毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 论文题目: 智能压力传感器的设计 姓 名 :郭达祥 专 业 :电子信息工程技术 班 级 :电子 0922 学 号 :0901012219 摘 要 随着计算机测控系统特别是多传感器计算机测控系统的发展， 智能传感器系统作为一个与之相应的新兴研究方向，正受到人们越 来越多的关注然而，虽然近年来它的研究与开发已取得一定成果， 但还远远不能满足实际需求，尤其在压力测量领域更是急待发展 随着压力测控系统的发展，现有的传统压力传感器已无法满足要求， 而集信息采集、信息处理和数字通信功能于一身，能自主管理，具 有智能化特性的智能压力传感器系统已成为生产实践发展迫切需求 本文对智能压力传感器系统理论及其在压力测量方面的应用进 行了深入研究，并对其智能化功能、硬件配置进行了全面的设计 系统采用集成度高，功能强大的新型微处理器控制，其内部集成了 大量的模拟和数字外围模块,具有很强的数据处理能力电路内配置 了为实现多功能智能化所必需的硬件，并全部采用低价格、小体积 器件，再与传感元件组装在一起，从而使整个系统在保证智能化功 能的前提下，具有体积小、成本低、一体化和抗干扰能力强的特点。
目录 第一章 引言 1.1 压力传感器概述 ………………………………………………………………1 1.2. 压阻式压力传感器的工作原理…… ……………………………………….2 1.3 压阻式压力传感器的工作原理 ……. …………………………………………5 第二章 2.1 绪论……………………………………………………………………………….7 2.2 设计目的………………………………………………………………………….7 第三章 原理分析 3.1 工作原理…………………………………………………………………………9 第四章 实现过程 4.1 电路图设 计……………………………………………………………………….10 参考文献…………………………………………………………………………11 第一章 引言 1.1 压力传感器概述 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力 传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。
我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的某些晶体介质，当 沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉 之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产 生出电的效应，这就是所谓的极化效应科学家就是根据这个效应研制出了压 力传感器 压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺 其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的， 在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电 性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）由于随着应力的变化电场变 化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代 而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比 较低的环境下才能够应用磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高 的湿度，所以 已经得到了广泛的应用 在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压 电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量， 因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。
实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中压电式加速度传感 器是一种常用的加速度计它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等 优异的特点压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和 冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地 位压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量 也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的 变化和炮口的冲击波压力它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小 的压力 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音 器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器 的应用就非常广 除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应 变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材 料，在不同的场合能够发挥它们独特的用 1.2 压力传感器工作原理 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业 自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、 石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用 传感器原理及其应用 1 、应变片压力传感器原理与应用 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传 感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压 力传感器及电容式加速度传感器等。
但应用最为广泛的是压阻式压力传感器， 它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性下面我们主要介绍这类 传感器 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件电阻 应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件它是压 阻式应变传感器的主要组成部分之一电阻应变片应用最多的是金属电阻应变 片和半导体应变片两种金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两 种通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当 基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生 改变，从而使加在电阻上的电压发生变化这种应变片在受力时产生的阻值变 化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行 放大，再传输给处理电路（通常是 A/D 转换和 CPU ）显示或执行机构 如图 1 所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变 箔、绝缘保护片和引出线等部分组成根据不同的用途，电阻应变片的阻值可 以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大， 同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值 变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。
而电阻太大，阻抗太高， 抗外界的电磁干扰能力较差一般均为几十欧至几十千欧左右 电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产 生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应金属导体的电阻值可用下式表示： 式中： ρ——金属导体的电阻率（Ωcm2/m ） S ——导体的截面积（cm2 ） L ——导体的长度（m ） 我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都 会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受 外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大当金属丝 受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小只要测出加在 电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得 应变金属丝的应变情 2 、陶瓷压力传感器原理及应用 抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前 表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个 惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正 比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的 不同标定为 2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V 等，可以和应变式传感器相兼容。
通过激光标 定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿 0 ～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触 瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料陶瓷的 热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40 ～135 ℃，而且 具有测量的高精度、高稳定性电气绝缘程度2kV，输出信号强，长期稳定性 好高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有 全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替 代扩散硅压力传感器 3 压电压力传感器原理与应用 压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺 其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的， 在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电 性质完全消失（这个高温就是所谓的 “居里点”）由于随着应力的变化电场变 化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代 而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比 较低的环境下才能够应用磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高 的湿度，所以已经得到了广泛的应用。
现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电 陶瓷、PZT 、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量， 因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存 实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中压电式加速度传感 器是一种常用的加速度计它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等 优异的特点压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和 冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地 位压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量 也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的 变化和炮口的冲击波压力它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小 的压力 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就 是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应 用就非常广泛 1.3 压阻式压力传感器的工作原理 利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。
单晶硅材料在 受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电 信号输出压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其 他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制（见 加速度计） 压阻效应 当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能 谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向 的平均量，从而使硅的电阻率发生变化这种变化随晶体的取向不同而异，因 此硅的压阻效应与晶体的取向有关硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻 应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化 则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大 50～100 倍 压阻式压力传感器的结构 这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶 硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引 线压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过 弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的硅膜片的 一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔硅膜片一般 设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为 20～60。
在圆形硅膜片(N 型)定域 扩散 4 条 P 杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处。