1、應(yīng)變式力傳感器的設(shè)計專 業(yè)自動化班 級07084310學(xué) 號200713072005姓 名王帥指導(dǎo)教師劉濤 摘 要壓力傳感器是工業(yè)實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械力作用發(fā)生變形時，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)；當(dāng)機械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時候，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)。科學(xué)家就是根據(jù)這個效應(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，因為經(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才得到保存。實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)用實例1第2章 原理分析32.1 工作原理3第3章 實現(xiàn)過程53.1 電路圖設(shè)計53.2 電路仿真6心得體會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，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的

3、“居里點”）。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)用在血壓計上，之后在過程控制領(lǐng)域及轎車發(fā)動機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)計目的圖2是壓力傳感器在全自動洗衣機中的應(yīng)用實例。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)定的水位上自動停止向洗衣機注水。 圖2 壓力傳感器在全自動洗衣機中的應(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)體硅片上有一層擴散電阻體，如果對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，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)壓力為零時的V等于偏置電壓Voffset,在理想狀態(tài)下我們希望Voffset=0V，實際上在生成擴散電阻體時，由于所形成的擴散電阻體尺寸大小的不同和存在雜質(zhì)濃度的微小差異，因此總是有某個電壓值存在。壓力為零時

6、，R1=R2=R3=R4=R，我們把加上一定壓力時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V相對壓力呈現(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 實現(xiàn)過程3.1 電路圖設(shè)計圖5是PS壓力傳感器的外圍電路設(shè)計實例，圖中用恒流源來驅(qū)動壓力傳感器。圖5 壓力傳感器設(shè)計電路由于橋路失衡時的輸出電壓比較小，所以必須用運放IC1b和IC1C來進行放大。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，如果電源電壓波動的話，將引起輸出電壓的變化，所以必須給電路提供一個穩(wěn)定的電源。 3.

7、2 電路仿真心得體會傳感器技術(shù)是一門理論性和實踐性都很強的專業(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)、機械等知識，同時還要掌握各種物理量的變換原理、各種靜態(tài)和動態(tài)物理量（如力、振動、噪聲、壓力和溫度等）的測定，以及實驗裝置的設(shè)計和數(shù)據(jù)分析等方面所涉及的基礎(chǔ)理論。在做此次實驗前，我把老師所講的傳感器教材通讀了一遍，對傳感技術(shù)有了一定得了解。因為在這之前，沒有接觸過類似的課程設(shè)計，所以這次實驗，我感覺有些困難。傳感技術(shù)是一門綜合性的課程知識，想做好這次實驗，必須要有較好的理論知識，例如：電路，模電，還有畫圖時，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驗。首先，是電路圖的設(shè)計，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，讓我進一步得熟悉了這個軟件的功能，并能運用自如。雖然畫圖時比較麻煩，經(jīng)過大概一個小時的時間才畫完，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。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。因此，就一次一次的調(diào)試，改變電阻的阻值，以及滑動變阻器的阻值，最終把結(jié)果調(diào)試出來了。通過這次傳感器技術(shù)的實驗,使我學(xué)到了不少實用的知識,更重要的是,做實驗的過程,思考問題的方法,這與做其他的實驗是通用的,真正使我們受益匪淺.在這次實驗的過程中我們要培養(yǎng)自己的獨立分析