传感器课件第三章..ppt

3.3.3 谐振式压力传感器 ---利用压力变化改变物体的谐振频率。也称振动式压力传感器 按振动部分的结构(弦丝状、筒状、膜片状、音叉状) 可分为振弦式、振动筒式、振动膜式等类型。 一、基本原理和类型 1.振弦式传感器 敏感元件：被拉紧了的振弦 其固有频率为： L为振弦的有限长度， M为振弦单位长度的质量（kg/m） T--拉紧力的大小 2.振筒式传感器 敏感元件：均匀薄壁的振动筒 主要由振动筒(由磁性恒弹性合金制成)、激振器和拾振器、基座和保护筒组成。 其固有频率f0 :与筒的形状、大小、材料弹性模量、筒的应力和筒周围介质的性质有关 通过测量固有频率f0 来测量气体的压力Px Px 组成:空腔、压力膜片、振动膜片、激振器，拾振器及放大振荡电路。 原理: 用圆形恒弹性合金膜片的固有振动频率随膜片上所受压力而变化。 但恒弹合金材料较易受外界磁场、温度影响。 3、膜片状谐振传感器 石英晶体：重复性很好、迟滞最小、不受温度影响。 利用石英的压电效应和谐振特性而构成的。 将待测的压力P均匀地作用在膜上，又传给音叉,使音叉的频率发生变化。 音叉根部贴有两片压电元件，一作拾振器，另一作激振器形成复合音叉。 4.石英音叉谐振传感器 二、常用谐振式压力传感器 1.音叉式压力传感器 其放大电路框图为： 2.石英压力传感器 如图，压力通过波纹管加给悬臂梁，梁受力弯曲使谐振器受力，谐振频率变化； 主谐振器两侧的谐振器起补偿作用。 3.3.4 光纤力学量传感器 强度调制型反射式光纤微压传感器： Y型光纤束（两束相同的光纤构成）：光纤入射臂和光纤出射臂，合并端为光纤探头。 感测气体压力的是一弹性薄膜，薄膜上贴有高反射率薄片 光源发出光经光纤入射臂到达反射薄片反射后一部分由光纤出射臂输出至光接受器件；接受到的光强相应的变化由后续电路放大及处理可得气体压力的变化。 测试气压时单独使用气孔1； 测试压力差时同时使用气孔1和气孔2。 Px P0 3.3.5 压电涂层传感器 一、结构 主体材料：压电功能材料（陶瓷材料如PZT和压电聚脂薄膜如PVDF） 如把压电陶瓷PZT粉末与环氧树脂胶液（粘接剂）一起充分搅拌形成压电/环氧树脂溶合涂料，涂在结构表面上，印刷极化电极和导线，经极化处理即可。 二、压电涂层传感器性能 1.压电效率：指单位应变所能感应出的电荷多少。 2.阈值体积：一般令其所占有体积大于某个阀值VPZT。 当PZT填料组份小于该阀值时,微观上PZT颗粒是相互隔离的，即使外加很强极化电场也很难使其极化，压电效率很低。 图:随极化电场强度增加而增大； 对给定电场强度，涂层越厚压电效率越高； 在击穿电场范围内随极化时间延长而缓慢增大； 对给定极化时间，极化电场强度越高其压电效率也越高。 一、Z元件的机理 3.3.6 力敏Z元件及触觉传感器 实际结构：一个PN结和N型侧敏感层的复合结构。 工艺：对N型硅单晶进行Al扩散以形成PN结，用AuCl3·4H2O溶液在高温下进行单面打磨后，用化学方法镀上Ni电极以形成欧姆接触。 敏感层可由元件的扩金工艺形成。 Z元件的工作电路 特性曲线分为线性区、非线性区、负阻区和饱和区四个阶段。 当外力作用于Z元件P端时，敏感层电阻率变小，使线性区斜率增大，达到电流值Im时其电压值小于静态下发生跳变时Um，曲线向左移，施加的力值越大，左移的距离越大。 当外力作用于N端时，敏感层的电阻率变大，使曲线斜率减小，达到电流值Im时发生跳变电压值大于静态下的Um，曲线向右移，施加的力值越大，右移的距离越大。 二、电流-电压特性 对温度敏感，可通过选取工作点使其对温度的敏感度下降，能被忽略或可进行温度补偿。 Z元件很薄，也很脆，能够承受的力有限，设计必须保证安全性。 三、在触觉传感器中的应用 触觉传感器的结构如下图: 基本原理:通过平板结构的变形把力传递给Z力敏元件，触点上很大的力转换成力敏元件上很小的力。 用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，线性好，抗干扰能力强，转换电路简单，易于装于机器人手爪上。 3.3.7 陶瓷压阻式压力传感器pressure sensor of ceramic resistor 是一种结构坚固、外形小、灵敏度高、热稳定性好、耐腐蚀的厚膜压阻式压力传感器 如图：用丝网印刷工艺印制,烧结成厚膜电阻陶瓷膜片R1，R2，R3，R4 。 用Pd-Ag导电带连成惠斯通电桥。 剖面图：所测压力作用在陶瓷膜片表面，基座中心有一大气压力通孔以测量相对压力， 压力使膜片产生偏移，如膜片中心受拉，R1、R3受拉伸应力阻值增加，外侧的电阻器R2、R4则受到轴向压应力而阻值减小。 Px