压力传感器的效验和精度测量

1、学校代码学号分类号密级公开压力传感器的校验与精度测量题目（中、英文）本科毕业论文Calibration and measurement accuracy pressure sensor作者姓名专业名称学科门类指导教师提交论文日期成绩评定摘要新研制或生产的压力传感器需对其技术性能进行全面检定，以保证量值的准 确传递。经过一段时间储仔、使用或修理后的压力传感器，也必须对其主要技术 性能再次进行鉴定，以确保其性能指标达到要求.压力传感器的标定系统通常由 标定发生器、标定测试系统，以及待标定压力传感器所配接的信号调节器和显示 器、记录器等组成。压电陶瓷具有响应速度快，容量大等诸多优点，并且其易于制备，

2、该产品可 制成任何形状和偏振，热，湿，方向和通过改变化学成分，就可以得到各种不同 的采用压电陶究。随着压电陶究应用的不断扩大，压电器件作为精密驱动，其自 身的性能越来越方便用户的关注。本文的压力传感器和压电陶瓷的性能，基本功 能，采用的原理作一介绍，并且它的功效和分别缩放。关键词：压力传感器；压电陶瓷；特性；效验；定标IAbstractThe newly developed or manufactured pressure sensors need to be fiilly characterizing its teclmical peifbnnance to ensuie accurate

3、transmission of values. After a period of storage, Aberdeen, use or iepair after the pressuie sensor must also be re-appraisal of its mam teclmical peifbnnance to ensure that its peifomiance mdicators have reaclied the requiiements of the pressuie sensor calibration system usually consists of calibr

4、ation generator, calibration and test system, and to be calibration composition signal conditionef and monitor, the recoidef is coimected with the pressure sensor and the like.The piezoelectiic ceramics with fast response, high capacity and many other advantages, and ifs easy to prepare, the product

5、 can be made in any shape and polaiization. heat, humidity, duection and by changing the chemical composition, and you can get a variety of piezoelectric ceianucs. With the continuous expansion of the piezoelectric ceianuc applications, piezoelectric device as a precision drive, its own peifbnnance

6、increasingly usei's attention. Sensors and piezoelectric ceramic peifbnnance pressure of this article, the basic function, as an mtroduction to the pimciples, and its efficacy and zoom respectively.Key words: The piezoelectric ceramic pressure sensor calibrationchecksum feattne摘 要IAbstractII目录II

7、I绪论11传感器概述11.1 传感器的组成和分类11.2 传感器的基本特性21.2.1 传感器的静态特性21.2.2 传感器的动态特性31.3 传感器特性的应用42压力传感器42.1 压力传感器的概述42.2 压力传感器的特征52.3 压力传感器的选用53利用压力传感器测量压强63.1 测量压强的原理63.2 压力传感器测量压强的装置设计63.3 用实测的数据对压力传感器定标64压电陶瓷的压电现象84.1 压电陶瓷的压电原理84.2 压电陶瓷控制方式及研究现状94.3 用压电陶瓷测量正逆向电压的装置94.4 用实测电压对压电陶瓷定标10参考文献12谢辞13ni9随着当今技术的飞速发展，微电子加

8、工技术，计算机技术和信息处理技术， 信息资源不断增长的需求，并提供信息，传感器和传感器技术，特别是发展日益 成为人们关注的焦点。集成技术和多种先进技术传感器技术也进入到一个快速发 展的阶段，压力传感器是最广泛使用的一种传感器。传统的压力传感器的机械结 构为基础的，与弹性元件的变形指示的压力，但尺寸大，重量重的结构中，电力 无法输出。随着半导体技术的飞速发展，半导体压力传感器技术已经成为技术的 有机结合，具有体积小，重量轻，精度高，温度传感好。而压电陶梵是近几年发展起来的一种新类型的设备，它具有体积小，重量轻, 精度高，高分辨率，高频响，大输出等，技术在航空航天，机械制造，生物工程, 机器人它已

9、被广泛使用，越来越受到重视。特征和性能直接影响到压电陶瓷的机 械结构和控制系统的设计，因而在其性能亟待有明确的阐述。1传感器概述1.1 传感器的组成和分类传感器测量的规定不感到能够接受，按照一定的规则可以被转换成一个或多 个设备可以用来输出信号。在科学，传感器的许多领域，也称为传感器，检测器, 转换器等。这些不同的称呼运用在不同的科技领域中，该设备采用只是使用不同 的技术行话只有相同类型的装置，所以术语传感器是最广泛使用的词语。被测量敏感元件I子转换元件在一般情况下，该传感器敏感元件和转换元件。其中，所述传感器装置，该 传感器可直接测量接收或部分响应；转换元件可以被表示为与感测元件的传感器 通

10、常是在第一反应时间被测量转换成确定当前需要传送或测量信号作为发送部; 但传感器输出信号不正常的条件下很稳定，需要进行信号调节转换器电路放大调 制操作，从而将信号调节电路可以用作传感器的配置的重要部件之一。与半导体 器件和在所述传感器集成技术的使用的快速发展已被广泛使用，这些传感器的信 号调节和转换电路敏感元件一起集成在相同的集成电路分量模板，安装在传感器 装置中，传感器技术是一种知识密集型技术。传感器的广泛理解多种多样且每个 人的理解各不相同，它与许多科学技术都是息息相关的，且种类繁多分类也多种 多样，在通常情况下人们将传感器分为以下两种方法：一种方法是按照被测参数 的不同而分类。1.2 传感

11、器的基本特性与在生产过程中和科学实验的利用科学技术发展的实验中，以用于通过分选 分析，以检测和控制得到不同的参数中获得的实验数据，是需要被广泛接受，并 且接触传感器反射的变化在所测量的无电不应被转换成相应的失真功率在于传 感器本身的基本特性，在输入和输出特性，传感器的输入和输出特性是与自己的 结构和组合物的相关系数内部结构的外部特征有关。传感器的基本特征在正常情 况下的情况进行了广泛的认可可以分为以下两种情况：一种是静态特性，另一种 是动态特性。1.2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性意味着在输入和输出的稳定状态下的测量数据之间的关 系。当测得的数据是不随时间轻微变化和缓慢变化的量随着时间

12、的推移，如果 只考虑静态特性中，输入和所述传感器的输出之间的这种时间有数值数据之间 存在一定的对应关系，太表达式不包含时间可变，但对静态特性的时候，不考 虑不稳定性的情况下的其他因素的影响，传感器之间的输入和输出之间的关系可表 示如下：y = ao + aixi-azx2 +a.ix"式中：o输入量x为零时的输出量；g,c(2,非线性项系数。1.2.1.1 灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。定义为输出增量Ay与引起输出增量Ay的相应输入增量At之比。用S表示灵敏度，则5 =Ax它可以被理解为在一定量的输入和随时间变化的质的变化引起传感器输出 的变化也为单位将被改变，并且灵敏

13、度S敏感传感器的较高的值也被采用的概率 就越大，该利用率提高。1.1.1.2 .线性度传感器的线性度可以理解为在输入和与一种关系的数量的输出之间的传感 器的另一个也将改变相应的变化是所谓的线性程度之间的对应。输入和输出的关 系可以被划分成多个传感器的线性和非线性特性，所述传感器是线性关系是期望 具有更多的非线性的实际经验。1.1.1.3 重复性重复性是在相同的环境中的传感器的一个先决条件，在相同的方向进入量发 生全规模的连续和量的变化，不时，特性曲线可以得出一个非常不同的程度的重 复率。1.1.1.4 漂移传感器的漂移可以被理解为在某些情况下输入时，传感器输出随时间变化的 普遍情况，我们将其称

14、为漂移。原因有漂移两个方面：首先，传感器本身的结构 参数;第二个是环境。1. 2. 2传感器的动态特性传感器的响应时间动态特性的特点是指变化量随着时间的推移输入传感器。 由于传感器的惯性和滞后时测得的数据被改变时，由于原因的传感器输出的灵敏 度必须发送的改变，以实现平衡理论，当传感器是在变化的动态过程中的传感器 的输出的机会其中，此时也将随着时间的时间变化函数的变化，变化的特性之间 的关系发生了与动态特性来表示。动态好的传感器，输出将重现输入的具有相同 的时间函数的量的变化。实际的传感器，该差被称为输出和输入之间的动态误差。为了说明的传感器的动态特性，下面简要介绍的动态测试温度。当问题随着 时

15、间的流逝或介质的突然插入，以及一个传感器测量的温度场扫描的温度分布的 温度测量传感器而不同，有一种动态温度测量。热电偶从环境。°C恒温水浴 4 c迅速插入的温度，介质温度，然后从热电偶测量。°C至4C突然升高，和 热电偶温度的变化反映了从到乙C,我们需要经过一段时间，那有一个过 渡过程。引起的变化和所得的畸变，因为根据一个热惯性传感器和耐热性，从而改变 输出，温度的动态测量总是滞后于介质的温度的热电偶输出波形的根源更改动态 误差是测量的变化。热惯性固有热电偶，似乎反映在其迅速变化的热电偶的常用 测量误差的动态响应，并在温度变化所产生的变化。种类和传感器的形式有很多，但它们的

16、动态特性通常可以通过以下微分方程 来描述：dny df， dy . d,nx . dm-lx . dx .an- + a .- + . + a. - + anv = + bti .- + .b.+ b x°dfi i dt o.巾 w" "i dr- '力 。式中：x输入量；y输出量；即、/、4”，4、4、bn与传感器的结构特性有关的常系数。1.3传感器特性的应用(1)如果输入和输出体积可以观察到的，通过输入和输出可以推断传输或 系统的转换特性。(2)如果系统特性已经被告知或给出数据，当输出可记录或可以被测量时, 则可通过该系统的特性和输出得出的结论来推到

17、出相应的输入量。(3)如果该系统的输入和输出特性是已知的，就可以推断和评价系统。当选择一个传感器，正常情况下需要的测试结果或控制仪器和变化，其中 待测量的使用对象的环境的目的，它是允许发生在测试和测量误差信号可以根 据被处理到的数据和其它的条件下在上述条件和经济上的考虑，因此，合理选 择传感器。在性能上，传感器的输出信号的一般要求是大的，正比于输入信号 的装置;滞后和非线性误差小;小的内部噪声，不易受外界干扰;响应速度快;运动 能量小;测量的状态影响不大;使用寿命长;稳定可靠;低成本;易于使用，维护和校 准。因为有相互影响，相互制约，因此要充分考虑合理的要求很多因素。在传感器的环境的选择也应进

18、行调查，以选择适应自己的工作条件传感器。 例如，在寒冷和水分含量太高的环境硒细胞结构被改变，使得其利用率降低， 它会影响导电性随着时间的推移而导致利用率较低，将会使光学设备通常使用 正常环境住，和环境的变化会影响该设备的电容器介电结构中的水含量改变时, 影响了电容传感器在日常生活的正常运行不能正常运行；温度变化可能给某些 传感器带来零点漂移，温度还会影响机构尺寸变化，由此带来测量误差，而过 热能使某些传感器不能正常工作；磁场对磁电式传感器有影响等。因此，应针 对不同的使用环境选择传感器。2压力传感器2.1压力传感器的概述压力是重要的工业参数之一，以保证生产过程中测量的安全性和经济性， 并控制适

19、当的压力是非常重要的。压力和差压测量也被广泛使用于流量和水平 测量。在科学实验物理工程实验中的“压力”实质上就是物理科学技术中的“压 强”，认为是在同一情况下均匀而且垂直作用在单位面积上的力。表达式为：P上A式中，P为压力；F为作用力；A为作用面积。压力有以下儿种不同的表示方法。绝对压力，可以表示为压力的表面面积的对象绝对真空为标准上施加，它 可以改叫的总压力或总压力，用4表示。表压力，这是指绝对压力和大气压力一薄的，通常以P表示。压力计装置 总体表示表压，也称为相对压力。当绝对压力小于大气压力，表压为负时，负 压力可以用真空来表示。差压，任意两个压力之差称为差压。2. 2压力传感器的特征使用

20、压力传感器，当在压力下设备显著改变，该设备被称为应变计产生的 阻力。如果给予一定程度的应变计的压力使其变形时，也会改变其电阻。用物理学中的电学方法来测量这种电阻值的变化随着时间的变化而变化的 情况下，就能够得出压力的大小发生变化的情况。所以，在这种器件中是否可 以将压力高效率地转变为器件的受到作用力使物体的体形发生变化是决定器件 测量灵敏度的关键性问题之一。在应变中，有金属应变片和半导体应变片之分。 不过，半导体压力传感器因灵敏度高、价钱便宜，而备受人们的青睐。(a)刀口压之前(b)加压之后2. 3压力传感器的选用在工业生产中，压力传感器的选择，以及其它测试，以确定安装的点是很 重要的。选择压

21、力传感器的基本原理是基于以选择所需的压力测量过程指标， 压力范围，公差，介电性能和安全生产和其它因素的实际生产过程中的技术， 并以经济的，方便使用。为喷射压力传感器，以确保内弹性变形的工作可靠的安全范围，则传感器 范围的选择一定要足够的空间。通常在测得的压力的情况下是稳定的，最大压 力值应不超过满刻度3/4 ;在所测量的压力的波动，最大压力值应不超过满刻度 2/3 o为了确保准确性，所测量的压力应该不低于最小满刻度1/3 o3利用压力传感器测量压强3.1 测量压强的原理液柱的压力传感器是基于测量的静水压力的原理。通常使用汞或水作为工 作流体，具有一个U形管或单个线管测定，通常在低压，真空或差压

22、测量使用。根据图像我们可以得知u形管内装有额定数量的液体，U形管其中一端的 压力为化另一端的压力为幺。当Pl = p2时，左右两管的液体高度相等。当 化 < 生时，两边管内液面便会产生高度差。根据液体静力学原理可知 = A- Pl = phg式中，p为U形管内液体的密度。若把压力口一侧改为通入大气p。，P1 一侧改为通入被测压力，则生=Pgh3.2 压力传感器测量压强的装置设计如图所示将皮质软管做成U形管固定于做够长的刻度尺上，软管的一端连 接在密封真空瓶中，真空瓶口有三个接口，其中一个与软管相连、另一个插入 压强测力计、最后的接口与加压器相连，并将压力传感器与压强显示器相连。实验第一步

23、将U形管内加入水作为工作液，并将液面调整在同一水平面即8=公 ；实验第二步将真空瓶内的压强调整到零即0 Pa,观察U形管液面是否在同 一平面上，若不在将液面调至同一高度；实验第三步用加压器向真空瓶中不断加压（不超过lOKPa）,在加压的过程 中记录所加压强并记录U形管两端液面的高度。3.3 用实测的数据对压力传感器定标实验仪器：皮质软管1根，刻度尺1把，密封真空瓶1个。记录数据如下所示液面高度4cm液面高度 cm加压器所加压强KPa实际压强KPa50.6555.830.5348.0158.411.0645.8360.381.4943.3462.951.9940.9165.372.4938.37

24、67.693.035.7170.333.533.0172.984.030.6975.394.527.8878.485.025.2181.275.523.7983.086.020.2385.896.517.7988.347.0114.7990.497.512.8193.178.09.9995.618.57.5598.499.04.75101.089.5（注：当天温度18.8,水的密度P=1x103依/咸阳重力加速度g = 9.7966团/相）根据测量数据所拟合的图像为：数据分析：随着液面高度差的不断变化所得的压强也在不断地变化。误差分析：由于是眼睛观察液面，有可能存在读数误差；真空瓶有可能存在漏

25、气的可能使压强不准确。综合上述实验我们可以得到关于压力传感器对与压强测量精度的比较，对 压力传感器的效验和精度得到了良好的诠释。4压电陶瓷的压电现象4. 1压电陶瓷的压电原理压电陶瓷是人工多晶压电材料，无数微小的单晶组件组成。它具有铁领域 的材料相似的磁畴结构“电畴。”结构。“铁电结构域”是自发极化区域，在 单晶的自发极化方向是完全的列的任意的排列。虽然具有强介电性的每个单晶, 但之后的多晶的，每一个单晶压电功效但互相抵消的形成。因此，原来是不具 有压电性能的非压电陶究的压电体。到具有压电效应的压电陶瓷，它必须被极 化。所谓极化处理是在一定温度下，强电场被施加到压电陶瓷中，电场的极性 接近旋转

26、方向。这个方向是极化的压电陶瓷的方向。根据两极分化，各向同性 损伤的方向;但平面垂直保持各向同性。当电场消失，仍有很强的压电陶凭的剩 余极化，这是非常相似的铁磁材料被磁化的磁场的现象。它们被极化的铁磁材 料被磁化过程和过程是非常熟人，所以这种类型的材料也被称为“铁电磁”。若这由偏振光强电介质时，受到外力时，其剩余极化将改变，因此也显示 出压电性。这种材料在极化方向明显压电性能是最显著。类似于铁磁体的特性，铁电体的极化强度也是与温度有关的。同时，压电 陶瓷的参数也将随时间而发生变化，老化的结果将使其压电效应减弱。因此， 压电陶凭稳定性较石英晶体差。压电晶体的变形发生在外力作用下，形成在晶体表面和

27、外力成比例的电荷 上，由于外力而使晶体极性电荷现象称为压电效应的表面上。压电晶体放置在 电场中，由于电场，将发生在晶体和电场强度正比于应变，而使这对电场的压 电晶体的变形现象称为逆压电效应。电晶体压电效应和普通电介质晶体电致伸缩效应是非常相似的电致伸缩效 应成正比变形引起的外部电场产生外部电场的电介质极化的影响的平方，并将 所得的变形和独立的方向外电场，在所有的电介质晶体存在，但是通常较弱。 压电晶体被用作电介质晶体中的电场，同时有一个逆压电效应，电致伸缩效应, 但压电常数比电系数几个数量级，在电场作用下，压电效明显。逆压电效应方程：sj = duEi电致伸缩效应方程：S = ME2式中S为应

28、变。E为电场强度，%为压电系数，1和J分别为电场方向和 应变方向，M为电致伸缩系数。在所有的电介质晶体电动伸缩效果，变形方向而不管外部电场的方向，但 逆压电效应只可在无对称性的晶体的中心的存在。4. 2压电陶瓷控制方式及研究现状压电陶在驱动器的性能是好还是坏在很大程度上取决于其驱动电源的设 计，尤其是驱动决议案，议案和响应频率的晶体更密切相关的动力性能，通过 压电陶究驱动电源的控制压电控制系统，它具有达到有效控制的压电陶瓷的。目前主要集中在三个方面的压电陶瓷的应用：一是利用压电陶瓷微纳米精 度实现精确定位;二是利用压电陶瓷来实现脉冲驱动的快速响应;三是利用压电 陶瓷谐振器功能来实现高频率振动。

29、不同的应用，压电陶瓷驱动器的性能要求 是不同的，相应的电力供给也不同的PZT。4. 3用压电陶瓷测量正逆向电压的装置本次实验将利用打火机中的打火装置及压电陶瓷进行实验，因其与生活息 息相关且便宜、容易获得而将其用来作为实验的主要元器件。电子打火机的基本工作原理是：（晶体结构），连接到一块压电材料的一端 挡住一些细金属丝，这种丝和金属材料更轻出口处通过机械机构形成的间隙， 以便与冲击冲击块露天同步。当击块一定的冲击能量或力撞击压电材料块的另 一端，内部分子振动的压电材料意愿强烈和振动能量到导线。由于除了压电材 料块的线材的悬殊的截面积的截面积，分子导线振动已经大大加强趋势。当空 气中的分子撞击缝

30、隙处的空气分子的强烈震动的端点分子导线将产生强烈的震 动。空气分子振动轨迹，我们看到电火花（ARC）。这些电火花（ARC）实际上 是一个强有力的领导分子振动的空气分子振动能量传递给金属材料轻出口的轨 迹，说明空气间隙的分子振动很厉害。根据强振动理论的说明是该材料，当温 度超过液化气点火打火机内，的高温跑出的气体将被点燃，火焰，火焰与的气 体分子剧烈振荡该物质的影响。这是打火机，另一个原因电子点火装置和相同 的基本原理。陶瓷压电效应，为一个特殊的陶瓷片上的压力的两侧，将产生的电力的定 向流动，产生电流，如果小元件区分开，你会发现陶瓷片为打击乐器及其机构 该陶瓷是底部的压电陶匏。相应地，如果电流流过它，它会振动，最常见的是 陶瓷蜂鸣器，它是一个金属圆盘上方的白色陶梵。如果通过电源，通过在超声 波范围内的高频率发出的声音，是B-探头的超声波发送元件。因此用打火机的打火装置拿出来，取出敲击装置用金属外壳将敲击装置包 裹里边，一端悬挂在支架上，另一端用双向钩挂装置连接用来盛放硅码，用不 同重量的祛码来测量压电陶瓷的正向电压和逆向电压。4. 4用实测电压对压电陶