教学项目8轮胎压力检测系统的分析设计文档格式.docx
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素质目标:
1.培养耐心细致的工作态度;
2.培养严谨扎实的工作作风;
3.培养团结协作的合作精神。
技能训练目标要求:
1.了解压电传感器的原理与用途
2.学会压电传感器测量电路的设计
3.轮胎压力检测系统的分析设计
压电材料的主要特性参数有
1压电常数它是衡量材料压电效应强弱的参数,直接关系到压电输出的灵敏度。
2弹性常数弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。
3介电常数对于一定形状、尺寸的压电元件,其固有电容与介电常数有关,而固有电容又影响着传感器的频率下限。
4机械耦合系数在压电效应中其值等于转换输出量与输入量之比的平方根。
它是衡量压电材料电能转换效率的一个重要参数。
5电阻。
压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏,从而改善压电传感器的低频特性。
居里点。
是指压电材料开始丧失压电特性的温度。
5.1.3压电陶瓷(多晶体)
压电陶瓷是一种人工合成的多晶体压电材料。
其内部是由无数个细微的单晶组成的,每个晶粒具有一定的极化方向,在无外电场作用下,晶粒杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,因此压电陶瓷此时呈中性,即原始的压电陶瓷不具有压电性质,如图5—3(a)所示。
压电陶瓷材料有多种,最早的是钛酸钡(BaTiO3),现在最常用的是锆钛酸铅(PbZrO3-PbTiO3),简称PZT等。
为了提高灵敏度,在使用中常把几片同型号的压电元件粘结在一起,如图5—8是两个压电元件的组合形式。
其中(a)是两个压电元件的负极相连的并联接法,在外力作用下电荷量可增加一倍,电容量也增加一倍,输出电压与单个压电元件相同。
图(b)是两个压电元件的串接形式,其输出的电荷量与单个压电元件的相同,总的电容量为单个压电元件电容量的一半,输出增大一倍。
在实际的压电传感器中,可根据需要对压电元件进行串、并联的组合。
压电式传感器的应用
●
压电式测力传感器
它的测力范围是0~50N,最小分辨率为0.01N,绝缘阻抗为
,固有频率为50~60kHz。
非线性误差小于±
1%。
整个该传感器重为10g,可用于机床动态切削力的测量。
压电式加速度传感器
测量时,将传感器基座与试件刚性固定在一起。
当传感器与被测物体一起受到冲击振动时,由于弹簧的刚度相当大,而质量块的质量相对较小,可认为质量块的惯性很小,因此,质量块与传感器基座感受到相同的振动,并受到与加速度方向相反的惯性力的作用,根据牛顿第二定律,此惯性力为
传感器输出的电荷与作用力成正比,即
式中d11——压电系数
可见,只要测得加速度传感器的输出电荷量,便可知加速度的大小。
●压电式金属加工切削力测量
图5—11是利用压电陶瓷传感器进行测量刀具切削力的示意图。
由于压电陶瓷元件的自振频率高,特别适合测量变化剧烈的载荷。
图中压电陶瓷传感器位于车刀前部的下方,当进行切削加工时,切削力通过刀具传给压电传感器,压电传感器将切削力转换为电信号输出,记录下电信号的变化便测得切削力的变化。
●构成报警器电路
利用压电传感器对敲击、振动敏感的特性,可以制成报警器电路。
如图5—12为玻璃防冲击报警器电路原理方框图。
图中压电元件用来感知玻璃受到撞击时产生的振动波,外形及内部电路见图5—13所示。
传感器把振动波转换成电压输出,输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警使用时,将传感器用胶粘贴在玻璃上,然后通过电缆和报警电路连接。
压电传感开关电路中,vT采用场效应管3DJ6H,SP采用压电陶瓷片。
接通电源时,电容器C极板两端电压为零,与之相连的场效应管控制栅极板G的偏压为零,这时vT(),红色发光二极管()。
当用小的物体从10cm高度自由落下砸到压电陶瓷片上时,SP产生负向脉冲电压,通过二极管vD1向电容器C充电,vT的控制极加上负偏压,并超过3DJ6H所需的夹断电压-9v,这时vT(),红色发光二极管()二极管vD2旁路SP在碰撞结束后,随着电容器C上电压由于元器件漏电而逐渐降低,小于夹断电压,vT处于()状态,产生漏源电流,红色发光二极管逐渐(),最终电路恢复到初始状态。
车内胎被锐物扎破漏气部位的气流声被传声器BM接收,转换成电信号,经电容C2耦合到晶体三极管VT放大,再经耦合电容C3、C4并由电位器RP选择音量后,由SL31集成功率放大器充分放大,由耳机BE放音。
选用SL31(或LA4101)低电压集成功率放大电路,其使用电压可在2—4.5V间选择,现用3V工作电源。
2、制作与调试
印制板参考尺寸为65mm×
55mm,可自制。
电路板可安装在小盒内,传声器BM由屏蔽传声器线单独引出,线长1.2m。
在印制电路板非铜箔面装上电池夹。
SL31集成功率放大器焊在铜箔面。
元器件全部焊装后,装上两节电池,旋动电位器RP的拨盘,闭合电源开关,把电位器旋到约1/3位置处,耳机BE中有极轻微的“沙沙”声。
汽车压力传感器及其电路设计
1引言
汽车传感器是汽车电子化、智能化的基础和关键,而其中使用较多、发展最快的是压力传感器。
汽车压力传感器应用在汽车的很多系统中,如电子检测系统、保安防撞系统等.其中应用在轮胎气压方而的目的在于最大限度地减少或消除高压爆胎和低压辗胎造成的轮胎早期的损坏,使轮胎经常保持标准气压,延长轮胎的寿命,降低轮胎的消耗,提高经济效益.有报道说,将微型压力传感器埋置于汽车轮胎中,测量其中气压,以控制对轮胎的充气量,避免过量和不够,由此可节省百分之十的汽油.
2汽车压力传感器
2.1压力传感器的原理和应用分类
传感器是将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置.传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成,有时还需外加辅助电源.传感器方框图如图1所示.
制造半导体压力传感器的基本原理是利用硅晶体的压阻效应。
单晶硅材料在受到应力作用后,其电阻率发生明显变化,这种现象称为压阻效应.
压力传感器所用的元件材料是具有压阻效应的单晶硅、扩散掺杂硅和多晶硅。
根据晶体不受定向应力时,电导率是同性的,只有受定向应力时才表现出各向异性,由于应力能引起能带的变化,能谷能量移动,导致电阻率的变化,于是就有电阻的变化,从而产生压阻效应.单晶硅效应包括n型和P型硅压阻效应。
选用扩散硅目的在于在设计制造压力传感器时可根据不同温度下硅扩散层的压阻特性选择合适的扩散条件,力求使压力传感器具有良好的性能。
多晶硅在传感器中有广泛的用途,可作为微结构和填充材料、敏感材料。
压力传感器按用途分类主要是压力监视、压力测量和压力控制及转换成其他量的测量。
按供电方式分
为压阻型和压电型传感器,前者是被动供电的,需要有外电源;
后者是传感器自身产生电荷,不需要外加电源。
根据不同领域对压力测量的精度不同分为低精度和高精度的压力传感器。
2.2气压传感器
1)功能和原理:
主要是用来检测气压的传感器。
在硅片的中间,从背而腐蚀形成了正方形的膜片,利用膜片将压力转换成应力,在膜片的表面,通过扩散杂质形成了四个P型测量电阻,它们按桥式电路连接,利用压阻效应将加在膜片上的应力变换成电阻的变化,此电阻的变化通过桥式电路之后,在桥式电路的两个输出端之间。
以电位差的形式对外输出.传感器原理图如图2所示.
2)气压的输出特性:
气压与输出关系曲线如图3所示,是一接近线性关系。
3轮胎气压测量及电路设计
下面以测量轮胎气压为例详细阐述气压传感器在汽车轮胎方而的应用。
此种设计可做成一种便携式的装置,测量时将气压传感器的表置于轮胎气门嘴上,这时胎压作用于传感器的膜片上,通过压阻效应和系列变换输出微弱的电压信号,将电压信号进行相应处理显示电压值。
由此可知不同的气压对应着不同的电压值,即气压值和电压值是一一对应的,从而间接测量了气压值。
胎压测量电路方框图如图4所示.
3.1气压值和电压值的相互转换
任何一种型号的轮胎都有其标准气压,某型号轮胎标准气压为Po,气压超过P1时为高压,而低于P2时为低压。
那么标准气压Po经过此种装置显示为一定的电压值V0,气压为P1高压时则显示V1,而达到低压状态P2时则显示V2。
气压的强弱通过此种装置体现在电压值上,当电压值在V1~V2范围内变化时,则气压是符合标准的。
若电压值高于V1则为高压状态,低于V2则为低压状态,那么此时应采取一系列措施改变轮胎气压值在标准范围内,从而起到保护轮胎的效果.
3.2电压信号放大电路
我们选用的高精度低噪声仪用放大器AD620,可以用在传感器输出信号小的放大器中,如光电池传感器、应变片传感器以及压力传感器等。
由于它具有低噪声、增益精度高、增益温度系数小和高线性度等优良性能,用于此系统中是非常理想的.AD620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1一1000的仪表放大器,具有良好的直流性能和交流性能,AD620的体积小、功耗低成为应用在压力传感器中的重要因素,传感器信号放大电路如图5所示。
3.3电压信号数字化和显示
放大后的模拟电压经过A/D转换器实现模拟量到数字量的转换.A/D转换结果通过公}数译码电路变换成7段译码,最后驱动显示出相应的数值,传感器驱动显示电路方框图如图6所示.
选用双积分A/D转换器MC14433构成31/2的数字电压显示,采用动态扫描显示有多路调制的BCD码输出和超量程输出端,便于实现自动控制.MC1413为集成电路驱动器,它含有7个反相驱动单元,各单元采用达林顿晶体管电路.CC4511为7段译码驱动.MC14433提供输出可调的基准电压,当基准电压为一定值时,输出电压范围为定值.
4结束语
汽车压力传感器在轮胎方面的应用正在不断地改进,其中有很多种方式,如采用无线电发射和接受方式来测量气压的高低。
汽车压力传感器的品种正在不断地增加,功能正在不断地完善。
一般地说来,开关式传感器逐渐被线性压力传感器替代,普通性的逐渐被高性能、多功能的传感器取代,模拟式压力传感器逐渐被数字式传感器、智能化传感器取代。
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- 教学 项目 轮胎 压力 检测 系统 分析 设计