器大多数还是采用变间距式结构.

2

硅电容式差压传感器设计方案

2.1

传感器尺寸的设计

技术指标见表1.

表1

传感器设计的技术指标

基础电容∀20pF

对称性

适用温度

稳定性0.2%FS/6个月

回差、重复性#0.03%FS

差压量程100kPa

量程变化20:1

静压量程16MPa

#5pF-30~85∃

2.1.1中心膜片的设计

1)零点电容有关尺寸的计算

本方案欲采用中心岛膜方形结构,具体尺寸

计算如下:

由电容计算公式C=

r0S/d零点电容C0.所以.854&10r%10=8C0=20pF,则

S/d=C0/

r0=20&10

-123

-12

3.0 m,经计算得h%92 m.

3)压力(Pr)计算对于方形膜片,经验公式:

22

Pr=(16/3)&∀r&h/a

9

3

(4)

(2)F/m、%

这里,断裂应力∀.0&10Pa、a=3&10 m、hr=7=92 m,所以

Pr=(16/3)&∀.0&10&r&h/a=16/3&7

(92/3&10)%3.5&10Pa

3

2

7

2

2

9

在这里基础电容是指传感器在没有充入硅油前的

/8.854&10

-12

可见静压16MPa、差压100kPa均小于断裂压力,因此,膜片无断裂损伤.4)电容的最终估算

由于极板上存在SiO2介质层,所以零点电容的估算要把介质层考虑在内.假定SiO2层厚0.5 m,介电常数

.9,则r%3

C0=

0S∋r1r2/(r2d1+r1d2)( m,所以,C0=22.0pF.2.1.2结构尺寸的最终设计

1)C0=22.9pF;2)d=4.0 m;3)a=3mm;4)h=92 m

2.1.3

其它取值及估算

根据以上算法,取一些岛膜相关尺寸的可能值及估算,如表2.

(5)

2.26m=2.26&10mm

根据现有的工艺条件以及工艺制作的方便性,岛膜采用方形结构.假定电容间距d=4.0 m,那么,S=9.04mm,a=3mm(a为方形岛边长).

2)膜片厚度h的计算

假定岛与膜的边长比为!,即!=a/b,根据以往经验!一般取0.5 此时膜片挠度Wo与膜片尺寸、厚度的关系为:

-1343

Wo%0.18&10P(2a)/h

(3)

2

其中

、d1=3.5 m、.9、d2=0.5r1=1r2=3

由于采用不同的硅杨氏模量,此式比较精确些.这里a为3mm.为了电容在测低压时有一定的灵敏度,同时压力满量程时极板间有一定间距,假定P=100kPa时,极板间距为0.5 m,同时假定极板上SiO2介质层的厚度为0.5 m,则Wo=

第2期王中文,等:硅电容式压力传感器

表2

岛膜相关尺寸

岛边长a/mm3.03.53.54.04.04.04.04.0

电容电间距d/ m

44545677

差压满量程电容间距

dmax/ m

0.50.50.50.50.50.50.51.0

零点电容

C0/pF22.030.023.039.030.625.221.421.4

膜厚度h/ m92113103135123114107110

断裂压力pr*107Pa

3.54.03.24.33.53.02.72.8

133

以上只是通过各种公式来计算岛膜的相关尺寸,通过ANSYS软件来进行模拟仿真,验证数据

的正确性以及改善数据.方形岛膜的最佳尺寸也就是通过ANSYS软件分析确定下来的.

本文设计的硅岛膜尺寸初步定为:岛边长a=5mm、膜边长b=7mm、敏感元件的整体尺寸为9&9mm、膜厚度为h=90 m、间隙d=8 m等.

2.2

工艺流程的设计

工艺流程的设计,是在借鉴外国产品设计的结构及查阅有关资料,在现有的工艺条件和技术水平允许的条件下进行的.其工艺流程主要分为4部分:中心膜片的制备、固定电极的制备、元件的封装和电极的引出.其中,中心膜片即电容的中心电极已经被确定为硅材料,所以剩下主要考虑的是两边固定电极的制备.而固定电极的制备就需要着重考虑固定电极采用什么物质好,这直接关系到工艺的难易程度.

2.2.1

中心膜片的制备(如图1)

1)进行热氧化,生成一定厚度的氧化层;

2)双面对准光刻,腐蚀掉二氧化硅层;3)用湿法各向异性腐蚀液腐蚀出电容间隙;4)在两表面上进行无掩膜硼注入,表面浓度182

为10/cm以上;

5)再次氧化,光刻出岛膜四周的沟槽;6)再次各向异性腐蚀,制出最终的岛膜;7)切片待用.2.2.2

固定电极制备的工艺流程

1)准备双面抛光玻璃

;

2)按图2所示,将玻璃打出楔状孔;3)将此玻璃两面进行铝膜溅射;

4)刻蚀铝膜,一面制作电容极板,另一面制

作引线条,保护住导压孔内的铝膜;

5)同样工艺制作另一玻璃极板;

图2

固定极板的制备流程图1

中心膜片的制备

2

134

辽宁大学学报

自然科学版2005年

7)铝膜从两玻璃的外面一侧引出,硅岛膜从多于露出的硅上引出.

变化对测量精确度的影响,常常采用双电容结构.本课题最终采用的电容结构为玻璃−硅岛膜−玻璃三层结构,固定极板是采用在玻璃两侧溅射铝膜来制作的,导线从导压孔引出.这种结构在工艺上流程简单,适合现有的工艺条件和技术水平,适于批量生产,成本低廉,现已做出大量样品.参考文献:

[1]

中.电容式压力传感器的研制[M].北京:清华

大学出版社,1998.17-52.

[2]

牛德芳.半导体传感器原理及其应用[M].大连:大

连理工大学出版社,1993.28-32.

[3]

孙以材,刘玉岭,孟庆浩,等.压力传感器的设计、制

造与应用[M].北京:冶金工业出版社,2000.277-281.

[4]

蔚,刘晓为,刘玉强,等.静电键合在高温压力

传感器中的应用[J].传感器技术,1999,18(1):42.[5]

茅盘松.用氧等离子体激活处理的低温硅片直接键

合技术[J].半导体技术,1999(5).

[6]

陈志刚.高灵敏度硅电容式压力传感器的研制

[M].西安:西安交通大学出版社,1988.9-19.

3

结论

本文在上述理论设计和实际试验的基础上,成功地做出了样品,经过精密仪器的测试,性能基

本能够达到指标.

对于电容式压力传感器,它有比其它原理结构的压力传感器许多优点:

全面强测量; 低的能量和输入力;!参数变化大、灵敏度高;)极低的内耗;∗动态响应高;+小的自热效应;,环境适应性好.

对于电容中的硅膜片,岛膜比平膜有更好的线性.因为膜片在受外界压力的作用下,岛膜中的岛(即电容的可动极板)能够很好的平行移动,实现了线性化,而平膜就会出现各点挠度大不相同,存在非线性,对于后续电路补偿带来难度,不易于线性化.另外,双电容结构要比单电容结构的灵敏度高一倍,为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件(如电源电压、环境温度等)的

SiliconPressureSensorofCapacitance

WANGZhong

wen,WANGLijuan

(1.DepartmentofPhysics,LiaoningUniversity,Shenyang110036,China;2.CollegeofLightIndustry,LiaoningUniversity,Shenyang110036,China)

1

2

Abstrac:t

Thispaper,basedoncomparingtheindustrializationdifficultyofmanydesignplan,givesthe

bestdesignplan,whichaccordswiththeconditionofprocessandiseasytoproduceandcompatiblewithotherconductors.Finally,wegivethedetailprocessoftheMEMS.

Keywords:

siliconcapacitance;micro-mechanica;ldifferentpressuresensor;MEMS.

(责任编辑

郑绥乾)