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1、工作任务5-1 力电传感器电子课件 中职 传感器技术及应用（高教版）之一 力电传感器 压力、气体和湿度虽是不能直接测量的，需要借助于某种物体的物理参数随压力、气体和湿度不同而明显变化的特性进行间接测量。这些传感器就是通过测量某些物理量参数随压力、气体和湿度的变化而间接测量压力、气体和湿度的。压力、气体和湿度的测量与控制，同样需要把这些物理量转换成电量，所以也就产生了把压力、气体和湿度的物理量转换为电量，才能完成它们的检测与控制。任务描述 这几个物理量与上述其它物理量不一样，而是由它的量变完成检测与控制，传感器把它们的量变转换成电能。力电传感器、气敏传感器和湿敏传感器电路是由这几个的量源、转换器
2、件和控制电路组成的，如下图所示。任务条件 压力、气体和湿度传感器电路是以力电、气敏、湿敏传感器为核心的测量、控制及应用电路，正确选择力电、气敏、湿敏传感器是实现压力、气体和湿度测量和控制的关键。由于力电、气敏、湿敏传感器是把压力、气体和湿度量值转换为电能信息，所以除了声电和振动类传感器，驱动电路是必需的电路。执行机构是终端，它可以采用不同的执行方式模式，一般是光、电、声、机械模式。力电传感器是用于测量压力参数，把压力参数转换成电参量的传感器。它广泛应用于压力遥测、记录、监控和自控等。由压力传感器构成的具有恒流源的应用电路，适用于对压力进行精确的地方。电路图如下图。1.具有恒流源的压力传感器应用
3、电路 安装电路注意事项（1）制作线路板后，根据电路图检查线路有否开路或短路；（2）必须选择电路合适的元器件参数，为了更好地实现电路功能，可适当调整电路元器件的参数；注意调整电位器RP，使压力传感器在没有受到外力作用时，输出VO为0。（3）特别检查压力传感器的质量，它是电路工作和功能实现的关键；安装电路注意事项（4）要按装配工艺要求进行焊接和安装；（5）要选择合适的电源电压，不能随意变动电源的电压，否则电路不能正常工作；（6）测试电路参数时要按规范操作仪器设备，不得在带电的情况下进行元器件的焊接与安装。电路组成和功能作用 电路主要由稳压器IC5、4只运算放大器IC1 4和压力传感器组成。其中IC
4、1与R1、R2与R3（IC5 LM385）共同构成了恒流源电路，IC5 LM385提供恒定电压1.235V（或2.5V）；IC2、IC3、IC4及其外围元件构成了仪表放大电路。压力传感器连接在IC1恒流源电路的反馈回路中，压力传感器的输出接到仪表放大器的输入端。这种连接方式和采用恒流源供电措施既保证了流过传感器的电流稳定而使测量精度大大提高，又使电路结构变得简单。用硅压阻式压力传感器做成的电子秤秤盘信号放大电路。其中RP1是用于调整满量程的电位器，RP2是调整零压力时的输出电位器。电路图如下图。2.电子秤秤盘信号放大电路硅压阻式压力传感器的应用电路线路板如下图。安装电路注意事项（1）制作线路板
5、后，根据电路图检查线路有否开路或短路；（2）必须选择电路合适的元器件参数，为了更好地实现电路功能，可适当调整电路元器件的参数；注意调整电位器RP2，使SP1压力传感器在没有放上重物时，VOUT输出为0。（3）特别检查压力传感器的质量，它是电路工作和功能实现的关键；安装电路注意事项（4）要按装配工艺要求进行焊接和安装；（5）要选择合适的电源电压，不能随意变动电源的电压，否则电路不能正常工作；（6）测试电路参数时要按规范操作仪器设备，不得在带电的情况下进行元器件的焊接与安装。焊接线路板和安装元件SP（2kG）的压力传感器，接上电源，把Vout接在毫伏表上，在秤盘上放置重物，测量在不同的重物时，Vo
6、ut的读数并记录在表中。电路组成和功能作用 电路由压阻式压力传感器SP，IC1的A、B、C组成平衡放大电路，IC1的D放大电路组成。IC1中的A、B、C、D均为运算放大器。电路工作过程 秤盘电路：秤盘电路是由承载物体的秤架（盘）和硅压阻式压力应变传感器SP(2kG)相连接的电路组成，在压力传感器的硅膜上有4个等值电阻，它们以电桥方式连接，当受到压力作用时，电桥失去平衡。从而有一个与压力成正比的电压输出，所以只要把物体放在秤架（盘）上，物体的重量使压力应变传感器输出相应的信号。模拟放大电路：这是由IC5LM324组成的电子秤秤量重物的输入电路，运算放大器A和B组成了平衡对称双输入、双输出的差动放
7、大电路，RP1为为使运算放大器A和B获得相同增益进行调整，也是用于调整满量程的电位器。电阻R3、R9为反馈电阻。在没有重物放在秤架上时，差动放大电路AB“3”、“5”脚的两输入信号电平均为0。运算放大器C对差动放大电路A、B的输出信号进行放大，再经电阻R12送到运算放大器D对信号再进行放大，电阻R5、R14分别是运算放大器C、D的反馈电阻。在调整模拟放大电路时要使运算放大器D的“12”脚的电位为0，这样电子秤秤量重物时的结果可确保误差是最小的，为了保证“12”脚的电位为0，在“12”脚接入零位电路。零位电路非常简单，由电阻R6、电位器RP2、电阻R7串接，并在R6、R7两端分别接12V和12V
8、。调整电位器RP2，在静态时，可使“12”脚的电位为0。一旦RP2位置确定，就不能改变。运算放大器LM324D的“14”脚是重物秤量时整个模拟放大电路输出信号端口。该模拟放大电路在秤盘没有放重物时，“14”脚是没有任何的信号输出的。应用水位3.水位变送器应用在水位控制电路变送器Sentor控制水位的控制电路，调整电位器RP4和RP5，可以调整控制水位的高度。电路图如图。水位控制电路线路板如下图。安装电路注意事项（1）制作线路板后，根据电路图检查线路有否开路或短路；（2）必须选择电路合适的元器件参数，为了更好地实现电路功能，可适当调整电路元器件的参数；注意调整电位器RP4和RP5，使P5插头接负
9、载的电流为420mA；（3）特别检查水位变送器的质量，它是电路工作和功能实现的关键；安装电路注意事项（4）要按装配工艺要求进行焊接和安装；（5）要选择合适的电源电压，不能随意变动电源的电压，否则电路不能正常工作；（6）测试电路参数时要按规范操作仪器设备，不得在带电的情况下进行元器件的焊接与安装。电路组成和功能作用 电路由水位变送器Sentor检测电路，IC1INA128组成信号运算放大电路，IC3 XTR115组成V/I变换器，为单片机电路，四位数码管DS1和VT1、VT35四只三极管8050组成水位显示电路，IC2MAX485组成数字信号转发器等组成。该电路能够直接显示水位的高度，并且当水位
10、低于或高于某设定的深度时，会发出提示信号。电路工作过程 把水位变送器Sentor放置在设定的水深中，水位变送器把检测到的水位高度的信号后输出送到IC1的“3”“2”脚，经IC1INA128放大后，由“6”脚输出，信号分成两路，一路输入到IC5STC5616AD单片机AD-OUT端，由单片机IC5 5616进行模数转换后，数字信号由IC2MAX485通信端口输出。同时，由四位数码管DS1显示被测水位的高度。IC2 MAX485接口芯片是实现本电路与其它设备的连接的通信接口。电路中，S18、S19、S20三个按钮是备用功能按钮，可根据需要定义其使用功能。另一路信号经电位器RP4进入V/I变换器IC
11、3 XTR115，IC3和三极管VT2组成的电路把电压信号转换成负载420mA的恒定电流，由P5连接负载。调节电位器RP4和RP5可精准调整负载电流。电路中IC3 XTR115的“1”脚输出稳定的直流电压2.5V，提供给IC1INA128作基准参考，使测量的的数值更加精准。下面我们看看XTR115电流环电路的应用。在各种数据采集与监控中通常用一个仪表放大器来完成信号的调理，但是工业现场进行长线传输时，往往会产生以下问题：由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；传输线的分布电阻会产生电压降；现场无法提供仪表放大器的工作电压。为了解决上述问题并避开相关噪声的影响，通常用电流来传输信号，这
12、是因为电流对噪声并不敏感。在这里XTR115是将电压信号转换为电流420 mA 的信号，并用4 mA 表示零信号，用20 mA 表示信号的满刻度，而将低于4 mA 和高于20 mA 的信号用作各种故障的报警。压力传感器按内部结构不同，可分为机械式和半导体式两大类。而半导体式也可分为半导体式压力传感器、电容型半导体压力传感器和薄膜式半导体传感器。下表是介绍半导体式压力传感器的结构特点。压阻式压力传感器电路符号与标称 压阻式压力传感器种类和型号很多，其使用制作的单晶材料有硅、锗、锑化铟、磷化镓、磷化硅、碳化硅等，用它们做成P型或N型半导体应变片。如图所示为压阻式压力传感器符号其电路标称为SP和实物
13、图。压力应变传感器实物压阻式压力传感器符号 压阻式压力传感器结构与原理 压力传感器是将各种力学量转换为电信号的器件，常用的压力传感器有金属应变片、半导体应变片、压电式测力传感器、压力真空泵、压电石英晶体等。下图是金属电阻丝应变片结构示意图。压阻式压力传感器结构与原理 由硅片制成的压阻式压力传感器结构及其外形和符号见下图所示。压阻式传感器的核心是电阻应变片，通常利用应变片将弹性元件的变形转换为阻值的变化，再通过转换电路转变成电压信号或电流信号，通过放大后再用数字或模拟显示仪器指示。由硅片制成的压阻式压力传感器结构示意图 压阻式压力传感器外形 导体或半导体材料在外力作用下伸长或缩短时，它的电阻值会
14、相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。将应变片贴在被测物体上，使其随着被测物的应变一起伸缩，这样应变片里面的金属材料就随着外界的应变一起伸长或缩短，其阻值也就会相应地变化。应变片就是利用应变效应，通过测量电阻的变化而对应变进行测量的。电阻应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。电阻应变式传感器的使用方法：一是将应变片直接粘贴于被测构件上，用来测定构件的应变或应力；二是将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器敏感元件。电阻应变式传感器应变电阻的变化是极其微弱的，一般的电阻测量仪表无法满足要求，通常采用惠斯通电桥电路进行测量，将电阻相对变化转换为电压或电流的变化。惠斯通
15、电桥电路见下图所示，其中R1和R3方向一致，R2和R4方向一致，它们之间互相垂直。当应变片受到应力发生变形时，R1、R3的阻值变化与R2、R4的阻值变化就不相同，当不受力时，电桥平衡，输出端D和C的输出电压UCD0，一旦受力，只要将受力的方向调整合适，就可以使一个方向的两只电阻（R1和R3或者R2和R4）阻值变小，从而使到电桥平衡被破坏，输出端D和C的UCD0，输出电压UCD的大小与所受压力有关。电子秤秤盘使用的传感器属于悬臂梁式压阻式压力传感器，它结构简单、加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度较高。基本结构如下图所示。其中应变片R1（R3）和R2（R4）分别粘贴的悬臂梁上、下两侧。h为悬臂梁的厚
16、度，b为悬臂梁的宽度，l为悬臂梁上受力与应变片中心的距离。水位变送器电路原理和实物图如下图所示。水位变送器的电路结构实质是由压力应变片R14组成的桥式电路。水位变送器电路结构原理水位变送器实物 压力应变传感器检测 压力应变传感器由于在结构上采用相同的4只电阻应变片，并连接成电桥电路，所以只要用万用表分别测量每只电阻应变片的电阻值是否相同便可，正常时4只电阻应变片的电阻是相同的，只要其中1只电阻应变片的电阻值变大了，则压力应变传感器便不可用了。1.压力传感器有什么特点和作用？2.如何判别压力传感器质量？3.你已经做过压力传感器相关电路的产品吗？功能效果如何？试简述一下电路的工作过程和传感器性能作用。