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1、-哈工程 压电式压力传感器-第 7 页“传感器与检测技术”研究小论文基于压电式传感器的压力测量姓名： 班级：学号2014年4月17日不要删除行尾的分节符，此行不会被打印目录目录II一、 压电式压力传感器原理3二、 市场常见霍尔传感器3三、 总体方案设计4四、单元设计与特性分析5五、总结7六、参考文献8一、 压电式压力传感器原理 压电式压力传感器的原理主要是压电效应，它是利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量，再进行相关测量工作的测量精密仪器，比如很多压力变送器和压力传感器。压电传感器不可以应用在静态的测量当中，原因是受到外力作用后的电荷，当回路有无限大的输入抗阻的时候，才可以得以保存下
2、来。但是实际上并不是这样的。因此压电传感器只可以应用在动态的测量当中。它主要的压电材料是：磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。而石英呢，其实是一种天然的晶体，而压电效应就是在此晶体的基础上发现的。在规定的范围里，压电性质是不会消失，而是一直存在的。但是如果温度在这个规定的范围之外，压电性质就会彻底地消失不见。当应力发生变化的时候，电场的变化很小很小，其他的一些压电晶体就会替代石英。酒石酸钾钠，它是具有很大的压电系数和压电灵敏度的，但是，它只可以使用在室内的湿度和温度都比较低的地方。磷酸二氢胺是一种人造晶体，它可以在很高的湿度和很高的温度的环境中使用，所以，它的应用是非常广泛的。随着技术的发展，压电效
3、应也已经在多晶体上得到应用了。例如：压电陶瓷，铌镁酸压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和钛酸钡压电陶瓷等等都包括在内。二、 市场常见霍尔传感器传感器型号产品介绍MY-1360灵敏度：8001200pC/ MPa 过载能力：120%F.S 固有频率：200kHz 特点：灵敏度高，温度范围宽应用领域：高频动态压力测量MY-1380量程：015MPa，030MPa 灵敏度：400750pC/ MPa 过载能力：150%F.S 固有频率：200kHz 特点：灵敏度高，温度范围宽 应用领域：爆炸物理、爆振监测等 MY-1520特点：体积小，灵敏度高，频响高应用领域：高频动态压力测量MY-1540特点：体积小，灵
4、敏度高 应用领域：中、低频动态压力测量三、 总体方案设计本系统中采用的为压电式压力传感器，采用运算放大测量电路。采用由电荷变换级、差动放大级和输出变换级组成的电荷放大器作为压电式压力传感器力信号的检测电路, 既提高了驱动负载的能力, 又便于与后续信号处理电路的匹配。采用滤波、动态校零和绝对值电路对压力信号进一步处理, 降低了系统误差, 提高了检测信号的精度, 满足了智能化监控仪的要求。系统方框图如图1所示滤波器绝对值动态校零电荷放大压力信号 智能化监控仪电平转换开关信号 图1 系统方框图四、单元设计与特性分析1、 传感器设计压电式压力传感器大多是利用正压电效应制成的。正压电效应是指：当晶体受到
5、某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。传感器结构如图2所示： 图2 压电式压力传感器结构1、电缆；2、芯棒；3、锁紧螺母；4、导向螺钉；5、弹性外套；6、压电晶体2、信号调节电路设计为了防止压力传感器微弱的电荷信号迅速泄漏, 要求检测电路输入端应有足够高的阻抗。为此选择具有深度负反馈的高增的电荷放大器。图3 为基本电荷放大器原理图。电荷放大器的输出电压仅与电荷量成正比, 与反馈电容成反比, 而与输入信号频率和其他电路参数基本
6、无关。但由于电荷放大器是高阻抗、高增益、电容反馈电路, 极易受外界电场及 图3 基本电荷放大器原理图碰场的干扰, 故实用的电荷放大器由电荷变换级、差动放大级和输出变换级三部分组成, 如图4所示。电荷变换级是电荷放大器的核心, 其主要作用是将压力传感器输出的电荷量的变化转换为电压量的变化。且采用差动电荷变换级, 进一步减少漂移, 提高放大倍数。第二级采用差动放大器, 对输入信号进一步放大, 且提高电荷转换级驱动负载的能力。第三级采用双输入、单输出电路, 与后续电路匹配。图 4 电荷放大电路关于电路参数选择的几点说明: 1. 为降低寄生电容的干扰, 应选择容量为220PF以上, 稳定性好、集肤效应
7、小的电容;2. 为了减小直流漂移, 在反馈电容上并联的电阻数值应在60M欧;3.电容C1、C2的作用是避免传感器的内阻太低造成的零点漂移;4.电阻R1 是起输入保护作用, 防止电流过大而毁坏放大器。2、 使用条件和误差补偿 图5为基本动态校零电路 7 , 该电路由放大倍数为1的运算放大电路A1、A2; 反馈积分电路A3、场效应管T等组成。该电路分两个节奏工作, 当场效应管T的栅极为低电平时, 该电路处于自动补偿状态, 动态校零电路的场效应管T 导通, 传感器输出的压力信号为零, 动态校零电路的输入信号为传感器、电子元件引起的零点漂移变化, 并将零点漂移的变化自动地寄存在积分电容, 并通过反馈补
8、偿使输出信号为零。当场效应管T 的栅极为高电平时, 该电路处于保持状态, 动态校零电路的场效应管T 截止, 在测试过程中保持输出信号零点不变。这样, 该电路可消除在自动补偿状态时的漂移所引起的系统误差。但由于积分电容C、场效应管T、运算放大器A1、A2、A3 的漏电流的影响, 实际上输出信号V0 也是漂移的。 图5 基本动态校零电路五、总结本次报告的完成与前两次不同，是由我一人独立完成的。通过查阅相关资料，我了解了压电式压力传感器的工作原理，更为重要的是，在老师的耐心教导下，我对论文的书写格式要求有了更为深刻的认识，锻炼了我写论文的能力。六、参考文献1.侯明亮，王树英. 冷镦机监控用压电式压力传感器 J . 机械制造. 1999,5: 35- 36.2. 朱蕴璞, 孔德仁, 王芳. 传感器原理及应用M . 北京: 国防工业出版社, 2005.3. 樊春玲, 李志全, 唐旭晖. 一种新型电荷放大器的设计与研究 J. 传感技术学报, 2000, 4: 297 - 302.