應(yīng)變片壓力傳感器).doc

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成績評定： 傳感器技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 題 目 應(yīng)變片壓力傳感器 摘要 壓力傳感器是工業(yè)實(shí)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(jī)械力作用發(fā)生形變時，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)；當(dāng)機(jī)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，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因?yàn)榻?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(shí)際的情況不是這樣的，所以決定了壓電傳感器只能測量動態(tài)的應(yīng)力。 關(guān)鍵詞：壓力傳感器 極化效應(yīng) 晶體介質(zhì) 壓電效應(yīng) 目 錄 一 、設(shè)計(jì)目的 1 二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 1 2.1設(shè)計(jì)任務(wù) 1 2.2設(shè)計(jì)要求 1 三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析 2 3.1設(shè)計(jì)方法 2 3.2設(shè)計(jì)步驟 3 3.3設(shè)計(jì)原理分析 4 四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會 6 五、參考文獻(xiàn) 7 一 、設(shè)計(jì)目的 1. 設(shè)計(jì)一個利用兩組電阻應(yīng)變片傳感器的裝置制作一個可以測量容器中粗存的液體重量的裝置 2. 增加學(xué)生自主思考解決問題以及動手制作的能力 3. 結(jié)合課本與實(shí)踐增加學(xué)生對知識的理解與吸收 二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 2.1設(shè)計(jì)任務(wù) （1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理制作一個測量壓力傳感器的裝置 （2）實(shí)現(xiàn)基本功能 （3）畫出相應(yīng)的測量電路及推導(dǎo)計(jì)算液體重量的公式 2.2設(shè)計(jì)要求 （1）通過查閱資料完成理論知識的掌握 （2）根據(jù)原理及實(shí)踐熟悉課程知識 （3）要求學(xué)生獨(dú)立完成 三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析 1. 設(shè)計(jì)方法 應(yīng)變式物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。當(dāng)外力去除后物體又能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀的應(yīng)變稱為彈性應(yīng)變。應(yīng)變片傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。傳感器由在彈性元件上黏粘電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。應(yīng)變傳感器工作時引起的電阻值變化甚小，但其測量靈敏度較高。它是利用應(yīng)變電阻效應(yīng)將力學(xué)量，轉(zhuǎn)換成易于測量的電壓量的器件，是最基本的傳感器之一。它在力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量中得到了廣泛的應(yīng)用。 2. 設(shè)計(jì)步驟 （1） 按照基本原理設(shè)計(jì)電路圖2 和實(shí)物連接圖1 （2） 列出液體體積密度重量與電壓壓力的關(guān)系式 （3） 根據(jù)設(shè)計(jì)連接電路與實(shí)物 通過實(shí)驗(yàn)原理將電路設(shè)計(jì)完成，然后根據(jù)設(shè)計(jì)圖接線，將裝置連接起來，再根據(jù)液體體積與壓力和電壓轉(zhuǎn)換的線性關(guān)系就可以測量出液體的重量。 3. 設(shè)計(jì)原理分析 應(yīng)變片壓力傳感器原理與應(yīng)用 力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。 在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認(rèn)識一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 電阻應(yīng)變片由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕 緣保護(hù)片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動電流太大，同時應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過于復(fù)雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。 電阻應(yīng)變片的工作原理 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示： 式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率（Ωcm2/m） S——導(dǎo)體的截面積（cm2） L——導(dǎo)體的長度（m） 我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。 本裝置通過將液體重量轉(zhuǎn)換成易于測量的電壓量，電橋輸出電壓與柱式容器內(nèi)感膜上面溶液的重量成線性關(guān)系，因此可以通過重量轉(zhuǎn)換成的電壓測量出容器內(nèi)部液體儲存的溶液重量。 四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會 傳感技術(shù)是一門綜合性的課程知識，想做好這次實(shí)驗(yàn)，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。只有熟悉了這些課程才能真正的完成這些實(shí)驗(yàn)。首先，是電路設(shè)計(jì)，要明擺傳感器的原理及在電路中的作用是什么。雖然最終設(shè)計(jì)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(jìn)一步的熟悉了這個軟件的功能，并能運(yùn)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，這可以說是最關(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的努力白費(fèi)。仿真結(jié)果雖然顯示出數(shù)字來了，但是和要求相差很遠(yuǎn)，因此就一次次的調(diào)試，改變電阻的阻止，以及滑動變阻器的阻止，最終把結(jié)果調(diào)試出來了。 通過這次傳感器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，使我學(xué)到了不少實(shí)用的知識，更重要的是，做實(shí)驗(yàn)的過程中，思考問題的方法，這與做其他的實(shí)驗(yàn)是通用的，真正使我們受益匪淺。在這次的實(shí)驗(yàn)過程中我們要培養(yǎng)自己的獨(dú)立分析問題，和解決問題的能力。在調(diào)試電路圖的過程中，要學(xué)會自己思考。 最后通過這次實(shí)驗(yàn)我不但對理論知識有了更深刻的理解，更加強(qiáng)了我的綜合能力，希望以后能多有這樣的作業(yè)，是我們能把所學(xué)的專業(yè)知識綜合運(yùn)用。使我們整體對各個方面得到不少的提高讓我們得到更好的鍛煉。 五、參考文獻(xiàn) 1.《傳感器原理及工程應(yīng)用》 西安電子科技大學(xué)出版社 郁有為 2.《傳感器與自動檢測技術(shù)》 高等教育出版社 余誠波 3.《電氣測試技術(shù)》 機(jī)械工業(yè)出版社 林德杰