Ⅰ [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。