压力传感范文（精选11篇）
压力传感 第1篇
成果应用领域
该产品不仅适用于汽车, 还可用于油井、轮船、机车、管道热油管的压力检测和过程控制, 市场需求很大。
市场分析
汽车机油压力传感器是测量发动机润滑系统机油压力的重要汽车传感器, 是现有传感器中用量较大的一种。目前国内汽车行业仍广泛采用滑线式或双金属片结构电热式油压表。这种机械式结构型油压表存在精度低、生产质量稳定性差、寿命短、密封差、输出信号不能与数字化仪表相匹配等缺点, 已不能满足新型汽车的需要, 急需研制新型的汽车用机油压力传感器替代。由于汽车需在野外各种复杂的路面上高速行驶, 机油压力传感器实际承受的工作条件十分恶劣, 高温达+110℃以上, 低温达-30℃, 还有频繁的冲击、震动、腐蚀、过载等, 然而价格又要求十分低廉, 通常比工业过程控制、检测用传感器低1-2个数量级。常用的各种硅压阻式及金属箔式压力传感器都难以满足需求。在国外, 汽车工业已成为传感器市场首屈一指的最大市场, 而国内传感器生产厂达数百家, 但至今尚无一种压力传感器能真正用在汽车上。
经济效益
两年形成10万只机油压力传感器的生产能力;三年形成年产100万只机油压力传感器的生产能力。每只售价90元, 则每年销售收入可达9000万元, 利税2000万元。
主要技术指标
工作温度: (-30～+110℃) ;压力范围:0～0.6MPa (并在0.08±0.01MPa时报警) ;过载:5倍;输出特性:满足YG2221G所配油压表特性, 符合JB3014-81《汽车用压力表》标准;耐久性:应经受2万次循环交变压力试验;精度:不低于现有YG2221G;外型尺寸:和现有YG2221G一致, 能替换。
成果成熟度
该产品目前处于小批量装车实验阶段。
合肥荣事达科源公司享有自主知识产权。
合作方式
合作开发产品。
联系人:薛文法孙怡宁
压力传感器原理及应用 第2篇
压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，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用
1、应变片压力传感器原理与应用力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。金属电阻应变片的内部结构点击浏览该文件如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）S——导体的截面积（cm2）L——导体的长度（m）我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情
2、陶瓷压力传感器原理及应用抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。
3、扩散硅压力传感器原理及应用 工作原理 被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。原理图 点击浏览该文件
4、蓝宝石压力传感器原理与应用利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件
下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比
高。表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。
5、压电压力传感器原理与应用压电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。现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。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。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。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
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。
我们知道，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力传感器。
压电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。
现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
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。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。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。
除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。
电容式压力传感器精度影响因素分析 第3篇
【摘 要】电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。直接接触或接近被测对象而获取信息，与被测对象同时都处于被干扰的环境中，不可避免地受到外界的干扰。本文从电容式传感器的结构、工作原理、性能分析影响电容式压力传感器精度的因素。
【关键词】电容式压力传感器；误差；干扰
0.概述
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航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工等技术领域。电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。压力传感器是目前所有传感器种类来说，是使用最多的传感器，它的市场占有量也不不可估量的，那么它的各项技术也得根据市场需要，进行不断的改进和完善，以适应各个领域越来越苛刻的环境。
1.电容式压力传感器工作原理及其数学模型
1.1结构介绍
电容式压力传感器主要由一个膜式动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成差动电容器即敏感元件。敏感元件是由隔离膜片、电容固定极板、测量膜片、灌充液组成，以测量膜片为中心线轴对称，测量膜片与两侧的金属模构成一对相等的平行板电容。如图1所示。
图1 敏感元件结构图
1.2工作原理
当被侧压力或压力差作用于膜片并产生位移时，形成的两个电容器的电量一个增大、一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力差相对应的电流或电压的变化。
图2 电容式压力传感器工作原理图
1.3压力—电容转换
如图3所示，被测压力通过高压侧隔离膜片，加到灌充液，液体流过瓷心孔进入腔室，将压力加到测量膜片上，膜片受力后发生位移，测量膜面与两侧构成的电容值随之变化，低压侧电容增加，高压侧电容减少。
图3 平行板电容器
厚膜片位移与差压转换关系如下：
△d=··△P=K△P △d≤t （ 公式1）
其中：
μ：伯桑系数；R：膜片周边半径；△d：膜片中心处位移
t：膜片厚度；△P：被测差压；E：膜片材料的杨氏弹性恒量
薄膜片具有初始张紧，其位移与差压转换公式如下：
△d=·△P=K'△P （公式2）
差压作用于室时，中心膜片的位移 与差压成正比。
1.4位移—电容转换
由于固定极板凹面直径很大，可视为平行板电容器，平行板电容C=。
ε为平行板中间介质的介电常数；
A平行板电容的面积；
d平行板电容两端间距。
PH：高压室所受压力；PL：高压室所受压力。
当两边压力相等时即PH=PL，初始电容量C=C=K
当PH>PL，测量膜片位移为△d，此时低压侧的电容为C=K（d0-△d），高压侧电容为CH=K（d0+△d），取=
△d·K2=
（公式3）
由公式2、公式3可知△P·K·K=
（公式4）
改变结构系数K1即可实现不同量程的测量，将位移量转换成
的变化。
1.5电容比—电流的转换
解调器将流过CL、CH的交流电流解调成直流电流IL、IH，原理图如图4
图4
2.电容式压力传感器的性能
2.1静态特性
当被测量X不随时间变化，或随时间的变化程度远缓慢与传感器固有的最低阶运动模式的变化程度时，传感器的输出量Y与输入量X之间的函数关系。因为这时输入量与输出量都和时间无关，所以他们之间的关系即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量做横坐标把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
2.2动态特性
当被测量X随时间变化，而且随时间的变化程度与传感器固有的最低阶运动模式的变化程度相比不是缓慢的变化程度时，传感器的输出量y与输入量X之间的函数关系。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
3.影响电容式压力传感器精度的因素
电容式压力传感器直接接触或接近被测对象而获取信息，与被测对象同时都处于被干扰的环境中，不可避免地受到外界的干扰。压力传感器如果说它的抗干扰能力不过硬，那么在它的价值上，也是个相差很大的，因为的应用范围受了很大的限制，所以市场前景也是得不到扩大的，提高抗体干扰性是不容忽视的问题。
3.1温度影响
由于电容式传感器极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线性膨胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。为减小这种误差，应尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料，如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金。近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。化工冶金锅炉等高温环境下的压力测试还可以通过改善敏感元件电容器的物理特性改变传感器的尺寸进一步提高传感器的工作范围灵敏度等。
3.2静压影响
金属电容两边受压，压力经隔离膜片传递到内部中心膜片上。从图5可以看出传感器内部的压力从中心向四周方向分布，X方向的应力得到全部抵消，但是Y方向的应力q全部加在传感器的外壳上。由于结构尺寸的原因，越靠近中心结构越单薄，传感器的抗压能力越差，尤其是中心膜片处结构强度最为薄弱。在高静压下，中心点处产生一个最大的扰度。在高静压下中心膜片向外的张紧力增加，膜片的紧绷程度相对工作静压为零时得到加强，并且工作静压越大其紧绷程度越大，中心膜片随差压的位移变小，产生误差。并且静压影响绝对误差，工作静压越大其量程的静压误差越大。至于零位的静压误差，则表现为方向的不确定，这主要由焊接应力和传感器的个性相关，不具有规律性。通过提高制造加工精度来减小静压误差。
图5 应力分布和扰度变化图
3.3边缘效应的影响
边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间各种区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一层金属膜作为极板。
3.4寄生电容的影响
电容式压力传感器测量系统寄生参数的影响，主要是指传感器电容极板并联的寄生电容的影响。由于电容传感器电容量很小，寄生电容就要相对大得多，往往使传感器不能正常使用。消除和减小寄生电容影响可缩小传感器至测量线路前置极的距离将集成电流的发展、超小型电容器应用于测量电路。可使得部分部件与传感器做成一体，这既减小了寄生电容值，又使寄生电容值也固定不变了。 [科]
【参考文献】
[1]刘沁，周东旭，张治国，匡石，李新.电容式压力传感器的线性化校正与温度补偿.仪表技术与传感器，1002-1841（2010）11-0001-02.
[2]徐坚.金属电容式传感器的静压影响误差.自动化仪表.TP202.201103.
[3]李继文.加速度传感器集成电路ADXL05及其应用[J]国外电子元器件，1996，（08）.
[4]高晓丁，许卫星，胥光申.电容式力传感器的研制[J]传感器技术，2002，（07）.
压力传感器的温度补偿 第4篇
关键词：压力传感器,温度补偿,电路
传感器种类繁多, 故传感器是一门分散型技术, 同时也是一门密集型的技术, 它涉及面很广包括物理、化学、金属学、机械、电子等几乎所有的电子技术。应用最为广泛的是压阻式压力传感器, 它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。本文以压阻式压力传感器为例从几方面加以讨论。
一、材料方面
目前的传感器由于小型化的需要大多采用半导体材料, 由于半导体材料对温度尤其敏感, 因而温度补偿则更为关键。
我们首先从半导体材料本身出发, 由于半导体材料的电阻率ρ与载流子浓度n、p及载流子迁移率, 有如下关系:式中的n, p, un, up均与T有关。
单用掺杂的方法来降底电阻温度系数, 本体杂质浓度CB=10cm3时ρ随T的变化趋于稳定。当然, 掺杂的同时必须考虑到杂质浓度越大, 则易导致更多的晶格缺陷。
对半导体材料本身来考虑, 还可以从扩散系数和深结等方面着手, 但这几方面比较复杂须考虑多种因素。另外, 由于金属的电阻温度系数较低, 因而考虑在硅衬底上沉积金属膜以达到降低电阻温度系数的目的。通过研究得知锰的电阻较高且具有低电阻温度系数 (TCR值) 。所以用沉积锰的方法可以较有效克服温飘。即用硅 (Si) 作衬底后沉积锰薄膜做成应变电阻。
二、电路设计
通常设计中采用传统的惠斯通电桥法, 四个力敏电阻组成惠斯通全桥, 当传感器受压力时全桥电阻发生变化产生电位差, 电位差的大小与受力值成正比。电桥有源压阻传感器等效电路, 如图1所示。从理论上分析只要电阻高度匹配, 即R1/R2=R3/R4, 就可以抑制温飘, 但是制作工艺上却很难将四个桥臂阻值和温度系数作得完全一致。原理上我们可利用另一方法即将供电的恒流源或恒压源调成与传感器具有相同阻值而反号温度系数。但这种方法调试有很大难度, 需一系列精确仪器, 因而在实际应用中较困难。这里分别采用串并联电阻和双传感器互相抵消的补偿方法。
(一) 串并联电阻消除零飘。
如图2所示在原先的桥臂上分别串上或并上或RP, 由于RS, RP的作用, 对温度变化引起的误差有一定的补偿作用。这里简单分析一下:对于一个已调零的传感器, 由于温度变化会导致零点飘移。若只串RS, 温度上升时R1/R2> (R4+RS) /R3, 会导致输出升高过度。而只并RP, 若T上升时R1/R2
(二) 双传感器抵消补偿法。
为使温飘误差减少到较小的程度, 而且避开电阻匹配的麻烦, 可利用传感器归一化技术使双传感器探头的温度飘移误差相等。然后, 通过电子线路利用差分放大器将温飘误差信号相互抵消。电路图如图3。
现简单计算一下:
从各个电阻流入放大器同相端节点的电流应满足弥耳曼定理 (1942) :
由 (1) 代入 (2) 可得:
因为传感器I和传感器II归一化后输出电压:
另外一方面由于传感器I和传感器II的两组同名端分别为Va、Vd及Vb、Vc, 在室温状态下不考虑温漂调节多圈精密电位器RW使:Vab+2 (Vb+Vc) +2VE=0 (5)
式中Vab是传感器在0mbar吸力下零点电压。
由D得:V0=2 (Va-Vb)
温度变化时:Vab+2 (Vb+Vc) +3VE≠0
假定基准电压V E漂移系数为零, 则传感器温飘响应输出, 且当R>>r时, 则误差计算如图4所示:
因为材料的温度系数较大, 而且工艺相同, 因而其同名端温度系数相对一致, 所以可认为⊿Vc+⊿Vb和⊿Va+⊿V d温度飘移量相等, 即:⊿V0=0
当然采用该法相对成本较高, 而且须采用低温飘高稳定的差分放大器, 但可使传感器输出飘移误差减少到10Uv以下, 对漂移有较好的抑制作用。
三、单片机实现温度误差补偿
依靠传感器本身附加一些简单的硬件补偿措施是比较困难的, 目前对于一传感器测量系统已大量引入了单片机, 实现自动检测和控制。因此用单片机自身的特点, 利用软件来解决传感器温度误差难题也是一条有效途径。
在一单片机传感器测量系统中, 要解决传感器温度误差补偿问题, 首先要测出传感器点的温度, 该温度信号作为多路采样开关采集信号的一路送入单片机。测温元件通常是安装在传感器内靠近敏感元件的地方, 用来测量传感器点的环境温度, 测温元件的输出经放大及A/D转换送到单片机, 单片机通过并行接口接收温度数据, 并暂存温度数据。信号采样结束, 单片机运行温度误差补偿程序, 对传感器信号的温度误差进行补偿。对多个传感器, 可用多个测温元件, 常用的测温元件有半导体热敏电阻、AD950测温管、PN结二极管等。原理框图如图5。
四、结束语
综上所述的种种补偿方法各有优缺点。材料方面, 由于半导体材料适于小型化, 传感器的开发已得到了广泛的重视, 各国现阶段基本上致力于半导体传感器的研究, 而且温度补偿作为传感器的一个重要课题 (半导体传感器尤其重要) 已得到普遍开展。外部电路设计, 材料本身的改进以及用单片机软件实现传感器温度误差补偿等补偿法都可以有条件地应用, 但实际生产中则必须考虑到测量精度、系统电路的复杂程度、可靠性、生产条件成本及资金, 以及消费能力各方面因素。
参考文献
《传感器电子学》
HF.沃尔夫编《SILICON SEMI-CONDUCTOR DATA》
《SENSOR AND ACTUATORS》, 1990, A2401
(美) D.H施因果德《传感器接口及信号调理电路》
陈本华《压力传感器漂移误差补偿》
报告压力传感器设计与实现 第5篇
学生姓名学 号专 业题 目教 师——压力传感器设计
电气自动化技术 压力传感器设计 刘艳伟
PS
压力传感器设计与实现
——PS压力传感器
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。我们知道，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
【1】
；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；结构；PS压力系统
目录
第1 章
绪论..........................................................................1 1.1背景......................................................................................1 1.2传感器的定义..........................................................................1 1.3传感器的分类..........................................................................1 1.4设计目的..............................................................................2 第2章
原理分析.....................................................................3 2.1工作原理.........................................................................3 第3章 实现过程...........................................................................4 3.1 电路图设计......................................................................4 第四章 结论...............................................................................5 参考文献：.....................................................................................6
第1 章
绪论
1.1背景
压力传感器【2】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。
1.2传感器的定义
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
1.3传感器的分类
目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种： １、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器
２、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、1
光栅、热电偶等传感器。３、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“１”和"０”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。
关于传感器的分类
1.按被测物理量分：如：力，压力，位移，温度，角度传感器等； 2.按照传感器的工作原理分：如：应变式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器等；
3.按照传感器转换能量的方式分：
（1）能量转换型：如：压电式、热电偶、光电式传感器等；
（2）能量控制型：如：电阻式、电感式、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等；
4.按照传感器工作机理分：
（1）结构型：如：电感式、电容式传感器等；
（2）物性型：如：压电式、光电式、各种半导体式传感器等； 5.按照传感器输出信号的形式分：（1）模拟式：传感器输出为模拟电压量；
（2）数字式：传感器输出为数字量，如：编码器式传感器。
1.4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
第2章
原理分析
2.1工作原理
图2为PS压力传感器的截面结构图，图3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
图3 如图3（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4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。
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。
第3章 实现过程
3.1 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
图
5、压力传感器器设计电路
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。
第四章 结论
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，例如：电路，模电，还有画图时，也要用软件画图multisim仿真软件的使用。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。虽然画图时比较麻烦，经过大概一个小时的时间才画完，但看着自己画的图，觉得很有成就感。最后，是电路的仿真，者可以说是最关键的一部了，前面所有的工作都是在为它打基础，一旦仿真失败就意味着所有得努力可能全部白费。仿真的结果虽然显示出数字来了，但是和是要得要求相差很远。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，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 5
参考文献：
【1】极化建模与雷达遥感应用（英文版.中文评注）作者:Shane R.Cloude(S.R.克劳德)著，洪文 尹嫱 李洋 等评注出版社:电子工业出版社出版时间:2015年08月
压力传感 第6篇
【摘 要】针对老式电热水器只能打热水，却不能提醒打水人员取卡的问题，应用压力传感器和单片机技术，实现了电开水器自动语音提示打水人员拔卡的功能。装置在接水容器的承载底部有压力传感器，计时器下方装有扬声器和控制器，在单片机程序的设定下，压力信号的变化转变为电信号传递给控制系统，输出功率足够的声信号，及时提醒打水人员将自己的卡带走。
【关键词】压力传感器；智能提醒；电开水器；单片机控制
引言
随着现代高科技的日新月异，各式各样的智能家用电器取代了用人力来进行日常繁杂的工作，并占据了主要市场。如今为了各大高校的教职员工，学生以及各个企业的员工的日常饮用热水更加智能方便化，大部分的企业及高校，均在楼层和茶水间等公共热水服务区安装了刷卡计时计费的电开水器。即当大家想饮用热开水时，将校园卡或员工卡放置于计时器卡槽内，水杯对准出水口放于承接板，按下开关进行取水，接满水后，再次按下闭合开关，即完成了一次打水。通过看计时计费器dret上的显示，也可以了解到卡的消费余额，为人们的日常生活带来了极大的便利。
1.系统设计方案
基于压力传感技术的电开水器智能卡取卡提醒装置由电开水器主箱体1、显示器2、传输线3、4、压力传感器传感器5、承接板6、排水管7、计时器8，计费显示屏9、开关按钮10、扬声器12、控制器（单片机）13、出水口（水龙头）14、组成。托物盘由三个托物板拼接起来，每一板块都装有压力传感器。压力传感器包括力的感应与力的输出，并通过传输线与上方对应的控制器相连接，计时器设有插卡槽，控制器内设置有单片机、信号处理系统。工作过程中，在单片机程序的设定下，当系统检测到打水人员接水操作完成时，将压力信号的变化转变为电信号，然后输出相应、功率足够的声信号，以提醒用户取走智能卡。
2.工作过程
程序设定的压力传感器通过感受压力的变化，并由传输线3传递给控制器13，控制器的信号A，当没有人使用电热水器装置时，托物盘5是空的，单片机记录压力初始值始终为A。当有打水人员来打水时，将其卡插入卡槽11，把水杯放在出水口（水龙头）14下端，按下开关按钮10进行打水，主体箱1流经出水口14，随着托物盘5所受的压力在接水过程中渐渐增加，压力传感器的压力发生改变后，通过传输线3传给控制器13，控制器信号处理系统自动记录值为B、C、D、E等。等待打水完成后，此时按下开关按钮10，出水口14停止出水。当打水人员拿走水杯，压力数值恢复到初始值A，控制室中的信号处理系统便将从其他压力数值B、C、D、E到压力初始值A的变化信号转化处理转变成电信号，反馈给控制器13，然后传递给扬声器12，并推动其发出两声“请拔出您的卡”的语音提示，之后便不再发声。直到下一位打水人员使用时，重复上述工作过程。
系统是当传感器测得的压力信号从A-变到B、C、D、E时，才发出两声“请拔出您的卡”的语音，所以即使不使用打水时，系统虽然长时间处于值A，但也不会不断的发声，因此有效的避免了电能的浪费。
3.小结
新装置是一种具有自动提醒取卡功能的插卡式电热水器，它通过压力传感器测得力学信号的变化，将变化的信号传给控制器的信号处理系统，然后执行之前设定好的程序，输出响应扬声器发出提示音，从而及时提醒打水人员将自己的卡拔出。该新加的自动提示功能弥补了先前电热水器的缺陷，完善其功能，避免卡遗失之后，对企业的职员及和高校的教职工造成不必要的麻烦，对于广大的学生群众而言，保证了校园卡的正常使用，例如吃饭买东西，进出图书馆等日常活动，具有良好的实用性。
参考文献：
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[6]陈宇珂，张延武，卢育华，肖强.一种基于单片机的数据采集及控制系统的设计[J].医疗设备信息， 2005，20（3）.
作者简介：
蒋金鑫：（1995.8），女，本科在读生，现就读于上海电机学院机械电子工程专业本科生。
蒯云帆：（1994.2），女，本科在读生，现就读于上海电机学院机械电子工程专业本科生。
王聪：（1982.8），女，博士，讲师，上海电机学院机械学院任教。
机油压力传感器修复1例 第7篇
某部1辆东风EQ2102GJ运输车, 配备康明斯EQ6BT-5.9柴油发动机。驻训期间出现机油压力表无压力指示的故障, 经排查后确认机油压力传感器损坏。该件损坏后通常换新品, 但因当时条件限制, 无处购买, 只好对其进行修理, 现将修理过程作简要介绍, 供同行交流学习。
机油压力传感器的分类、构造和工作原理
机油压力传感器又称机油压力感应塞, 与机油压力指示表、机油压力报警灯或蜂鸣器组成机油压力指示与报警电路。目前, 汽车上常用的机油压力传感器可分为电热式和可变电阻式 (电动式) 2种。现以该车配备的EQ153可变电阻式机油压力传感器为例, 介绍其构造和工作原理。
机油压力传感器为1个圆柱铁壳密封件, 顶部有G、WK等2个接线柱, 通过导线分别与指示表和报警灯相连, 并用胶木或塑料与铁壳绝缘;外壳搭铁, 与蓄电池负极相连 (有的传感器外壳不搭铁, 在顶部有一专用搭铁接线柱) ;底部为套有丝扣的接头, 接头中间有油孔, 与机体油道相连。壳体内部包括膜片、推杆、传感放大机构、可变电阻、报警机构和回位弹簧等部件。膜片用于直接传感机油压力, 当机油压力发生变化时, 膜片中心发生位移, 并经推杆传给放大机构;放大机构由摇臂、电位器触点臂和报警活动触点组成, 它将膜片的位移改变方向并放大后, 带动电位器的触点臂在电位器上移动, 从而改变电阻的大小, 阻值的变化引起电流的变化, 使机油压力指示表显示不同的油压值;可变电阻是用电阻丝在绝缘板上绕制成的, 一端悬空, 另一端通过导线焊接到G接线柱上;报警机构为一绝缘板, 板上有1个固定触点, 通过导线焊接到WK接线柱上, 与放大机构上的报警活动触点组成1对常闭触点, 机油压力正常时触点断开, 当发动机不工作或机油压力低于0.07～0.11MPa时, 报警活动触点在回位弹簧的作用下与固定触点闭合, 接通报警灯或蜂鸣器报警。
维修过程
通过对比该传感器和1个使用正常的传感器的阻值 (见表1) , 不难发现该传感器G接线柱到可变电阻之间开路, 只有打开才能修理。把传感器夹到台钳上 (夹六角螺母处) , 用细齿钢锯条在铁壳中上部 (靠近接线柱) 锯一条环带, 用一平口起子轻轻撬动, 让两部分分离, 再用30W电烙铁焊开G和WK接线柱内的导线, 把上半部壳体取下。通过观察发现G接线柱引线在与可变电阻连接处断开, 至此找到故障点。然后用汽油清洗传感器内部, 一定要把铁屑和油泥洗掉。干燥后用30W电烙铁把故障点焊接好, 再用三用表测量阻值是否正确。最后就是两壳体焊接的问题了, 先用废钢锯条刮除焊接部位的油漆和氧化物, 再用30W电烙铁焊掉接线柱出线孔内的焊锡, 把G与WK引线插入相应的接线柱孔内, 并用电烙铁焊牢固。注意焊接时间过长会引起塑料融化, 破坏接线柱与壳体的绝缘度。然后, 把两半壳体对接好, 为防止错位和缝隙过大, 应用细铁丝轻轻捆扎几圈, 再夹到台钳上 (夹六角螺钉处) , 最好在台钳口放隔热物, 减少散热速度。用150W电烙铁进行焊接, 焊接完一部分后要等几分钟再焊接下一部分, 分3～4次完成。焊接时要细心, 时间不可过长, 以免壳体过热, 焊锡流入壳体内或堆积。焊接完成后去掉细铁丝, 用平锉刀进行修理, 最好再用Φ40的热缩管进行收缩, 加强紧固度, 再用三用表复测, 确保修理质量, 最后装到发动机进行试验。该传感器维修后已经使用半年有余, 至今没有发生问题, 说明维修成功。
使用注意事项
1.安装电热式机油压力传感器时, 为提高指示表的准确性应使外壳的凸肩 (或箭头) 朝上。
压力传感器当前发展趋势研究 第8篇
传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一, 在水利、化工、医疗、气象等多个领域都得到了广泛的应用, 从人们的日常生活、科学领域的研究到工业生产制造, 都离不开传感器技术, 其重要性不言而喻, 因此许多国家都非常重视传感器技术的开发与研究。其中压力传感器技术是基于平面工艺和立体声处理相结合的一种技术, 在技术实现上较为方便, 并能够较快的投入到生产应用中去, 可广泛的应用于血压计、水速计、压力计、电子称及自动报警装置的生产。压力传感器现已成为比较成熟的技术之一, 其技术稳定性较好, 技术比较成熟。对压力传感器展开研究, 要全面了解压力传感器技术的研究现状与发展趋势。
1传感器技术研究的现状
传感器市场在世界经济中有着重要的市场地位, 而且其技术研究的领域在不断的扩大, 市场份额也在不断的提高。通过查阅文献资料可以看到, 1994年世界传感器市场有260亿美元的总营业额, 2008年全球传感器的市场容量为506亿美元, 2010年世界传感器市场规模达800亿美元以上。近年来压力传感器的市场份额增加迅速, 从生产到销售都取得了长足的发展, 使用硅压力传感器的比重在不断上升。在技术发展上, 可以集成电路和传感器, 构成集成传感器, 是未来技术发展的主流。压力传感器有效多的新技术被广泛的应用, 一是压力传感器。其工作原理是通过压力敏感元件, 在硅框和金铬薄膜组成的膜片结构中间夹了一个硅光纤挡板。二是耐高温压力传感器。新型半导体材料碳化硅的出现使得单晶体的高温传感器的制作成为可能。
2压力传感器的发展趋势
传感器技术在国外的研究众多, 技术水平也比较先进, 主要的代表国家有美国和日本。传感器技术在美国最初是应用于军事领域, 取得了长足的发展, 后来美国将传感器技术应用于民用领域, 取得了较好的发展成绩, 这种先军用后民用的方式, 能够让军事科学达到一定的水平, 同时高精尖的技术应用于民用领域, 也能取得一定的经济效益, 但用于军事科学研究资金的投入是非常庞大的, 其投资额的回收也比较慢, 在发达国家财力较为充足的情况下比较适用, 对于发展中国家及经济欠发达国, 财力有限, 此种方法的适用性较低, 不宜被采用。传感器技术在日本的发展路径是先普及应用基础技术, 在应用中逐步提升技术水平。日本最初引进他国家传感器技术, 进行模仿, 生产出产品后, 在实践中不断进行技术创新, 实现自主设计, 日本走的是先模仿后创新的发展路径。这种方法的特点是避免了技术研发前期的巨额研发费用的投入, 并规避了研发风险, 提高了收益率, 能够学习其他技术先进国家的新技术, 少走弯路, 迅速的掌握先进技术并形成生产能力, 较早的将生产能力投入到市场环境中去。众多的国家采用了这种发展路径, 以提高经济效益, 中国是发展中国家, 要取得较快的发展, 采用日本国家所采用的发展路径是比较适用的。
传感器的应用广泛, 技术更新快。目前的发展趋势主要有: 一是小型化。社会经济的发展对于小型传感器的需求在不断增多, 小型传感器的体积小。如美国所生产的传感器, 有些直径只有1.27mm, 可广泛的应用到医学领域, 可置入人体体内, 如置入到血管中的传感器不会对血液流通产生影响。小型传感器体积小, 能够在各种恶劣的环境下应用, 对环境要求低, 不需要投入人力物力来进行维护和保养, 使用方便。二是集成化。压力传感器技术已经与其他技术结合, 越来越多将压力传感器技术与其他技术结合起来, 形成系统集成技术。如测量控制系统等, 以在生产过程中, 提高操作的系统化和效率水平, 形成集约化生产。三是智能化水平在提高, 在系统集成中, 加入了智能管理模块, 使传感器能够自动的补偿、自诊断, 并进行逻辑判断。在集成中, 加入了微处理器, 能够使用微处理器实现智能控制, 实现多种功能。如实现通讯、自诊断、逻辑判断等功能。四是广泛性。传感器可应用于多个领域, 在医学、汽车、气象等多个行业都有广泛的应用, 随着技术的发展, 其应用领域还在不断的扩大。五是标准化程度不断提高。传感器技术在发展中, 逐步形成了行业标准, 用于规范传感器的设计与制造。如美国所实行的ASTM标准及日本推广普通的JIS标准等。传感器技术应用图如图1所示。
3结语
压力传感器技术已有了较快的发展, 达到了较高的水平, 而且其更新的速度非常快。目前我国正处于经济繁荣时期, 经济发展的速度越来越快, 人们生产生活中对于压力传感器的需求越来越多, 因此为顺应社会发展的要求, 要投入更多的财力、 物力到传感器的研究中去, 要快速赶上和超过世界先进水平, 因此要做出更多的努力。压力传感器技术广泛应用到了微机械加工技术领域, 根据超大规模集成电路技术和材料制备工作进度和特性的要求, 压力传感器在光纤传感器的批量生产、高温硅压阻及压电结传感器的应用将更加广泛, 压力传感器具有广阔的应用前景。
摘要：文章论述了压力传感器的研究历史、现状及发展趋势, 为传感器的技术开发人员提供一些参考。
关键词：压力传感器,现状,趋势
参考文献
[1]李科杰.传感器最新进展和技术动向[J].传感器世界, 1996 (7) :13.
多点式压力测量传感器结构研究 第9篇
多维力传感器可以检测三维空间多个方向的力或力矩信息,在航空、工业装配与制造以及体育竞技领域已经获得了广泛的应用[1]。但由于设计原理和制造加工等因素的影响,多维力传感器的维间耦合比较复杂,因此测量精度不高。
多维力传感器维间耦合的根本原因在于传感器结构上存在耦合,传感器结构设计对传感器的综合性能指标影响很大,是影响传感器性能的核心技术[2]。针对这一问题,本文提出了一种多点式压力测量传感器结构的设计方案,选择导电橡胶作为测力的传感单元,可以消除或减小这种维间耦合的影响,并极大简化后续繁冗的标定与解耦(电路设计、软件处理等)处理过程。
1导电橡胶的导电机理
导电橡胶的导电机制很复杂,一般来说是导电通道理论和隧道电流理论2种载流子传导机制共同作用的结果,相应的复合材料的导电性是这2种导电机制贡献值的统计平均[3]。
一般而言,在低导电粒子掺杂浓度及低电压下,隧道电流理论的导电机制起主导作用;而在高导电粒子掺杂浓度时,聚合物基体中导电粒子密度高,可形成大量导电网络通道,这时导电通道理论的导电作用更加明显,如图1所示。
因此,将导电粒子掺杂橡胶且固化成型之后的材料是具有一定的导电性能的,且导电性随外力的不同而不同。同时,该种导电橡胶在室温条件下呈液体状,流动性能好,可以采用注入成型的方式任意成型。
2传感器单元测力的原理
假设一块状导电橡胶的块状电阻为RMN,连接在如图2所示的电路中,可得:
式中,RL为负载电阻。
当外力F作用在导电橡胶上时,其块状电阻阻值随外力F发生变化,假设阻值变化为ΔR (ΔR《R0),则此时流过块状电阻的电流值I1:
那么在受力前后回路中电流将发生变化,假设该电流变化为△I:
由此可见,电路中电流的变化量和导电橡胶电阻的变化量之间是成正比的,电阻阻值变化量越大,电流变化量越大。
其中灵敏度S:
为了取得较大的灵敏度,通常取RMN=RL。
3多点式压力测量传感器的结构
该传感器采用分层设计的思想,其结构原理如图3所示。主要由5个部分组成:
1为上覆盖保护层,为薄胶体材料,用来固定上电极,同时起到保护传感器,并使传感器和外界绝缘的作用;
2为多点压力阵列结构的上电极,每一个小圆点均为上采样点:
3为传感器结构主体。其中虚线柱状部分为导电橡胶,其余为绝缘橡胶;
4为多点压力阵列结构的下电极,每一个小圆点均为下采样点;
5为下覆盖保护层,用来固定下电极,材质及作用同1。
具体制作方法:
本文研制的传感器结构的目的是为了消除或减小传感器结构设计对维间耦合的影响,简化后续的标定与解耦处理过程。因此传感器主体单元的设计尤为重要。
为了制作出传感器的多点阵列结构,需要一组陶瓷模具,模具的结构如图4所示,表面光滑,高度为5 mm,长宽形状可以任意选择,陶瓷模具内圆柱形突起和外框、底部同时成型。在模具内注入流动性比较好的液体橡胶,待胶体完全固化后取出,得到绝缘橡胶体部分,结构如图5(a)所示。
之后制备传感器的下电极,将传感器阵列的纵向电路用银浆印刷在柔性印刷电路板上[4],并在印刷电路上焊接圆形接触点,接触点间的间隔长度和传感器主体结构中圆柱形突起底面圆心的间隔长度相同,每个接触点为采样点,应和圆柱体底面圆心重合。将固化成型后的绝缘橡胶体部分和下电极粘接,形成图5(b)所示的底面结构。
再利用液体导电橡胶注入到绝缘橡胶体的圆柱形凹处内固化成型,如图4(a)所示,即完成了图3所示的传感器结构主体。最后制备传感器的上电极及接触点,方法同制备下电极,注意上下电极上的接触点要正对齐,同时覆盖上保护层,完成传感器结构上的设计。
传感器的测量结构如图6所示,各圆柱形的导电橡胶可等效成为一个纵向电阻RMN,其中M、N分别为横纵阵列。未感知外力之前,各电阻阻值相同。当有外力作用在某单元点时,一个或多个电阻值发生变化,变化的大小及规律与外力的作用方向、力的大小及力矩有关。可采用相关数据采集的方法提取信号,由此可以得到每个敏感单元的受力信息,也就是压力的大小、方向及作用点。
同时因为各个圆柱状导电橡胶相互绝缘,在各单元之间横向之间无导电通道,只有纵向电阻变化值,降低了在提取多维力信息过程中的维间耦合难度,减小了计算的复杂性。
4结语
本文利用分层设计的思想,研究设计了一种多层、多点式压力传感器的结构,同时利用流动性好的橡胶及液体导电橡胶注入成型。采用这种方法制备设计的传感器可在一定程度上消除维间耦合,提高传感器测量的精度,具有面积大、灵敏度高、柔韧性好,同时受冲击时不易损坏、耐磨损等特点,适合大规模生产。
摘要：介绍了一种多点式压力测量传感器系统结构的设计方案。该结构采用分层设计的思想,主要由上覆盖层、上电极、传感器主体结构、下电极以及下覆盖层构成,并选择导电橡胶作为传感单元,可以较好地消除维问耦合,减小计算的复杂性。
关键词：传感器,多点式,分层设计,导电橡胶
参考文献
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压力传感器信号调理电路设计 第10篇
压力传感器在电子产品中的应用比较广泛, 其信号调理电路通过对信号的调节变换, 使信号达到后续电路的接收要求。电路的误差控制、抗干扰技术对电路的设计至关重要, 电路的稳定性直接关系到单片机数据采集系统的准确性和产品的实用性。
本论文的信号调理电路主要用于电子称等衡器的前端信号处理, 量程0-5Kg, 其最大允许误差±1.5e (分度值e=2g) 。本论文从误差分析, 力传感器的选定和放大电路的设计三个方面阐述该电路设计思路。
2 硬件设计中误差解决方法
降低电路元器件产生的噪声、设置稳压电流源作传感器专用电源, 可保证传感器输出信号精度高, 纹波小, 稳定可靠, 选择合适的传感器。
由于组成电路的元件内部会产生一些噪声, 并且实验中发现, 噪声的功率与输入的电压有直接的关系, 而且会对实验的参数产生较大的影响。在试验中对电阻等噪声较大的原件通过元件的噪声参数建立模型来进行系统分析。综合考虑成本及噪声性能, 选择噪声较小的NE5532放大器电路, 其相对噪声比优于同等价格的其他运算放大器。 (表1、表2)
传感器采用了N430-5kg应变式压力传感器, 量程0~5kg, 灵敏度为1.0m V/N, 体积小, 易携带;额定输出1.0±0.15m V/V, 能够满足实验精度要求;并能够使产品具有便携性, 力传感器后接电桥的以减少温漂, 即电桥压力传感器的电桥电阻设为R1=R2=R3=R4=100Ω, 差动工作, 应变片使得电桥保持了平衡, 使得电桥的输出电压与电阻变化有关, 保持了一个即R1=R-△R, R2=R+△R, R3=R-△R, R4=R+△R, 则电桥输出为
3 放大电路的分析与设计
整体电路设计如图1所示, 包含两级放大电路, 通过反馈设计提高了输出的准确性。第一级放大电路采用双运算放大器, 此放大器小信号带宽10MHZ, 功率带宽140KHZ, 转换速率9V/us, 符合一般控制电路的设计要求。第二级放大电路采用二阶低通滤波运算放大电路。
假使R5=R6=R7=R
开环放大倍数
通过使用Multisim 12.0仿真软件中的函数发生器模拟在f0=10Hz下的滤波波形, 其通带最大衰减为4.165518d B, 阻带最大衰减为14.403186d B, 其中R9和R11=R10//R12, 由R12来确定放大倍数, 算得Q=0.5, 满足实验设计要求。
由于在Multisim12.0仿真软件中, 没有直接的电荷源信号, 考虑到电阻应变式传感器输出为电压信号, 改变传感器的应变重量, 在形式上是以电压的形式输出的。在电路分析时可以把传感器看作一个电压源, 其输出电压在其电电路中将信号传递给放大电路。所以在模拟仿真中, 采用了TL431ACD保证模拟信号输入端的稳定性。 (图2)
4 软件设计中的误差补偿
采用延迟法进行误差补偿, 在系统中, 存在控制开关的抖动干扰。抑制这种噪声方法就是通过延时, 让接通或断开信号稳定后系统再工作, 就可以避免抖动干扰。
5 结语
本设计的放大电路的带宽在890m HZ~123HZ, 测得输入为2.756mv时, 输出为217.177mv, 放大倍数约100倍。整体上对各种误差来源给以充分的估计, 并针对不同的情况采取不同的技术措施, 以提高系统的抗干扰能力, 保证了系统的准确、可靠。
参考文献
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谐振式压力传感器驱动仿真研究 第11篇
由于重量轻、精度高、响应快等特点,谐振式传感器在国际上得到了广泛的重视,尤其在空间飞行、医疗等对压力测量要求精确的领域,具有广阔的应用前景。由于近年来微电子技术和微机械加工技术的快速发展和相互渗透,振动元件作为谐振传感器重要组成部分已从早期的宏观尺寸发展至现今的微观尺寸。目前的谐振传感器内大量采用基于硅微机械的谐振器,也称谐振子。作为微谐振传感器的核心部件,它利用硅材料的各向异性刻蚀技术对硅片进行微机械加工而成,其几何尺寸通常在1mm以下。硅微机械结构谐振子的结构形式多种多样,但可归纳为三种基本结构形式,即悬臂梁式,双端固支梁桥式,薄膜式以及梳状叉指式。悬臂式谐振子的主要特点是一端与硅基片固接而另一端悬空为自由振动端;桥式谐振子的特点为两端固定;薄膜式谐振子的结构特点为周边固支。
要实现一个硅微机械谐振传感器需采用某种激励方式使谐振器发生谐振,通过某种转换机制将待测物理量的变化转化为振动元件内应力的变化,而改变元件的谐振频率,然后利用光学电学方法拾取谐振频率。
1 MEMS谐振式压力传感器驱动简介
在谐振式压力传感器中,静电激励由于其稳定性和易于集成性,成为谐振式压力传感器的驱动首选,驱动电路提供驱动信号使谐振子做幅度恒定的简谐振动。由于谐振子所受的静电力大小与驱动信号的幅值大小成正比,故驱动信号的幅值稳定性对传感器的精度有着极大影响,因此驱动信号幅值的控制显得极为重要。驱动系统按照是否带有反馈回路可以分为开环驱动系统即外加交流直接驱动和闭环驱动系统即自激驱动。按照驱动信号类型可以分为正弦驱动系统和方波驱动系统。
外加交流直接驱动方式,是利用信号发生器,产生一个频率与所测谐振子谐振频率相同的信号,通过放大器或者缓冲器,作用于振子,使其在驱动方向上做简谐振动。这种电路结构简单,易于实现,如图1所示。但外加交流驱动方式不能时刻跟随振子固有谐振频率的变化,会影响到检测电路的精度。(图1)
自激驱动方式的原理是:通过将电路上电后产生的敏感电流转换成电压信号并放大,并将放大信号反馈到振子,使其产生自激振荡。自激驱动方式不需要信号发生器提供交变电压,而且该方式可以实时跟踪固有谐振频率的变化。当自激振荡发生时,驱动信号的幅值不是无限增大的,在驱动系统中,自动增益模块(AGC)控制驱动信号幅值,使其稳定在一个固定的值上。总的来说,自激驱动能够稳定驱动信号的幅值和频率,对于提高的精度具有积极意义。
2 自激驱动原理
在微机械谐振式压力传感器的闭环驱动中,主要的目标是在无输入信号的情况下,微机械谐振子能够通过正反馈回路,实现交流静电驱动频率跟踪谐微机械谐振子谐振频率,以及振动位移恒定。
典型的反馈系统可由图2表示,当压力传感器上电时,借助外部电噪声和机械噪声的作用,系统会产生一个幅值很小的扰动信号Xo,经过反馈和放大,为AFXo,如果在频率f0处A·F大于1,那么输出Xo会越来越大,但是由于系统的非线性,Xo不会无限制地增大,当信号满足Xo=AFXo时,系统达到动态平衡,此时,A·F=1,即系统闭环传递函数H(S)=1,写成模与相角的形式为[1]:
这两个式子分别代表自激振荡的幅值平衡条件和相位平衡条件,只有同时满足这俩改改条件,传感器才能产生自激振荡。在实际起振过程中,谐振信号是从小到大,继而稳定的过程,因此,起振时要求AF>1
微机械谐振子的传递函数为[2]:
其中,Mx为谐振子等效质量,Yx为外加静电力,Xx为谐振子振荡位移,因为机械谐振子有很高的Q值,所以可以把它看作一个通带非常窄的滤波器[3],当静电驱动力频率等于谐振子固有频率时,谐振子位移滞后静电驱动力90度,当闭环控制电路提供一个超前90度的相移时,在结构谐振频率f0处,驱动力频率满足正反馈的条件,即在频率f0处φA+OF=2nπ(n为整数),同时,结构在外力作用下处在谐振状态时,对应的幅值最大,经过反复的闭环迭代过程,只有频率与结构谐振频率相同的分量力得到最大位移,其他均会被衰减,结构就表现出良好的选频特性,最终实现自激振荡。
3 闭环驱动比较
谐振式传感器闭环接口电路主要有两种模式:AGC(AutomaticGainControl)自动增益控制[4]和PLIL(PhaseLockedLooP)[5]锁相环。AGC电路是一种在输入信号幅度变化很大的情况下,使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化的自动控制电路。而PLL则是一负反馈回路系统,在回路中利用回执讯号,将输出端的讯号频率及相位,锁定在输入端参考讯号的频率及相位上。在应用于谐振式传感器闭环接口电路中时,两种电路各有优缺点。
几乎所有的PLL都由三部分组成:鉴相器、低通滤波器和压控振荡器。鉴相器也称为相位比较器,它能将输入信号与输出信号(也就是反馈信号)的相位差检测出来,并将其转换为电压信号uD (t),环路滤波器一般为低通滤波器,用于滤除鉴相器输出电压uD (t)中的高频分量和干扰信号,从而获得压控振荡器的输入控制电压uc (t)。压控振荡器是电压一频率转换电路,其振荡频率决定于uc (t)。由锁相环的工作原理可知锁相环进入锁定状态时,只要输入信号的频率ωi的变化在捕捉带内,输出信号频率ω2都能够始终跟踪ωi的变化,保持ω2=ωi。对于锁相环的闭环自激驱动,有大量的文献进行了研究分析,虽然锁相环有良好的频率跟踪性能,但是单一的锁相环电路很难同时实现振动幅度的恒定和频率的稳定跟踪,振动幅度也需要闭环控制。
早在20世纪60年代,vietor和Broekman等人就提出了经典的AGC设计方法,简单的说,AGC就是一种输出自可调式的回馈方式,AGC中最基本的组件就是增益控制放大器。AGC放大器的作用是控制闭环自激系统的增益,确保系统满足闭环自激的幅值条件。一个以AGC为主要控制模块的谐振式传感器闭环电路的工作过程如下:当环境参数变化或者是频率发生变化时,传感器的输出幅度变大(小),通过整流和滤波输出电路产生控制VGA芯片放大倍数的电压差,使可变增益变小(大),使谐振器通过AGC后输出电压不变。AGC结构的另外一个作用是,限制输出幅值。在谐振频率对信号进行正反馈时,不会使系统达到自激振荡到削顶的非正弦工作状态。
基于锁相环的闭环激励电路可以使传感器闭环系统可靠自激,并减小同频干扰,但是在谐振点附近的频率稳定性较差,分辨率较低;基于AGC电路的闭环系统电路结构比较复杂,但是具有较高的稳定性,传感器时漂低于0.025%F.S。
4 AGC闭环驱动仿真
谐振式压力传感器的静电力来自两部分:直流驱动电压VDC和交流驱动电压VAc,不同于直流自动增益控制,交流自动增益控制结构通过控制对交流驱动电压VAC的增益大小,来实现整体回路在稳定状态下的增益为1,当交流驱动电压大与设定驱动值,则回路放大增益减小;当交流驱动电压小于设定驱动值,则回路放大增益增大,即满足稳态振动下AF=1。驱动电路Simulink模型由I/V转换电路、前置放大器、移相器、交流增益控制模块(包括全波整流电路、低通滤波电路、可变电阻控制电路)和后级放大器组成。图3是谐振式传感器的交流自动增益控制的功能框图;谐振式压力传感器开始工作的时候,中间的梳齿在静电驱动力作用时会水平运动,右侧的梳齿就会检测到电容的变化,然后经过电容到电压的转换,产生驱动检测电压,该电压通过运算放大、后产生VAC。VAC经过全波整流器后滤波,得到直流控制电压,用于控制可变电阻,由可变电阻和运放构成的放大器增益就会受控于交流驱动电压,从而实现增益的负反馈,最后与固定的直流VDC相叠加后为静电驱动电压作用在梳齿上。
当无外加压力时,谐振子的初始刚度为1006.41N/m,直流驱动电压为12V,从图4可以观察到其上电的起振时间大约为1.2秒。
当外界有压力作用时,谐振子的刚度减小从而谐振频率降低,为了观察不同下频率AGC对幅度的调制作用,在2秒时,施加压力改变谐振子刚度为950 N/m,图5为对应的振动幅度。在刚度变化前后,稳态幅度大小变化微小。AGC对于压力传感器的稳幅有很好的调制作用。(图5)
不同批次的谐振子因为工艺的误差,最终的品质因子Q值都不尽相同,所以,我们要观察AGC电路的可移植性。
当机械谐振子的Q值从20000到50000变化时,图6为对应的放大振动幅度,随着Q值的增大,系统稳定振荡后,位移振动幅值会有所增大。(图6)
当机械谐振子的Q值降低到2000时,图7为对应的放大振动幅度,无法让谐振子正常工作在其范围内。
将AGC的增益增大10倍,如图8示,可以看到谐振子在Q为2000时正常工作,但是起振初期会有超调现象。但是将Q值增大到20000时起振初期的位移超调会将近11um,对于传感器而言会有非线性和吸合的危险[6]。
所以我们可以得出,AGC的闭环驱动是可移植的,但是对于不同品质因子下的谐振子,AGC的工作范围是不同的,我们要根据具体的Q值,来选择AGC的增益。
谐振式压力传感器是通过检测谐振子的谐振频率来测量压力的,所以,在稳幅振荡的前提下,我们还要考察其频率跟踪性,Q在20000,刚度在2秒从1006.4 N/m跃跳变到800 N/m,仿真时间为5秒,在上电后,谐振频率为33.9kHz,在2秒后谐振频率变化为30.1kHz,见图9,实现了频率的自动跟踪。
5 结论
在本文中,首先对谐振式压力传感器进行了简单介绍,然后对传感器的驱动方式进行了说明,在对比锁相环驱动与AGC驱动的基础上,对AGC自激驱动进行了matlab仿真,对于不同Q值的谐振子,AGC增益取值不同,过大或者过小,都有可能导致系统失效,从而无法起振,所以AGC的闭环驱动是可移植的,但是对于不同品质因子下的谐振子,AGC的工作范围是不同的,我们要根据具体的Q值,来选择AGC的增益。最后验证了AGC闭环自激的频率跟踪性,实现了AGC幅度频率的双重稳定振荡驱动。
摘要：谐振式传感器由于其重量轻、精度高、响应快在压力测量领域获得了飞速发展,传感器的构成包括机械谐振子在内的机电一体的谐振系统,而驱动系统对保持机械谐振器振荡的稳定性和可靠性起着重要作用。本文针对一种典型结构的谐振式压力传感器,分析比较了不同的闭环驱动结构,最后构建了其行为级闭环自激仿真模型,在MATLAB中对自激回路的起振情况进行了仿真;验证了AGC对压力传感器幅度与频率的双重跟踪性。
关键词：MEMS谐振器,闭环拓扑,行为级仿真
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