压力传感器设计论文.doc

随着信息化时代的到来,信息科学技术飞速发展,传感器作为信息技术的重要组成部分,其发展水平标志着一个国家的科学技术发展的水平,成为信息时代的焦点。各类传感器在已经广为应用于生产生活的方方面面,传感器作为现代科技的前沿技术,被认为是现代信息技术的三大支柱之一,也是国内外公认的最具有发展前途的高技术产业和朝阳产业。
传感器的作用与地位
信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展,都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强,作为信息采集系统的前端单元,传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件,作为系统中的一个结构组成,其重要性变得越来越明显。
人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况,就需要传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点现在已为全世界所公认。科学技术越发、自动化程度越高,对各种传感器的需求越大。
传感器的输入通常是各种外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾),输出信号通常是电量。它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式,如电压、电流、电阻、电容等,输出信号的形式由传感器的原理确定。
传感器已广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林、渔业生产、食品、烟酒制造、机器人、家电等诸多领域,可以说几乎渗透到每个领域。
传感器其发展历史可以追溯到17世纪初,从伽利略发明温度计开始,人们就已开始温度进行测量。而真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的,这就是后来的热电偶传感器。五十年以后,另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下,本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应,根据波与物质的相互作用规律,相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。直至今日,各类不同的传感器业已应用于不同行业的不同领域,各司其职。
现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。现代社会的工业生产中对各类传感器的要求已经越来越高,传统的大体积弱功能传感器往往很难满足诸如,精确性、可靠性、灵敏性等各项性能指标的需求。现在的新型高性能微型传感器主要由硅材料构成,具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。传感器在现代家庭中的应用比比皆是:数码相机、数码摄像机:红外测距传感器;冰箱、电饭煲:温度检测(热敏电阻)等等。因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。
电子式压力式传感器的设计
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。
压力传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢***。其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体,压电效应就是在这种晶体中发现的,在一定的温度范围之内,压电性质一直存在,但温度超过这个范围之后,压电性质完全消失(这个高温就是所谓的“居里点”)。由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数比较低),所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数,但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢***属于人造晶体,能够承受高温和相当高的湿度,所以已经得到了广泛的应用。
,:这种压电电阻效应是由于应力的作用,引起导体与价电子带能量状态的变化,以及载流子数量与迁移率变化所产生的一种现象。日本从1970年开始研究开发,首先应用在血压计上,之后在过程控制领域及轿车发动机控制部分都获得了广泛的应用。最近几年在家用电器、装配机器人等应用领域普遍采用电子压力传感器作为压力控制、压力监控和判断真空吸附的效果。
图1 电子压力传感器模型
设计目的
图2是压力传感器在全自动洗衣机中的应用实例。如图所示,利用气室,将在不同水位情况下水压的变化,作为空气压力的变化检测出来,从而可以在设定的水位上自动停止向洗衣机注水。

图2 压力传感器在全自动洗衣机中的应用
工作原理
图1为PS压力传感器