1、壓力傳感器的校驗與精度測量壓力傳感器的校驗與精度測量Calibration and measurement accuracy pressure sensor本科畢業論文本科畢業論文 分類號分類號學號學號密級密級 公公 開開題題 目目（中中 、英英文文）作者姓名作者姓名指導教師指導教師學科門類學科門類提交論文日期提交論文日期專業名稱專業名稱學校代碼學校代碼成績評定成績評定I摘摘 要要新研制或生產的壓力傳感器需對其技術性能進行全面檢定,以保證量值的準確傳遞。經過一段時間儲仔、使用或修理后的壓力傳感器，也必須對其主要技術性能再次進行鑒定，以確保其性能指標達到要求.壓力傳感器的標定系統通常由標定發生器

2、、標定測試系統，以及待標定壓力傳感器所配接的信號調節器和顯示器、記錄器等組成。壓電陶瓷具有響應速度快，容量大等諸多優點，并且其易于制備，該產品可制成任何形狀和偏振，熱，濕，方向和通過改變化學成分，就可以得到各種不同的采用壓電陶瓷。隨著壓電陶瓷應用的不斷擴大，壓電器件作為精密驅動，其自身的性能越來越方便用戶的關注。本文的壓力傳感器和壓電陶瓷的性能，基本功能，采用的原理作一介紹，并且它的功效和分別縮放。 關鍵詞關鍵詞：壓力傳感器；壓電陶瓷；特性；效驗；定標IIAbstract The newly developed or manufactured pressure sensors need to

3、be fully characterizing its technical performance to ensure accurate transmission of values. After a period of storage, Aberdeen, use or repair after the pressure sensor must also be re-appraisal of its main technical performance to ensure that its performance indicators have reached the requirement

4、s of the pressure sensor calibration system usually consists of calibration generator, calibration and test system, and to be calibration composition signal conditioner and monitor, the recorder is connected with the pressure sensor and the like. The piezoelectric ceramics with fast response, high c

5、apacity and many other advantages, and its easy to prepare, the product can be made in any shape and polarization, heat, humidity, direction and by changing the chemical composition, and you can get a variety of piezoelectric ceramics. With the continuous expansion of the piezoelectric ceramic appli

6、cations, piezoelectric device as a precision drive, its own performance increasingly users attention. Sensors and piezoelectric ceramic performance pressure of this article, the basic function, as an introduction to the principles, and its efficacy and zoom respectively.Key words: : The piezoelectri

7、c ceramic pressure sensor calibration checksum featureIII目目 錄錄摘 要.IAbstract.II目 錄.III緒 論.11 傳感器概述.11.1 傳感器的組成和分類.11.2 傳感器的基本特性.21.2.1 傳感器的靜態特性.21.2.2 傳感器的動態特性.31.3 傳感器特性的應用.42 壓力傳感器.42.1 壓力傳感器的概述 .42.2 壓力傳感器的特征 .52.3 壓力傳感器的選用 .53 利用壓力傳感器測量壓強.63.1 測量壓強的原理 .63.2 壓力傳感器測量壓強的裝置設計 .63.3 用實測的數據對壓力傳感器定標 .74

8、 壓電陶瓷的壓電現象.84.1 壓電陶瓷的壓電原理 .84.2 壓電陶瓷控制方式及研究現狀 .94.3 用壓電陶瓷測量正逆向電壓的裝置 .94.4 用實測電壓對壓電陶瓷定標 .10參考文獻.13謝 辭.141緒緒 論論隨著當今技術的飛速發展，微電子加工技術，計算機技術和信息處理技術，信息資源不斷增長的需求，并提供信息，傳感器和傳感器技術，特別是發展日益成為人們關注的焦點。集成技術和多種先進技術傳感器技術也進入到一個快速發展的階段，壓力傳感器是最廣泛使用的一種傳感器。傳統的壓力傳感器的機械結構為基礎的，與彈性元件的變形指示的壓力，但尺寸大，重量重的結構中，電力無法輸出。隨著半導體技術的飛速發展，

9、半導體壓力傳感器技術已經成為技術的有機結合，具有體積小，重量輕，精度高，溫度傳感好。而壓電陶瓷是近幾年發展起來的一種新類型的設備，它具有體積小，重量輕，精度高，高分辨率，高頻響，大輸出等，技術在航空航天，機械制造，生物工程，機器人它已被廣泛使用，越來越受到重視。特征和性能直接影響到壓電陶瓷的機械結構和控制系統的設計，因而在其性能亟待有明確的闡述。 1 傳感器概述1.1 傳感器的組成和分類傳感器測量的規定不感到能夠接受，按照一定的規則可以被轉換成一個或多個設備可以用來輸出信號。在科學，傳感器的許多領域，也稱為傳感器，檢測器，轉換器等。這些不同的稱呼運用在不同的科技領域中，該設備采用只是使用不同的

10、技術行話只有相同類型的裝置，所以術語傳感器是最廣泛使用的詞語。 在一般情況下，該傳感器敏感元件和轉換元件。其中，所述傳感器裝置，該傳感器可直接測量接收或部分響應；轉換元件可以被表示為與感測元件的傳感器通常是在第一反應時間被測量轉換成確定當前需要傳送或測量信號作為發送部;但傳感器輸出信號不正常的條件下很穩定，需要進行信號調節轉換器電路放大調制操作，從而將信號調節電路可以用作傳感器的配置的重要部件之一。與半導體器件和在所述傳感器集成技術的使用的快速發展已被廣泛使用，這些傳感器的信號調節和轉換電路敏感元件一起集成在相同的集成電路分量模板，安裝在傳感器裝置中，傳感器技術是一種知識密集型技術。傳感器的廣

11、泛理解多種多樣且每個人的理解各不相同，它與許多科學技術都是息息相關的，且種2類繁多分類也多種多樣，在通常情況下人們將傳感器分為以下兩種方法：一種方法是按照被測參數的不同而分類。 1.2 傳感器的基本特性與在生產過程中和科學實驗的利用科學技術發展的實驗中，以用于通過分選分析，以檢測和控制得到不同的參數中獲得的實驗數據，是需要被廣泛接受，并且接觸傳感器反射的變化在所測量的無電不應被轉換成相應的失真功率在于傳感器本身的基本特性，在輸入和輸出特性，傳感器的輸入和輸出特性是與自己的結構和組合物的相關系數內部結構的外部特征有關。傳感器的基本特征在正常情況下的情況進行了廣泛的認可可以分為以下兩種情況：一種是

12、靜態特性，另一種是動態特性。1.2.11.2.1 傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性意味著在輸入和輸出的穩定狀態下的測量數據之間的關系。當測得的數據是不隨時間輕微變化和緩慢變化的量隨著時間的推移，如果只考慮靜態特性中，輸入和所述傳感器的輸出之間的這種時間有數值數據之間存在一定的對應關系，太表達式不包含時間可變，但對靜態特性的時候，不考慮不穩定性的情況下的其他因素的影響，傳感器之間的輸入和輸出之間的關系可表示如下：2012.nnyaa x a xa x式中： 輸入量 為零時的輸出量；0ax 非線性項系數。12,.,na aa1.2.1.1 靈敏度靈敏度是傳感器靜態特性的一個重要指標

13、。定義為輸出增量 與引起輸y出增量 的相應輸入增量 之比。用 S 表示靈敏度，則yxysx它可以被理解為在一定量的輸入和隨時間變化的質的變化引起傳感器輸出的變化也為單位將被改變，并且靈敏度 S 敏感傳感器的較高的值也被采用的概率就越大，該利用率提高。1.1.1.2. 線性度傳感器的線性度可以理解為在輸入和與一種關系的數量的輸出之間的傳感器的另一個也將改變相應的變化是所謂的線性程度之間的對應。輸入和輸出的關系可以被劃分成多個傳感器的線性和非線性特性，所述傳感器是線性關系是期望具有更多的非線性的實際經驗。31.2.1.3 重復性重復性是在相同的環境中的傳感器的一個先決條件，在相同的方向進入量發生全

14、規模的連續和量的變化，不時，特性曲線可以得出一個非常不同的程度的重復率。1.2.1.4 漂移傳感器的漂移可以被理解為在某些情況下輸入時，傳感器輸出隨時間變化的普遍情況，我們將其稱為漂移。原因有漂移兩個方面：首先，傳感器本身的結構參數;第二個是環境。1.2.21.2.2 傳感器的動態特性傳感器的動態特性傳感器的響應時間動態特性的特點是指變化量隨著時間的推移輸入傳感器。由于傳感器的慣性和滯后時測得的數據被改變時，由于原因的傳感器輸出的靈敏度必須發送的改變，以實現平衡理論，當傳感器是在變化的動態過程中的傳感器的輸出的機會其中，此時也將隨著時間的時間變化函數的變化，變化的特性之間的關系發生了與動態特性

15、來表示。動態好的傳感器，輸出將重現輸入的具有相同的時間函數的量的變化。實際的傳感器，該差被稱為輸出和輸入之間的動態誤差。為了說明的傳感器的動態特性，下面簡要介紹的動態測試溫度。當問題隨著時間的流逝或介質的突然插入，以及一個傳感器測量的溫度場掃描的溫度分布的溫度測量傳感器而不同，有一種動態溫度測量。熱電偶從環境 恒溫水0t浴 迅速插入的溫度，介質溫度，然后從熱電偶測量 至 突然升高，1t0t1t和熱電偶溫度的變化反映了從 到 ，我們需要經過一段時間，那有一個0t1t過渡過程。引起的變化和所得的畸變，因為根據一個熱慣性傳感器和耐熱性，從而改變輸出，溫度的動態測量總是滯后于介質的溫度的熱電偶輸出波形

16、的根源更改動態誤差是測量的變化。熱慣性固有熱電偶，似乎反映在其迅速變化的熱電偶的常用測量誤差的動態響應，并在溫度變化所產生的變化。種類和傳感器的形式有很多，但它們的動態特性通常可以通過以下微分方程來描述： 01101101111.nnmmnmmnnmmd ydydyd xdxdxaaaa ybbbb xdtdtdtdtdtdt式中： 輸入量；x 輸出量；y 、 、 ， 、 、 與傳感器的結構特性有關的0a1ana0b1bnb4常系數。1.3 傳感器特性的應用（1）如果輸入和輸出體積可以觀察到的，通過輸入和輸出可以推斷傳輸或系統的轉換特性。（2）如果系統特性已經被告知或給出數據，當輸出可記錄或可

17、以被測量時，則可通過該系統的特性和輸出得出的結論來推到出相應的輸入量。（3）如果該系統的輸入和輸出特性是已知的，就可以推斷和評價系統。當選擇一個傳感器，正常情況下需要的測試結果或控制儀器和變化，其中待測量的使用對象的環境的目的，它是允許發生在測試和測量誤差信號可以根據被處理到的數據和其它的條件下在上述條件和經濟上的考慮，因此，合理選擇傳感器。在性能上，傳感器的輸出信號的一般要求是大的，正比于輸入信號的裝置;滯后和非線性誤差小;小的內部噪聲，不易受外界干擾;響應速度快;運動能量小;測量的狀態影響不大;使用壽命長;穩定可靠;低成本;易于使用，維護和校準。因為有相互影響，相互制約，因此要充分考慮合理

18、的要求很多因素。在傳感器的環境的選擇也應進行調查，以選擇適應自己的工作條件傳感器。例如，在寒冷和水分含量太高的環境硒細胞結構被改變，使得其利用率降低，它會影響導電性隨著時間的推移而導致利用率較低，將會使光學設備通常使用正常環境住，和環境的變化會影響該設備的電容器介電結構中的水含量改變時，影響了電容傳感器在日常生活的正常運行不能正常運行；溫度變化可能給某些傳感器帶來零點漂移，溫度還會影響機構尺寸變化，由此帶來測量誤差，而過熱能使某些傳感器不能正常工作；磁場對磁電式傳感器有影響等。因此，應針對不同的使用環境選擇傳感器。2 壓力傳感器2.1 壓力傳感器的概述壓力是重要的工業參數之一，以保證生產過程中

19、測量的安全性和經濟性，并控制適當的壓力是非常重要的。壓力和差壓測量也被廣泛使用于流量和水平測量。在科學實驗物理工程實驗中的“壓力”實質上就是物理科學技術中的“壓強” ，認為是在同一情況下均勻而且垂直作用在單位面積上的力。表達式為：FPA5式中， 為壓力； 為作用力； 為作用面積。PFA壓力有以下幾種不同的表示方法。絕對壓力，可以表示為壓力的表面面積的對象絕對真空為標準上施加，它可以改叫的總壓力或總壓力，用 表示。1P表壓力，這是指絕對壓力和大氣壓力一薄的，通常以 表示。壓力計裝置P總體表示表壓，也稱為相對壓力。當絕對壓力小于大氣壓力，表壓為負時，負壓力可以用真空來表示。差壓，任意兩個壓力之差稱

20、為差壓。2.2 壓力傳感器的特征使用壓力傳感器，當在壓力下設備顯著改變，該設備被稱為應變計產生的阻力。如果給予一定程度的應變計的壓力使其變形時，也會改變其電阻。用物理學中的電學方法來測量這種電阻值的變化隨著時間的變化而變化的情況下，就能夠得出壓力的大小發生變化的情況。所以，在這種器件中是否可以將壓力高效率地轉變為器件的受到作用力使物體的體形發生變化是決定器件測量靈敏度的關鍵性問題之一。在應變中，有金屬應變片和半導體應變片之分。不過，半導體壓力傳感器因靈敏度高、價錢便宜，而備受人們的青睞。2.3 壓力傳感器的選用在工業生產中，壓力傳感器的選擇，以及其它測試，以確定安裝的點是很重要的。選擇壓力傳感

21、器的基本原理是基于以選擇所需的壓力測量過程指標，壓力范圍，公差，介電性能和安全生產和其它因素的實際生產過程中的技術，并以經濟的，方便使用。為噴射壓力傳感器，以確保內彈性變形的工作可靠的安全范圍，則傳感器范圍的選擇一定要足夠的空間。通常在測得的壓力的情況下是穩定的，最大壓6力值應不超過滿刻度 ;在所測量的壓力的波動，最大壓力值應不超過滿刻度3 4 。為了確保準確性，所測量的壓力應該不低于最小滿刻度 。2 31 33 利用壓力傳感器測量壓強3.1 測量壓強的原理液柱的壓力傳感器是基于測量的靜水壓力的原理。通常使用汞或水作為工作流體，具有一個 U 形管或單個線管測定，通常在低壓，真空或差壓測量使用。

22、根據圖像我們可以得知 U 形管內裝有額定數量的液體，U 形管其中一端的壓力為 另一端的壓力為 。當 時，左右兩管的液體高度相等。當1p2p12pp時，兩邊管內液面便會產生高度差。1p 2p 根據液體靜力學原理可知 12ppphg 式中， 為 U 形管內液體的密度。若把壓力 一側改為通入大氣 ， 一側改為通入被測壓力，則1p0p2p 2pgh3.2 壓力傳感器測量壓強的裝置設計如圖所示將皮質軟管做成 U 形管固定于做夠長的刻度尺上，軟管的一端連接在密封真空瓶中，真空瓶口有三個接口，其中一個與軟管相連、另一個插入壓強測力計、最后的接口與加壓器相連，并將壓力傳感器與壓強顯示器相連。實驗第一步將 U

23、形管內加入水作為工作液，并將液面調整在同一水平面即 ；12xx實驗第二步將真空瓶內的壓強調整到零即 0 Pa，觀察 U 形管液面是否在同一平面上，若不在將液面調至同一高度；7實驗第三步用加壓器向真空瓶中不斷加壓（不超過 10KPa） ，在加壓的過程中記錄所加壓強并記錄 U 形管兩端液面的高度。3.3 用實測的數據對壓力傳感器定標實驗儀器：皮質軟管 1 根，刻度尺 1 把，密封真空瓶 1 個。記錄數據如下所示液面高度 1xcm液面高度 2xcm加壓器所加壓強KPa實際壓強 KPa50.6555.830.5348.0158.411.0645.8360.381.4943.3462.951.9940.

24、9165.372.4938.3767.693.035.7170.333.533.0172.984.030.6975.394.527.8878.485.025.2181.275.523.7983.086.020.2385.896.517.7988.347.0114.7990.497.512.8193.178.09.9995.618.57.5598.499.04.75101.089.5（注：當天溫度 18.8，水的密度 = 咸陽重力加速度331 10 kg m）29.7966gm s根據測量數據所擬合的圖像為：數據分析：隨著液面高度差的不斷變化所得的壓強也在不斷地變化。8誤差分析：由于是眼睛觀察液

25、面，有可能存在讀數誤差； 真空瓶有可能存在漏氣的可能使壓強不準確。綜合上述實驗我們可以得到關于壓力傳感器對與壓強測量精度的比較，對壓力傳感器的效驗和精度得到了良好的詮釋。4 壓電陶瓷的壓電現象4.1 壓電陶瓷的壓電原理壓電陶瓷是人工多晶壓電材料，無數微小的單晶組件組成。它具有鐵領域的材料相似的磁疇結構“電疇。 ”結構。 “鐵電結構域”是自發極化區域，在單晶的自發極化方向是完全的列的任意的排列。雖然具有強介電性的每個單晶，但之后的多晶的，每一個單晶壓電功效但互相抵消的形成。因此，原來是不具有壓電性能的非壓電陶瓷的壓電體。到具有壓電效應的壓電陶瓷，它必須被極化。所謂極化處理是在一定溫度下，強電場被

26、施加到壓電陶瓷中，電場的極性接近旋轉方向。這個方向是極化的壓電陶瓷的方向。根據兩極分化，各向同性損傷的方向;但平面垂直保持各向同性。當電場消失，仍有很強的壓電陶瓷的剩余極化，這是非常相似的鐵磁材料被磁化的磁場的現象。它們被極化的鐵磁材料被磁化過程和過程是非常熟人，所以這種類型的材料也被稱為“鐵電磁” 。若這由偏振光強電介質時，受到外力時，其剩余極化將改變，因此也顯示出壓電性。這種材料在極化方向明顯壓電性能是最顯著。類似于鐵磁體的特性，鐵電體的極化強度也是與溫度有關的。同時，壓電陶瓷的參數也將隨時間而發生變化，老化的結果將使其壓電效應減弱。因此，壓電陶瓷穩定性較石英晶體差。壓電晶體的變形發生在外

27、力作用下，形成在晶體表面和外力成比例的電荷上，由于外力而使晶體極性電荷現象稱為壓電效應的表面上。壓電晶體放置在電場中，由于電場，將發生在晶體和電場強度正比于應變，而使這對電場的壓電晶體的變形現象稱為逆壓電效應。電晶體壓電效應和普通電介質晶體電致伸縮效應是非常相似的電致伸縮效應成正比變形引起的外部電場產生外部電場的電介質極化的影響的平方，并將所得的變形和獨立的方向外電場，在所有的電介質晶體存在，但是通常較弱。壓電晶體被用作電介質晶體中的電場，同時有一個逆壓電效應，電致伸縮效應，但壓電常數比電系數幾個數量級，在電場作用下，壓電效明顯。逆壓電效應方程：9jijiSd E電致伸縮效應方程：2SME式中

28、 S 為應變。E 為電場強度， 為壓電系數，i 和 j 分別為電場方向和ijd應變方向，M 為電致伸縮系數。在所有的電介質晶體電動伸縮效果，變形方向而不管外部電場的方向，但逆壓電效應只可在無對稱性的晶體的中心的存在。4.2 壓電陶瓷控制方式及研究現狀壓電陶瓷驅動器的性能是好還是壞在很大程度上取決于其驅動電源的設計，尤其是驅動決議案，議案和響應頻率的晶體更密切相關的動力性能，通過壓電陶瓷驅動電源的控制壓電控制系統，它具有達到有效控制的壓電陶瓷的。目前主要集中在三個方面的壓電陶瓷的應用：一是利用壓電陶瓷微納米精度實現精確定位;二是利用壓電陶瓷來實現脈沖驅動的快速響應;三是利用壓電陶瓷諧振器功能來實

29、現高頻率振動。不同的應用，壓電陶瓷驅動器的性能要求是不同的，相應的電力供給也不同的 PZT。4.3 用壓電陶瓷測量正逆向電壓的裝置本次實驗將利用打火機中的打火裝置及壓電陶瓷進行實驗，因其與生活息息相關且便宜、容易獲得而將其用來作為實驗的主要元器件。電子打火機的基本工作原理是：（晶體結構） ，連接到一塊壓電材料的一端擋住一些細金屬絲，這種絲和金屬材料更輕出口處通過機械機構形成的間隙，以便與沖擊沖擊塊露天同步。當擊塊一定的沖擊能量或力撞擊壓電材料塊的另一端，內部分子振動的壓電材料意愿強烈和振動能量到導線。由于除了壓電材料塊的線材的懸殊的截面積的截面積，分子導線振動已經大大加強趨勢。當空氣中的分子撞

30、擊縫隙處的空氣分子的強烈震動的端點分子導線將產生強烈的震動。空氣分子振動軌跡，我們看到電火花（ARC） 。這些電火花（ARC）實際上是一個強有力的領導分子振動的空氣分子振動能量傳遞給金屬材料輕出口的軌跡，說明空氣間隙的分子振動很厲害。根據強振動理論的說明是該材料，當溫度超過液化氣點火打火機內，的高溫跑出的氣體將被點燃，火焰，火焰與的氣體分子劇烈振蕩該物質的影響。這是打火機，另一個原因電子點火裝置和相同的基本原理。 陶瓷壓電效應，為一個特殊的陶瓷片上的壓力的兩側，將產生的電力的定10向流動，產生電流，如果小元件區分開，你會發現陶瓷片為打擊樂器及其機構該陶瓷是底部的壓電陶瓷。相應地，如果電流流過它，它會振動，最常見的是陶瓷蜂鳴器，它是一個金屬圓盤上方的白色陶瓷。如果通過電源，通過在超聲波范圍內的高頻率發出的聲音，是 B-探頭的超聲波發送元件。因此用打火機的打火裝置拿出來，取出敲擊裝置用金屬外殼將敲擊裝