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1、传感器原理 1第1页，共28页，编辑于2022年，星期四 谐振式传感器示意图谐振式传感器示意图 激励激励 谐振器谐振器 检测检测调幅调幅移相移相输出输出开环开环闭环闭环被测量被测量 3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器2第2页，共28页，编辑于2022年，星期四按振动结构不同分为：按振动结构不同分为：振弦式压力传感器振弦式压力传感器 振动筒式压力传感器振动筒式压力传感器 振动膜式压力传感器振动膜式压力传感器 振梁式压力传感器振梁式压力传感器 乐器的发音机理！乐器的发音机理！3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器3第3页，共28页，编辑于2022年，星期四Q Q值越高：
2、值越高：损耗小损耗小谐振稳定谐振稳定抗干扰能力强抗干扰能力强传感器重复性好传感器重复性好品质因数品质因数Q Q3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器谐振子不直接接触被测气体谐振子不直接接触被测气体二级敏感二级敏感4第4页，共28页，编辑于2022年，星期四AAm0.707Am利用幅频特性获得利用幅频特性获得Q值值03.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器5第5页，共28页，编辑于2022年，星期四一、基本原理和类型一、基本原理和类型 1.1.振弦式传感器振弦式传感器 敏感元件：敏感元件：有预紧力的振弦。有预紧力的振弦。原理：原理：固有频率固有频率f f与拉紧力与拉紧力T
3、T的关系式：的关系式：3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器6第6页，共28页，编辑于2022年，星期四结构形式：结构形式：v 预紧力：预紧力：上、下夹块、螺钉。上、下夹块、螺钉。v 加力：加力：P P 膜片、下夹块。膜片、下夹块。v 激励：激励：电磁激励电磁激励振弦式压力传感器振弦式压力传感器3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器7第7页，共28页，编辑于2022年，星期四2.2.振筒式传感器振筒式传感器 3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器8第8页，共28页，编辑于2022年，星期四3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器n激振：激振：激励线
4、圈激励线圈 磁场变化磁场变化筒壁变形筒壁变形n拾振：拾振：筒壁变形筒壁变形拾振线圈拾振线圈产生感生电势产生感生电势 压力变化压力变化 圆筒刚度变化圆筒刚度变化 谐振频率变化谐振频率变化9第9页，共28页，编辑于2022年，星期四v 气体空腔气体空腔v 压力膜片的压力膜片的支架上支架上安装有振动膜片安装有振动膜片v 振动膜片的两侧有激振动膜片的两侧有激振线圈、拾振线圈振线圈、拾振线圈v 正正反馈振荡电路反馈振荡电路1 1 激振线圈激振线圈2 2 振动膜片振动膜片3 3 拾振线圈拾振线圈4 4 压力膜片压力膜片3、膜片状谐振传感器、膜片状谐振传感器3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器
5、10第10页，共28页，编辑于2022年，星期四4、梁式谐振传感器、梁式谐振传感器3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器11第11页，共28页，编辑于2022年，星期四拾振电阻谐振梁激励电阻电极引线Si-Si键合膜片浅槽zyx3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器电热激励电热激励电阻拾振电阻拾振12第12页，共28页，编辑于2022年，星期四压力压力压力压力3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器13第13页，共28页，编辑于2022年，星期四2AP界面HG膜片h气体介质谐振梁3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器14第14页，共28页，编辑于20
6、22年，星期四 P P F F 5.5.梁式谐振传感器梁式谐振传感器3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器隔离结构非常重要！隔离结构非常重要！15第15页，共28页，编辑于2022年，星期四杠杠放大杠杠放大 杠杠机构的杠杠机构的柔性设计柔性设计石英梁石英梁3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器16第16页，共28页，编辑于2022年，星期四杠杆机构对比示意图杠杆机构对比示意图微杠杆机构可微杠杆机构可行性行性(a)(b)b3c12a柔性铰链柔性铰链硅材料特性硅材料特性微尺寸效应微尺寸效应3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器17第17页，共28页，编辑于202
7、2年，星期四敏感单元：敏感单元：石英音叉石英音叉原理：原理：P F P F 压电激振、拾振压电激振、拾振石英的压电效应和谐振石英的压电效应和谐振特性特性！6.6.石英音叉谐振传感器石英音叉谐振传感器3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器18第18页，共28页，编辑于2022年，星期四3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器19第19页，共28页，编辑于2022年，星期四3.3.4 3.3.4 光纤力学量传感器光纤力学量传感器 v 强度调制型反射式光纤微压传感器强度调制型反射式光纤微压传感器 检测微小压力、微小压差 Y Y型光纤束：型光纤束：光纤入射臂、光纤出射臂，光纤探光
8、纤入射臂、光纤出射臂，光纤探头。头。敏感单元：敏感单元：弹性薄膜、高反射率薄片。弹性薄膜、高反射率薄片。光光源源光光接接收收信号信号处理处理Y Y型光线型光线弹性薄膜弹性薄膜气孔气孔1 1气孔气孔2 23.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器光纤探头光纤探头原理：原理：气体压力变化引起光强变化气体压力变化引起光强变化测试气压、压力差测试气压、压力差20第20页，共28页，编辑于2022年，星期四3.3.5 3.3.5 压电涂层传感器压电涂层传感器 一、结构一、结构涂料：涂料：填料：压电陶瓷材料如填料：压电陶瓷材料如PZTPZT和压电聚脂薄膜如和压电聚脂薄膜如PVDFPVDF。基液：环
9、氧树脂胶液。基液：环氧树脂胶液。制作：制作：涂刷结构、印刷电极和导线涂刷结构、印刷电极和导线极化处理极化处理3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器21第21页，共28页，编辑于2022年，星期四二、性能二、性能 1.压电效率：压电效率：指单位应变所能感应出的电荷多少。指单位应变所能感应出的电荷多少。2.2.阈值体积：阈值体积：微观上，微观上，PZTPZT颗粒是相互隔离颗粒是相互隔离 PZTPZT填料组份大于阀值填料组份大于阀值V VPZTPZT极化电场强度；极化电场强度；涂层厚度；涂层厚度；极化时间；极化时间；3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器22第22页，共28页
10、，编辑于2022年，星期四一、一、Z Z元件概述元件概述 Z-元件发明于80年代，公开报道于90年代，专利费高达10亿美元。俄罗斯传感器专家V.ZOTOV教授发明 温敏、光敏、磁敏、力敏Z元件 优点：直接输出开关信号、频率信号，三端传感器。不足：体积很小，非常薄脆。3.3.6 3.3.6 力敏力敏Z Z元件及触觉传感器元件及触觉传感器 3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器Z-元件具有很大开发潜力23第23页，共28页，编辑于2022年，星期四突出优势：电路简单，组态灵活，输出多路的开关、模拟或脉冲频率信号，构成不同品种的三端传感器。工作原理：N区被重掺杂补偿的特种PN结。利用不同
11、扩散源的扩散特征，使普通的PN结结构从另一侧对N区进行穿透性金（或铜或锌）扩散，形成独特的半导体敏感元件。3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器24第24页，共28页，编辑于2022年，星期四二、二、Z Z元件的机理元件的机理 3.3.6 3.3.6 力敏力敏Z Z元件及触觉传感器元件及触觉传感器 材料：材料：N N型硅单晶、型硅单晶、AlAl扩散形成扩散形成PNPN结、结、单面打磨、镀单面打磨、镀NiNi电极。电极。结构：结构：PNPN结和结和N N型侧敏感层的复合结构。型侧敏感层的复合结构。Z Z元件的工作电路元件的工作电路 3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器2
12、5第25页，共28页，编辑于2022年，星期四外力作用于外力作用于Z Z元件元件P P端时：端时：敏感层敏感层电阻率变小电阻率变小，使线性区斜率增大，达到电流值，使线性区斜率增大，达到电流值I Im m时其电压值小于时其电压值小于静态下发生跳变时静态下发生跳变时U Um m，曲线，曲线向左移向左移，施加的力值越大，左移的距离越大。，施加的力值越大，左移的距离越大。外力作用于外力作用于Z Z元件元件P P端时：端时：三、电流三、电流-电压特性电压特性 3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器26第26页，共28页，编辑于2022年，星期四四、在触觉传感器中的应用四、在触觉传感器中的应用
13、 触觉传感器：触觉传感器：是是智能机器人智能机器人最需解决的研究重点之一最需解决的研究重点之一。目前有机械式、压阻式、电容式、压电式、磁电式和光电式。目前有机械式、压阻式、电容式、压电式、磁电式和光电式。3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器力敏触觉传感器：力敏触觉传感器：施加外力载荷时，必须通过某种施加外力载荷时，必须通过某种弹性体弹性体作为依托。作为依托。当力载荷作用于弹性体时，内应力改变力敏当力载荷作用于弹性体时，内应力改变力敏Z-Z-元件的工作状态元件的工作状态(低阻态、高阻态低阻态、高阻态)。弹性体：弹性体：条形、园形膜片；磷铜、合金钢材料；悬臂式结构和简支式结构。条形、
14、园形膜片；磷铜、合金钢材料；悬臂式结构和简支式结构。27第27页，共28页，编辑于2022年，星期四原理：原理：通过通过平板结构的变形平板结构的变形把力传递给把力传递给Z Z力敏元件，触点上很大的力转换成力力敏元件，触点上很大的力转换成力敏元件上敏元件上很小的力很小的力。特点：特点：用用Z Z元件的触觉传感器可减小传感器的体积，使触觉系统小型化，分辨力高，元件的触觉传感器可减小传感器的体积，使触觉系统小型化，分辨力高，线性好，抗干扰能力强，转换电路简单。线性好，抗干扰能力强，转换电路简单。应用：应用：机器人手机器人手 3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器28第28页，共28页，编辑于2022年，星期四