压力传感器课程设计（精选6篇）
压力传感器课程设计 篇1
传感器设计与实现报告<论文>
学生姓名学 号专 业题 目教 师——压力传感器设计
电气自动化技术 压力传感器设计 刘艳伟
PS
压力传感器设计与实现
——PS压力传感器
摘 要
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。我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应
【1】
；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压电传感器。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
关键词：压力；结构；PS压力系统
目录
第1 章
绪论..........................................................................1 1.1背景......................................................................................1 1.2传感器的定义..........................................................................1 1.3传感器的分类..........................................................................1 1.4设计目的..............................................................................2 第2章
原理分析.....................................................................3 2.1工作原理.........................................................................3 第3章 实现过程...........................................................................4 3.1 电路图设计......................................................................4 第四章 结论...............................................................................5 参考文献：.....................................................................................6
第1 章
绪论
1.1背景
压力传感器【2】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胺。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。磷酸二氢胺属于人造晶体，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。
早在1954年美国C.S.Smith首先确认了半导体压电效应，1955年C.Herring指出：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。
1.2传感器的定义
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
1.3传感器的分类
目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种： １、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器
２、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、1
光栅、热电偶等传感器。３、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“１”和"０”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。
关于传感器的分类
1.按被测物理量分：如：力，压力，位移，温度，角度传感器等； 2.按照传感器的工作原理分：如：应变式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器等；
3.按照传感器转换能量的方式分：
（1）能量转换型：如：压电式、热电偶、光电式传感器等；
（2）能量控制型：如：电阻式、电感式、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等；
4.按照传感器工作机理分：
（1）结构型：如：电感式、电容式传感器等；
（2）物性型：如：压电式、光电式、各种半导体式传感器等； 5.按照传感器输出信号的形式分：（1）模拟式：传感器输出为模拟电压量；
（2）数字式：传感器输出为数字量，如：编码器式传感器。
1.4设计目的
图1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1
第2章
原理分析
2.1工作原理
图2为PS压力传感器的截面结构图，图3为其传感器部分的结构。如图所示，在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体，如果对这一电阻体施加压力，由于压电电阻效应，其电阻值将发生变化。受到应变的部分，即膜片由于容易感压而变薄，为了减缓来自传感器底座应力的影响，将压力传感器片安 装在玻璃基座上。
图2
图3 如图3（b）所示，当向空腔部分加上一定的压力时，膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。压电电阻的排列方法如图4所示，受到拉伸的电阻R2和R4的阻
值增加；受到压缩的电阻R1和R3阻值减小。
由于各压电电阻如图4那样组成桥路结构，如果将它们连接到恒流源上，则由于压力的增减，将在输出端获得输出电压ΔV，当压力为零时的ΔV等于偏置电压Voffset,在理想状态下我们希望Voffset=0V实际上在生成扩散电阻体时，由于所形成的扩散电阻体尺寸大小的不同和存在杂质浓度的微小差异，因此总是有某个电压值存在。压力为零时，R1=R2=R3=R4=R，我们把加上一定压力时R1、R2电阻的变化部分记作ΔR；相应R3、R4电阻的变化部分记作-ΔR，于是ΔV=ΔRI。这个ΔV相对压力呈现几乎完全线性的特性，只是随着温度的变化而有所改变。
第3章 实现过程
3.1 电路图设计
图5是PS压力传感器的外围电路设计实例，图中用恒流源来驱动压力
图
5、压力传感器器设计电路
由于桥路失衡时的输出电压比较小，所以必须用运放IC1b和IC1C来进行放大。图中VR1为偏置调整，VR2为压力灵敏度调整，VR3为没有加压时输出电压调整，C1、C2用于去除噪声。另外，如果电源电压波动的话，将引起输出电压的变化，所以必须给电路提供一个稳定的电源。
第四章 结论
传感器技术是一门理论性和实践性都很强的专业基础课，也是一门综合性的技术基础学科，它需要数学、物理学、电子学、力学、机械等知识，同时还要掌握各种物理量的变换原理、各种静态和动态物理量（如力、振动、噪声、压力和温度等）的测定，以及实验装置的设计和数据分析等方面所涉及的基础理论。在做此次实验前，我把老师所讲的传感器教材通读了一遍，对传感技术有了一定得了解。因为在这之前，没有接触过类似的课程设计，所以这次实验，我感觉有些困难。传感技术是一门综合性的课程知识，想做好这次实验，必须要有较好的理论知识，例如：电路，模电，还有画图时，也要用软件画图multisim仿真软件的使用。只有熟悉了这些们课程才能真正的完成这次实验。首先，是电路图的设计，要明白传感器的原理及在电路中的作用是什么。虽然最终设计出的电路图不是很复杂，但是也是几经周折。其次，是在multisim中连接电路元件，让我进一步得熟悉了这个软件的功能，并能运用自如。虽然画图时比较麻烦，经过大概一个小时的时间才画完，但看着自己画的图，觉得很有成就感。最后，是电路的仿真，者可以说是最关键的一部了，前面所有的工作都是在为它打基础，一旦仿真失败就意味着所有得努力可能全部白费。仿真的结果虽然显示出数字来了，但是和是要得要求相差很远。因此，就一次一次的调试，改变电阻的阻值，以及滑动变阻器的阻值，最终把结果调试出来了。通过这次传感器技术的实验,使我学到了不少实用的知识,更重要的是,做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我们受益匪浅.在这次实验的过程中我们要培养自己的独立分析问题，和解决问题的能力。在调试电路图的过程中，要自己学会思考。最后，通过这次实验我不但对理论知识有了更加深刻的理解，更加增强了我的综合能力，希望以后能多有这样的作业，使我们能把所学的专业知识实践运用。使我们整体对各个方面都得到了不少的提高让我们得到更好的锻炼 5
参考文献：
【1】极化建模与雷达遥感应用（英文版.中文评注）作者:Shane R.Cloude(S.R.克劳德)著，洪文 尹嫱 李洋 等评注出版社:电子工业出版社出版时间:2015年08月
【2】压力传感器的设计制造与应用 作者：孙以材 等编著出版社:冶金工业出版社出版时间:2000年04月
压力传感器课程设计 篇2
关键词：扩散硅,惠斯通电桥,传感器
根据压力传感器工作原理的不同, 压力传感器常分为机械膜片电容型、硅膜片电容型、压电型、应变型、霍尔效应、硅压阻式压力传感器等, 压阻式压力传感器又有扩散硅型和应变片型传感器之分, 其中扩散硅压力传感器因其低成本、高可靠性而在压阻式压力传感器中占据了越来越重要的位置。目前汽车用MEMS压力传感器就采用了压阻式压敏原理制成, 因其灵敏度高、线性度好、稳定性好、结构简单、容易实现批量生产、易于利用标准的IC (Integrated Circuit) 工艺技术实现集成化等成为目前应用最广泛的MEMS产品之一。
一、硅的压阻效应
硅半导体的压阻效应是指材料在受到应力的作用时, 其电阻或电阻率随应变的变化而变化的现象。应变材料的应变与电阻变化之间的关系如下:
式子中π为材料的压阻系数, E为材料的杨氏模量, ε为材料的应变率, v为材料的泊松比。由此可见, 硅半导体阻值变化的原因有两方面:其一是由几何尺寸变化而引起的;其二是由载流子运动状态的改变而引起的。
实验对比发现, 硅半导体载流子运动状态的变化而引起其电阻值的改变要远大于因其本身几何尺寸的变化所引起其电阻值的改变, 在数值级上一般要多出2个数量级。所以在公式中G值的大小主要是由E决定。其原因是半导体材料硅在单向应力作用下, 一方面会发生纵向尺寸的变化, 另一方面还会引起横向尺寸的变化, 这将使晶体的平衡性发生改变, 从而使其能带结构也发生改变, 造成电子在能谷间发生转移, 导致半导体材料硅的电阻率也发生改变。对于单晶硅等半导体材料而言, 在单向应力作用下, 其能带的改变特别显著, 这就引起沿其晶体在某一方向上产生特别明显的压阻效应。
二、压力传感器的信号输出
通常压力传感器的信号输出采用惠斯通电桥结构的电路, 为了提高满量程输出、减小零点的温度漂移和提高线性度, 我们采用灵敏度最高的惠斯通全桥电路, 如下图所示。
在没有施加压力的时候, 由于R1、R2、R3、R4制作工艺相同, 四个电阻条的阻值基本相同, 温度对它们的影响基本一样, 我们设定为R, 此时惠斯通电桥的输出电压为零。当有外界均布载荷P作用于传感器膜片上面时, 膜片发生变形, 每个电阻都会发生变化, 其中R1和R2减小, R3和R4增加。此时惠斯通电桥状态被破坏, 传感器的输出电压不再为零, 等于B、D两点之间的电位差。
其中Uo为输出电压, Ui为输入电压。
三、压力传感器的接口电路
利用压力传感器对压力的感应特性, 将压力信号转换为模拟的电压信号输出, 此时的电压信号很小, 必须经过放大器把信号放大, 然后由A/D转换器转换为数字信号, 再通过单片机对数字量进行处理, 计算出实际的压力值, 并通过液晶屏显示。整个电路的设计主要包括4大部分:电桥信号电路、信号放大电路、A/D转换电路和LCD显示电路。
四、电桥放大电路
众所周知, 利用硅的压阻效应所输出的电压信号较弱, 所以我们对其输出的电压信号先经过放大电路INA118对其进行放大处理, 然后才能通过A/D转换处理, 得到一组数字信号。我们采用INA118放大电路对其信号进行放大处理, INA118放大电路是由3个运算放大器构成差分放大电路, 为了提高其可靠性, 我们对其内置输入进行过压保护, 且可使用外置大小不等的电阻实现多种增益 (从1到1000) , 因而扩大其应用范围。
我们在电路图中, 通过对脚1和脚8之间外接一电阻Rg, 可以实现不同的增益量, 该增益量的控制范围可从1～1000, 极大提高了其应用范围。电阻Rg为式中G的增益。但由于Rg的稳定性和温度漂移等特性都会对其增益产生不同的影响, 因此我们为了需要获得高精度增益, 在实际应用中对Rg的稳定性等方面的性能要求也比较高, 比如我们可以采用高精度、低噪声的金属膜电阻, 来降低其不利的影响。此外, 高增益的电路设计中的Rg值较小, 如G=100时的Rg值为1.02 kΩ;G=1000时的Rg值为50.5Ω。
五、A/D7715接口电路
为实现对压力实时变化的连续监测, 我们在设计中采用16位的A/D7715对输出电压进行采样测量。A/D接口电路如下图所示。
其中A/D780提供2.5V高精度基准电压信号。P3.1脚提供A/D工作所需的时钟, P1.4和P1.5脚接收和发送通讯数据, P1.6是片选信号, P1.7接DRDY, AT89S52可以通过查询P1.7的状态来判断是否可以读取A/D转换结果。
六、单片机接口电路
我们在设计单片机接口电路中采用AT89S52单片机接口电路。由于AT89S52是一个CMOS8位单片机, 其主要的优点是低功耗、高性能, 并且可兼容标准MCS-51指令系统, 以及采用80C51引脚结构。在单片机接口电路中得到广泛的应用。其单片机接口电路如下图所示。
我们设计使用的复位电路主要由22μF的电容, 1 kΩ的电阻及IN4148二极管组成。这种复位电路不但可满足单片机可靠复位, 而且具有降低复位引脚对地阻抗, 增强单片机复位电路的抗干扰能力等优点, 基本可以满足我们设计需求。电路中二极管的作用是可实现快速释放电容电量的功能, 并且能够满足短时间复位的要求。其输入信号为经7715A/D转换的模拟电压信号, 单片机可对其进行计算处理后输入到LCD1602液晶显示, 显示出相应的压力值, 直观明了。
七、整体系统的软件设计
1. 系统主程序流程图
我们对系统提供电源电压后, 首先主程序可完成对系统初始化程序, 初始化程序包括A/D转换器、串行口、中断等工作状态的设定, 给系统各变量赋予初值, 显示上次设定值等内容, 并执行相应的功能子程序优化。当按下启动键后, 系统将根据其初始化设定值、校正值等参数来计算对应的数字量, 并实现自动输出功能。
2. 系统的模数转换程序
模数转换程序首先对AD7715芯片进行初始化程序, 把相应的程序代码写入内部寄存器, 这样才能读写其他寄存器的信息。一般AD7715的寄存器是8位寄存器, 只有在一些特殊的场合才使用16位寄存器, 比如零点校准寄存器、数据寄存器和满量程校准寄存器等。系统程序分别写入数据信息, 并判断DRDY是否为零, 如果为零则读出寄存器数据, 如果不为零则再次写寄存器。
3. 系统的1602显示程序
系统的1602采用的显示程序为定时中断0来实现逐位的动态显示, 这样不但不用担心定时刷新显示等问题, 而且可使LCD输出信号更加稳定, 所以此显示子程序具有简单灵活、适用性广等优点。LCD1602的数据引脚与控制引脚与单片机的I/O口直接相连, DB0～DB7分别连接单片机的P1.0～P1.7口, 这样可使数据并行传输速度加快, 而Vo亮度调节引脚则直接接地, 显示最亮状态。
八、小结
压力传感器课程设计 篇3
【摘 要】针对老式电热水器只能打热水，却不能提醒打水人员取卡的问题，应用压力传感器和单片机技术，实现了电开水器自动语音提示打水人员拔卡的功能。装置在接水容器的承载底部有压力传感器，计时器下方装有扬声器和控制器，在单片机程序的设定下，压力信号的变化转变为电信号传递给控制系统，输出功率足够的声信号，及时提醒打水人员将自己的卡带走。
【关键词】压力传感器；智能提醒；电开水器；单片机控制
引言
随着现代高科技的日新月异，各式各样的智能家用电器取代了用人力来进行日常繁杂的工作，并占据了主要市场。如今为了各大高校的教职员工，学生以及各个企业的员工的日常饮用热水更加智能方便化，大部分的企业及高校，均在楼层和茶水间等公共热水服务区安装了刷卡计时计费的电开水器。即当大家想饮用热开水时，将校园卡或员工卡放置于计时器卡槽内，水杯对准出水口放于承接板，按下开关进行取水，接满水后，再次按下闭合开关，即完成了一次打水。通过看计时计费器dret上的显示，也可以了解到卡的消费余额，为人们的日常生活带来了极大的便利。
1.系统设计方案
基于压力传感技术的电开水器智能卡取卡提醒装置由电开水器主箱体1、显示器2、传输线3、4、压力传感器传感器5、承接板6、排水管7、计时器8，计费显示屏9、开关按钮10、扬声器12、控制器（单片机）13、出水口（水龙头）14、组成。托物盘由三个托物板拼接起来，每一板块都装有压力传感器。压力传感器包括力的感应与力的输出，并通过传输线与上方对应的控制器相连接，计时器设有插卡槽，控制器内设置有单片机、信号处理系统。工作过程中，在单片机程序的设定下，当系统检测到打水人员接水操作完成时，将压力信号的变化转变为电信号，然后输出相应、功率足够的声信号，以提醒用户取走智能卡。
2.工作过程
程序设定的压力传感器通过感受压力的变化，并由传输线3传递给控制器13，控制器的信号A，当没有人使用电热水器装置时，托物盘5是空的，单片机记录压力初始值始终为A。当有打水人员来打水时，将其卡插入卡槽11，把水杯放在出水口（水龙头）14下端，按下开关按钮10进行打水，主体箱1流经出水口14，随着托物盘5所受的压力在接水过程中渐渐增加，压力传感器的压力发生改变后，通过传输线3传给控制器13，控制器信号处理系统自动记录值为B、C、D、E等。等待打水完成后，此时按下开关按钮10，出水口14停止出水。当打水人员拿走水杯，压力数值恢复到初始值A，控制室中的信号处理系统便将从其他压力数值B、C、D、E到压力初始值A的变化信号转化处理转变成电信号，反馈给控制器13，然后传递给扬声器12，并推动其发出两声“请拔出您的卡”的语音提示，之后便不再发声。直到下一位打水人员使用时，重复上述工作过程。
系统是当传感器测得的压力信号从A-变到B、C、D、E时，才发出两声“请拔出您的卡”的语音，所以即使不使用打水时，系统虽然长时间处于值A，但也不会不断的发声，因此有效的避免了电能的浪费。
3.小结
新装置是一种具有自动提醒取卡功能的插卡式电热水器，它通过压力传感器测得力学信号的变化，将变化的信号传给控制器的信号处理系统，然后执行之前设定好的程序，输出响应扬声器发出提示音，从而及时提醒打水人员将自己的卡拔出。该新加的自动提示功能弥补了先前电热水器的缺陷，完善其功能，避免卡遗失之后，对企业的职员及和高校的教职工造成不必要的麻烦，对于广大的学生群众而言，保证了校园卡的正常使用，例如吃饭买东西，进出图书馆等日常活动，具有良好的实用性。
参考文献：
[1]颜晓河，董玲娇，苏绍兴.压力传感器的发展及其应用[J].电子工业专用设备，2006（1）.
[2]张敏. 自动控制中压力传感器的应用探讨[J].大科技，2014，（16）.
[3]张书玉，张维连，张生才等.高温压力传感器的研究现状[J].传感技术学报，2006，19.
[4]郭强，吕浩杰.胡国清新型接触式电容压力传感器[J].仪表技术与传感器，2008，（3）.
[5]王佳茂，梁卓等.一种具有自动提醒取卡功能的插卡式热水器.专利号ZL 201420137984.3.
[6]陈宇珂，张延武，卢育华，肖强.一种基于单片机的数据采集及控制系统的设计[J].医疗设备信息， 2005，20（3）.
作者简介：
蒋金鑫：（1995.8），女，本科在读生，现就读于上海电机学院机械电子工程专业本科生。
蒯云帆：（1994.2），女，本科在读生，现就读于上海电机学院机械电子工程专业本科生。
王聪：（1982.8），女，博士，讲师，上海电机学院机械学院任教。
压力传感器的原理简介 篇4
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。
我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。
压电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胺。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。磷酸二氢胺属于人造晶体，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。
在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广。除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。
实际应用
力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。
在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU）显示或执行机构。
医学常用的压力参数有：血压、颅内压、眼内压、肠内压、肺泡压等，其中最常规的测量内容是血压(Blood Pressure ,BP)。医学上测量的血压有动脉压、静脉压和心内压（包括心室压、心房压）等，每种压力信号又包括：收缩压、舒张压、平均压。
血管内的血液在血管壁单位面积上垂直作用的力，称为血压。当人的心脏收缩时，动脉内的压力最高，此时内壁的压力称为收缩压，亦称高压；心室舒张时，主动脉压下降，在心舒末期动脉血压的最低值称为舒张压，也称为低压。血压的测量，就是采用某种方法检测和记录血压的收缩压、舒张压等数e 以及测量血压的动态变化。血压的数值一舱表示为绝对压力与大气压之差。血压测量的压力范围为 0 ～ 300mmHg。皿压测量的频串范围通常为 0 ～20Hz。在常规的临床检查中，常常采用人工方式，使用由气袖、压力计和听诊5B等部分组成肋脉K 计，间接测量人体的收缩压和舒张压。与此同时在心血管功能检查、病人监护、生理实验、以及体格检查中，广泛使用带有各种血压传感器的电血压计，尽管这种仪器十分的准确，技术十分成熟，但是仍存在诸如携带不方便，读数困难，患者基本不能自测等弊病。德国的赫曼腕式血压计，通过大规模集成电路，通过往腕带中充气加压，再通过传感器使得压力信号转化成为电信号，这样不仅大大缩小了总体积，还配上一个脉搏传感器，就可以在测量血压的同时完成测量心跳，单位换算等诸多功能，十分方便，为患者自行诊断提供了可能。
电阻应变片的工作原理
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：
ρ=RS/L
式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω。cm2/m）
S ——导体的截面积（cm2）
L ——导体的长度（m）
我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。
陶瓷压力传感器原理及应用
抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0 ～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。
陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40 ～135 ℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。
扩散硅压力传感器原理及应用
工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷使膜片 产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
蓝宝石压力传感器原理与应用
利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计特性。
蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC 以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n 漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。
用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。
表压压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接
在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。
传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。
压电压力传感器原理与应用
压电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胺。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。磷酸二氢胺属于人造晶体，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。
现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。
结构
金属电阻应变片的内部结构
电阻应变片的结构由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。
原则
现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。
1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。
在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。
2、灵敏度的选择
通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的厂扰信号。
传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
3、频率响应特性
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。
传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。
在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。
4、线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。
5、稳定性
传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。
传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。
在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。
6、精度
精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。
如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。
压力传感器课程设计 篇5
支承压力是矿山压力的重要组成部分,是影响工作面及巷道稳定控制的重要因素[1]。掌握支承压力分布规律,包括分布范围、高峰位置、低应力区范围等重要特征参数,是研究矿山压力产生机理并最终实现矿山压力控制的重要依据。常用的支承压力监测方法有钻孔液压枕法、钻孔钢弦测力计法及超前巷道位移法等。但这些方法均存在测试精度低、抗外界干扰差、易受水侵蚀影响等,难以实现支承压力的长期、有效监测。
光纤光栅是近几年国际上新兴的电子器件。光纤光栅传感器由于具有本质安全、结构轻便、耐腐蚀、抗电磁干扰等优势而广泛用于温度、应力、应变等物理量的测量。采用光纤光栅传感技术可以实现矿山岩体变形过程的测试[2,3,4,5,6,7,8,9,10]。本文以光纤光栅传感原理为基础,通过对光纤光栅传感器进行合理封装,研制出一种光纤光栅支承压力传感器,并通过标定实验和相似模拟实验验证了该传感器的性能。
1 光纤光栅传感原理
根据耦合模理论,光纤Bragg光栅的中心反射波长可表示为[11]
式中:λB为光栅的中心反射波长;neff为有效折射率;Λ为光栅周期。
neff和Λ均会随着温度、压力、应变的变化而变化,因此可根据λB的变化量来测量温度、压力、应变等变化量。
当温度、应变发生变化时,λB的变化量为
式中:ΔλB为中心反射波长位移量;pe为光纤的有效弹光系数;ε为光纤应变; α为光纤的热膨胀系数;ξ为光纤的热光系数;ΔT为温度变化量。
当温度恒定时,有
进而可得
根据式(4)可将波长变化数据处理成应变结果,光纤一旦选定,pe即为定值。纯石英光纤的pe值约为0.22,当λB取为1 550 nm时,裸光纤应变灵敏度系数约为l.2 pm/με。由于采用的光纤材料以及写入光栅工艺的差异,不同光纤光栅的应变灵敏度也不同,因此光纤光栅传感器需经标定后才能实际应用。
2 光纤光栅支承压力传感器的设计及标定
2.1 传感器设计
传统的支承压力传感器埋入后除受支承压力影响外,还会受到水平应力的挤压作用,导致传感器所测支承压力比真实值偏小,测试不精确。为了最大限度地提高支承压力测试精度,必须屏蔽径向应力的影响。将传感器作如下设计,以使其仅感受支承压力的变化:将两个金属外壳套装,其中一个外壳的内径与另一个外壳的外径相等,在轴向上有部分重叠,可上下活动;将光纤光栅沿圆柱弹性体环向粘贴以形成传感部分,并将其粘贴固定于两金属外壳内部的上下端面。这样,当传感器埋入岩体内部后,支承压力通过金属外壳的上下端面传递至弹性体,使其产生径向膨胀,带动光栅产生拉应变,发生波长漂移,实现最终的测试。由于金属外壳阻隔了水平径向力对橡胶体的作用,使其无法传递至弹性体及光栅,因此实现了对支承压力的单一测量。
弹性体选用一种高弹性橡胶,直径为3 cm,高度为4 cm。光纤光栅通过开小槽→打磨→丙酮清洗→涂502胶→粘贴等过程固定于环向表面。选用一定直径的金属盒形成传感器金属外壳。传感器具体结构及外形如图1所示。
2.2 传感器标定实验
2.2.1 测试系统
对光纤光栅支承压力传感器进行加压标定实验,测试系统如图2所示。光纤光栅波长采集与识别系统采用Micronoptic公司生产的光纤光栅解调仪,其主要技术指标:波长分辨率为l pm,扫描范围为1 510～1 590 nm,温度分辨率≤0.1 ℃,应变分辨率≤1 με。软件环境为MOI-ENLIGHT。
2.2.2 实验过程及结果分析
将光纤光栅支承压力传感器放置于平整桌面上,通过对顶端施加0.4 kg、1.4 kg、2.4 kg、2.6 kg、2.8 kg的重物来达到改变应变的目的,共进行6次加载实验。根据实验结果绘制压力-波长X-Y点散图,并对X-Y点散图进行直线拟合,如图3所示。
从图3可看出,光纤光栅支承压力传感器的线性拟合度R2接近于1,表明线性拟合程度高,并且随着载荷的增加,光纤光栅波长呈明显线性增加趋势;光纤光栅支承压力传感器的应力灵敏度系数约为200～300 pm/kg,已知所选光栅的初始波长为1 537 nm,应变灵敏度系数约为1.3 pm/με,则经换算可知,该传感器的应力灵敏度系数约为20～30 pm/N。由于在光纤光栅支承压力传感器制作过程中,圆柱体的形状并非完全规则,导致应力沿垂直方向有一定的偏移,且加载时间过快,使得每次测试结果都有一定的误差。这一点会在今后的实验中改进。
3 光纤光栅支承压力传感器的相似模拟实验
将光纤光栅支承压力传感器埋入相似模型中,以测试开挖过程中支承压力的变化规律。测试系统如图4所示。
根据光纤光栅的应力灵敏度系数得出推进距离与应力变化的关系,如图5所示。
从图5可看出,在开挖过程中,由光纤光栅支承压力传感器所测的应力变化分为3个阶段,即岩层的小变形阶段(推进距离为0～25 cm)、岩层的大变形阶段(推进距离为25～57.5 cm)、岩层的稳定阶段(推进距离为57.5～110 cm)。在岩层的小变形阶段,支承压力呈直线上升趋势,变化平稳,这是因为传感器在埋设过程中进行了较大的压实,传感器处于受压状态;随着工作面的推进,工作面后方支承压力减小,引起传感器应力释放,进而使传感器的光栅波长变大。在岩层的大变形阶段,支承压力增加后逐渐下降,这是由于在开采过程中经历了直接顶离层变大、直接的初次跨落、老顶的初次来压和周期来压,这些动力现象对工作面后方的上覆岩会产生比较大的扰动。在岩层的稳定阶段,支承压力呈线性上升趋势。
4 结论
(1) 光纤光栅支承压力传感器的输出与压力具有很好的线性关系,应力灵敏度系数约为20～30 pm/N,测试精度较高。
(2) 相似模拟实验结果显示,受开采影响,工作面前方一点支承压力呈现逐渐增加并最终趋于稳定的变化趋势,与实际变化规律一致,验证了该传感器用于支承压力监测的可行性。另外,由于光纤光栅以光信号为传输媒介,完全不受矿井水和矿井瓦斯的影响,因此可实现支承压力的长期、有效监测。
(3) 鉴于岩体与传感结构为不同介质材料,在以后的研究中,应进一步建立不同介质之间的相容性力学模型,求得传感器与岩体之间的相容关系。
摘要：针对现有的支承压力监测方法存在的测试精度低、抗干扰性能差、易受水侵蚀影响等问题,以光纤光栅传感原理为基础,设计并实现了一种基于圆柱结构的支承压力传感器。该传感器消除了径向应力的影响,仅感受支承压力的变化;以光为传输介质,不受矿井水和瓦斯的影响。相关的力学标定实验结果表明,该传感器输出与应力具有良好的线性关系,应力灵敏度系数约为20～30pm/N,测试精度较高。相似模拟实验结果表明,受开采影响,工作面前方一点支承压力呈现逐渐增加并最终趋于稳定的变化趋势,与实际变化规律相一致,验证了该传感器用于支承压力监测的可行性。
关键词：矿山压力,支承压力,光纤光栅传感器,标定实验,相似模拟实验
参考文献
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S型压力传感器形变的有限元分析 篇6
关键词：压力传感器；形变；有限元分析；位移
中图分类号：TB125 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）33-0072-02
传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一，压力传感器广泛应用于工业生产的许多行业，它的误差大小直接影响到测控系统的性能。由于目前的压力传感器一般是以弹性元件的形变指示压力，因此在使用过程中整个压力传感器会产生变形，由于其制作的材料等不同其形变也不同，因此在使用之前需对其进行分析，特别是使用在测量物体形变和受力关系的系统上，其自身形变可能会导致测量结果出现严重误差。本文结合一款S型压力传感器，使用COMSOL有限元分析对其受力情况下自身的形变进行有限元分析，得出相关数据，并分析出此传感器的受压最大位移点和正向受力面的各点线型图。
1 传感器材料及仿真模型的建立
1.1 传感器材料模型
S型压力传感器主要采用合金钢材料，其材料属性，见表1。
1.2 传感器几何模型与有限元模型
传感器几何模型采用三维几何模型，用外部CAD软件绘制出尺寸一致的三维体，然后导入到COMSOL软件中，对其进行边界约束和施加载荷面等设置后，进行网格化处理。为了降低计算机的计算成本，加快模型求解速度，可采用自由四面体网格进行实体域网格划分，其三维几何模型和有限元网格，如图1所示，其中四面体单元总数为25 924，三角形单元总数为9 510，边单元总数为1 632，顶点单元总数为56。
1.3 载荷和边界条件
在图1（a）三维几何模型中，施加载荷面在最上方，施加方向为Z轴反方向，即力的方向为从上往下压，在后面分析形变的时候重点监测的点即为几何模型中标注的6个。施加载荷大小为传感器的测量范围：0～100 N，载荷施加在三维模型的载荷施加面。在模型的最下方的为固定约束面，对其施加位移约束。
2 有限元分析结果
通过上述模型通过COMSOL计算处理后，得到的物体形变情况，如图2所示。
从形变图中可以看出，当S型传感器在受到正上方压力的时候，其形变最大点再上端侧面处，施加载荷50 N时，其位移形变为17.1 439 um。
三维模型中监测点的形变线图，如图3所示。
从监测点的位移情况发现，S型压力传感器下端的变形较小，而上端变形较大，4号位置接近最大位移点，在接近最大载荷时，其形变位移达到0.03 mm，最上面直接受力点2在最大载荷情况下达到0.025 mm。
监测点1-6的分析数据，见表2。
通过上述数据和图形可以得出，在S型压力传感器上施加载荷，会使其自身产生形变，位移大小在0.03 mm，即在系统中产生的位移误差为0.03 mm。其位移基本呈线性状态，因此在使用此类传感器时，如果测量的精度要求很高，就可以考虑利用线性位移的特性对其形变进行数据矫正，提高系统测量数据精度，减小误差。
3 结 语
利用COMSOL有限元进行传感器特性的分析，简单有效，省去了复杂的公式推导，减少了分析的时间，降低了分析中可能出现误差的可能性。在进行传感器形变分析中可以得到形变的最大位移的位置，可以分析各点在载荷情况下的形变情况，为系统使用传感器提出指引，同时可以看出S型传感器在载荷情况下的形变线性度很好，为系统测量的后期数据处理提供帮助。
参考文献：
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