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压力传感器设计论文

传感器

随着信息化时代的到来，信息科学技术飞速发展，传感器作为信息技术的重要组成部分，其发展水平标志着一个国家的科学技术发展的水平，成为信息时代的焦点。

各类传感器在已经广为应用于生产生活的方方面面，传感器作为现代科技的前沿技术，被认为是现代信息技术的三大支柱之一，也是国内外公认的最具有发展前途的高技术产业和朝阳产业。

一、传感器的作用与地位

信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。

微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。

随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。

传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。

而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。

为适应这种情况，就需要传感器。

因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点现在已为全世界所公认。

科学技术越发、自动化程度越高，对各种传感器的需求越大。

传感器的输入通常是各种外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），输出信号通常是电量。

它便于传输、转换、处理、显示等。

电量有很多形式，如电压、电流、电阻、电容等，输出信号的形式由传感器的原理确定。

传感器已广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林、渔业生产、食品、烟酒制造、机器人、家电等诸多领域,可以说几乎渗透到每个领域。

传感器其发展历史可以追溯到17世纪初，从伽利略发明温度计开始，人们就已开始温度进行测量。

而真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。

五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。

在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。

与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

直至今日，各类不同的传感器业已应用于不同行业的不同领域，各司其职。

现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。

传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。

现代社会的工业生产中对各类传感器的要求已经越来越高，传统的大体积弱功能传感器往往很难满足诸如，精确性、可靠性、灵敏性等各项性能指标的需求。

现在的新型高性能微型传感器主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

传感器在现代家庭中的应用比比皆是：

数码相机、数码摄像机：

红外测距传感器；冰箱、电饭煲：

温度检测（热敏电阻）等等。

因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

二、电子式压力式传感器的设计

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。

压力传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。

其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。

由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。

而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。

磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

早在1954年美国C.S.Smith首先确认了半导体压电效应，1955年C.Herring指出：

这种压电电阻效应是由于应力的作用，引起导体与价电子带能量状态的变化，以及载流子数量与迁移率变化所产生的一种现象。

日本从1970年开始研究开发，首先应用在血压计上，之后在过程控制领域及轿车发动机控制部分都获得了广泛的应用。

最近几年在家用电器、装配机器人等应用领域普遍采用电子压力传感器作为压力控制、压力监控和判断真空吸附的效果。

图1电子压力传感器模型

1.设计目的

图2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2压力传感器在全自动洗衣机中的应用

2.工作原理

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。

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4

由于各压电电阻如图4那样组成桥路结构，如果将它们连接到恒流源上，则由于压力的增减，将在输出端获得输出电压ΔV，　　

当压力为零时的ΔV等于偏置电压Voffset,在理想状态下我们希望Voffset=0V，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.电路图设计

图5是PS压力传感器的外围电路设计实例，图中用恒流源来驱动压力传感器。

图5压力传感器设计电路

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。

4.电路仿真

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。

三、传感器的实例应用

●光控开关

身处都市之中，欣赏着夜晚的灯火阑珊，是否注意到那些路灯为什么在每晚那么统一的亮起来，到天渐亮的时候会那么统一的熄灭，难道是有个总闸专门有人负责？

我以前也是这样天真的认为，其实这是高中时候我们就接触到的东西，有关传感器的知识，怎样制作光控开关，能够在天色暗到一定程度时让路灯自动开启，而在天明时自动熄灭。

1.电路图一

图一

根据天气的亮暗，通过调节R1的阻值来实现灯亮的早晚。

2.新的电路接法

除当时书中的提供的这个电路外，我在这里再介绍两种光控电路的接法。

光控电子开关，它的“开”和“关”是靠可控硅的导通和阻断来实现的，而可控硅的导通和阻断又是受自然亮度（或人为亮度）的大小所控制的。

该开关适用于街道、宿舍走廊或其他公共场所照明灯，起到日熄夜亮的作用，以节约用电。

图a

工作原理：

电路如上图所示，220V交流电通过灯泡H及整流全桥后，变成直流脉动电压，作为正向偏压，加在可控硅VS及R支路上。

白天，亮度大于一

定程度时，光敏二极管D呈现底阻状态≤1KΩ，使三极管V截止，其发射极

无电流输出，单向可控硅VS因无触发电流而阻断。

此时流过灯泡H的电流

≤2.2mA,灯泡H不能发光。

电阻R1和稳压二极管DW使三极管V偏压不超过

6.8V，对三极管起保护作用。

夜晚，亮度小于一定程度时，光敏二极管D呈

现高阻状态≥100KΩ，使三极管V正向导通，发射极约有0.8V的电压，使可

控硅VS触发导通，灯泡H发光。

RP是清晨或傍晚实现开关转换的亮度选择元

件。

安装与调试：

安装时，将装焊好的印制板放入透明塑料盒内并固定好，将它与受控电灯H串联，并让它正对着天幕或房子采光窗前较明亮的空间，避免3米以

内夜间灯光的直接照射。

调试宜傍晚时进行，调节RP阻值的大小，使受控电灯H在适当的亮度下始点亮。

工作原理：

该装置应用电路工作原理如图5。

在白天，由于光照较强，光敏电阻RG的内阻很小，此时有较大电流通过RG而使三极管VT饱和导通，VT饱和后，控制器DM的④端电压远低于1.6V，故DM内部截止，照明灯H不能点亮。

当夜晚来临，光线变暗，照射在RG上的光通量减弱，RG的内阻变得越来越大，控制器DM内部电路亦逐渐开通，从而有电流通过照明灯H而使其发光。

该电

路系软启动方式，即照明灯H的灯丝由红逐渐过渡到白炽状态，并且在红丝时不易产生闪烁现象。

传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。

人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力。

而现代们学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。

在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器技术领域也在不断的探索和开发，在机制创新与科技创新带领下，我国传感器技术必将会跃上一个新台阶。

通过这学期的学期学到了很多知识，希望以后能多有这样的作业，使我们能把所学的专业知识实践运用。

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。

再次也谢谢老师这学期的指导，祝您工作愉快！