传感器与检测技术压力的检测实用教案

1、项目二 压力的检测(jin c)与控制学习(xux)情境：贴片机贴片压力(yl)的测量如何检测与控制如何检测与控制? ?元器件贴片压力(贴装高度)。元器件贴片压力要合适，如果压力过小，元器件焊端或引脚就会浮放在焊锡膏表面，焊锡膏就不能粘住元器件，在电路板传送和焊接过程中，未粘住的元器件可能移动位置。第1页/共30页第一页，共31页。项目二 压力的检测(jin c)与控制压力压力(yl)：物理学中将单位面积上所受的作用力定义为压强，：物理学中将单位面积上所受的作用力定义为压强， 而工程上则习惯称其为而工程上则习惯称其为“压力压力(yl)”。单位：单位：Pa(帕帕)，Pa1N/M2让我们让我们(w

2、 men)(w men)先来认识一下压力先来认识一下压力第2页/共30页第二页，共31页。项目二 压力(yl)的检测与控制要求：利用压电式压力传感器，设计一个方案，以完成对压力量的检测与控制。 具体如下：测量贴片机贴片压力 输出量为电压(diny)值，数字显示。结论：1. 压电式压力传感器检测的压力范围？ 2. 灵敏度如何？ 3. 检测控制电路设计中应注意哪些(nxi)问题？任务一任务一 压电式压力传感器压电式压力传感器第3页/共30页第三页，共31页。项目(xingm)二 压力的检测与控制压电效应式传感器：利用某些电介质受理后产生(chnshng)的压电效应制成的 传感器。 压电式传感器是以

3、某些晶体受力后在其表面产生(chnshng)电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力等。 压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。第4页/共30页第四页，共31页。 某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生(chnshng)极化现象，相应地在晶体的两个表面产生(chnshng)符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半

4、导体等。 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。图6.1.1是天然石英晶体的外形(wi xn)图，它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶轴：Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。 a) b) c)图1 石英晶体的外形(wi xn)、坐标轴及切片压电效应1、石英晶体的压电效应项目二 压力的检测与控制第5页/共30页第五页，共31页。项目二 压力的检测(jin c)与控制 从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对压电晶片施加力时，将在垂直于X

5、轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。 纵向压电效应产生的电荷为 qxxdxxFx 式中，qxx为垂直于X轴平面上的电荷，dxx为压电系数，下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；Fx为沿晶轴X方向施加的压力。由上式看出，当晶片受到X向的压力作用时，qxx 与作用力Fx成正比，而与晶片的几何(j h)尺寸无关。如果作用力Fx改为拉力时，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。 横向压电效应产生的电荷为 式中，qXY为了轴向施加压力，在垂直于X轴平面上的电

6、荷 dXY为压电系数，Y轴向施加压力，在垂直于X轴平面上产生电荷时的压电系数；FY为沿晶轴Y方向施加的压力。 根据石英晶体的对称条件dXY=dXX，所以由上式可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何(j h)尺寸有关的，式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的。 第6页/共30页第六页，共31页。项目(xingm)二 压力的检测与控制2、压电陶瓷(toc)的压电效应 压电陶瓷是一种多晶铁电体，它是具有电畴结构(jigu)的压电材料。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中无规则排列，它们的极化效应互相

7、抵消。因此，在原始状态压电陶瓷呈现中性，不具有压电效应。 当在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极化处理，即以强电场使电畴规则排列，这时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极化，见图6.1.4所示。 对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为Z轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于Z轴的表面上将会出现电荷，见图6.1.5a，其电荷量q与作用力F成正比，即 q= dzzF 式中，dzz为纵向压电系数。第7页/共30页第七页，共31页。 在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起(yq)使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如图2所示。图a为并联接法

8、，其输出电容C为单片的n倍，即C=nC，输出电压U=U，极板上的电荷量Q为单片电荷量的n倍，即Q=nQ。图中b为串联接法，这时有QQ，U= nU，C=C/n。 3、 压电元件的常用(chn yn)结构型式 图2 2 压电元件(yunjin)(yunjin)的串并联a) b)第8页/共30页第八页，共31页。在以上两种联接方式中，并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路(dinl)输入阻抗很高的场合。 压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时，

9、压电片始终受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系。 第9页/共30页第九页，共31页。项目(xingm)二 压力的检测与控制方案设计案例(n l)： 图3 3 测试(csh)(csh)压电传感器的动态响应 第10页/共30页第十页，共31页。项目二 压力的检测(jin c)与控制方案设计案例(n l)：实施(shsh)步骤：(1) 观察压电式传感器的结构，根据图3的电路结构，将压电式传感器，电荷放大器，低通滤波器，双线示波器连接起来，组成一个测量线路。并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连。(2) 将低频振荡信号接入振动台的激振线圈。(3)调整好示波器，低频振荡器的幅度旋钮固

10、定至最大，调节频率，调节时用频率表监测频率，用示波器读出不同频率处峰峰值 。(4)由此可见，峰峰值随频率有 变化。(5)示波器的另一通道观察磁电式传感器的输出波形，并与压电波形相比较观察其波形相位差。 第11页/共30页第十一页，共31页。项目二 压力(yl)的检测与控制1、根据实验结果，可以知道振动台的自振频率(pnl)大致多少？2、试回答压电式传感器的特点。比较磁电式传感器输出波形的相位差大致为多少？为什么？ 3. 检测控制电路设计中应注意哪些问题？ 思考(sko)：第12页/共30页第十二页，共31页。项目(xingm)二 压力的检测与控制要求：用负压型传感器测量压力箱压力（用压力箱代替

11、回流焊吸嘴的 负压工况），模拟回流焊的工作情况，实时显示压力箱压力。具体如下：设定一个(y )压力的范围（目标压力及其偏差范围）、压力超高、 压力偏低的报警点。 任务任务(rn wu)(rn wu)二二 认识压阻式压力传感器认识压阻式压力传感器第13页/共30页第十三页，共31页。项目二 压力(yl)的检测与控制固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应 半导体材料的压阻效应特别强。 压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。 它主要用于测量压力、加速度和载荷(zi h)等参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。第14页

12、/共30页第十四页，共31页。1. 结构结构(jigu)型式及特点型式及特点 主要(zhyo)优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多项目二 压力的检测(jin c)与控制结构及特点第15页/共30页第十五页，共31页。项目二 压力的检测(jin c)与控制方案设计案例(n l)：实施(shsh)步骤：1、连接主机与实训模块的电源线及探头连接线，胶管连接压力箱并与压力传感器输入口（传感器另一接口空置感受大气压力）。信号前置模块调节增益最大。2、开启主机电源，调节信号前置模块，使实训模块输出为零，开启真空泵抽去空气，逐步降

13、低大气压，观察随气压下降负压信号前置模块输出的变化情况。调节气压到最大，调信号前置模块，使实训应变式传感器实训模块输出达到5V。连接信号采集模块，以及报警模块。图4 测试压阻式压力传感器第16页/共30页第十六页，共31页。项目(xingm)二 压力的检测与控制3、待到气压箱气压相对稳定后，调节信号前置模块增益使输出电压值与气压值成一比例关系，并记录P（kp）值与Vmv值。4、通过两个比较模块设定一个真空目标参数，真度上限、真空下限、下限报警、上限报警，（其中下限报警真空下限真空目标参数真度上限上限报警）调节信号采集模拟的输入信号类型和输出显示量程，设计压力大于P1时执行单元模块动作，压力大于

14、Pmax时报警输出模块报警。同时在显示单元模块上观察(gunch)、并记录相应的压力数据。5、调节压力箱压力，随着气压的变化观察(gunch)比较模块、报警模块和显示单元的输出数据和状态并加以记录，输出电压也发生变化，记录P-V值。在坐标上作出V-P曲线，计算传感器的线性度与灵敏度。6、微型真空泵因功率限制输出有限，在真空度达到一定值时，而不要长时间工作。注意事项：气源平时应关闭，以免影响其它电路工作，胶管尽量避免油污，以免造成老化破损。调节控制模块参数，输出低于一定参数时使控制模块动作，再低时会使报警模块动作。第17页/共30页第十七页，共31页。CSSr 0 S 极板相对覆盖面积； 极板间

15、距离； r相对介电常数(ji din chn sh)； 0真空介电常数(ji din chn sh)，； 电容极板间介质的介电常数(ji din chn sh)。 S项目(xingm)二 压力的检测与控制任务任务(rn wu)(rn wu)三三 认识电容式压力传感器认识电容式压力传感器第18页/共30页第十八页，共31页。变极距(）型: (a)、(e) 变面积(min j)型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数( )型: （i）(l) 项目(xingm)二 压力的检测与控制第19页/共30页第十九页，共31页。项目(xingm)二 压力的检测与控制方案设计案例

16、(n l)：图5 差动变面积式电容传感的静态(jngti)及动态特性 第20页/共30页第二十页，共31页。项目二 压力(yl)的检测与控制方案设计案例(n l)实施(shsh)步骤：1、按图5接线。2、FV表打到20V，调节测微头，使输出为零。3、转动测微头,每次0.1mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数， 直至电容动片与上（或下）静片复盖面积最大为止。X(mm)V(mv) 退回测微头至初始位置。并开始以相反方向旋动。同上法，记下 X(mm)及 V(mv)值。4、计算系统灵敏度。（式中为电压变化， 为相应的梁端位移变化），并作出关系曲线。5、卸下测微头，断开电压表，接通激振器，用示波器观

17、察输出波形。第21页/共30页第二十一页，共31页。项目二 压力的检测(jin c)与控制任务任务(rn wu)(rn wu)四四 认识应变式压力传感器认识应变式压力传感器 金属(jnsh)电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线 第22页/共30页第二十二页，共31页。金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生(chnshng)的变化很小，可忽略 0)21 (KRR应变片电阻的相对变化(binhu)与应变片纵向应变成正比， 并且对同一电阻材料， K0=1+2是常数。其灵敏度系数多在1.73.6之间。 项目(xingm)二 压力的检测与控制第23页/共30页第二十三页，共

18、31页。项目(xingm)二 压力的检测与控制方案设计案例(n l)1： 图6 6 测试压电传感器的动态(dngti)(dngti)响应 了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。 第24页/共30页第二十四页，共31页。项目(xingm)二 压力的检测与控制方案设计案例(n l)：实施(shsh)步骤：1、了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。2、将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（）、负（）、地短接。将差动放

19、大器的输出端与FV表的输入插口Vi 相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使FV表显示为零，关闭主、副电源。3、根据图接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。R4为应变片；将稳压电源的切换开关置4V档，FV表置20V档。调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使FV表显示为零，然后将FV表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使FV表显示为零。第25页/共30页第二十五页，共31页。项目二 压力(yl)的检测与控制3、将测微头转动到10mm刻度附近，安装(nzhung)到双平等梁的自由端（与自由端磁钢 吸合），调节测微头支柱

20、的高度（梁的自由端跟随变化）使FV表显示最小， 再旋动测微头，使FV表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的 相应刻度。4、往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下FV表显示的值。 建议每旋动测微头一周即X0.5mm记一个数值记录。5、据所得结果计算灵敏度SVX（式中X为梁的自由端位移变化，V 为相应FV表显示的电压相应变化）。 实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。 注意事项：(1) 电桥(din qio)上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。(2) 为确保实验过程中输出指示不溢出，可先将砝码加至最大重量，如指示溢出， 适当减小差动放大增益

21、，此时差动放大器不必重调零。(3) 做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥(din qio)的影响。(4) 电位器W1、W2，在有的型号仪器中标为RD、RA。 第26页/共30页第二十六页，共31页。项目(xingm)二 压力的检测与控制方案设计案例(n l)2：按图6接线，图中R4修改(xigi)为工作片，r及W1为调平衡网络。 验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系 第27页/共30页第二十七页，共31页。项目二 压力(yl)的检测与控制方案设计案例(n l)：实施(shsh)步骤：1、 按实验一方法将差动放大器调零后，关闭主、副电源。2、 按图1接线，图中R4为工作片，r及W1为调平衡网络。3、 调整测微头使双平行梁处于水平位置(目测)，将直流稳压电源打到4V档。选择适当的放大增益，然后调整电桥平衡电位器W1，使表头显示零(需预热几分钟表头才能稳定下来)。4、 旋转测微头，使梁移动，每隔0 .5mm读一个数，将测得数值填入下表，然后关闭主、副电源。5、 保持放大器增益不变，将R3