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1、压力传感器XXXXXXXXXXX学校毕业设计(论文)题目学生学号学生姓名学院名称专业名称指导老师2021年5月29日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，当沿着一定方向遭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，也就是遭到压力的时候，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，由于经过

2、外力作用后的电荷，只要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：压力传感器；INA118放大器；数模转换AbstractPressuresensoristhemostcommonindustrialpractice,asensor,andweusuallyusepressuresensorismainlymanufacturedusingpiezoelectriceffect,andthissensorisalsoknownaspiezoelectricsensor.Weknowthatthecrystalsareanis

3、otropic,amorphousisisotropic.Somecrystalmedium,whenacertaindirectionbymechanicalforcedeformationoccurs,isthepolarizationeffect;Whenamechanicalforce,afterremovedandwillbereturnedtotheelectricallyneutralstate,thatis,whenthepressure,somecrystalmayproduceelectriceffect,thisistheso-calledpolarizationeffe

4、ct.Scientistsisaccordingtotheeffectofpiezoelectricsensorisdeveloped.Piezoelectriceffectisthemainworkingprincipleofpiezoelectricsensors,piezoelectricsensorscannotbeusedforstaticmeasurements,becausethecharge,afterexternalforceonlyhasinfiniteinputimpedanceintheloopwhensaved.Theactualsituationisnotso,so

5、thisdeterminesthepiezoelectricsensorscanonlymeasurethedynamicstress.Keywords:pressuresensor;INA118amplifier;D/aconversion目录摘要.I第1章绪论.(4)1.1背景(4)1.2设计方案(5)第2章原理分析(7)2.1工作原理(7)第3章压力传感器接口电路(9)3.1电桥放大电路(9)3.2AD7715接口电路(10)3.3检波、滤波电路的设计(12)3.4单片机接口电路(13)3.5电路仿真(14)第4章压力传感器接口电路(15)4.1主程序流程图(15)4.2模数转换程序(1

6、6)4.31602显示程序(17)第5章测试与结果分析(18)4.1测试内容与测试结果(18)4.2测试结果分析(20)4.3电路的优缺点(20)4.3电路图设计(21)结束语(22)参考文献(23)第1章绪论1.1背景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讲压电系数比拟低，所以石英逐步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

7、在室温和湿度比拟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年开场研究开发，首先应用在血压计上，之后在经过控制领域及轿车发动机控制部分都获得了广泛的应用。近期几年在家用电器、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、压力监控和判定真空吸附的效果。图1电子压力传感器模型1.2设计方案本文采用惠斯通电桥滤出微压

8、力传感器输出的模拟变量，然后用INA118放大器将此信号放大，用7715A/D进行模数转换，将转换完成的数字量经单片机处理，最后由LCD将其显示，采用LM334做的精细5V恒流源为电桥电路供电，完成了微压力传感器接口电路设计，既能保证检测的实时性，也能提高测量精度。微压力传感器信号是控制器的前端，它在测试或控制系统中处于首位，对微压力传感器获取的信号能否进行准确地提取、处理是衡量一个系统可靠性的关键因素。后续接口电路主要指信号调节和转换电路，即能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。由于用集成电路工艺制造出的压力传感器往往存在：零点输出和零点温漂，灵敏度温漂

9、，输出信号非线性，输出信号幅值低或不标准化等问题。本文的研究工作，主要集中在下面几个方面：1介绍微压力传感器接口电路总体方案设计、系统的组成和工作原理。2系统的硬件设计，介绍主要硬件的选型及接口电路，包括A/D转换电路、单片机接口电路、1602显示电路。3对系统采用的软件设计进行研究，并扼要阐述主要流程图，包括主程序、A/D转换程序、1602显示程序。第2章原理分析2.1工作原理某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些外表上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应。常用的压电材料有天然的压电晶体(如石英晶体)

10、和压电陶瓷(如钛酸钡)两大类，它们的压电机理并不一样，压电陶瓷是人造多晶体，压电常数比石英晶体高，但机械性能和稳定性不如石英晶体好。它们都具有较好特性，均是较理想的压电材料。压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件遭到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：Q=kSp式中Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。图1为一种压电式压力传感器的构造示意图。压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。电

11、荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。图1压电式压力传感器构造示意图压电式压力传感器体积小，构造简单，工作可靠；测量范围宽，可测100MPa下面的压力；测量精度较高；频率响应高，可达30kHz，是动态压力检测中常用的传感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。振膜式谐振压力传感器振膜式压力传感器构造如图(a)所示。振膜为一个平膜片，且与环形壳

12、体做成整体构造，它和基座构成密封的压力测量室，被测压力p经过导压管进入压力测量室内。参考压力室能够通大气用于测量表压，可以以抽成真空测量绝压。装于基座顶部的电磁线圈作为激振源给膜片提供激振力，当激振频率与膜片固有频率一致时，膜片产生谐振。没有压力时，膜片是平的，其谐振频率为f0；当有压力作用时，膜片受力变形，其张紧力增加，则相应的谐振频率也随之增加，频率随压力变化且为单值函数关系。在膜片上粘贴有应变片，它能够输出一个与谐振频率一样的信号。此信号经放大器放大后，再反应给激振线圈以维持膜片的连续振动，构成一个闭环正反应自激振荡系统。如图(b)所示振筒式谐振压力传感器振筒式压力传感器的感压元件是一个

13、薄壁金属圆筒，圆柱筒本身具有一定的固有频率，当筒壁受压张紧后，其刚度发生变化，固有频率相应改变。在一定的压力作用下，变化后的振筒频率能够近似表示为：式中fp为受压后的振筒频率；f0为固有频率；a为构造系数；p为被测压力。传感器由振筒组件和激振电路组成，如图3-14所示。振筒用低温度系数的恒弹性材料制成，一端封闭为自由端，开口端固定在基座上，压力由内侧引入。绝缘支架上固定着激振线圈和检测线圈，二者空间位置相互垂直，以减小电磁耦合。激振线圈使振筒按固有的频率振动，受压前后的频率变化可由检测线圈检出。此种仪表体积小，输出频率信号，重复性好，耐振；准确度高，其准确度为0.1和0.01；适用于气体测量。

14、振筒式压力传感器图1为压力传感器的截面构造图，图2为其传感器部分的构造。如下图，在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体，假如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。遭到应变的部分，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。当向空腔部分加上一定的压力时，膜片遭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3所示，遭到拉伸的电阻R2和R4的阻值增加；遭到压缩的电阻R1和R3阻值减小。图4由于各压电电阻如图4那样组成桥路构造，假如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V，当压力为零时的V等于偏置

15、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，由于所构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，因而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R；相应R3、R4电阻的变化部分记作-R，于是V=RI。这个V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。电阻应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件遭到压力作用时，将产生应变，粘贴在外表的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻

16、值的变化。把4个电阻应变片根据桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。一般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就能够通过测量共模电压得到压力值。当有压力时各桥臂的电阻状态都将改变，电桥的电压输出会有变化。式中：Uo为输出电压，Ui为输入电压。当输入电压一定且Ri第三章压力传感器接口电路应用压力传感器对压力的感应特性，将压力转换为模拟的电压输出，此输出信号不能直接由单片机处理。因而，需要经A/D转换为数字量。单片机通过对此数字量的处理，获得实际的压力值，并通过液晶屏显示。图1微压力传感器接口电

17、路框图由图1能够看出，整个电路的设计分4大部分：电桥电路、放大电路、A/D转换电路、LCD显示电路。3.1电桥放大电路由于所测出的微压力传感器两端的电压信号较弱，所以电压在进行A/D转换之前必须经过放大电路的放大见图2。INA118由3个运算放大器组成差分放大构造，内置输入过压保护，且可通过外置不同大小的电阻实现不同的增益从1到1000，因此应用范围很广。INA118是美国BB公司生产的精细仪表放大器，它具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作频带宽等优点，合适对各种微小信号进行放大。INA118独特的电流反应构造使得它在较高的增益下也能保持很高的频带宽度G=100时带宽为70kHz。INA11

18、8内部电路图INA118通过在脚18脚之间外接电阻Rg来实现差异的增益，该增益可从11000不等电阻Rg的巨细由Rg=50k/G-1决定，式中：G为增益由于Rg的稳定性和温度漂移对增益有影响，因而，在需要获患上高精细度增益的应用中对Rg的要求也比拟高，应采用高精细度、低噪声的金属膜电阻这个之外，高增益的电路设计中的Rg值较小，如G=100时的Rg值为1.02k；G=1000时的Rg值为50.5因而，在高增益时的接线电阻不克不及忽略，由于它的存在，实际增益有可能会有较大的误差，故而，计较患上到的Rg值需要批改批改的详细方法是用一个可调电位器替换Rg,调治电位器要患上输出电压与输入电压的比率到达设计所要求的增益值420mA电流旌旗灯号施用差异阻值的收集样品电阻即能够转换为差异动态范围的电压旌旗灯号根据本体系需求，施用120的精细电阻能够实现420mA电流旌旗灯号转换为0.482.4V的电压旌旗灯号，与后级A/D芯片量程相般配旌旗灯号调度电路如图3所示图3旌旗灯号调度电路2AD转换电路AD