整套课件教程：传感器与检测技术-第七套.ppt

1、传感器与检测技术项目一 力和压力的检测 任务一电子秤的设计与制作 任务二汽车燃油表显示电路设计与制作 任务三电子血压计的设计与制作 任务四振动报警电路的设计与制作项目二 温度和环境量的检测 任务一电热水器温度控制器的设计与制作 任务二锅炉炉膛温度计的设计 任务三婴儿尿湿报警电路的设计 任务四酒精测试仪的设计 任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计项目三 位移和转速的检测 任务一自行车车速表的设计与制作 任务二直流电机转速的测量 任务三超声波检测系统倒车雷达的设计项目四 光信号的检测 任务一光控节能路灯电路的设计与制作 任务二红外自动干手器电路设计与制作 任务三自动生产线的零件打包系统设计与制作 任务

2、四光电编码器鉴相计数电路项目五 其他量的检测 任务一电感式接近开关的制作 任务二门控自动照明灯电路的设计与制作 项目六传感器信号处理项目六 传感器信号处理 项目六传感器信号处理项目一 力和压力的检测 任务一电子秤的设计与制作 任务二汽车燃油表显示电路设计与制作 任务三电子血压计的设计与制作 任务四振动报警电路的设计与制作任务一电子秤的设计与制作 一、任务描述 利用电阻应变式传感器进行电子秤的设计和制作，如图1-1所示，要求测量范围为2 kg，其分辨力为1g，测量精度为0.5%RD1字，并能够利用数码管显示测量值。二、任务目标(1)掌握电阻应变式传感器的结构和工作原理。(2)掌握电阻应变式传感器

3、的测量电路。(3能够利用电阻应变式传感器进行力的测量。下一页返回任务一电子秤的设计与制作 三、知识链接 1.电阻式传感器 电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻值的变化，进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。可用于各种机械量和热上量的检测。它结构简单，性能稳定，成本低廉，因此，在许多行业得到了广泛应用。目前，常用的电阻传感器主要有电阻应变片、热电阻、光敏电阻、气敏电阻和湿敏电阻等几大类。2.电阻应变式传感器 1)金属的应变效应上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作 根据电阻定律，金属丝的电阻随着它所受的机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化，这种现象

4、称为金属的电阻应变效应。电阻应变片的工作原理就是基于金属的应变效应设计而成的。金属丝的电阻会随应变而发生变化是因为金属丝的电阻(R=L/A)与材料的电阻率()及其几何尺寸(长度L和截面积A)有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，这3种指标都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。2)电阻应变片的结构和工作原理(1)电阻应变片的结构。电阻应变片(简称应变片或应变计)种类繁多，根据需要可设计成各种形式、各种类型的电阻应变片，但其基本结构都大体相同。基本结构如图1-2所示。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作 图1-2所示为丝绕式应变片的构造示意图。它以直径为0.025mm左右的、高电阻率的合金

5、电阻丝2,绕成形如栅栏的敏感栅。敏感栅为应变片的敏感元件，它的作用是感应应变片变化的大小。敏感栅勃结在基底1上，基底除能固定敏感栅外，还有绝缘作用;敏感栅上面粘贴有覆盖面3，敏感栅电阻丝两端焊接引出线4，用以和外接导线相连。(2)电阻应变片的分类。按照制作材料的不同，可将电阻应变片分为以下两类:金属式体型丝式、箔式、薄膜型。半导体式体型薄膜型、扩散型、外延型、PN结型。按结构分为单片、双片、特殊形状。按使用环境分为高温、低温、高压、磁场、水下。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作(3电阻应变式传感器的工作原理。根据电阻定律，取一根金属丝，如图1-3所示，其初始的电阻为 式中R金属丝的电阻

6、，;金属丝的电阻率，m;L金属丝的长度，m;A金属丝的截面积，m2。当金属丝受拉而伸长dL时，其截面积将相应减小dA，电阻率则因金属品格发生变形等因素的影响也将改变d 这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变dR。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作 电阻的相对变化量为 若电阻丝为圆形的，则A=r2，r为金属丝的半径，则 令:x=dL/L金属丝的轴向应变;y=dr/r 金属丝的径向应变。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作 金属丝受拉时，沿轴向伸长，而沿径向缩短，则二者之间的关系为 式中金属丝材料的泊松系数。将式(1-4)、式(1-5)代入式(1-3)中得 或 令上一页 下一页返回任务

7、一电子秤的设计与制作 式中KS金属丝的灵敏系数。KS表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。显然，KS越大，单位变形引起的电阻相对变化越大，则越灵敏。(4)应变片测试原理。用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。如果应用仪器测出应变片的电阻值变化R，则根据式(1-9)可以得到被测 量对象的应变值x。而应力、应变的关系为 式中：试件的应力;试件的应变。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作 3.电阻应变式传感器的测量电路 电阻应变片是可以把应变的变化转

8、换为电阻的变化，通常为显示与记录应变的大小，还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，完成上述作用的电路称为电阻应变式传感器的测量电路，最常用的测量电路主要有直流电桥电路和交流电桥电路。1)直流电桥电路 直流电桥电路的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感和电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。图1-4所示为直流电桥电路。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作 由分压原理得 根据电桥平衡条件，相邻桥臂电阻的比值应相等或相对桥臂电 阻的乘积相等，则当电桥平衡时，U0=0，即上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作 2)直流电桥的工作方式 在

9、实际应用中为提高输出的灵敏度，常将多片应变片接入电桥，根据接入电桥应变片的不同，将直流电桥的工作方式分为半桥单臂工作方式图1-5(a)、半桥双臂工作方式图1-5(b)和全桥四臂工作方式图1-5(c)。半桥单臂工作是电桥中只有一个臂接入被测量，其他3个臂采用固定电阻;半桥双臂工作是如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻，就称为半桥双臂工作电桥，又称为半桥形式;全桥方式是指如果4个桥臂都接入被测量，则称为全桥四臂形式。当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为式(1-12)。上一

10、页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作 设电桥为单臂工作状态，即R1为应变片，其余桥臂均为固定电阻。当R1感受被测量产生电阻增量 R1时，由初始平衡条件R1 R3=R2 R4，得 ，则电桥由于R1产生不平衡引起的输出电压为 对于输出对称电桥，此时R1=R2=R,R3=R4=R，当R,臂的电阻产生变化R1=4R，根据式(1-14)可得到输出电压为上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作 对于电源对称电桥，R1=R4=R,R2=R3=R。当R1臂产生电阻增量R1=R时，由式(1-14)得 对于等臂电桥R1=R2=R3=R4=R，当R,的电阻增量R1=R时，由式(1-14)可得输出电压为上一页 下

11、一页返回任务一电子秤的设计与制作(3)交流电桥电路 交流电桥是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行工作的。此时在桥的输出端接入检流计或放大器。在输出电流时，为了使电桥有最大的电流灵敏度，希望电桥的输出电阻应尽量和指示器内阻相等。实际上电桥输出后连接的放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大得多，此时必须要求电桥具有较高的电压灵敏度，当有小的R/R变化时，能产生较大的4U值。交流电桥电路如图1-6所示，它是由交流电压u供电的交流电桥电路，第一臂是应变片，其他3臂为固定电阻。应变片未承受应变，此时阻值为R1，电桥处于平衡状态，电桥输出电压为0。当承受应变时，产生 R的变化，电桥变化不平

12、衡电压输出u0。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作 根据交流电桥电路可知，产生的不平衡电压为 设n=R2/R1，并考虑电桥初始平衡条件R2/R1=R4/R3，以及将式(1-18)进行变换得上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作 电桥电压灵敏度为 4)电桥的线路补偿(1)零点补偿。在实际应用中发现，要使电桥的4个桥臂电阻值相同是不可能的，往往由于外界的因素变化会使电桥不能满足初始平衡条件(即U00)。因此，为了解决这一问题，可以在一对桥臂电阻乘积较小的任一桥臂中串联一个可调电阻进行调节补偿。如图1-7所示，进行调节可调电阻使得电桥平衡。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作(2)

13、温度补偿。环境温度的变化也会引起电桥电阻的变化，导致电桥的零点漂移，这种因温度变化产生的误差称为温度误差。产生的原因有:电阻应变片的电阻温度系数不一致;应变片材料与被测试件材料的线胀系数不同，使应变片产生附加应变。因此要进行温度补偿，以减少或消除由此而产生的测量误差。电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。线路补偿法。线路补偿法也称补偿片法。应变片通常是作为平衡电桥的一个臂测量应变的，图1-8中R1为工作片，R2为补偿片。工作片R1粘贴在试件上需要测量应变的地方，补偿片R2粘贴在一块不受力且与试件相同的材料上，这块材料自由地放在试件上或附近，如图1-8(b)所示。上一页

14、下一页返回任务一电子秤的设计与制作 当温度发生变化时，工作片R1和补偿片R2的电阻都发生变化，而它们的温度变化相同，R1和R2为同类应变片，又贴在相同的材料上，因此R1和R2分别接入电桥的相邻两桥臂，则因温度变化引起的电阻变化 R1和 R2的作用相互抵消，这样就起到温度补偿的作用。线路补偿法的优点是方法简单、方便，在常温下补偿效果较好，其缺点是在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。应变片自补偿法。粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为应变片自补偿法。上一页 下一页返回任务一电子秤的

15、设计与制作 如双金属敏感栅自补偿应变片，这种应变片也称组合式自补偿应变片，它是利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同(一个为正，一个为负)的特性，将二者串联绕制成敏感栅，如图1-9所示。若两段敏感栅R1和R2由于温度变化而产生的电阻变化为 R1t和 R2t，大小相等而符号相反，就可以实现温度补偿，电阻R1和R2的比值关系可由式(1-21)决定，即 而其中 R1t=-R2t。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作 4.电阻应变式传感器的应用 1)应变式加速度传感器 加速度传感器的结构如图1-10所示，测量加速度时，将传感器壳体和被测对象刚性连接，当有加速度作用在壳体上时，由于梁的刚度很大，惯性

16、质量也以同样的加速度运动。其产生的惯性力正比于加速度a的大小，惯性力作用在梁的端部，使梁产生变形，限位块4可保护传感器在过载时不被破坏。这种传感器在低频振动测量中得到了广泛的应用。2)应变式位移传感器 应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作 它可用来近测或远测静态与动态的位移量。因此，既要求弹性元件刚度小，对被测对象的影响反力小，又要求系统的固有频率高，动态频响特性好。图1-11(a)所示为国产YW系列应变式位移传感器结构。这种传感器由于采用了悬臂梁-螺旋弹簧串联的组合结构，因此它

17、适用于较大位移(量程大于10100 mm)的测量。其工作原理如图1-11(b)所示。四、任务实施 1.电子秤的整体设计框架及原理图 用电阻应变式传感器设计的电子秤的整体设计原理如图1-12所示。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作 2.各部分电路设计 1)电阻应变式传感器的测量电路 常用的电阻应变式桥式测量电路如图1-13所示。桥式测量电路有4个电阻，电桥的一个对角线接入工作电压E，另一个对角线为输出电压U0。其特点是:当4个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零;否则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测 量微小的电阻变化。2)放大电路 典型的差动放大器电路如图1-

18、14所示，只需高精度LM358和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。它广泛应用于上业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作 3)A/D转换电路 A/D转换电路如图1-15所示。4)显示电路 显示电路设计如图1-16所示。3.电路调试(1)首先在秤体自然下垂己无负载时调整RP1，使显示器准确显示零。(2)再调整RP2，使秤体承担满量程质量(本电路选满量程为2kg)时显示满量程值(调节RP2衰减比)。(3)然后在秤钩下悬挂1kg的标准祛码，观察显示器是否显示1.000，如有偏差，可调整RP3值，使之准确显示1.000。上一页 下一页返回任

19、务一电子秤的设计与制作(4)重新进行(2),(3)步骤，使之均满足要求为止。(5)最后测量RP2,RP3电阻值，并用固定精密电阻予以代替。RP1可引出表外调整。测量前先调整RP1，使显示器回零。上一页返回任务二汽车燃油表显示电路设计与制作 一、任务描述 利用声光进行汽车油箱中的油量显示，要求利用发光二极管显示油量的刻度，并具有缺油警示和语音提示功能。二、任务目标(1)掌握电位器式传感器的测试机理。(2)掌握电位器式传感器的结构及应用。(3能够利用电位器式传感器进行电路设计。下一页返回任务二汽车燃油表显示电路设计与制作 三、知识链接 1.电位器式传感器的结构类型 电位器式传感器通过滑动触点把位移

20、转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。图1-22所示为常见电位器式传感器的结构类型。不管是哪种类型的电位器式传感器，都由线圈、骨架和滑动电刷等组成。线圈绕于骨架上，电刷可在绕线上滑动，当滑动电刷在绕线上的位置改变时，即实现了将位移变化转换为电阻变化来实现测量。2.电位器式传感器的测量电路 电位器式传感器的测量电路通常采用电阻分压电路，如图1-23所示。其中，放大器是为了消除负载电阻的干扰影响。上一页 下一页返回任务二汽车燃油表显示电路设计与制作 对于线性电位器，电刷的相对行程x与电阻的相对变化成比例，即 若放大器的增益K=1，则 3.电位器的类

21、型 1)线绕电位器 线绕电位器电阻元件由康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等电阻丝绕制，其额定功率范围一般为0.2550W，阻值范围为100=100 k。当接触电刷从这一匝移到另一匝时，阻值的变化呈阶梯式。上一页 下一页返回任务二汽车燃油表显示电路设计与制作 2)非线绕电位器(1)合成膜电位器。合成膜电位器的优点是分辨率较高，阻值范围很宽(1004.7)，耐磨性较好，上艺简单，成本低，线性度好等;主要缺点是接触电阻大，功率不够大，容易吸潮，噪声较大等。(2)金属膜电位器。金属膜电位器具有无限分辨力，接触电阻很小，耐热性好，满负荷达70。与线绕电位器相比，它的分布电容和分布电感很小，特别适合在高频条件下使

22、用。它的噪声仅高于线绕电位器。金属电位器的缺点是耐磨性较差，阻值范围窄，一般为10100。由于这些缺点，限制了它的使用范围。上一页 下一页返回任务二汽车燃油表显示电路设计与制作(3)导电塑料电位器。导电塑料电位器又称实心电位器，耐磨性很好，使用寿命较长，允许电刷的接触压力很大，在振动、冲击等恶劣环境下仍能可靠地工作。此外，它的分辨率较高，线性度较好，阻值范围大，能承受较大的功率。导电塑料电位器的缺点是阻值易受湿度影响，故精度不易做得很高。导电塑料电位器的标准阻值有1 k,2 k,5 k和10 k，线性度为0.1%和0.2%。(4)导电玻璃釉电位器。导电玻璃釉电位器又称金属陶瓷电位器，它的耐高温

23、性和耐磨性好，有较宽的阻值范围，电阻湿度系数小且抗湿性强。导电玻璃釉电位器的缺点是:接触电阻变化大、噪声大、不易保证测量的高精度。上一页 下一页返回任务二汽车燃油表显示电路设计与制作 4.电位器式传感器的应用 1)弹性压力计 弹性压力计信号多采用电远传方式，即把弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。在弹性元件的自由端处安装滑线电位器，滑线电位器的滑动触点与自由端连接并随之移动，自由端的位移就转换为电位器的电信号输出，如图1-24所示。当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。2)摩托车汽油油位传感器 图1-25所示为摩托车汽油油位传感器，它由随液位升

24、降的浮球经过曲杆带动电刷位移，将液位变成电阻变化。上一页 下一页返回任务二汽车燃油表显示电路设计与制作 四、任务实施 1.电路的设计 利用声光进行汽车油箱中油量显示电路的设计，主要由油位检测电路、油位显示电路、缺油报警电路3部分组成。利用了发光管LED7为油位最高位，LED2在油位最低端，LED3LED7为正常油位，LED2提示即将缺油，LED1为缺油报警。其设计电路如图1-26所示。2.油位显示原理 油位监测电路由汽车油箱内浮筒式可变电阻传感器RP2来完成。当油位降低时，RP2的电阻值会滑向最大值，VT2的发射结电位降低。当该电压降低到0.7V以下时，LED2熄灭，同时也使二极管VD3截止，

25、上一页 下一页返回任务二汽车燃油表显示电路设计与制作 经VT1使由IC2(555)时基集成电路及其外围器件构成的自激多谐振荡器缺油报警电路工作。当IC2的脚(复位端)电平被拉至高于0.8V时，IC2就开始工作，其振荡频率约为10Hz,脚间断输出高电平，该信号分为两路:一路经电阻R2加至LED1发光二极管的正极，使该管间断导通，从而闪烁发光，另一路经电容C9耦合加到喇叭BL上，驱动该喇叭发出报警声，从而以声光方式提醒驾驶员应及时加油。上一页返回任务三电子血压计的设计与制作 一、任务描述 血压是人体的重要生理参数，是人们了解人体生理状况的重要指标。测量血压的仪器称为血压计，要求选用专用电容式传感器

26、实现准确的信息采集，来设计一款电子血压计，并能够准确地将收缩压和舒张压的值在LED上显示出来。二、任务目标(1)掌握电容传感器的结构原理及测量电路。(2)能够运用电容式传感器进行测量。下一页返回任务三电子血压计的设计与制作 三、知识链接 1.电容式传感器的工作原理及结构形式 电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单、体积小、动态响应好、灵敏度高、分辨率高、能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、成分含量等检测领域。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。若忽略边缘效应

27、，平板电容器的电容为 式中 极间介质的介电常数;A两电极互相覆盖的有效面积;d两电极之间的距离。上一页 下一页返回任务三电子血压计的设计与制作 d,A,三个参数中任一个的变化都将引起电容量的变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为面积变化型、极距变化型、介质变化型3类。1)极距变化型电容传感器 图1-29所示为平行极板电容器，设两个相同极板的长为b，宽为a，极板间距离为d0，在忽略极板边缘影响的条件下，平行极板电容器的电容量为 若动极板与被测量相连，d从d0移动至d0-d，电容量C0就变为C0+C，则有上一页 下一页返回任务三电子血压计的设计与制作 当d/d0 C2，则 C1和充放电时间常数

28、就发生改变。这时电路中各点的电压波形如图1-39(b)所示。上一页 下一页返回任务三电子血压计的设计与制作 当矩形电压波通过低通滤波器后，可得出直流分量为 若上述中的U1保持不变，则输出电压的直流分量U0随T1,T2的变化而改变，从而实现了输出脉冲电压的调宽。当然，必须使参比电位Uf C2，即d1=d0-d，d2=d0+d，则式(1-49)即为上一页 下一页返回任务三电子血压计的设计与制作 同样，在变电容器极板面积的情况下，有 式中A1C1电容极板面积;A2C1电容极板面积。若差动电容C1 C1时，则 因此，对于差动脉冲调宽电路，不论是改变平板电容器的极板面积或是极板距离，其变化量与输出量都呈

29、线性关系。调宽线路还具有以下一些特点。上一页 下一页返回任务三电子血压计的设计与制作(1)对元件无线性要求。(2)效率高，信号只要经过低通滤波器就有较大的直流输出。(3调宽频率的变化对输出无影响。(4)由于低通滤波器的作用，对输出矩形波纯度要求不高。四、任务实施 1.电子血压计设计框图 电子血压计主要由电容式压力传感器、四运放LM324、滤波器、气泵、单片机ATmega 16和LED显示器构成的。这个设计的核心部分是专用电容压力传感器、信号处理芯片ATmegal6。上一页 下一页返回任务三电子血压计的设计与制作 前者将袖带内的压力信号转换成电压信号，后者控制整个电路的工作，利用AVR单片机中的

30、A/D转换器对采样信号进行处理，把最终的结果通过LED显示出来。系统设计框图如图1-40所示。2.血压计的测量原理 临床上血压测量技术一般分为直接法和间接法。直接法的优点是测量值准确，并能连续监测，但它必须将导管置入血管内，是一种有创造性的测量方法;间接法是利用脉管内压力与血液阻断开通时刻所表现的血流变化间的关系，从体表测出相应的压力值。间接测量又分为听诊法和示波法。这里的血压计采用示波法。上一页 下一页返回任务三电子血压计的设计与制作 示波法的测量原理，与柯氏法类似，采用充气袖套来阻断上臂动脉血流。由于心搏的血液动力学作用，在气袖压力上将重叠与心搏同步的压力波动，即脉搏波。当袖套压力远高于收

31、缩压时，脉搏波消失。随着袖套压力下降，脉搏开始出现。当袖套压力从高于收缩压降到低于收缩压时，脉搏波会突然增大。到平均压时振幅达到最大值。然后又随袖套压力下降而衰减，当小于舒张压后，动脉管壁的舒张期已充分扩张，管壁刚性增强，而波幅维持比较小的水平。示波法血压测量就是根据脉搏波振幅与气袖压力之间的关系来估计血压的。与脉搏波最大值对应的是平均压，收缩压和舒张压分别对应脉搏波最大振幅的比例。提取的脉搏波信号如图1-41所示。上一页返回任务四振动报警电路的设计与制作 一、任务描述 利用压电振动传感器设计当受到振动后该电路能发出可持续时间为1 min左右的报警声响。二、任务目标(1)了解压电式传感器的工作

32、原理。(2)掌握压电式传感器的测量转换电路。(3能够运用压电式传感器进行电路的设计。下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作 三、知识链接(一)压电式传感器的工作原理 压电式传感器从词义上理解就应该是受压产生电信号的一类传感器。它属于一种物性型传感器。利用一种特殊材料的固态物理特性及效应实现非电量转换的传感器。压电式传感器是一种典型的有源器件，无需外界供电，自己能够产生电，也叫自发式传感器。它具有体积小、质量轻、工作频带宽等特点，用于各种动态力、机械冲击与振动的测量，并在声学、医学、力学、宇航等方面得到了非常广泛的应用。压电式传感器的原理就是基于某些介质材料的压电效应制成的。上一页 下一页返回

33、任务四振动报警电路的设计与制作 1.压电效应 当某些电介质沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。相反，在电介质的极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)。2.压电材料 在自然界中，大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钦酸钡、错钦酸铅等材料是性能优良的压电材料。因此常见的压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷及一些高分子材料。上一页 下一页返回任务四振动报警电

34、路的设计与制作 选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑以下几个方面。(1)转换性能。具有较高的祸合系数或具有较大的压电常数。(2)力学性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大。以期获得较宽的线性范围和较高的固有振动频率。(3)电性能。希望具有高的电阻率和大的介电常数，用来减弱外部分布电容的影响，并获得良好的低频特性。(4)温度和湿度稳定性要好。具有较高的居里点，以期望得到较宽的工作温度范围。(5)时间稳定性。压电特性不随时间蜕变。上一页 下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作 3.石英晶体的压电效应 石英品体所以具有压电效应，是与它的内部结构分不开的。组成石

35、英品体的硅离子Si4+和氧离子O2-在平面投影，如图1-49(a)所示。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图1-49(b)中六边形排列，图中“”代表Si4+，“”代表O2-。石英结品是一个正六面体，在品体学中它可以-,根互相垂直的轴来表示。其中，纵向轴Z-Z称为光轴;经过正六面体棱线，并垂直于光电轴的X-X方向的力作用下产生电荷的压电效应，称为“纵向压电效应”;而把沿机械轴Y-Y方向的力作用下产生电荷的压电效应，称为“横向压电效应”，沿光轴Z-Z方向受力则不产生压电效应。图1-50所示为石英品体的外形。上一页 下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作(1)纵向压电效应。当沿电轴方向施力FX，在

36、垂直于电轴的平面上产生电荷。在品体的线性弹性范围内，电荷量与力成正比，可表示为 式中QXX垂直于X轴平面上的电荷;dXX压电系数，下标的意义为产生电荷的向的轴间及施加作用力的轴向。FX沿品轴X方向施加的压力。因此当品片受到X向的压力作用时，QXX与作用力FX成正比，而与品片的几何尺寸无关。上一页 下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作(2)横向压电效应。如果沿Y轴施力为FY时，电荷仍出现在与X轴垂直的平面上，其横向压电效应产生的电荷为 式中 QXY Y轴向施加压力，在垂直于X轴平面上产生的电荷;dXY压电系数，Y轴向施加压力，在垂直于X轴平面上产生电荷时的压电系数;FY沿品轴Y方向施加的压力

37、。根据石英品体的对称条件dXY=dXX，因此有上一页 下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作 由此可以看出，沿机械轴方向向品片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关，式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的。当石英品片沿X轴受压力或拉力时，电荷产生的极性变化如图1-51(a),(b)所示，当石英品体沿Y轴作用于压力或拉力时，电荷产生的极性变化如图1-51(c),(d)所示。4.压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是一种经极化处理后的电体。材料内部的品粒由许多自发极化的“电畴”组成，每一个电畴具有一定的极化方向，从而存在电场。上一页 下一页返回任务四振动报警电路的设

38、计与制作 在无外电场作用时，电畴在品体中杂乱分布，分布如图1-52(a)所示，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在外力电场的作用下，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外力电场的方向排列，从而使材料得到极化，如图1-52(b)所示。极化处理后陶瓷内部仍存在很强的剩余极化强度，如图1-52(c)所示。为了简单起见，图中把极化后的晶粒画成单畴(实际上极化后晶粒往往不是单畴)。因此对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的表面上会出现电荷，见图1-53，其电荷量Q与作用力F成正比，即Q=dZZF 式

39、中ddZZ纵向压电系数。上一页 下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作 5.高分子压电材料(PVDF)随着科技的发展，不断出现一些新型的压电材料。20世纪70年代出现了半导体压电材料，如硫化锌(ZnS)、锑化铬(CdTe)等，因其既具有压电特性，又具有半导体特性，故其既可用于压电传感器，又可用于制作电子器件，从而研制成新型集成压电传感器测试系统;近年来研制成功的有机高分子化合物，因其质轻柔软、抗拉强度较高、蠕变小、耐冲击等特点，可制成大面积压电元件。为提高其压电性能，还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2-PZT)。PVDF有很强的压电特性，同时还具有类似铁电品体的迟滞特性和热释

40、电特性，因此广泛应用于压力、加速度、温度、声音和无损检测等。上一页 下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作 PVDF有很好的柔性和加上性能，可制成具有不同厚度和形状各异的大面积有挠性的膜，适宜做大面积的传感阵列器件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。(二)压电式传感器测量电路 1.压电元件的等效电路 当压电传感器中的压电品体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现等值极性相反的电荷。可把压电传感器看成一个两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，当两极板聚集一定电荷时，两极板就呈现一定的电压。因此，压电元件可等效为一个电荷源Q和一个电容Ca的并联电路，如图1-54(a)所示

41、;也可等效为一个电压源ua和一个电容Ca的串联电路，如图1-54(b)所示。上一页 下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作 传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存;否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能 无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充。因此，压电品体不适合于静态测量。如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时，则应考虑连线的等效电容，还必须考虑电缆电容CC，放大器的输入电阻Ru和输入电容Cu以及传感器的

42、泄漏电阻Ra。其等效电荷源如图1-55(a)所示，等效电压源如图1-55(b)所示。上一页 下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作 2.压电式传感器的测量电路 压电式传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为:一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗;二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式，即电压放大器和电荷放大器。(1)电压放大器。电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大。因此，也把这种测量电路称为阻抗变换

43、器，如图1-56所示。上一页 下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作 串联输出型压电元件可以等效为电压源，但由于压电效应引起的电容量很小，因而其电压源等效内阻很大，在接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器不仅有足够的放大倍数，而且应具有很高的输入阻抗。(2)电荷放大器。电荷放大器是另一种专用的前置放大器，是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其等效电路如图1-57(a)所示。由于放大器的输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有电流，故可略去Ra,Ri并联电阻的影响，等效电路如图1-57(b)所示。上一页 下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作 在实际应用中，由于电压放大器使所配接的压电式传感器的

44、电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更换会引起重新标定的麻烦，因此对于电荷放大器，它既便于远距离测量，又是目前己被公认是一种较好的冲击测量放大器。3.压电片的连接方式 在实际应用中，单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，常采用两片(或两片以上)同型号的压电元件载接在一起。从作用力来看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同。因此，压电片常见的链接方式主要有并联连接和串联连接两种。上一页 下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作 连接方式如图1-58(a)所示。从电路上看，这是并联接法，类似两个电容的并

45、联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量q=2q增加了1倍，C=2 C电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同，即U=U。而由图1-58(b)所示的电路上看是串联的，两压电片中间载接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量q=q与单片时相同，总电容量C=C/2为单片的一半，输出电压U=2U增大了1倍。比较两种接法，并联接法输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。而串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号且测量电路输入阻抗很高的场合。上一页 下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作 4.压电式传感器的应用 压电式传感器可以广泛应用于力以及可以转换为

46、力的物理量的测量，如可以制成测力传感器、加速度传感器、金属切削力测量传感器等，也可制成玻璃破碎报警器，广泛用于文物保管、贵重商品保管等。(1)压电式传感器单向测力传感器。单向测力传感器主要由石英品片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成，如图1-59所示。传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5 mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英品片上。上一页 下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作(2)压电式加速度传感器。压电式加速度传感器结构如图1-60所示。它的结构主要由弹簧、壳体、质量块、压电片及基座等组成。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用根

47、据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即:F=ma (1-54)四、任务实施 1.电路组成 电路主要由压电陶瓷片X1传感器和X2陶瓷蜂鸣器及少数的电阻、电容等电子元件为主构成。其中，IC1内含两只555时基电路和双时基电路。上一页 下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作 2.电路的设计 电路的设计原理如图1-61所示。3.电路原理分析 当压电陶瓷片X1传感器受到外界的振动而产生形变或当受力时，就会在IC1-1的6脚外接的10 MS2的电阻上产生电压信号，并触发时基电路，使压电片X2发出报警声。IC1-2集成电路与外围元器件共同构成的是一个多谐振荡器，产生约为5 Hz的低频调制信号，该信号驱

48、动X2发出经调制的报警声。上一页返回图1-1电子秤返回图图1-1电子秤电子秤图1-2电阻应变片的基本结构返回图1-3金属导线受力变形情况返回图1-4直流电桥电路返回图1-5直流电桥工作方式(a)返回图1-5直流电桥工作方式(b)返回图1-5直流电桥工作方式(c)返回图1-6交流电桥电路返回图1-7零点补偿返回图1-8线路补偿法返回(a)电路电路;(b)R1与与R2的放置位置的放置位置图1-9双金属效栅法返回图1-10应变式加速度传感器返回1-质量块质量块;2-等强度梁等强度梁;3-空气空气;4-限位块限位块;5-应变片应变片;6-壳体壳体图1-11应变式位移传感器结构返回1-测量头测量头;2-

49、弹性儿件弹性儿件;3-弹簧弹簧;4-外壳外壳;5-测量杆测量杆;6-调整螺母调整螺母;7-应变计应变计图1-12电子秤的整体设计原理返回图1-13电阻应变式桥式测量电路返回图1-14差动放大器电路返回图1-15 A/D转换电路返回图1-16显示电路设计返回图1-22电位器式传感器的结构类型返回图1-23电位器式传感器测量电路返回图1-24弹性肚压力计返回图1-25摩托车汽油油位传感器返回图1-26浮筒式电位器式传感器构成的燃油表电路返回图1-29平行极板电容器返回图1-30放置云母片的电容器返回图1-31直线位移型电容式传感器返回图1-32变而积式电容传感器的派生型角位转型返回图1-33电容式

50、液位变换的原理返回图1-34变介质型电容传感器返回图1-35运算放大器电路返回图1-36交流电桥电路返回图1-37调频电路框图返回图1-38脉冲宽度调制电路返回图1-39脉冲宽度调试电路电压波形返回图1-40电子血压计设计框图返回图1-41收缩压和舒张压的获取原理返回图1-49石英晶体的内部结构返回图1-50石英晶体的外形返回图1-51晶片受力方向与产生电荷极性图返回图1-52压电陶瓷中的电畴变化返回图1-53压电陶瓷的压电原理返回图1-54压电传感器的等效电路返回图1-55等效电路返回图1-56电压放大器返回图1-57电荷放大器电路(a)返回下一页图1-57电荷放大器电路(b)上一页返回图1