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安全检测实习
摘要1
引言2
1、压力传感器的发展历史及研究现状2
1.1压力传感器的发展历史2
1.2压力传感器的研究现状3
1.3压力传感器的发展趋势4
2、课程设计的要求5
3、设计原理5
4、方案设计7
4.1电路图设计7
4.2电路仿真8
4、结论9
参考文献10
附录10
摘要
随着计算机技术的不断发展,信息处理技术也在不断发展完善。
但作为提供信息的传感器,它的发展相对于计算机的信息处理功能来说就落后了。
这使得自动检测技术受到影响,而检测技术是人类认识世界和改造科技不可少的重要手段压电式压力传感器原理基于压电效应。
压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。
当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。
相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应。
压电式压力传感器的种类和型号繁多,按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。
膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。
压电元件支撑于本体上,由膜片将被测压力传递给压电元件,再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。
这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。
现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。
关键词:
零点漂移,灵敏度温漂,压力
引言
传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙探索到海洋开发;从生产过程的控制到现代文明生活,几乎每一项现代科学技术都离不开传感器,因此,传感器技术发展速度十分惊人,半导体压阻式力传感器亦不例外。
我国对传感器的研究尚处于比较落后的状态,尤其是高精度(0105级以上)压力传感器。
虽说生产厂家已达1300多家,但产品种类仅有300余种(大约为传感器种类的七分之一),产量一亿多只,仅满足国内需求的20%~30%。
因而开发和研制高精度压力传感器具有广泛的应用前景和社会效益。
从事传感器
研究的科技工作者必须了解压力传感器的发展历史、研究现状和发展趋势,以减小工作的重复性和盲目性。
1、压力传感器的发展历史及研究现状
1.1压力传感器的发展历史
(1)发明阶段(1947~1960):
这个阶段主要是以1947年双极性晶体管的发明为标志。
此后,半导体及设备的特性得到了广泛应用。
史密斯(C.S.Smith)于1945年发现了硅和锗的压阻效应[5],即当有机械力作用于半导体材料时,其电阻发生变化。
依据此原理制成的第一个压力传感器是把应变电阻片粘在金属簿膜上,将力信号转化为电信号进行测量。
此阶段最小尺寸大约为1cm。
(2)基础技术发展阶段(1960~1970):
为提高传感器的性能,应变片被直接扩散在硅杯的底面簿膜上。
用硅杯代替金属膜,实现了金属—硅共晶体。
这个阶段也是“商业和市场发展的阶段”,即把技术研究变为实际应用。
此阶段最小加工线度为015cm。
(3)批量加工阶段(1970~1980):
采用选择性的各项异性的化学腐蚀加工的工艺提高膜片的性能。
由于腐蚀可以在整个表面进行,因此,数百个传感器膜片可以一批加工完成。
这一阶段类似于集成电路的制作。
由于表面光刻技术的发展,加工尺寸十分精确,加之离子注入工艺的应用使工艺水平进一步提高。
此阶段最小加工尺寸为012cm。
(4)微机械加工阶段(1980~今):
微机械加工工艺适应于结构型传感器,或线度在微米级(10~6μm)范围的其他结构。
利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜,标志着传感器已进入了微米阶段。
此阶段标志传感器的最小尺寸为0102cm。
1.2压力传感器的研究现状
(1)开发耐高温的压力传感器 主要是以新型半导体材料(SiC)为膜片的压阻式力传感器为代表。
Ziermann,Rene和VonBerg,Jochen等人[6]首先于1997年报导了使用单晶n型β2SiC材料制成的压力传感器,这种压力传感器工作温度可达573K,耐辐射。
在室温下,此压力传感器的灵敏度约为2012muV/VKPa;Okojie,RobertS和Ned,AlexanderA等人1997年报导了可工作在500℃条件下的6H2SiC压阻式力传感器[7],它的满量程输出范围(FSOat1000PSi)可达40166mV(23℃)和20103mV(500℃),线性度可达-0117%,电阻的温度系数(TCR)为-0125%/℃(100℃)和-0105%/℃(500℃),TCGF(Temperatureco2efficientofgaugefactor)为-0119%/℃(100℃)和-0111%/℃(500℃)。
(2)微机械加工的压力传感器 主要是以微机械加工为标志的,线度大约在1~2mm左右的微型压力传感器,这种压力传感器由于体积很小,可以放置于人体的重要器官(如:
血管、眼睛等)内进行有关数据的采集。
Hachol,Andrzej;Dziuban,JanBochenek,An2drzej[8]1996年报导了他们研制的用于测量眼压的眼压计,其膜片直径为1mm。
在内眼压力(IOP-Intraocularpressure)为60mmHg时,静态输出为40mV,灵敏度系数亦较高;Mar2co,S和Samitier,J等人[9]于1997年也报导了使用极簿膜片构成的高性能、用于生物学研究的压阻式力传感器,主要用于血管压力测量。
(3)温度漂移的补偿 由于温度是影响压力传感器线性度的主要原因,温度漂移效应补偿研究成为众所关注的课题,近年来发表此方面的论文也比较多,归纳起来有两大类:
其一是利用双惠斯登电桥结构对温度漂移进行补偿,如:
Lee,Young-Tac和Seo,Hee-Don等人[10]提出的利用双惠斯登单臂电桥结构补偿法;Hou,Chenggui[11]提出的双电桥制成的。
1.3压力传感器的发展趋势
(1)小型化 小型化会带来更多的好处,重量轻、体积小、分辨率高,便于安装在很小的地方。
对周围环境器件影响小,也利于微型仪器、仪表的配套使用。
如美国的Entran公司的量程2-500PSI产品,直径仅为1127mm,可以置于人体血管测量有关参数而不会对血液的流通产生大的影响。
(2)集成化 可以利用现有的生产工艺和成熟的集成技术,把电路与传感器制作在一体。
减少工艺流程以降低生产成本,而且不易损坏。
(3)智能化 由于集成化的出现,在集成电路部分制作一些微处理机,使得其具有“记忆”“、思维”“、判断”“、处理”的能力。
目前,智能化传感器产品发展最快,它将成为传感器市场的主流。
(4)系列化 单一化产品在市场上没有大的竞争力和长久的生命力。
市场风云突变,一旦失去市场,发展则停滞不前,经济效益差,资金浪费大,产品成本高。
(5)标准化 传感器技术已形成标准化。
如IES、ISO国际标准;美国ANSIC、ANSC、MIL—T和ASTME标准;日本JIS标准;法国DIN标准;原苏联TOCT及YTO标准。
2、课程设计的要求
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
3、设计原理
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。
4、方案设计
4.1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。
4.2电路仿真
4、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。
参考文献
1.安全检测技术
2.模拟电子技术基础
3.自动检测技术
4.传感器及应用
5.脉冲与数字电容
附录
压力传感器种类及原理图
陶瓷式压力传感器
应变片压力传感器
扩散硅压力传感器
电容式压力传感器
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 安全 检测 实习