应变片压力传感器).doc

成绩评定：

传感器技术
课程设计

题 目 应变片压力传感器
摘要
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形变时，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电传感器。
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，所以决定了压电传感器只能测量动态的应力。

关键词：压力传感器 极化效应 晶体介质 压电效应

目 录
一 、设计目的 1
二、设计任务与要求 1
2.1设计任务 1
2.2设计要求 1
三、设计步骤及原理分析 2
3.1设计方法 2
3.2设计步骤 3
3.3设计原理分析 4
四、课程设计小结与体会 6
五、参考文献 7

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一 、设计目的

1. 设计一个利用两组电阻应变片传感器的装置制作一个可以测量容器中粗存的液体重量的装置
2. 增加学生自主思考解决问题以及动手制作的能力
3. 结合课本与实践增加学生对知识的理解与吸收

二、设计任务与要求

2.1设计任务
（1）根据实验原理制作一个测量压力传感器的装置
（2）实现基本功能
（3）画出相应的测量电路及推导计算液体重量的公式

2.2设计要求
（1）通过查阅资料完成理论知识的掌握
（2）根据原理及实践熟悉课程知识
（3）要求学生独立完成

三、设计步骤及原理分析

1. 设计方法

应变式物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。当外力去除后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状的应变称为弹性应变。应变片传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。传感器由在弹性元件上黏粘电阻应变敏感元件构成。应变传感器工作时引起的电阻值变化甚小，但其测量灵敏度较高。它是利用应变电阻效应将力学量，转换成易于测量的电压量的器件，是最基本的传感器之一。它在力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量中得到了广泛的应用。

2. 设计步骤

（1） 按照基本原理设计电路图2 和实物连接图1
（2） 列出液体体积密度重量与电压压力的关系式
（3） 根据设计连接电路与实物

通过实验原理将电路设计完成，然后根据设计图接线，将装置连接起来，再根据液体体积与压力和电压转换的线性关系就可以测量出液体的重量。

3. 设计原理分析

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。
金属电阻应变片的内部结构
电阻应变片由基体材料、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（Ω·cm2/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况。
本装置通过将液体重量转换成易于测量的电压量，电桥输出电压与柱式容器内感膜上面溶液的重量成线性关系，因此可以通过重量转换成的电压测量出容器内部液体储存的溶液重量。

四、课程设计小结与体会

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。只有熟悉了这些课程才能真正的完成这些实验。首先，是电路设计，要明摆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，让我进一步的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，这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的努力白费。仿真结果虽然显示出数字来了，但是和要求相差很远，因此就一次次的调试，改变电阻的阻止，以及滑动变阻器的阻止，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，做实验的过程中，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。在这次的实验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，要学会自己思考。
最后通过这次实验我不但对理论知识有了更深刻的理解，更加强了我的综合能力，希望以后能多有这样的作业，是我们能把所学的专业知识综合运用。使我们整体对各个方面得到不少的提高让我们得到更好的锻炼。

五、参考文献

1.《传感器原理及工程应用》 西安电子科技大学出版社 郁有为
2.《传感器与自动检测技术》 高等教育出版社 余诚波
3.《电气测试技术》 机械工业出版社 林德杰

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