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压力传感器原理、结构线路及其应用一．压力传感器原理一些常用传感器原理及其应用:1、应变片压力传感器原理与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。金属电阻应变片的内部结构1、应变片压力传感器原理如上图所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、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。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：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二．测量电路原理图应变式传感器通常采用电桥线路将应变片的电阻变化转换成电压变化。由于应变桥路的输出信号极弱，还需通过放大器将信号进一步放大并进行一些必要的补偿。信号放大方式可以采用直流放大或交流放大，应变桥路也就相应地可采用直流电源或交流电源供电。交流电桥的输出特性方程及其平衡条件在形式上与直流电桥类似，只是其桥臂阻抗与电源频率有关，将各桥臂阻抗代入公式后的计算要比直流电桥复杂些。下面仅以直流电桥为例来分析应变桥路的工作原理、（1）测量电桥电路R1R2R3R4UoUi如图所示电桥线路Vin－＋＋＋－－R1R2R3R4R5R6VRCVoA1A2A3如图为差动仪表放大器应变式传感器的桥路额定输出电压一般为数毫伏到数十毫伏。因此还需将其放大后再进行显示和记录。对于应用较多的直流电桥，多采用低漂移的集成运放（如OP07等）构成零点和增益可调的直流放大器，并通常采用差动输入方式进行直流电压放大。R1R2R4R3RetRotRiR01R02RotReRetRaRzCzWz1Wz2供桥电源电桥输出ABCD应变传感器测量电桥电路另外，为提高电桥稳定性和性能，还需要附设桥路初始平衡校准及补偿等附加电路。如图3.12为一应变传感器电桥电路，其中设置了多种补偿和调节电路。其中R1～R4为应变片组成电桥；Ri用于调节电桥输入阻抗；Ra可以调节电桥输出阻抗；A框中为温度补偿电阻；B框中设置有零调整电路；C框及A框中Ret共同构成输出调整电阻；D框中为两套初始平衡校准电路，Wz1、Rz构成直流初始调零电路，Wz2、Cz用于交流电桥时初始调零（交流相位调零）。三、特性及相关参数选择压力传感器的种类繁多，其性能也有较大的差异，在实际应用中，应根据具体的使用场合、条件和要求，选择较为适用的传感器，做到经济、合理。一、压力传感器的主要性能参数１．额定压力范围额定压力范围是满足标准规定值的压力范围。也就是在最高和最低温度之间，传感器输出符合规定工作特性的压力范围。在实际应用时传感器所测压力在该范围之内。２．最大压力范围最大压力范围是指传感器能长时间承受的最大压力，且不引起输出特性永久性改变。特别是半导体压力传感器，为提高线性和温度特性，一般都大幅度减小额定压力范围。因此，即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。一般最大压力是额定压力最高值的２－３倍。３．损坏压力损坏压力是指能够加工在传感器上且不使传感器元件或传感器外壳损坏的最大压力。４．线性度线性度是指在工作压力范围内，传感器输出与压力之间直线关系的最大偏离。５．压力迟滞为在室温下及工作压力范围内，从最小工作压力和最大工作压力趋近某一压力时，传感器输出之差。６．温度范围压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。补偿温度范围是由于施加了温度补偿，精度进入额定范围内的温度范围。工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。红外传感器原理、结构线路一、红外传感器原理传感器之家中把光学量传感器分为激光、图像、色度、照度、可见光、红外光等。其中红外传感器是应用最多的一种。红外传感器是基于红外线辐射原理，红外线的波长在0.76微米到1000微米之间，频率的范围为3*1011到4*1014之间。任何物体只要温度大于绝对零度都会辐射红外线，温度越高，红外辐射能量越强，红外传感器就是将红外能转化为电能的装置，或称为红外探测器。红外探测器有两种类型，一种是热源探测器，一种是光子探测器。热探测器主要用于红外辐射变化较慢的环境，它的类型主要有热敏电阻、热电偶，红外热释电等等。光子探测器是利用光子效应，光子效应可以使材料电学性质变化，从而确定红外辐射的能量。光子探测器的优点就是响应快、灵敏度高。红外探测器的性能参数决定红外系统的好坏，选择红外探测器的时候要知道这些参数的意义：电压响应率、响应波长范围、噪声等效功率、探测率、时间常数和比探测率。二、红外传感器结构线路红外传感器结构红外传感器是红外体温计的关键部件，它是由温差热电堆和热敏电阻两部分构成的。热电堆是用半导体集成电路(IC)工艺和微机械电子(MEMS)工艺制造的，它可以等效为多个热电偶串联组成的。而热电偶是由两种电子密度不同的导体相连接组成的。热电偶有冷热两个端点。在测量物体温度时，热端与被测物体接触，冷端与测量仪表接触。热电偶的同种导体上会因为存在温度剃度而产生汤姆孙电动势，两种金属的连接处会因为电子密度差而产生珀而粘电动势，所以在热电偶的两端会产生温差电动势。在红外传感器热电堆的热端贴有热量吸收器，它用来吸收被测物体辐射的红外线并转化为热能。通过热电堆把辐射红外线的功率转化为电信号进行测量。１．工作原理．热释电人体红外传感器的特点是，它只在由于外界辐射而引起本身温度的变化时，才给出一个相应的电信号，当温度趋于稳定后，就不在有信号输出．所以电信号与它本身的变化率成正比，所以电热释传感器与运动的人有关２．工作原理方框图３．１工作原理。用ＳＤ０２型热释电人体红外传感器组成的放大检测电路．电路中使用ＬＭ３２４四运放分别构成的ＩＣ１，ＩＣ２两极高倍放大器，对ＳＤ０２检测的微弱信号进行放大。ＩＣ３，ＩＣ４构成窗口比较器，当ＩＣ２电压幅度在ＵＡ到ＵＢ之间时，ＩＣ３，ＩＣ４输出低电平；当ＩＣ２输出电压大于ＵＡ时，ＩＣ３输出高电平；当ＩＣ２小于ＵＢ时，ＩＣ４输出高电平，经ＶＤ１，ＶＤ２隔离电压分别输出，以控制后续报警及控制电路。Ｒ１１可调节检测器的灵敏度．当有人在热释电路的有效范围内走动时，可引起ＬＥＤ１和ＬＥＤ２交替闪烁。待测目标光学系统热释电红外传感器信号显示信号处理电路原理图运放ＬＭ３２４无论是放大器还是比较器，都采用了单电源。在传感器无信号无信号时，ＩＣ１的静态输出电压为０．４～１Ｖ左右；ＩＣ２在静态时，由于同相端电位为２．５Ｖ，故输出电平为２．５Ｖ；而两个比较器ＩＣ３和ＩＣ４的输出则由Ｒ１１和Ｒ１２的大小决定。4.1信号采集电路当人体辐射的红外线通过非涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元件上，电路的传感器将输出电压信号。4.2放大电路电压信号通过Ｃ１，Ｃ２，Ｒ１，Ｒ２组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为１６ＨＺ，下限截止频率为０．１６ＨＺ，由于热释电红外传感器的输出探测信号电压十分微弱（通常仅仅１ＭＶ左右）而且是一个变化的信号，菲涅尔透镜的作用使输出信号电压呈脉冲形式，脉冲电压的频率由被测物移动的速度决定，通常为０．１～１００ＨＺ左右，所以应对热释红外传感器输出电压信号进行放大，本设计运用集成运放ＬＭ３２４进行两极放大，以便获得足够的增益。4.3比较电路探测到人体辐射的红外信号并送给窗口平比较器时，信号幅度经窗口比较器的上下限，系统将输出高电平，无异常情况时输出低电平信号，在比较器中，Ｒ９，Ｒ１Ｏ用作参考电压，两个运放作比较器，两个三极管的用途使输出更稳定，窗口比较器的上下限电压为３．８Ｖ和１．２Ｖ4.4LED显示电路当人体运动时，高低电平变化，上升沿信号不稳定，二极管来回闪烁进行显示