1、1,3.3.3 諧振式壓力傳感器,力/壓力諧振頻率 組成: 振動體 激振單元 拾振單元,諧振式傳感器是高精度傳感器發(fā)展的重要方向!,3.3 其它力/壓力傳感器,2,諧振式傳感器示意圖,調(diào)幅 移相,3.3 其它力/壓力傳感器,3,按振動結(jié)構(gòu)不同分為： 振弦式壓力傳感器 振動筒式壓力傳感器 振動膜式壓力傳感器 振梁式壓力傳感器,樂器的發(fā)音機理！,3.3 其它力/壓力傳感器,4,Q值越高： 損耗小 諧振穩(wěn)定 抗干擾能力強 傳感器重復(fù)性好,品質(zhì)因數(shù)Q,3.3 其它力/壓力傳感器,諧振子不直接接觸被測氣體 二級敏感,5,3.3 其它力/壓力傳感器,6,一、基本原理和類型,1.振弦式傳感器,敏感元件： 有

2、預(yù)緊力的振弦。 原理： 固有頻率f與拉緊力T的關(guān)系式：,L為振弦的有限長度， M為振弦單位長度的質(zhì)量kg/m）。,3.3 其它力/壓力傳感器,7,結(jié)構(gòu)形式： v 預(yù)緊力： 上、下夾塊、螺釘。 v 加力： P 膜片、下夾塊。 v 激勵： 電磁激勵,振弦式壓力傳感器,3.3 其它力/壓力傳感器,8,2.振筒式傳感器,3.3 其它力/壓力傳感器,9,3.3 其它力/壓力傳感器,激振： 激勵線圈 磁場變化 筒壁變形 拾振： 筒壁變形 拾振線圈產(chǎn)生感生電勢 壓力變化 圓筒剛度變化 諧振頻率變化,10,v 氣體空腔 v 壓力膜片的支架上安裝有振動膜片 v 振動膜片的兩側(cè)有激振線圈、拾振線圈 v 正反饋振蕩

3、電路,1 激振線圈 2 振動膜片 3 拾振線圈 4 壓力膜片,3、膜片狀諧振傳感器,3.3 其它力/壓力傳感器,11,4、梁式諧振傳感器,3.3 其它力/壓力傳感器,12,3.3 其它力/壓力傳感器,電熱激勵 電阻拾振,13,3.3 其它力/壓力傳感器,14,3.3 其它力/壓力傳感器,15,P F,5.梁式諧振傳感器,3.3 其它力/壓力傳感器,隔離結(jié)構(gòu)非常重要！,16,杠杠放大 杠杠機構(gòu)的柔性設(shè)計 石英梁,3.3 其它力/壓力傳感器,17,杠桿機構(gòu)對比示意圖,微杠桿機構(gòu)可行性,3.3 其它力/壓力傳感器,18,敏感單元： 石英音叉 原理： P F 壓電激振、拾振 石英的壓電效應(yīng)和諧振特性！

4、,6.石英音叉諧振傳感器,3.3 其它力/壓力傳感器,19,3.3 其它力/壓力傳感器,20,3.3.4 光纖力學(xué)量傳感器,強度調(diào)制型反射式光纖微壓傳感器 檢測微小壓力、微小壓差,Y型光纖束： 光纖入射臂、光纖出射臂，光纖探頭。 敏感單元： 彈性薄膜、高反射率薄片。,光,源,光,接,收,信號,處理,Y型光線,彈性薄膜,氣孔1,氣孔2,3.3 其它力/壓力傳感器,光纖探頭,原理： 氣體壓力變化引起光強變化 測試氣壓、壓力差,21,3.3.5 壓電涂層傳感器,一、結(jié)構(gòu),涂料： 填料：壓電陶瓷材料如PZT和壓電聚脂薄膜如PVDF。 基液：環(huán)氧樹脂膠液。 制作： 涂刷結(jié)構(gòu)、印刷電極和導(dǎo)線 極化處理,3

5、.3 其它力/壓力傳感器,22,二、性能,1.壓電效率： 指單位應(yīng)變所能感應(yīng)出的電荷多少。,2.閾值體積： 微觀上，PZT顆粒是相互隔離 PZT填料組份大于閥值VPZT,極化電場強度； 涂層厚度； 極化時間；,3.3 其它力/壓力傳感器,23,一、Z元件概述 Z-元件發(fā)明于80年代，公開報道于90年代，專利費高達10億美元。 俄羅斯傳感器專家V.ZOTOV教授發(fā)明 溫敏、光敏、磁敏、力敏Z元件 優(yōu)點：直接輸出開關(guān)信號、頻率信號，三端傳感器。 不足：體積很小，非常薄脆。,3.3.6 力敏Z元件及觸覺傳感器,3.3 其它力/壓力傳感器,Z-元件具有很大開發(fā)潛力,24,突出優(yōu)勢： 電路簡單，組態(tài)靈活

6、，輸出多路的開關(guān)、模擬或脈沖頻率信號，構(gòu)成不同品種的三端傳感器。 工作原理： N區(qū)被重摻雜補償?shù)奶胤NPN結(jié)。 利用不同擴散源的擴散特征，使普通的PN結(jié)結(jié)構(gòu)從另一側(cè)對N區(qū)進行穿透性金（或銅或鋅）擴散，形成獨特的半導(dǎo)體敏感元件。,3.3 其它力/壓力傳感器,25,二、Z元件的機理,3.3.6 力敏Z元件及觸覺傳感器,材料： N型硅單晶、Al擴散形成PN結(jié)、單面打磨、鍍Ni電極。 結(jié)構(gòu)： PN結(jié)和N型側(cè)敏感層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。,Z元件的工作電路,3.3 其它力/壓力傳感器,26,外力作用于Z元件P端時： 敏感層電阻率變小，使線性區(qū)斜率增大，達到電流值Im時其電壓值小于靜態(tài)下發(fā)生跳變時Um，曲線向左移，施加的力值越大，左移的距離越大。 外力作用于Z元件P端時：,三、電流-電壓特性,3.3 其它力/壓力傳感器,27,四、在觸覺傳感器中的應(yīng)用,觸覺傳感器： 是智能機器人最需解決的研究重點之一。 目前有機械式、壓阻式、電容式、壓電式、磁電式和光電式。,3.3 其它力/壓力傳感器,力敏觸覺傳感器： 施加外力載荷時，必須通過某種彈性體作為依托。 當力載荷作用于彈性體時，內(nèi)應(yīng)力改變力敏Z-元件的工作狀態(tài)(低阻態(tài)、高阻態(tài))。 彈性體： 條形、園形膜片；磷銅、合金鋼材料；懸臂式結(jié)構(gòu)和簡支式結(jié)構(gòu)。,28,原理： 通過平板結(jié)構(gòu)的變形把力傳