數字式壓力感測裝置設計

Ⅰ 求：壓力感測器的基本工作原理、應用 和設計 方面的資料

壓力變送器上海蒙暉是工業實踐中最為常用的一種感測器，其廣泛應用於各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建築、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業。下面就簡單介紹一些常用壓力變送器的原理及其應用、壓力變送器是用於測量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力，然後將壓力信號轉變成4～20mA DC信號輸出。
壓力變送器主要有電容式壓力變送器和擴散硅壓力變送器，陶瓷壓力變送器，應變式壓力變送器等。壓力變送器根據測壓范圍可分成一般壓力變送器（0.001MPa～35MPa）和微差壓變送器（0～1.5kPa），負壓變送器三種。
壓力變送器的主要作用把壓力信號傳到電子設備，進而在計算機顯示壓力其原理大致是：將水壓這種壓力的力學信號轉變成電流（4-20mA）這樣的電子信號壓力和電壓或電流大小成線性關系，一般是正比關系。所以，變送器輸出的電壓或電流隨壓力增大而增大由此得出一個壓力和電壓或電流的關系式壓力變送器的被測介質的兩種壓力通入高、低兩壓力室，低壓室壓力採用大氣壓或真空，作用在δ元（即敏感元件）的兩側隔離膜片上，通過隔離片和元件內的填充液傳送到測量膜片兩側。
壓力變送器是由測量膜片與兩側絕緣片上的電極各組成一個電容器。當兩側壓力不一致時，致使測量膜片產生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側電容量就不等，通過振盪和解調環節。

主要優點
1、壓力變送器具有工作可靠、性能穩定等特點；

2、專用V/I集成電路，外圍器件少，可靠性高，維護簡單、輕松，體積小、重量輕，安裝調試極為方便；
3、鋁合金壓鑄外殼，三端隔離，靜電噴塑保護層，堅固耐用；
4、4-20mA DC二線制信號傳送，抗干擾能力強，傳輸距離遠；
5、LED、LCD、指針三種指示表頭，現場讀數十分方便。可用於測量粘稠、結晶和腐蝕性介質；
6、高准確度，高穩定性。除進口原裝感測器已用激光修正外，對整機在使用溫度范圍內的綜合性溫度漂移、非線性進行精細補償。

主要分類
1、普通壓力變送器
2、防爆壓力變送器
3、差壓變送器
4、中、高溫壓力變送器
5、遠傳壓力變送器

工作原理
當壓力直接作用在測量膜片的表面，使膜片產生微小的形變，測量膜片上的高精度電路將這個微小的形變變換成為與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，然後採用專用晶元將這個電壓信號轉換為工業標準的4-20mA電流信號或者1-5V電壓信號。
由於測量膜片採用標准話集成電路，內部包含線性及溫度補償電路，所以可以做到高精度和高穩定性，變送電路採用專用的兩線制晶元，可以保證輸出兩線制4-20mA電流信號。

主要性能
1、使用被測介質廣泛，可測油、水及與316不銹鋼和304不銹鋼兼容的糊狀物，具有一定的防腐能力；
2、高准確度、高穩定性、選用進口原裝感測器，線性好，溫度穩定性高；
3、體積小、重量輕、安裝、調試、使用方便；
4、不銹鋼全封閉外殼，防水好；
5、壓力感測器直接感測被測液位壓力，不受介質起泡、沉積的影響。

選型規則
1、變送器要測量什麼樣的壓力：先確定系統中要確認測量壓力的最大值，一般而言，需要選擇一個具有比最大值還要大1.5倍左右的壓力量程的變送器。這主要是在很多系統，特別是水壓測量和加工處理中，有峰值和持續不規則的上下波動，這種瞬間的峰值能破壞壓力感測器，然而，由於這樣做會精度下降。於是，可以用一個緩沖器來降低壓力毛刺，但這樣會降低感測器的響應速度。所以在選擇變送器時，要充分考慮壓力范圍，精度與其穩定性。
2、什麼樣的壓力介質：要考慮的是壓力變送器所測量的介質，黏性液體、泥漿會堵上壓力介面，溶劑或有腐蝕性的物質會不會破壞變送器中與這些介質直接接觸的材料。一般的壓力變送器的接觸介質部分的材質採用的是316不銹鋼，如果介質對316不銹鋼沒有腐蝕性，那麼基本上所有的壓力變送器都適合對介質壓力的測量；如果介質對316不銹鋼有腐蝕性，那麼就要採用化學密封，這樣不但起到可以測量介質的壓力，也可以有效的阻止介質與壓力變送器的接液部分的接觸，從而起到保護壓力變送器，延長了壓力變送器的壽命.
3、變送器需要多大的精度：決定精度的有：非線性、遲滯性、非重復性、溫度、零點偏置刻度、溫度的影響，精度越高，價格也就越高。每一種電子式的測量計都會有精度誤差，但是由於各個國家所標的精度等級是不一樣的。
4、變送器的溫度范圍：通常一個變送器會標定兩個溫度范圍，即正常操作的溫度范圍和溫度可補償的范圍。正常操作溫度范圍是指變送器在工作狀態下不被破壞的時候的溫度范圍，在超出溫度補范圍時，可能會達不到其應用的性能指標。溫度補償范圍是一個比操作溫度范圍小的典型範圍。在這個范圍內工作，變送器肯定會達到其應有的性能指標。溫度變從兩方面影響著其輸出，一是零點漂移；二是影響滿量程輸出。如：滿量程的+/-X%/℃，讀數的+/-X%/℃，在超出溫度范圍時滿量程的+/-X%，在溫度補償范圍內時讀數的+/-X%，如果沒有這些參數，會導至在使用中的不確定性。變送器輸出的變化到度是由壓力變化引起的，還是由溫度變化引起的。
5、需要得到怎樣的輸出信號：mV、V、mA及頻率輸出數字輸出，選擇怎樣的輸出取決於多種因素，包括變送器與系統控制器或顯示器間的距離，是否存在「雜訊」或其他電子干擾信號。是否需要放大器，放大器的位置等。對於許多變送器和控制器間距離較短的OEM設備，採用mA輸出的變送器最為經濟而有效的解決方法，如果需要將輸出信號放大，最好採用具有內置放大的變送器。對於遠距離傳輸出或存在較強的電子干擾信號，最好採用mA級輸出或頻率輸出。如果在RFI或EMI指標很高的環境中，除了要注意到要選擇mA或頻率輸出外，還要考慮到特殊的保護或過濾器。
6、選擇怎樣的勵磁電壓：輸出信號的類型決定選擇怎麼樣的勵磁電壓。許多放大變送器有內置的電壓調節裝置，能夠得到的一個工作電壓決定是否採用帶有調節器的感測器，選擇傳送器時要綜合考慮工作電壓與系統造價。
7、是否需要具備互換性的變送器：確定所需的變送器是否能夠適應多個使用系統。一般來講，這一點很重要。尤其是對於OEM產品，一旦將產品送到客戶手中，那麼客戶用來校準的花銷是相當大的。如果產品具有良好的互換性，那麼即使是改變所用的變送器，也不會影響整個系統的效果。
8、變送器超時工作後需要保持穩定度：大部分變送器在經過超時工作後會產生「漂移」，因此很有必要在購買前了解變送器的穩定度，這種預先的工作能減少將來使用中會出現的種種麻煩。
9、變送器的封裝：變送器的封裝，尤其往往容易忽略是它的機架，然而這一點在以後使用中會逐漸暴露出其缺點。在選購傳送器傳一定要考慮到將來變送器的工作環境，濕度如何，怎樣安裝變送器，會不會有強烈的撞擊或振動等。
10、在變送器與其它電子設備間採用怎樣的連接：是否需要採用短距離連接，若是採用長距離連接，是否需要採用一個連接器。

安裝說明
在安裝使用壓力變送器前應詳細閱讀產品樣本及使用說明書，安裝時壓力介面不能泄露，確保量程及接線正確。壓力感測器及變送器的外殼一般需接地，信號電纜線不得與動力電纜混合鋪設，感測器及變送器周圍應避免有強電磁干擾。

使用說明
日常維護
1、檢查安裝孔的尺寸：如果安裝孔的尺寸不合適，感測器在安裝過程中，其螺紋部分就很容易受到磨損。這不僅會影響設備的密封性能，而且使壓力感測器不能充分發揮作用，甚至還可能產生安全隱患。只有合適的安裝孔才能夠避免螺紋的磨損（螺紋工業標准1/2-20 UNF 2B），通常可以採用安裝孔測量儀對安裝孔進行檢測，以做出適當的調整。
2、保持安裝孔的清潔：保持安裝孔的清潔並防止熔料堵塞對保證設備的正常運行來說十分重要。在擠出機被清潔之前，所有的壓力感測器都應該從機筒上拆除以避免損壞。在拆除感測器時，熔料有可能流入到安裝孔中並硬化，如果這些殘余的熔料沒有被去除，當再次安裝感測器時就可能造成其頂部受損。清潔工具包能夠將這些熔料殘余物去除。然而，重復的清潔過程有可能加深安裝孔對感測器造成的損壞。如果這種情況發生，就應當採取措施來升高感測器在安裝孔中的位置。
3、選擇恰當的位置：當壓力感測器的安裝位置太靠近生產線的上游時，未熔融的物料可能會磨損感測器的頂部；如果感測器被安裝在太靠後的位置，在感測器和螺桿行程之間可能會產生熔融物料的停滯區，熔料在那裡有可能產生降解，壓力信號也可能傳遞失真；如果感測器過於深入機筒，螺桿有可能在旋轉過程中觸碰到感測器的頂部而造成其損壞。一般來說，感測器可以位於濾網前面的機筒上、熔體泵的前後或者模具中。
4、仔細清潔；在使用鋼絲刷或者特殊化合物對擠出機機筒進行清潔前，應該將所有的感測器都拆卸下來。因為這兩種清潔方式都可能會造成感測器的震動膜受損。當機筒被加熱時，也應該將感測器拆卸下來並使用不會產生磨損的軟布來擦拭其頂部，同時感測器的孔洞也需要用清潔的鑽孔機和導套清理干凈。

正確使用
蒙暉壓力感測器使用過程應注意考慮下列情況：
1、防止變送器與腐蝕性或過熱的介質接觸；
2、防止渣滓在導管內沉積；
3、測量液體壓力時，取壓口應開在流程管道側面，以避免沉澱積渣；
4、測量氣體壓力時，取壓口應開在流程管道頂端，並且變送器也應安裝在流程管道上部，以便積累的液體容易注入流程管道中；
5、導壓管應安裝在溫度波動小的地方；
6、測量蒸汽或其它高溫介質時，需接加緩沖管（盤管）等冷凝器，不應使變送器的工作溫度超過極限；
7、冬季發生冰凍時，安裝在室外的變送器必需採取防凍措施，避免引壓口內的液體因結冰體積膨脹，導至感測器損壞；
8、測量液體壓力時，變送器的安裝位置應避免液體的沖擊（水錘現象），以免感測器過壓損壞；
9、接線時，將電纜穿過防水接頭（附件）或繞性管並擰緊密封螺帽，以防雨水等通過電纜滲漏進變送器殼體內。

發展歷史
壓力變送器上海蒙暉是許多工業設備中用以控制工業過程和壓力變化的重要原件。壓力變送器用於測量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力，然後將壓力信號轉變成4～20mADC信號輸出。壓力變送器分電容式壓力變送器和擴散硅壓力變送器，陶瓷壓力變送器，應變式壓力變送器等。
壓力變送器是直接與被測介質相接觸的現場儀表，常常在高溫低溫腐蝕振動沖擊等環境中工作。在石油、化工、電力、鋼鐵、輕工等行業的壓力測量及現場控制中應用非常廣泛。
壓力變送器的發展大體經歷了四個階段：
1、早期壓力變送器採用大位移式工作原理，如曾大量生產的水銀浮子式差壓計及膜盒式差壓變送器，這些變送器精度低且笨重。
2、20世紀50年代有了精度稍高的力平衡式差壓變送器，但反饋力小，結構復雜，可靠性、穩定性和抗振性均較差。
3、70年代中期，隨著新工藝、新材料、新技術的出現，尤其是電子技術的迅猛發展出現體積小巧、結構簡單的位移式變送器。
4、90年代科學技術迅猛發展，這些變送器測量精度高而且逐漸向智能化發展數字信號傳輸更有利於數據採集。
壓力變送器發展至今已有電容式變送器、擴散硅壓阻式變送器、差動電感式變送器和陶瓷電容式變送器等不同類型。
20世紀90年代，現場匯流排技術迅速崛起，工業過程式控制制系統逐漸向具有雙向通信和智能儀表控制的現場匯流排控制系統方向發展。從而產生了新一代的智能壓力變送器。它們的主要特點如下。
1、自補償功能如非線性、溫度誤差、響應時間、雜訊和交叉感應等。
2、自診斷功能如在接通電源時進行自檢,在工作中實現運行檢查。
3、微處理器和基本感測器之間具有雙向通信的功能構成閉環工作系統。
4、信息存儲和記憶功能。
5、數字量輸出。
基於上述功能,智能壓力變送器的精度、穩定性、重復性和可靠性都得到提高和改善。其雙向通信能力實現了計算機軟體控制及遠程設定量程等狀態。
智能型壓力變送器主要分為帶協HART協議的和帶482或RS232介面的兩種類型。帶HART協議的智能壓力變送器是在模擬信號上迭加一個專用頻率信號,實現模擬和數字同時進行通信。帶RS232或485口的智能壓力變送器內部將模擬信號A/D轉換通過微處理器計算由D/A輸出。

發展趨勢
當今世界各國壓力變送器的研究領域十分廣泛，幾乎滲透到了各個行業，但歸納起來主要有以下幾個趨勢：
1、智能化：由於集成化的出現,在集成電路中可添加一些微處理器,使得變送器具有自動補償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。
2、集成化：壓力變送器已經越來越多的與其它測量用變送器集成以形成測量和控制系統。集成系統在過程式控制制和工廠自動化中可提高操作速度和效率。
3、小型化：市場對小型壓力變送器的需求越來越大，這種小型變送器可以工作在極端惡劣的環境下，並且只需要很少的保養和維護，對周圍的環境影響也很小，可以放置在人體的各個重要器官中收集資料，不影響人的正常生活。
4、標准化：變送器的設計與製造已經形成了一定的行業標准。
5、廣泛化：壓力變送器的另一個發展趨勢是正從機械行業向其它領域擴展，例如:汽車元件、醫療儀器和能源環境控制系統。

Ⅱ 跪求· ··關於活塞式壓電式壓力感測器的課程設計，包括各個參數的詳細計算和活塞式感測器的圖片

活塞式壓電感測器課程設計

專業:測控技術與儀器

班級:08測控

姓名:單雨

目 錄
引言 1
1.感測器課程設計的目的和任務 2
1.1目的 2
1.2要求 2
2.感測器設計方案的選擇 3
2.1感測器種類的選擇 3
2.2感測器支承的選擇 4
2.3電級結構的選擇 5
3.感測器機械設計各部分的參數確定 7
3.1晶片的參數 7
3.1.1壓電系數 7
3.1.2晶片的直徑的確定 9
3.2驗算 9
3.3電極的設計 12
3.4彈簧設計 12
4.感測器整體的結構設計 15
附錄 16
參考書目 17

引 言
壓電式壓力感測器基於壓電效應的壓力感測器。它的種類和型號繁多，按彈性敏感元件和受力機構的形式可分為膜片式和活塞式兩類。膜片式主要由本體、膜片和壓電元件組成（見圖）。壓電元件支撐於本體上，由膜片將被測壓力傳遞給壓電元件，再由壓電元件輸出與被測壓力成一定關系的電信號(見壓電式感測器)。這種感測器的特點是體積小、動態特性好、耐高溫等。現代測量技術對感測器的性能出越來越高的要求。例如用壓力感測器測量繪制內燃機示功圖，在測量中不允許用水冷卻，並要求感測器能耐高溫和體積小。壓電材料最適合於研製這種壓力感測器。目前比較有效的辦法是選擇適合高溫條件的石英晶體切割方法,例如XYδ（+20°～+30°）割型的石英晶體可耐350℃的高溫。而LiNbO3單晶的居里點高達1210℃，是製造高溫感測器的理想壓電材料。
壓電式壓力感測器的結構類型很多，但它們的基本原理與結構仍與前述壓電式加速度和力感測器大同小異。突出的不同點是，它必須通過彈性膜、盒等，把壓力收集、轉換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態特性及其穩定性，通常多採用石英晶體作壓電元件。壓電壓力感測器種類及型號繁多，按彈性敏感元件分，主要有兩種，活塞式和膜片式。在壓電式感測器中，常採用兩或兩片以上的壓電元件組合、並聯兩種方式工作，並聯時，輸出電容大、電荷大，同時，時間常數τ= 大，宜於用於緩慢信號的測量，並宜用於以電荷作輸出的場合。串聯時，輸出電壓高，自身電容小，宜使用於輸出為電壓及測量電路的輸入阻抗很高的場合。活塞式壓力感測器也分為中壓活塞式和高壓活塞式感測器。根據要求選擇的時活塞式直接支承並聯式感測器。其主要是根據外界受力的變化來轉變成電壓的變化從而測到外界的壓力的變化,壓力與外接電壓是一個線性變化的關系。下面就是壓電式壓力感測器的具體選擇方案等說明書

1.感測器課程設計的目的和任務
1.1目的
（1）. 鞏固所學知識，加強對感測器原理的進一步理解；
（2）. 理論與實際相結合，「學以致用」；
（3）. 綜合運用知識，培養獨立設計能力；
（4）. 著重掌握典型感測器的設計要點，方法與一般過程；
（5）. 培養學生精密機械與測控電路的設計能力。
1.2要求
(1)．設計時必須從實際出發，綜合考慮實用性、經濟性、安全性、先進性及操作維修方便。如果可以用比較簡單的方法實現要求，就不必過份強調先進性。並非是越先進越好。同樣，在安全性、方便性要求較高的地方，應不惜多用一些元件或採用性能較好的元件，不能單純考慮簡單、經濟；
(2)．獨立完成作業。設計時可以收集、參考感測器同類資料，但必須深入理解，消化後再借鑒。不能簡單地抄襲；
(3)．在課程設計中，要隨時復習感測器的工作原理。積極思考。不能直接向老師索取答案和圖紙。
(4). 設計感測器測頭機械機構方案,繪制總裝圖(CAD為工具),編寫感測器設計說明書。

2.感測器設計方案的選擇
設計一台活塞式壓電式壓力感測器
設計的參數
1.量程范圍（壓縮）40 MPa
2.靈敏度為1.6×10-3pC/Pa
3.固有頻率≥40kHz
4.線性度≤1％
5.絕緣電阻≥1012Ω
壓電式壓力感測器的結構類型很多，但它們的基本原理與結構仍與前述壓電式加速度和力感測器大同小異。突出的不同點是，它必須通過彈性膜、盒等，把壓力收集、轉換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態特性及其穩定性，通常多採用石英晶體作壓電元件。其結構主要是由本體、彈性敏感元件和壓電轉換元件組成。
2.1 感測器種類的選擇
壓電壓力感測器種類及型號繁多，按彈性敏感元件分，主要有兩種，活塞式和膜片式。
活塞式壓電式感測器的應用特點：
(1)靈敏度和解析度高，線性范圍大，結構簡單、牢固，可靠性好，壽命長；
(2)體積小，重量輕，剛度、強度、承載能力和測量范圍大，動態響應頻帶寬，動態誤差小；
(3) 易於大量生產，便於選用，使用和校準方便，並適用於近測、遙測。

（a）中壓活塞式 感測器 (b) 膜片式石英壓力感測器結構圖

圖 1 壓電式壓力感測器結構圖
圖(a) 1本體 2活塞3彈簧4晶片5絕緣套6晶片7電極 8絕緣套9晶體10墊塊

圖(b) 1街頭 2絕緣套3芯體4絕緣管 5電極引線6本體7晶體8壓塊9絕緣管10壓緊螺母11繁定螺母

2.2感測器支承的選擇

(a) 直接支承 (b)間接支承
圖 2 壓電壓力感測器結構簡圖
1本體 2支撐螺桿3壓電轉換元件4電極5壓電轉換元件6膜片
圖1 中(a)為晶片直接支承在本體上 （b） 為晶片間接支承在本體上。這兩種結構形式的諧振頻率相差很大。
2.3 電級結構的選擇
感測器的固有頻率為 0¬2=K/m，為了使活塞活動靈活，必須增加長度，這樣將使質量 增加而使 下降，一般取 0 30kHz 。如果採用導電膠粘接晶片和電極，可提高剛度K，使 0 提高至40kHz。
在壓電式感測器中，常採用兩或兩片以上的壓電元件組合、並聯兩種方式工作，如下圖所示。

（a）並聯方式 （b）串聯方式

圖3 壓電式的連接方式

(1)並聯結構
如圖5（a）所示，負極集中在中間，正極為上、下兩個面的串聯，此種方式稱為並聯方式。
n片並聯時，並聯輸出電容為
輸出電壓為
極板上電荷為
式中 n ¬——片數；
C1、U1、Q1——單片時的電容、電壓、電荷量。

(2)串聯結構
如圖5（b）所示，上極板為正極，下極板為負極，中間正、負電荷抵消方式稱為串聯結構形式。
輸出電荷量為

輸出電壓為

輸出電容量為

由此可見：
（1） 並聯時，輸出電容大、電荷大，同時，時間常數τ= 大，宜於用於
慢信號的測量，並宜用於以電荷作輸出的場合。
（2） 串聯時，輸出電壓高，自身電容小，宜使用於輸出為電壓及測量電路的
入阻抗很高的場合。

根據要求選擇的時活塞式直接支承並聯式感測器

3.感測器機械設計各部分的參數確定:
3.1晶片參數確定
3.1.1 壓電系數
根據正壓電效應原理可知，當一個平行於X軸的力Fx作用於垂直於X軸的壓電元件的平面上時，則在該平面上產生的點和密度為
1=d11 1=d11=d11 （3-1）
式中 d11———壓電系數：晶體受單位力作用時產生的電荷量；
1———Ax面上的作用應力。
所以，在彈性限內電荷密度 1與應力（作用力）成正比。
如果同時在壓電原件的x、y、z三個軸向上作用拉（壓）力，對yz、xy、xz平面上作用切向力，則個平面上的電荷密度可用數學表達式表示如下：
1= d11 1+ d12 2+ d13 3+ d14 23+ d15 31+ d16 12
2= d21 1+ d22 2+ d23 3+ d24 23+ d25 31+ d26 12 （3-2）
3= d31 1+ d32 2+ d33 3+ d34 23+ d35 31+ d36 12

式中 1、 2、 3——Ax、Ay、Az 各平面上的電荷密度；
1、 2、 3——Ax、Ay、Az平面上作用的軸向應力；
23、 31、 12——切向應力；
dij——壓電系數
將式（1-8）以矩陣形式表示，則有

1
2

1 3

2 =D 4

3 5

6

式中 4= 23， 5= 31， 6= 12

d11 d12 d13 d14 d15 d16
D= d11 d12 d13 d14 d15 d16 （3-3）
d11 d12 d13 d14 d15 d16

式（1-4）稱為壓電系數矩陣。實驗得到石英晶體的壓電系數矩陣為

2.31 -2.31 0 0.67 0 0
D= 0 0 0 0 -0.67 -4.62 （3-4）

0 0 0 0 0 0
由式（3-4）可知
（1） 壓電系數矩陣是正確選擇力—電轉換方式和轉換效率的重要依據；
（2） 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應；
（3） 石英晶體的壓電系數共有18個。但由於晶體的對稱性，可以確定的壓電系數只有兩個。
對於右旋石英晶體， <0和 >0：對於左旋石英晶體則是 >0, <0，即
= 2.3× C/N, = 7.3× C/N
3.1.2晶片的直徑的確定
為縱向靈敏度的計算公式為
SQ =nd11•A （3-5）
SQ=1.6×10-3 Pc/Pa=1.6×10-15C/Pa
所以 1.6× =2×2.3× ×A
A=348
A=
D=21.06mm
晶片直徑及厚度大於0.5mm
3.2驗算
彈性元件的材料應具有：
（1)強度高和耐蝕性好；
（2)彈性模量要高；
（3)溫度系數要低。
彈性儲能是衡量彈性材料的一個重要指標。彈性儲能是指單位體積所吸收最大變形的功，它表示在彈性元件的材料吸收最大變形功時，而不產生永久變形的能力。
最大變形功為

式中 W——最大彈性變形功；
——彈性極限；
E——彈性模量。
由上式可見：
（1）要使W增加，則必使E減小；
（2）但彈性元件要求有較高E值；
（3）以上兩者矛盾，綜合考慮，常取E值高的材料作彈性元件；
（4）測量超高壓時，選用超高強度的合金材料（ >1600MPa），如馬氏體、不銹鋼、鎳鈷鉬合金等。
無論選用哪種材料，都要求具有良好的機械加工性能、熱處理性能和焊接性能好等。

要保持具有良好的線性。
具有良好的線性關系必使在最大動態力作用下不脫離接觸，此時，必須滿足以下條件：在最大動態力作用下產生的變形 不超過預應力產生的變形x，即

最大動態力為 ，由胡克定律，由

因而，在此動態力作用下產生的變形為

在位移 下產生的彈性力為

所以最小預用力為

顯然， ，預應力的下限值應取 。

機械強度的設計計算
（1） 根據使用條件和測量要求合理選擇材料；
（2） 合理設計整體結構和零件尺寸；
（3） 用於超高壓測量的感測器要進行連接螺紋的強度校合，以滿足整個感測器強度要求和可靠性。壓力感測器的強度設計主要是對彈性元件和轉換元件。
設： 為被測最大壓力；A為膜片有效受力面積；A』為壓電轉換元件（晶片）的面積； 為壓電元件（晶片）的強度極限；[ ]為允許應力。則壓電元件（晶片）上承受的最大力為
= •A
=4.0× ×3.48×
=1.39× N
3.3電極設計
縱向效應晶體組件的設計
晶體元件一般設計成機械串聯（受力）、電氣並聯，以薄金屬片做電極（圖9-41），或以金屬鍍層做電極（圖9-42）。
以金屬片為電極的應用較為普遍，因其結構工藝簡單。

（a）金屬薄片式 (b)金屬鍍層式
圖4 晶體元件組
3.4.彈簧設計

圖5 彈簧設計圖
1.彈簧的作用：
保證測頭與被測目標可靠接觸。
2.設計要求：
測量力要求：小於100g，不能太硬。
行程要求： 2mm，伸縮行程。
3.關於材料的選擇和參數計算：
彈簧材料的選擇，應根據彈簧承受載荷的性質、應力狀態、應力大小、工作溫度、環境介質、使用壽命、對導電導磁的要求、工藝性能、材料來源和價格等因素確定。彈簧材料除了注意其化學成分外，還應特別注意其冶金及熱處理的工藝質量。相同成分的材料由於冶金及熱處理工藝質量不同，其機械性能往往有很大差別。感測器內部彈簧較小，選用經預先熱處理的油淬火回火的彈簧鋼絲。
考慮最大工作負荷為 ，並且在低溫下使用的彈簧材料，應具有良好的低溫韌性。碳素彈簧鋼絲、琴鋼絲和 1Cr18Ni9 等奧氏體不銹鋼彈簧鋼絲、銅合金、鎳合金有較好的低溫韌性和強度，本感測器還需要該材料膨脹系數變化極小。綜上各因素，我們小組決定選取材料1Cr18Ni9，其許用切應力 ，通過查閱機械手冊表，選取其彈簧指數為C=14，則曲度系數
。
計算彈簧絲徑 ，選取標准值 。
彈簧中徑 。節距一般取 ，這里取 。根據量程 ，查機械手冊表，選取彈簧工作圈數的標准值 ，由此得彈簧自由高度 。壓縮高度 。

表1彈簧設計所有參數
絲徑 中徑 載荷 壓縮高度 自由高度
0.35 5 0.1kg 1.225 4

為了進一步提高彈簧的許用剪切應力，需對彈簧採取強壓處理。經強壓處理後的彈簧，可提高彈簧的許用剪切應力，最高可增加25％左右。強壓處理的基本原理是將彈簧預制的比要求的自由高度高一些，然後壓縮彈簧至並緊，使其應力超過彈簧材料的彈性極限。強壓處理過的彈簧再載入時，其許用彈性極限比強壓處理前提高很多。強壓處理方式採用長時間一次強壓，保持時間為48h左右。
4.感測器整體的結構設計

圖6 活塞式壓力感測器總設計圖

總結
1•通過這次課程設計，我對感測器設計基礎知識復習了一遍，而且更重要的是又學到了很多新的知識，獲得了新的經驗。我從中學會了根據具體的數據進行查表、篩選，從而進行設計。學會知道團隊精神的重要性，在這次的課程設計當中，在一些材料的選用，數據的演算法等方面與其他同學進行了交流，提高了自己的工作效率。
2•在如此短的時間內，依靠個人能力是不可能完成如此繁瑣的資料查找與收集。所以，通過這次課程設計，加強了同學之間的交流，大大增進了我們組的凝聚力，協作的精神更強了。而且自己也學到了很多實際的有用的東西，相信對以後的工作一定會有很大的益處。
3•最後，在此對郭易老師的指導與教學表示感謝，通過老師的幫助使得我們的工作效率得到了很大的提高。

參考書目
[1] 黃賢武 ,鄭筱霞 . 感測器原理與應用 .北京：電子科技大學出版社 1995年 35-40
[2] 王化祥,張淑英.感測器原理及應用.天津：天津大學出版社 ,1999年 56-60
[3] 高曉蓉.感測器技術.西南交通大學出版社，2003年 66-70
[4] 郁有文，常健.感測器原理及工程應用.西安：西安電子科技大學出版社，2001年 75-80
[5]何希才.感測器及其應用電路 .北京:電子工業出版社 2001 90-100
[6] 陳傑 ,黃鴻.感測器與檢測技術 .北京：高等教育出版社 2002年 100-103
[7] 於建紅 . 感測技術學報 .2007年 2-4

Ⅲ 壓力感測器工作原理是什麼

壓力感測器工作原理

1 、應變片壓力感測器原理
力學感測器的種類繁多，如電阻應變片壓力感測器、半導體應變片壓力感測器、壓阻式壓力感測器、電感式壓力感測器、電容式壓力感測器、諧振式壓力感測器及電容式加速度感測器等。

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。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。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，使應變片的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化。一般這種應變片都組成應變電橋，並通過後續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 )顯示或執行機構。

2 、陶瓷壓力感測器原理
陶瓷壓力感測器 壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋(閉橋)，由於壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產生一個與壓力成正比的電壓信號。

3 、擴散硅壓力感測器原理
工作原理：被測介質的壓力直接作用於感測器的膜片上(不銹鋼或陶瓷)，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使感測器的電阻值發生變化， 用電子線路檢測這一變化，並轉換輸出一個對應於這一壓力的標准測量信號。

4 、藍寶石壓力感測器
利用應變電阻式工作原理，採用硅- 藍寶石作為半導體敏感元件，具有良好的計量特性。

5 、壓電壓力感測器原理
壓電感測器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英(二氧化硅)是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之後，壓電性質完全消失(這個高溫就是所謂的 「居里點」)。由於隨著應力的變化電場變化微小(也就說壓電系數比較低)，所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。

Ⅳ [測試技術動態壓力感測器設計]微型動態壓力感測器

測 試 技 術

感測器設計（動態壓力）

設計作品名稱：電團岩子式水流壓力感測器 作品設計人員：王思雲（[1**********]）王劍峰（[1**********]）

組員：王世斌（[1**********]）餘光林（[1**********]） 王澤青（[1**********]）

課程名稱：測試技術

學院：機械與交通學院

專業：交通運輸

設計時間：2013年11月26日-2013年12月1日

電子式水流壓力感測器的設計

有關壓力感測器簡介—帶或耐—壓力感測器是工業實踐中最為常用的一種感測器，而我們通常使用的壓力感測器主要是利用壓電效應製造而成的，這樣的感測器也稱為壓電感測器。

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生變形時，就產生了極化效應；當機械力撤掉之後，又會重新回到不帶電的狀態，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製出了壓電感測器。

壓電效應是壓電感測器的主要工作原理，壓電感測器不能用於靜態測量，因為經過外力作用後的電荷，只有在迴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，所以這決定了壓電感測器只能夠測量動態的應力。諸如空氣流動壓力，液體流動壓力，接下來我們設計的動態壓力感測器就是利用水流壓力來測量各種數據的感測器——水流壓力感測器

目 錄

緒論......................................................................................

1.1 背景....................................................................................................

1.2 應用實例..........................................................................................

原理分析..............................................................................

2.1 工作原理...........................................................................................

實現過程..............................................................................

3.1 電路圖設計.......................................................................................

3.2 電路模擬...........................................................................................

心得體會 ...............................................................................

緒 論

1.1 背景

水流壓力感測器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸蠢春鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之後，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的「居里點」）。由於隨著應力的變化電場變化微小，壓電系數比較低，所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數，但是它只能在室溫和濕度比較低的環境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬於人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經得到了廣泛的應用。

這種壓電電阻效應是由於應力的作用，引起導體與價電子帶能量狀態的變化，以及載流子數量與遷移率變化所產生的一種現象。日本從1970年開始研究開發，首先應用在血壓計上，之後在過程式控制制領域及轎車發動機控制部分都獲得了廣泛的應用。最近幾年在家用電器、家用水表、等應用領域普遍採用電子壓力感測器作為壓力控制、流量監控的效果。

圖1 電子壓力感測器模型

1.2 應用實例

圖2 水流壓力感測器在全自動洗衣機中的應用

圖3 水流壓力感測器結構圖

圖4 水流壓力感測器在水表中的應用 測量流量

圖2是水流壓力感測器在全自動洗衣機中的應用實例。如圖所示，利用氣室，將在不同水位情況下水壓的變化，作為空氣壓力的變化檢測出來，從而可以在設定的水位上自動停止向洗衣機注水。圖3是水流壓力感測器在水表當中的應用實例，利用管道當中的水流壓力壓迫管壁上的流量感測器，將壓力信號轉換成數字信號顯示在水表上。

第2章 原理分析

2.1 工作原理

圖1為PS水流壓力感測器的截面結構圖，圖2為其感測器部分的結構。如圖所示，在壓力感測器半導體矽片上有一層擴散電阻體，如果對這一電阻體施加壓力，由於壓電電阻效應，其電阻值將發生變化。受到應變的部分，即膜片由於容易感壓而變薄，為了減緩來自感測器底座應力的影響，將壓力感測器片安裝在玻璃基座上。

如圖2，圖3所示，當向空腔部分加上一定的壓力時，膜片受到一定程度的拉伸或收縮而產生形變。壓電電阻的排列方法如圖3所示，受到拉伸的電阻R2和R4的阻值增加；受到壓縮的電阻R1和R3阻值減小。圖4由於各壓電電阻如圖4那樣組成橋路結構，如果將它們連接到恆流源上，則由於壓力的增減，將在輸出端獲得輸出電壓ΔV，當壓力為零時的ΔV等於偏置電壓Voffset,在理想狀態下我們希望Voffset=0V，實際上在生成擴散電阻體時，由於所形成的擴散電阻體尺寸大小的不同和存在雜質濃度的微小差異，因此總是有某個電壓值存在。壓力為零時，R1=R2=R3=R4=R，我們把加上一定壓力時R1、R2電阻的變化部分記作ΔR；相應R3、R4電阻的變化部分記作-ΔR，於是ΔV=ΔRI 。這個ΔV相對壓力呈現幾乎完全線性的特性，只是隨著溫度的變化而有所改變。

第3章 實現過程

3.1 電路圖設計

圖5是PS壓水流壓力感測器的外圍電路設計實例，圖中用恆流源來驅動壓力感測器。

圖5 水流壓力感測器設計電路

由於橋路失衡時的輸出電壓比較小，所以必須用運放IC1b和IC1C來進行放大。圖中VR1為偏置調整，VR2為壓力靈敏度調整，VR3為沒有加壓時輸出電壓調整，C1、C2用於去除雜訊。另外，如果電源電壓波動的話，將引起輸出電壓的變化，所以必須給電路提供一個穩定的電源。

3.2 電路模擬

心得體會

測試技術（感測器技術）是一門理論性和實踐性都很強的專業基礎課，也是一門綜合性的技術基礎學科，它需要數學、物理學、電子學、力學、機械等知識，同時還要掌握各種物理量的變換原理、各種靜態和動態物理量（如力、振動、雜訊、壓力和溫度等）的測定，以及實驗裝置的設計和數據分析等方面所涉及的基礎理論。在做此次設計前，我把老師所講的測試技術教材通讀了一遍，對測試技術有了一定得了解。因為在這之前，沒有接觸過類似的課程設計，所以這次實驗，我們感覺有些困難。 感測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，也要用軟體畫圖multisim模擬軟體的使用。只有熟悉了這些們課程才能真正的完成這次實驗。首先，是電路圖的設計，要明白感測器的原理及在電路中的作用是什麼。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，讓我們進一步得熟悉了這個軟體的功能，並能運用自如。最後，是電路的模擬，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，一旦模擬失敗就意味著所有得努力可能全部白費。模擬的結果雖然顯示出數字來了，但是和是要得要求相差很遠。因此，就一次一次的調試，改變電阻的阻值，以及滑動變阻器的阻值，最終把結果調試出來了。

通過這次感測器的設計,使我們學到了不少實用的知識,更重

要的是,做設計的過程,思考問題的方法,這與做其他的設計是通用的,真正使我們受益匪淺.在這次設計的過程中我們要培養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，要自己學會思考。最後，通過這次設計我們不但對理論知識有了更加深刻的理解，更加增強了我們的綜合能力，希望以後能多有這樣的作業，使我們能把所學的專業知識實踐運用。使我們整體對各個方面都得到了不少的提高讓我們得到更好的鍛煉。

Ⅳ 壓力感測器有哪些的分類

1.光纖壓力感測器

光纖壓力感測器是一種以光為載體，光纖為介質，通過感測器感知內和傳輸外部信號容信息的感測技術，當外部信號是壓力時，它被稱為光纖壓力感測器。可測量溫度、壓力、電壓、液位、液體濃度、成分等。此外，還可形成光纖分布式壓力感測器。該感測器精度高，頻率寬，與機械和電氣感測器相比具有明顯的優點。

2.電容式真空壓力感測器

電容式壓力感測器使用電容敏感的原件將測量到的壓力轉換為輸出電信號的精密測量儀器。它採用鍍金屬膜或圓形金屬膜作為電容器的電極之一，當膜受到外界壓力時，會發生變形，膜與電極之間產生的電容也會發生變化。測量電路可以輸出與電壓有關的電信號，分為單電容式壓力感測器和差動電容式壓力感測器。

3.耐高溫壓力感測器

當壓力作用於感測器的膜片時，膜片會產生與介質壓力成比例的微位移，從而使感測器的電阻發生變化或電子電路檢測發生變化，轉換後的輸出形成與該壓力對應的信號信息。膜片的尺寸、厚度、電極間距等器件參數將有效地提高感測器的靈敏度和線性范圍，在各種工業自動化環境、水利水電、智能建築、石油化工、油井、電力、船舶、爐窯等多個行業進行試驗。