壓力傳感器的溫度補(bǔ)償畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 內(nèi)可能檢測(cè)出的被測(cè)量的最小變化量。 閾值 能使傳感器輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的被測(cè)量的最小變化量。 零位 使輸出的絕對(duì)值為最小的狀態(tài)，例如平衡狀態(tài)。 激勵(lì) 為使傳感器正常工作而施加的外部能量（電壓或電流）。 最大激勵(lì) 在市內(nèi)條件下，能夠施加到傳感器上的激勵(lì)電壓或電流的最大值。 1 輸入阻抗 在輸出端短路時(shí)，傳感器輸入端測(cè)得的阻抗。 1輸出 有傳感器產(chǎn)生的與外加被測(cè)量成函數(shù)關(guān)系的電量。 1輸出阻抗 在輸入端短路時(shí)，傳感器輸出端測(cè)得的阻抗。 1 零點(diǎn)輸出 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁(yè) 第 6 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 在室內(nèi)條件下，所加被測(cè)量為零時(shí)傳感器的輸出。 1滯后 在規(guī)定的范圍內(nèi)，當(dāng)被測(cè)量值增加和減少時(shí)， 輸出中出現(xiàn)的最大差值。 1遲后 輸出信號(hào)變化相對(duì)于輸入信號(hào)變化的時(shí)間延遲。 1漂移 在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出中有與被測(cè)量無(wú)關(guān)的不需要的變化量。 1零點(diǎn)漂移 在規(guī)定的時(shí)間間隔及室內(nèi)條件下零點(diǎn)輸出時(shí)的變化。 1靈敏度 傳感器輸出量的增量與相應(yīng)的輸入量增量之比。 靈敏度漂移 由于靈敏度的變化而引起的校準(zhǔn)曲線斜率的變化。 2熱靈敏度漂移 由于靈敏度的變化而引起的靈敏度漂移。 2熱零點(diǎn)漂移 由于周圍溫度變化而引起的零點(diǎn)漂移。 2線性度 校準(zhǔn)曲線與某一規(guī)定直線一致的程度。 2 非線性度 校準(zhǔn)曲線與某一規(guī)定直線偏離的程度。 2長(zhǎng)期穩(wěn)定性 傳感器在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)仍能保持不超過(guò)允許誤差的能力。 2固有頻率 在無(wú)阻力時(shí)，傳感器的自由（不加外力）振蕩頻率。 2響應(yīng) 輸出時(shí)被測(cè)量變化的特性。 2補(bǔ)償溫度范圍 使傳感器保持量程和規(guī)定極限內(nèi)的零平衡所補(bǔ)償?shù)臏囟确秶? 2蠕變 當(dāng)被測(cè)量機(jī)器多有環(huán)境條件保持恒定時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)輸出量的變化。 絕緣電阻 如無(wú)其他規(guī)定，指在室溫條件下施加規(guī)定的直流電壓時(shí)，從傳感器規(guī)定絕緣部分之間測(cè)得的電阻值。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁(yè) 第 7 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 傳感器的技術(shù)特點(diǎn)及環(huán)境影響 中國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)正處于由傳統(tǒng)型向新型傳感器發(fā)展的關(guān)鍵階段 ， 它體現(xiàn)了新型傳感器向微型化、多功能化、數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的總趨勢(shì)。傳感器技術(shù)歷經(jīng)了多年的發(fā)展，其技術(shù)的發(fā)展大體可分三代： 第一代是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來(lái)感受和轉(zhuǎn)化信號(hào)。 第二代是上 70年代發(fā)展起來(lái)的固體型傳感器，這種傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，是利用材料某些特性制成。如：利用熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、光敏效應(yīng)，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器。 第三代傳感器是以后剛剛發(fā)展起來(lái)的智能型傳感器，是微型計(jì) 算機(jī)技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，使傳感器具有一定的人工智能。 傳感器 的 技術(shù)特點(diǎn) 傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)可以歸納為：基礎(chǔ)、應(yīng)用兩頭依附；技術(shù)、投資兩個(gè)密集；產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)兩大分散。 基礎(chǔ)依附，是指?jìng)鞲衅骷夹g(shù)的發(fā)展依附于敏感機(jī)理、敏感材料、工藝設(shè)備和計(jì)測(cè)技術(shù)這四塊基石。敏感機(jī)理千差萬(wàn)別，敏感材料多種多樣，工藝設(shè)備各不相同，計(jì)測(cè)技術(shù)大相徑庭，沒(méi)有上述四塊基石的支撐，傳感器技術(shù)難以為繼。 應(yīng)用依附是指?jìng)鞲衅骷夹g(shù)基本上屬于應(yīng)用技術(shù)，其市場(chǎng)開(kāi)發(fā)多依賴于檢測(cè)裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，才能真正體現(xiàn)出它的高附加效益并形成現(xiàn)實(shí)市 場(chǎng)。也即發(fā)展傳感器技術(shù)要以市場(chǎng)為導(dǎo)向，實(shí)行需求牽引。 技術(shù)密集是指?jìng)鞲衅髟谘兄坪椭圃爝^(guò)程中技術(shù)的多樣性、邊緣性、綜合性和技藝性。它是多種高技術(shù)的集合產(chǎn)物。由于技術(shù)密集也自然要求人才密集。 投資密集是指研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)某一種傳感器產(chǎn)品要求一定的投資強(qiáng)度，尤其是在工程化研究以及建立規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)線時(shí)，更要求較大的投資。 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的兩大分散是指?jìng)鞲衅鳟a(chǎn)品門類品種繁多（共 10大類、 42小類近 6000個(gè)品種），其應(yīng)用滲透到各個(gè)產(chǎn)業(yè)部門，它的發(fā)展既有各產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動(dòng)力，又強(qiáng)烈地依賴于各產(chǎn)業(yè)的支撐作用。只有按照市場(chǎng) 需求，不斷調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)傳感器產(chǎn)業(yè)的全面、協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展。 傳感器的環(huán)境影響 環(huán)境 對(duì) 傳感器造成的影響主要 體現(xiàn)在以 下方面： （ 1） 傳感器在 高溫環(huán)境 下工作時(shí)會(huì) 造成 傳感器 涂覆 的 材料 高溫 熔化、 焊接的 點(diǎn) 容易 開(kāi)化、彈性體內(nèi)應(yīng)力 也會(huì) 發(fā)生結(jié)構(gòu) 上的 變化等問(wèn)題。 一般這種工作在 高溫環(huán)境傳感器 我們 常采用耐高溫傳感器； 除此之外 ， 還 必須加有 氣冷 、水冷或 隔熱 等裝置。 （ 2）粉塵 顆粒 、潮濕 很容易造成 傳感器短路 。在 這種 環(huán)境條件下 應(yīng)該選擇 密閉性很高的傳感器。 一般常用 的密封有密封膠 （如 703膠） 充填或涂覆；橡膠墊機(jī)械緊固密封； 焊接 （激光焊、氬弧焊） 和抽真空充氮密封。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁(yè) 第 8 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 從 上面幾種 密封 方法的 效果來(lái)看，焊接密封 的效果 最 好 ，充填密封膠為最差。對(duì)于室內(nèi)干凈、干燥環(huán)境下工作的傳感器，可選擇涂膠密封的傳感器， 但 對(duì)于 那些 在潮濕、粉塵 較 多 的環(huán)境下工作的傳感器，應(yīng)選擇膜片熱套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的傳感器。 （ 3）在腐蝕性較高的環(huán)境下， 比如堿性 、酸性 或潮濕 對(duì)傳感器造成彈性體受損或產(chǎn)生短路等影響，應(yīng)選擇外表面進(jìn)行過(guò)噴塑或不銹鋼外罩，抗腐蝕性能好且密閉性好的傳感器。 （ 4）電磁場(chǎng) 會(huì) 對(duì)傳感器 造成影響，會(huì)使傳感器 輸出信號(hào) 紊亂。 這種情況下 ，應(yīng) 該 嚴(yán)格檢 查傳感器的屏蔽性，看是 不是 具有良好的抗電磁 性 。 （ 5）易燃、易爆 物品會(huì) 對(duì)傳感器造成徹底性的損害，還 會(huì)對(duì)周邊其它的 設(shè)備和人 員 造成威脅。 所以 ，在 這種 環(huán)境下工作的傳感器 就必須對(duì) 防爆性能提出了 嚴(yán)格 的要求 ， 必須選用防爆傳感器 。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁(yè) 第 9 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第 2 章 壓力傳感器的原理 壓力傳感器的基本原理 壓力 傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過(guò)這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個(gè)高溫就是所謂的 “居里點(diǎn)”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微小（也就說(shuō)壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。 壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特 別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測(cè)量與真空度的測(cè)量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來(lái)測(cè)量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來(lái)測(cè)量大的壓力，也可以用來(lái)測(cè)量微小的壓力。 壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中，比如說(shuō)心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因?yàn)闇y(cè)量動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣。除了壓電傳感器之外，還有利用壓阻效應(yīng)制造出來(lái)的壓阻傳感器，利用應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)變式傳感器等，這些不同的壓力傳感器利用不同的 效應(yīng)和不同的材料，在不同的場(chǎng)合能夠發(fā)揮它們獨(dú)特的用途。 壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。 我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向受到機(jī)械力作用發(fā)生變形時(shí)，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)；當(dāng)機(jī)械力撤掉之后，又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時(shí)候，某些晶體可能產(chǎn)生出電的效應(yīng)，這就是所謂的極化效應(yīng)。科學(xué)家就是根據(jù)這個(gè)效應(yīng)研制出了壓力傳感器。 在現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上，比如現(xiàn)在的 壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、 PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。 壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，因?yàn)榻?jīng)過(guò)外力作用后的電荷，只有在回路具有無(wú)限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 固體受到作用力后電阻率 (或電阻 )要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)通常有兩種應(yīng)用方式：一種是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼式應(yīng)變片；另一種是在半導(dǎo)體材料的基片上，用集成電路工藝制成 擴(kuò)散型壓敏電阻或離子注入型壓敏電阻。在（ 100）晶面 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁(yè) 第 10 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ l l n nRR ? ? ? ?? ??的硅片中，對(duì)于 P型摻雜電阻，取向在 [110]和 [110]晶向時(shí)，電阻的壓阻系數(shù)最大；取向在 [100]和 [010]晶向時(shí)，電阻的壓阻系數(shù)最小。電阻 R 的變化量 R? 與應(yīng)力的關(guān)系如式（ 21）所示： （ 2— 1） 式中： l? 、 n? 為沿電阻縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù)（ 1Pa? ）， l ? 、 n? 為沿電阻縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力（ Pa ）。 壓力傳感器的原理及結(jié)構(gòu) 硅橋式壓阻壓力傳感器的 結(jié)構(gòu)如圖 21所示： 圖 21硅橋式壓阻壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu) 圖中 低壓腔 是與外界大氣 相通 的 ，高壓腔 則 與被測(cè)系統(tǒng)相連 接 ， 其中最主 要的 結(jié)構(gòu) 就 是中間的硅橋。通過(guò) MEMS (MicroElectroMechanical Systems)工藝制造 的 ，中央部分是沿特定 的晶向制作而 成的 N型硅薄膜，通過(guò)摻雜在 硅 薄膜上形成四個(gè) 阻值相等的 半導(dǎo)體電阻并連結(jié)成惠斯通電橋。圖 22為硅薄膜的平面圖。 通過(guò)惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，就可以 把由于 壓力 的產(chǎn)生而 引起的電阻變化轉(zhuǎn)化 成 為電壓的變化，形成 比較容易 測(cè)里的輸出。 從 彈性力學(xué) 德角度進(jìn)行 分析，當(dāng) 硅薄膜上 有 均勻分布 壓力 作用 時(shí)，硅片的 內(nèi)部 將 產(chǎn)生 大小乃至方向都不 相 同 的應(yīng)力。 根據(jù)這種 特性，選擇 合適 的位置分 布電阻，使其接入電橋的 四臂中相鄰兩電阻在受力時(shí)阻值分別一增一減， 且增減的絕對(duì)值相等，形成全橋差動(dòng)橋路，示意圖如下 : 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 32 頁(yè) 第 11 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊