项目二压力的检测与控制

威海职业学院◆信号的检测与控制

项目二压力的检测与控制



学习情境：

贴片机贴片压力的测量贴片机贴片压力的测量

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。



压力：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“压力”。

单位： Pa( 帕 ) ， Pa ＝ 1N/M2

让我们先来认识一下压力



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问题？

任务一压电式压力传感器



压电效应式传感器：利用某些电介质受理后产生的压电效应制成的

传感器。压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生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。


某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；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、坐标轴及切片

压电效应

1 、石英晶体的压电效应




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 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 qxx ＝ dxxFx 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。



2 、压电陶瓷的压电效应

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。


在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。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，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 Q＇＝ Q， U＇ = nU， C＇ =C/n。

3 、压电元件的常用结构型式

图 2 压电元件的串并联a) b)


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，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。



方案设计案例：

图 3 测试压电传感器的动态响应




实施步骤：(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。



1 、根据实验结果，可以知道振动台的自振频率大致多少？

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Δφ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：



要求：用负压型传感器测量压力箱压力（用压力箱代替回流焊吸嘴的

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。

任务二认识压阻式压力传感器



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。


1. 1. 结构型式及特点结构型式及特点

主要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


结构及特点



方案设计案例：实施步骤：

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



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 Pmax 时报警输出模块报警。同时在显示单元模块上观察、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。


CS Sr

0

S —— 极板相对覆盖面积； δ —— 极板间距离； εr—— 相对介电常数； ε0——真空介电常数，； ε —— 电容极板间介质的介电常数。

δ

S

ε


任务三认识电容式压力传感器


变极距 (δ ）型 : (a) 、 (e)

变面积型 (S) 型 : (b) 、 (c) 、 (d) 、 (f) 、 (g) （ h ）

变介电常数 (ε ) 型 : （ i ）～ (l)





图 5 差动变面积式电容传感的静态及动态特性



方案设计案例

实施步骤：

1 、按图 5 接线。2 、 F／ V 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Ｓ。Ｓ＝ ΔＶ／ ΔＸ（式中 ΔＶ为电压变化， ΔＸ为相应的梁端位移变化），并作出Ｖ－Ｘ关系曲线。5 、卸下测微头，断开电压表，接通激振器，用示波器观察输出波形。



任务四认识应变式压力传感器

金属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


金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略

0)21( KR

R

应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，并且对同一电阻材料， K0=1+2μ 是常数。其灵敏度系数多在 1.7 ～ 3.6 之间。




方案设计案例 1 ：

图 6 测试压电传感器的动态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。




实施步骤：

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。将差动放大器的输出端与 F／ V 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 F／ V 表显示为零，关闭主、副电源。

3 、根据图１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， F／ V 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 F／ V 表显示为零，然后将 F／ V 表置 2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使 F／ V 表显示为零。



3、将测微头转动到 10mm刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使 F／ V表显示最小，再旋动测微头，使 F／ V表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的 4 —、往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下 F／ V表显示的值。建议每旋动测微头一周即 ΔX＝ 0.5mm记一个数值记录。5、据所得结果计算灵敏度 S ＝ ΔV／ ΔX（式中 ΔX 为梁的自由端位移变化， ΔV 为相应 F／ V 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，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的影响。(4) 电位器 W1 、 W2 ，在有的型号仪器中标为 RD 、 RA 。



方案设计案例 2 ：

按图 6 接线，图中 R4修改为工作片， 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




实施步骤：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固定电阻换为与 R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥W1 使 F／ V 表显示表显示为零，重复（ 4）过程同样测得读数，进行记录。



6 、保持差动放大器增益不变，将 R1 ， R2 两个固定电阻换成另两片受力应变片（即 R1 换成， R2 换成，）组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。接成一个直流全桥，调节测微头使梁到水平位置，调节电桥W1同样使 F／ V 表显示零。重复 4 过程将读出数据填入下表：7 、在同一坐标纸上描出 X-V曲线，比较三种接法的灵敏度。

注意事项：(1) 在更换应变片时应将电源关闭。(2) 在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。(3) 在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。(4) 直流稳压电源 ±4V 不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。

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