1、應變式力傳感器的設計專 業自動化班 級07084310學 號200713072005姓 名王帥指導教師劉濤 摘 要壓力傳感器是工業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，當沿著一定方向受到機械力作用發生變形時，就產生了極化效應；當機械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態，也就是受到壓力的時候，某些晶體可能產生出電的效應，這就是所謂的極化效應。科學家就是根據這個效應研制出了壓電傳感器。  壓電效應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測量，因為經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的應力。 關鍵詞：壓力 目 錄摘 要I第1 章 緒論11.1 背景11.2 應用實例1第2章 原理分析32.1 工作原理3第3章 實現過程53.1 電路圖設計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，壓電效應就是在這種晶體中發現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的

3、“居里點”）。由于隨著應力的變化電場變化微小（也就說壓電系數比較低），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，但是它只能在室溫和濕度比較低的環境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經得到了廣泛的應用。早在1954年美國C.S.Smith首先確認了半導體壓電效應，1955年C.Herring指出：這種壓電電阻效應是由于應力的作用，引起導體與價電子帶能量狀態的變化，以及載流子數量與遷移率變化所產生的一種現象。日本從1970年開始研究開發，首先應用在血壓計上，之后在過程控制領域及轎車發動機控制部分都獲得了廣泛的應用。最近幾年

4、在家用電器、裝配機器人等應用領域普遍采用電子壓力傳感器作為壓力控制、壓力監控和判斷真空吸附的效果。圖1 電子壓力傳感器模型1.2 設計目的圖2是壓力傳感器在全自動洗衣機中的應用實例。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構圖，圖2為其傳感器部分的結構。如圖所示，在壓力傳感器半導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，其電阻值將發生變化。受到應變的部分，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那樣組成橋路結構，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，當壓力為零時的V等于偏置電壓Voffset,在理想狀態下我們希望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 實現過程3.1 電路圖設計圖5是PS壓力傳感器的外圍電路設計實例，圖中用恒流源來驅動壓力傳感器。圖5 壓力傳感器設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為偏置調整，VR2為壓力靈敏度調整，VR3為沒有加壓時輸出電壓調整，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定的電源。 3.

7、2 電路仿真心得體會傳感器技術是一門理論性和實踐性都很強的專業基礎課，也是一門綜合性的技術基礎學科，它需要數學、物理學、電子學、力學、機械等知識，同時還要掌握各種物理量的變換原理、各種靜態和動態物理量（如力、振動、噪聲、壓力和溫度等）的測定，以及實驗裝置的設計和數據分析等方面所涉及的基礎理論。在做此次實驗前，我把老師所講的傳感器教材通讀了一遍，對傳感技術有了一定得了解。因為在這之前，沒有接觸過類似的課程設計，所以這次實驗，我感覺有些困難。傳感技術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。雖然最終設計出的電路圖不是很復雜，但是也是幾經周折。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，者可以說是最關鍵的一部了，前面所有的工作都是在為它打基礎，一旦仿真失敗就意味著所有得努力可能全部白費。仿真的結果雖然顯示出數字來了，但是和是要得要求相差很遠。因此，就一次一次的調試，改變電阻的阻值，以及滑動變阻器的阻值，最終把結果調試出來了。通過這次傳感器技術的實驗,使我學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自己的獨立分析