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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 壓力傳感器與水位控制
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品利用半導(dǎo)體工藝制備的單晶硅電阻塊作為敏感壓阻元，并連接成惠斯頓電橋，在電橋輸入端連接恒流源。當(dāng)連接成電橋的電阻單元受到壓力作用時(shí)，電阻會發(fā)生變化，電橋平衡遭到破壞，輸出端電信號發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)把壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出，可以實(shí)現(xiàn)對多種流體壓力的測量。本作品把半導(dǎo)體工藝制作的高靈敏度和高精度傳感器用作壓力開關(guān)并應(yīng)用于液位控制和深度測量。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品利用半導(dǎo)體工藝制備的單晶硅電阻塊作為敏感壓阻元，并連接成惠斯頓電橋，在電橋輸入端連接恒流源。當(dāng)連接成電橋的電阻單元受到壓力作用時(shí)，電阻會發(fā)生變化，電橋平衡遭到破壞，輸出端電信號發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)把壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出，可以實(shí)現(xiàn)對多種流體壓力的測量。本作品把半導(dǎo)體工藝制作的高靈敏度和高精度傳感器用作壓力開關(guān)并應(yīng)用于液位控制和深度測量。 本作品來源于實(shí)際應(yīng)用，可以作為壓力開關(guān)應(yīng)用于液位控制和深度測量，作品核心由壓力傳感器和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。壓力傳感器利用單晶硅作為敏感元（利用半導(dǎo)體工藝制成電阻塊）實(shí)現(xiàn)壓力轉(zhuǎn)換，把壓力信號轉(zhuǎn)換成可測量的電學(xué)信號，根據(jù)電學(xué)信號判斷水位深度。壓力信號通入到控制系統(tǒng)，當(dāng)壓力低于設(shè)定數(shù)值時(shí)，控制系統(tǒng)對水泵發(fā)出工作命令進(jìn)行抽水，當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定高度時(shí)，壓力信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，命令水泵停止工作，從而實(shí)現(xiàn)水位的控制。本制作中，購置了硅單晶敏感元芯片，利用相關(guān)封裝工藝進(jìn)行引線制作，殼體封裝，檢漏測試，電信號輸出檢測；控制系統(tǒng)采用單片機(jī)、A/D電路等。具體內(nèi)容見附件。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的： 本作品利用半導(dǎo)體工藝制備的單晶硅電阻塊作為敏感壓阻元，并連接成惠斯頓電橋，在電橋輸入端連接恒流源。當(dāng)連接成電橋的電阻單元受到壓力作用時(shí)，電阻會發(fā)生變化，電橋平衡遭到破壞，輸出端電信號發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)把壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出，可以實(shí)現(xiàn)對多種流體壓力的測量。 基本思路： 本作品可以作為壓力開關(guān)應(yīng)用于液位控制和深度測量，作品核心由壓力傳感器和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。壓力傳感器利用單晶硅作為敏感元實(shí)現(xiàn)壓力轉(zhuǎn)換，把壓力信號轉(zhuǎn)換成可測量的電學(xué)信號，根據(jù)電學(xué)信號判斷水位深度。創(chuàng)新點(diǎn)： 1. 本作品利用晶體硅材料作為電阻敏感元制作傳感器，敏感元輸出設(shè)計(jì)成開環(huán)形式，可用橋臂并聯(lián)電阻法和串接電阻法調(diào)平衡，而且補(bǔ)償熱零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移也較方便。 2. 控制系統(tǒng)前置放大采用儀表級運(yùn)放，保證測量精準(zhǔn)可靠確?？刂凭_無誤。 3. 控制系統(tǒng)具有友好的交互界面，方便設(shè)置各種參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示水位（壓力）數(shù)值，方便用戶了解系統(tǒng)狀態(tài)。 技術(shù)關(guān)鍵： 1. 手工靜封工藝： 2. 精密壓焊工藝： 3.模擬的RS232串口： 4. 軟硬件相結(jié)合的抗干擾技術(shù)： 主要技術(shù)指標(biāo)： 1、系統(tǒng)電源：220V，50Hz；傳感器電源：12V（由系統(tǒng)電源提供）； 2、水位控制精度：1mm； 3、水位深度：100mm～10m； 4、介質(zhì)溫度: 0～85℃ ，環(huán)境溫度: -20～85℃； 5、使用方式：投入式
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1、本作品把半導(dǎo)體工藝制作的高靈敏度和高精度傳感器用作壓力開并應(yīng)用于液位控制和深度測量。作品中壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，它具有較高的工作測量精度、較低的功耗和較低的成本，利用半導(dǎo)體工藝制備的電阻敏感元可以大批量生產(chǎn)。電阻連接成惠斯頓電橋，在電橋輸入端連接電源。當(dāng)連接成電橋的電阻單元受到壓力作用時(shí)，電橋平衡遭到破壞，輸出端電信號發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)把壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出，從而可以實(shí)現(xiàn)對多種流體壓力的測量。 2、作品以MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)制造的硅壓阻壓力傳感器為基礎(chǔ)，與單片機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合，通過傳感器測量水壓得到水位信息，由控制系統(tǒng)根據(jù)水位信息控制水泵工作狀態(tài)。硅壓阻壓力傳感器在工作時(shí)彈性膜片為硅膜，最大位移僅為1～2μm，不存在機(jī)械疲勞及磨損等問題。傳感器輸出的電壓信號與集成電路元件組成的電子電路耦合方便，也無機(jī)械拉動(dòng)與聯(lián)接，也就不存在磨損與壽命問題及可靠性問題。人性化控制界面設(shè)計(jì)，方便用戶根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整液位控制的上、下限。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本作品在2009年江蘇省高校第六屆大學(xué)生 物理及實(shí)驗(yàn)科技作品創(chuàng)新競賽中獲得特等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 本作品目前處于中試階段。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 暫不轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品，現(xiàn)場演示，圖片，圖紙
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 使用說明： 在使用時(shí)電源采用普通市電供電，傳感器放入水箱底部，通過測量水壓換算成水的深度，實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)控制。 技術(shù)特點(diǎn)： 1.采用的硅壓力傳感器靈敏度高，性能穩(wěn)定，工作可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景。 2.控制系統(tǒng)前置放大采用儀表級運(yùn)放，保證測量精準(zhǔn)可靠。 3.控制系統(tǒng)具有友好的交互界面，方便設(shè)置各種參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示液位（壓力）數(shù)值，方便用戶了解系統(tǒng)狀態(tài)。 適應(yīng)范圍： 本系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于氣、液的壓力控制和顯示，在工農(nóng)業(yè)、生活中均可應(yīng)用，如在環(huán)境檢測和生活中用到的湖泊水位監(jiān)控，水塔水位控制，水井水位監(jiān)控，地下設(shè)施水位控制，排水系統(tǒng)控制等。 推廣前景： 本系統(tǒng)可用于各類氣、液的壓力控制和顯示，在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用，小到電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)的壓力控制，大到航空航天中的氣壓控制都可采用。且本系統(tǒng)與市面同類產(chǎn)品相比，成本較低，性能穩(wěn)定可靠，還根據(jù)環(huán)境需要進(jìn)行選擇性封裝，有很好的市場競爭力。
同類課題研究水平概述
- 壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境和民用生活領(lǐng)域，涉及水利、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)控制、航空航天、軍工、石化、油井、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。 目前傳感器制作中，半導(dǎo)體材料占有重要的地位。半導(dǎo)體單晶硅材料在受到外力作用時(shí)，產(chǎn)生極微小應(yīng)變，從而導(dǎo)致其電阻率劇烈的變化，即壓阻效應(yīng)。在上世紀(jì)五十年代才開始發(fā)現(xiàn)和研究這一效應(yīng)的應(yīng)用價(jià)值。利用壓阻效應(yīng)原理，采用三維集成電路工藝技術(shù)及一些專用特殊工藝，在單晶硅片上按特定晶向制成應(yīng)變電阻構(gòu)成的惠斯頓檢測電橋，并同時(shí)利用硅的彈性力學(xué)特性，在同一硅片上進(jìn)行特殊的機(jī)械加工，集應(yīng)力敏感與電力轉(zhuǎn)換檢測于一體的力學(xué)量傳感器為固態(tài)壓力傳感器。以氣，液體壓強(qiáng)為檢測對象的則稱為固態(tài)壓阻壓力傳感器，它誕生于六十年代末期。顯然，它較之傳統(tǒng)的膜盒電位計(jì)式，力平衡式，變電感式，變電容式，金屬應(yīng)變片式及半導(dǎo)體應(yīng)變片式傳感器技術(shù)上先進(jìn)的多。 一般擴(kuò)散型硅力敏電阻構(gòu)成惠斯頓電橋用于測量，作品利用晶體硅材料作為敏感元制作傳感器，敏感元輸出設(shè)計(jì)成開環(huán)形式，可用橋臂并聯(lián)電阻法和串接電阻法調(diào)平衡，而且補(bǔ)償熱零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移也較方便，也可以用萬用表直接測定四個(gè)橋臂力敏電阻的阻值。通過封裝工藝和電路設(shè)計(jì)把芯片敏感元感應(yīng)信號轉(zhuǎn)化為可直讀的電信號，可以放入水中測量水壓變化，得知水位高度，信息反饋到控制系統(tǒng)以控制進(jìn)水和水深。 目前市場上有多家公司從事壓力傳感器制作和推廣，如武漢市精工電子研究所，上海銘動(dòng)電子科技有限公司，佛山市賽普特電子儀器有限公司等都以壓力傳感器作為主打作品，采用硅微機(jī)械加工技術(shù)制造，殼體采用高強(qiáng)度特種航空材料封裝，耐溫、耐磨、耐腐蝕、體積小、重量輕、穩(wěn)定性好、輸出信號大，可長期用于測量氣、水、油、酸堿等介質(zhì)，具有極強(qiáng)的介質(zhì)兼容性。 本作品現(xiàn)用于水位控制，采用不銹鋼殼體進(jìn)行封裝，穩(wěn)定性好，作品近兩年來性能一直很穩(wěn)定。以后可以選擇合適的封裝材料和封裝工藝以滿足不同的工作環(huán)境。
