應變片壓力傳感器).doc

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成績評定： 傳感器技術 課程設計 題 目 應變片壓力傳感器 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(fā)生形變時，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(tài)，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，壓電傳感器不能用于靜態(tài)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，所以決定了壓電傳感器只能測量動態(tài)的應力。 關鍵詞：壓力傳感器 極化效應 晶體介質 壓電效應 目 錄 一 、設計目的 1 二、設計任務與要求 1 2.1設計任務 1 2.2設計要求 1 三、設計步驟及原理分析 2 3.1設計方法 2 3.2設計步驟 3 3.3設計原理分析 4 四、課程設計小結與體會 6 五、參考文獻 7 一 、設計目的 1. 設計一個利用兩組電阻應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. 增加學生自主思考解決問題以及動手制作的能力 3. 結合課本與實踐增加學生對知識的理解與吸收 二、設計任務與要求 2.1設計任務 （1）根據實驗原理制作一個測量壓力傳感器的裝置 （2）實現基本功能 （3）畫出相應的測量電路及推導計算液體重量的公式 2.2設計要求 （1）通過查閱資料完成理論知識的掌握 （2）根據原理及實踐熟悉課程知識 （3）要求學生獨立完成 三、設計步驟及原理分析 1. 設計方法 應變式物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現象。當外力去除后物體又能完全恢復其原來的尺寸和形狀的應變稱為彈性應變。應變片傳感器是利用電阻應變片將應變轉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變敏感元件構成。應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。它是利用應變電阻效應將力學量，轉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、重量等參數的測量中得到了廣泛的應用。 2. 設計步驟 （1） 按照基本原理設計電路圖2 和實物連接圖1 （2） 列出液體體積密度重量與電壓壓力的關系式 （3） 根據設計連接電路與實物 通過實驗原理將電路設計完成，然后根據設計圖接線，將裝置連接起來，再根據液體體積與壓力和電壓轉換的線性關系就可以測量出液體的重量。 3. 設計原理分析 應變片壓力傳感器原理與應用 力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、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，我們首先認識一下電阻應變片這種元件。電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉換和CPU）顯示或執(zhí)行機構。 金屬電阻應變片的內部結構 電阻應變片由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕 緣保護片和引出線等部分組成。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電阻的取值范圍應注意：阻值太小，所需的驅動電流太大，同時應變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜。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。 電阻應變片的工作原理 金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示： 式中：ρ——金屬導體的電阻率（Ωcm2/m） S——導體的截面積（cm2） L——導體的長度（m） 我們以金屬絲應變電阻為例，當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），即可獲得應變金屬絲的應變情況。 本裝置通過將液體重量轉換成易于測量的電壓量，電橋輸出電壓與柱式容器內感膜上面溶液的重量成線性關系，因此可以通過重量轉換成的電壓測量出容器內部液體儲存的溶液重量。 四、課程設計小結與體會 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。只有熟悉了這些課程才能真正的完成這些實驗。首先，是電路設計，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，讓我進一步的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，這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的努力白費。仿真結果雖然顯示出數字來了，但是和要求相差很遠，因此就一次次的調試，改變電阻的阻止，以及滑動變阻器的阻止，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，做實驗的過程中，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。在這次的實驗過程中我們要培養(yǎng)自己的獨立分析問題，和解決問題的能力。在調試電路圖的過程中，要學會自己思考。 最后通過這次實驗我不但對理論知識有了更深刻的理解，更加強了我的綜合能力，希望以后能多有這樣的作業(yè)，是我們能把所學的專業(yè)知識綜合運用。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 1.《傳感器原理及工程應用》 西安電子科技大學出版社 郁有為 2.《傳感器與自動檢測技術》 高等教育出版社 余誠波 3.《電氣測試技術》 機械工業(yè)出版社 林德杰