压力传感器教材

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1、压力传感器 汇报人: 宗 雪 时间：2016.2.20 目 录 绪论 第一章 压阻式压力传感器 第二章 电感式压力传感器 第三章 压电式压力传感器 第四章 智能式压力传感器 第五章 电容式压力传感器 传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成，如 图1 所示。 敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元 件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；变换电路负责对转换元件输出 的电信号进行放大调制；转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。 辅助电源 敏感元件转换元件变换电路 被测量电量 压力传感器的组成 传感器：是能够感受规定的被测量并按照一定的转换规

2、律转换成可用的输出信号 的器件或装置。 绪 论 压力传感器的分类： 按工作原理分 压阻式压力传感器 电容式压力传感器 电感式压力传感器 压电式压力传感器 智能式压力传感器 按照所使用的材料 金属压力传感器 半导体压力传感器 金属氧化物压力传感器 光学压力传感器 绪 论 第一章 压阻式压力传感器 压阻式压力传感器是应用最为广泛的压力传感器之一。 压阻式压力传感器的原理 压阻效应：沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变形，它的电阻率会发生显著 变化，这种现象称为半导体的压阻效应。利用半导体材料的压阻效 应制成的传感器称为压阻式传感器。目前使用最多的是单晶硅半导 体。 由于压力的原因，硅晶体的电阻发生

3、变化，变化的大小与受到的压力大小有关， 同时与材料本身的压阻系数有关。 影响压阻系数最主要因素是环境温度和扩散杂质的表面浓度。压阻系数随扩散杂 质浓度的增加而减小。 扩散杂质浓度 ，压阻系数减小 当表面杂质浓度较低时，温度 ，压阻系数 较快；提高表面杂质浓度，温度升 高，压阻系数 较慢。 压阻式压力传感器的特点 最突出的优点：灵敏度高、尺寸小、横向效应小、滞后和蠕变小，适于动态测量 优点如下： 频率响应范围宽，固有频率很高 体积小，可微型化。由于采用了集成电路的工艺方法，因而硅膜片敏感元件 可做的很小。 精度高、灵敏度高。 由于压阻式压力传感器无活动部件，所以它工作可靠、耐震、耐冲击、耐腐 蚀

4、、抗干扰能力强以及可以在恶劣环境下工作。 缺点： 由于压阻式压力传感器是用半导体材料制作的，受温度影响较大，因此，在 温度变化大的环境中使用时，必须进行温度补偿。 制作工艺复杂。对研制条件要求高而严格，尤其是扩散杂质、烧结、封装工 艺等比其它传感器要复杂的多，因而成本较高。 传感器技术发展的主要趋势：小型化，集成化，智能化。在集成电路部分制成一 些微处理器，使得其具有记忆，思维，判断，处理的能力。 第一章 压阻式压力传感器 Arduino FSR402 0.5“ 压力传感 器 压力感测电阻 Sparkfun原装 ￥：79元/个 应用：压力传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、

5、生物医学工程、 气象、地质、地震测量等各个领域。在航天和航空工业中压力是一个关键参数，对静 态和动态压力，局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻式传感器是用 于这方面的较理想的传感器。例如，用于测量直飞机机翼的气流压力分布，测试发动 机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。 ￥：35元/个 美国freescale 压力传感器 MPX53DP 压阻式硅压力传感器50kPa 第一章 压阻式压力传感器 第二章 电感式压力传感器 电感式传感器是一种利用磁路磁阻变化，引起传感器线圈的电感（自感或互感） 变化来检测非电量的一种机电转换装置。 电感式传感器的主要特征是具有线圈绕组。 工作

6、原理：由于磁性材料和磁导率不同，当压力作用于膜片时，气隙大小发生改 变，气隙的改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变化转化成相 应的信号输出，从而达到测量压力的目的。 这种压力传感器按磁路变化可以分为两种：变磁阻和变磁导。电感式压力传感器 的优点在于灵敏度高、测量范围大；缺点就是不能应用于高频动态环境。 它的特点是：结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作 环境要求不高、分辨率较高（如在测长度时一般可达0.1m）。示值误差一般为 示值范围的0.1%0.5%、稳定性好。 优点：灵敏度高、测量范围大。 缺点：频率响应低，不宜用于快速动态测量，且分辨率和示值误差与示值范

7、围有 关，示值范围大时，分辨率和示值精度将相应降低。 第二章 电感式压力传感器 应用：厚度、角度、表面粗糙度；拉伸、压缩、垂直度；压力，流量，液位；张力 、 重力、负荷量；扭矩、应力、动力；气压、温度；振动、速度、加速度等 第二章 电感式压力传感器 第三章 压电式压力传感器 压电效应：一些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）不仅在 电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。 这些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形9压缩或伸长）时，其内部将发 生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不 带电的状态，此现象称为“压电效应”。 压电式传感器的原理

8、是基于某些晶体材料的压电效应。 压电式压力传感器的原理：压电式压力传感器是基于压电效应的传感器。是一 种自发电式和机电转换式传感器。 它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷 放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电 式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等（见 压电式压力传感器、加速度计）。压电式压力传感器是利用压电材料的压电效 应将被测压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产 生的电荷量与作用力之间呈线性关系： Q=KSP 式中：Q为电荷量；K为压电常数；S为作用面积；P为压力。通过测量电荷

9、量可 知被测压力大小。 第三章 压电式压力传感器 压电式压力传感器的特点：以压电效应为工作原理的传感器，是机电转换式 和自发电式传感器。 它的敏感元件是用压电的材料制作而成的，而当压电材料受到外力作用的时 候，它的表面会形成电荷，电荷会通过电荷放大器、测量电路的放大以及变 换阻抗以后，就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出。它是 用来测量力及可以转换成为力的非电物理量。 例如：加速度和压力。它有很多优点：重量较轻、工作可靠、结构简单、信 噪比很高、灵敏度很高以及信频宽等等。但是它也存在着某些缺点：有部分 电压材料忌潮湿，因此需要采取一系列的防潮措施，而输出电流的响应又比 较差那就要使

10、用电荷放大器或者高输入阻抗电路来弥补这个缺点，让仪器更 好地工作。 第三章 压电式压力传感器 压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和纪录。 压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷 迅速泄露而是测量误差变大。压电传感器的前置的放大器有两个用处： 一 是把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出 图1 电压等效电路 图2 简化电路 第三章 压电式压力传感器 二 是把传感器的微弱信号进行放大 由于引入了电容负反馈 ，电荷放大器的输出电 压仅与传感器产生的电 荷量及放大器的反馈电 容有关，电缆电容等其 他因素对灵敏度的影响 可以忽略不计。电荷放 大器的灵

11、敏度为 电荷放大器等效电路 第三章 压电式压力传感器 压电式压力传感器的光纤传输技术应用在内弹道试验研究中的使用 内弹道试验研究的对象是炮管内的压力、炮口速度和作用时间（击发底火后到弹丸通过 身管所需要的时间）。最主要的测量对象是压力，因为只有压力能表征内弹道的循环特 性，从压力曲线可以得到火药的火药力、压力冲量及火药的燃速等重要参量。火药气体 压力首先从零开始迅速地增加到某一个最大峰值，然后，下降。整个过程的时间只有千 分之几秒，而且，是一个非周期性的单次脉冲过程。因此，测量这种瞬变动态参数，压 电式压力传感器的宽频响、高动态性能具有明显优势。 在电热化学炮发射平台进行试验时，由于存在高电压

12、、大电流的脉冲放电过程，会产生 多种电磁干扰源。采用传统的测压方式容易将电磁干扰信号耦合到测压线路中，影响测 试精度。国外电热化学炮压力测量采用模拟光纤调频技术，国内采用光电隔离方式、脉 冲变压器隔离方式和现场存储方式等技术。现场存储型测压方式很好地解决了电磁干扰 问题，但压力曲线的时间零点与其他参量灭有统一的时间零点，给研究等离子体增强体 作用带来了一定影响。 第三章 压电式压力传感器 压电式压力传感器的其他应用 压电式压力传感的应用领域很广泛：电声学、生物医学和工程力学等等。 它能够测量发动机里面的燃烧压力，也能够应用在军事方面。 它可以测量在膛中的枪炮子弹在击发的那一刻，膛压的改变量以及

13、炮口所 受到的冲击波压力。 它能够测量很小的压力，也能够测量大的压力。由于它的使用寿命很长、 重量较轻、体积较小、结构较简单，因此它所涉及的领域远远不止这些。 在对建筑物、桥、汽车和飞机等的冲击和震动的测量，也是非常广泛的。 特别是在宇航和航空的领域里，它的地位是特殊的。 第三章 压电式压力传感器 第四章 智能式压力传感器 智能压力传感器是微处理器和压力传感器的结合。因此，根据它们的实现途径 可分为：非集成化的智能压力传感器、集成化的智能压力传感器和混合型的智 能压力传感器。 非集成化的智能压力传感器是把传统的压力传感器、信号调理电路、带数字总 线接口的微处理器结合成一整体而构成的一个智能压力

14、传感器系统。这种非集 成化的智能压力传感器实际上就是就是在传统的压力传感器系统上增加了微处 理器的连接。因此，这是一种实现智能压力传感器系统最快的途径和方式。 集成化智能压力传感器是采用微机械加工技术以及大规模集成电路工艺技术， 利用硅作为基体材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理器单元，并把它 们集成在一块芯片上而构成的。随着微电子技术的飞速发展，以及随着微米/纳 米技术的采用，由此而制作出的智能压力传感器具有微型化、结构一体化、精 确度高、多功能、阵列式、全数字化、使用方便、操作简单等特点。 智能压力传感器的功能 在智能压力传感器系统中，微处理器能够按照给定的程序对传感器实现软件控 制，

15、把传感器从单一功能变为多功能，智能压力传感器一般具有以下基本功能 ： 数据处理功能：智能压力传感器不仅能对各个被测参数进行测量，而且能够根 据已知被测参数求出未知参数，并能够自动调零、自动平衡、自动补偿等。 自动诊断功能：这是智能压力传感器的重要功能，智能压力传感器通过其故障 诊断软件和自检软件，自动对传感器和系统工作状态进行定期和不定期的检 测、测试，及时发现故障，协助诊断发生故障的原因、位置，并给予操作提示 。 软件组态功能：智能压力传感器由于采用了微处理器，所以它不仅要有必要的 硬件组成，例如检测、放大、A/D、D/A、通讯接口等，而且还有软件资源用于 控制和处理数据。在智能压力传感器中

16、，设置有多模块化的硬件和软件，用户 可以通过微处理器颁布命令，改变传感器的硬件模块和软件模块的组合状态， 已达到不同的应用目的，完成不同的功能，增加了传感器的灵活性和可靠性。 第四章 智能式压力传感器 接口功能；智能压力传感器采用标准化接口，统一的接口标准容易通过RS- 232、RS-485、HART等总线和上位机进行通信。这样，可以由远距离中央 控制计算机来控制整个系统的工作，对测量系统进行遥控，也可以将测量数 据传送到远方用户。 人机对话功能：将计算机、智能压力传感器、仪表组合在一起，配备了各种 显示装置和输入键盘，使系统具有灵活的人机对话功能进行人机对话，配合 操作人员指导工作、减少操作失误和读数失误，及时进行修改。 信息存储和记忆功能：智能压力传感器具有信息存储、记忆功能、能把测量 参数、状态参数通过RAM和EEPROM进行存储。为了防止数据在掉电后自 动消失，智能压力传感器中具有备用电源，当系统掉电后，能够把后备电源 接入RAM，保护数