传感器原理-6.ppt

1、1,3.3.3 谐振式压力传感器,力/压力谐振频率 组成: 振动体 激振单元 拾振单元,谐振式传感器是高精度传感器发展的重要方向!,3.3 其它力/压力传感器,2,谐振式传感器示意图,调幅 移相,3.3 其它力/压力传感器,3,按振动结构不同分为： 振弦式压力传感器 振动筒式压力传感器 振动膜式压力传感器 振梁式压力传感器,乐器的发音机理！,3.3 其它力/压力传感器,4,Q值越高： 损耗小 谐振稳定 抗干扰能力强 传感器重复性好,品质因数Q,3.3 其它力/压力传感器,谐振子不直接接触被测气体 二级敏感,5,3.3 其它力/压力传感器,6,一、基本原理和类型,1.振弦式传感器,敏感元件： 有

2、预紧力的振弦。 原理： 固有频率f与拉紧力T的关系式：,L为振弦的有限长度， M为振弦单位长度的质量kg/m）。,3.3 其它力/压力传感器,7,结构形式： v 预紧力： 上、下夹块、螺钉。 v 加力： P 膜片、下夹块。 v 激励： 电磁激励,振弦式压力传感器,3.3 其它力/压力传感器,8,2.振筒式传感器,3.3 其它力/压力传感器,9,3.3 其它力/压力传感器,激振： 激励线圈 磁场变化筒壁变形 拾振： 筒壁变形拾振线圈产生感生电势 压力变化 圆筒刚度变化 谐振频率变化,10,v 气体空腔 v 压力膜片的支架上安装有振动膜片 v 振动膜片的两侧有激振线圈、拾振线圈 v 正反馈振荡电路

3、,1 激振线圈 2 振动膜片 3 拾振线圈 4 压力膜片,3、膜片状谐振传感器,3.3 其它力/压力传感器,11,4、梁式谐振传感器,3.3 其它力/压力传感器,12,3.3 其它力/压力传感器,电热激励 电阻拾振,13,3.3 其它力/压力传感器,14,3.3 其它力/压力传感器,15,P F,5.梁式谐振传感器,3.3 其它力/压力传感器,隔离结构非常重要！,16,杠杠放大 杠杠机构的柔性设计 石英梁,3.3 其它力/压力传感器,17,杠杆机构对比示意图,微杠杆机构可行性,3.3 其它力/压力传感器,18,敏感单元： 石英音叉 原理： P F 压电激振、拾振 石英的压电效应和谐振特性！,6

4、.石英音叉谐振传感器,3.3 其它力/压力传感器,19,3.3 其它力/压力传感器,20,3.3.4 光纤力学量传感器,强度调制型反射式光纤微压传感器 检测微小压力、微小压差,Y型光纤束： 光纤入射臂、光纤出射臂，光纤探头。 敏感单元： 弹性薄膜、高反射率薄片。,光,源,光,接,收,信号,处理,Y型光线,弹性薄膜,气孔1,气孔2,3.3 其它力/压力传感器,光纤探头,原理： 气体压力变化引起光强变化 测试气压、压力差,21,3.3.5 压电涂层传感器,一、结构,涂料： 填料：压电陶瓷材料如PZT和压电聚脂薄膜如PVDF。 基液：环氧树脂胶液。 制作： 涂刷结构、印刷电极和导线 极化处理,3.3

5、 其它力/压力传感器,22,二、性能,1.压电效率： 指单位应变所能感应出的电荷多少。,2.阈值体积： 微观上，PZT颗粒是相互隔离 PZT填料组份大于阀值VPZT,极化电场强度； 涂层厚度； 极化时间；,3.3 其它力/压力传感器,23,一、Z元件概述 Z-元件发明于80年代，公开报道于90年代，专利费高达10亿美元。 俄罗斯传感器专家V.ZOTOV教授发明 温敏、光敏、磁敏、力敏Z元件 优点：直接输出开关信号、频率信号，三端传感器。 不足：体积很小，非常薄脆。,3.3.6 力敏Z元件及触觉传感器,3.3 其它力/压力传感器,Z-元件具有很大开发潜力,24,突出优势： 电路简单，组态灵活，输

6、出多路的开关、模拟或脉冲频率信号，构成不同品种的三端传感器。 工作原理： N区被重掺杂补偿的特种PN结。 利用不同扩散源的扩散特征，使普通的PN结结构从另一侧对N区进行穿透性金（或铜或锌）扩散，形成独特的半导体敏感元件。,3.3 其它力/压力传感器,25,二、Z元件的机理,3.3.6 力敏Z元件及触觉传感器,材料： N型硅单晶、Al扩散形成PN结、单面打磨、镀Ni电极。 结构： PN结和N型侧敏感层的复合结构。,Z元件的工作电路,3.3 其它力/压力传感器,26,外力作用于Z元件P端时： 敏感层电阻率变小，使线性区斜率增大，达到电流值Im时其电压值小于静态下发生跳变时Um，曲线向左移，施加的力值越大，左移的距离越大。 外力作用于Z元件P端时：,三、电流-电压特性,3.3 其它力/压力传感器,27,四、在触觉传感器中的应用,触觉传感器： 是智能机器人最需解决的研究重点之一。 目前有机械式、压阻式、电容式、压电式、磁电式和光电式。,3.3 其它力/压力传感器,力敏触觉传感器： 施加外力载荷时，必须通过某种弹性体作为依托。 当力载荷作用于弹性体时，内应力改变力敏Z-元件的工作状态(低阻态、高阻态)。 弹性体： 条形、园形膜片；磷铜、合金钢材料；悬臂式结构和简支式结构。,28,原理： 通过平板结构的变形把力传