人體具有壓覺，人體皮膚深層結(jié)構(gòu)內(nèi)存在大量壓力感受器。當(dāng)機(jī)械刺激導(dǎo)致皮膚變形時(shí)，會(huì)引起感受器及神經(jīng)末梢變形，壓力感受器進(jìn)入興奮狀態(tài)，引起神經(jīng)末梢發(fā)出神經(jīng)沖動(dòng)，傳入大腦皮層感覺區(qū)產(chǎn)生壓覺。
機(jī)器的壓覺來(lái)自各種壓力傳感器(Pressure Transducer)。壓力傳感器是能感受壓力信號(hào)，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)的器件或裝置，通常由基于不同物理效應(yīng)的壓力敏感元件和信號(hào)處理單元組成。下面介紹幾種常見的壓力傳感器。
1. 基于金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)的壓力傳感器，我們知道，金屬導(dǎo)體的電阻值R與電阻率ρ和導(dǎo)體長(zhǎng)度L成正比，與截面積S成反比。當(dāng)金屬導(dǎo)體受力而產(chǎn)生拉伸或壓縮等機(jī)械變形時(shí)，L和S都會(huì)發(fā)生改變，從而引起電阻值發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。從圖中可以看出，當(dāng)金屬導(dǎo)體受到拉力F作用時(shí)產(chǎn)生了拉伸變形，長(zhǎng)度由L變?yōu)長(zhǎng)+ΔL，面積由S縮小到S’，從而導(dǎo)致該導(dǎo)體電阻值增大。
利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)可以制作壓力傳感器的感壓元件——金屬電阻應(yīng)變片，常用的有金屬絲式和金屬箔式兩種類型。下面的圖給出一種金屬絲電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)，由電阻絲式敏感柵、基底、覆蓋層和引線四部分構(gòu)成。電阻應(yīng)變式壓力傳感器的工作電流大，輸出信號(hào)也大，靈敏度就高。但工作電流過(guò)大會(huì)使應(yīng)變片過(guò)熱，甚至燒毀應(yīng)變片。金屬箔敏感珊與基底的接觸面積比金屬絲大，因此散熱條件好，工作電流可取得更大一些。
2. 基于壓阻效應(yīng)的壓力傳感器，1954年美國(guó)材料學(xué)家C.S 史密斯在對(duì)硅和鍺的電阻率與應(yīng)力變化特性測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受到外力作用時(shí)電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)制作的壓力傳感器的感壓元件稱為半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片，其靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片大幾十倍，且機(jī)械滯后小，但溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多。
在我們的日常生活中，隨處可以發(fā)現(xiàn)壓阻材料的應(yīng)用。例如，一種稱為壓敏導(dǎo)電橡膠的壓阻材料，在不受力時(shí)如同絕緣體，但施壓時(shí)其電阻隨著壓力的增加而變小。利于這個(gè)特點(diǎn)，可以制作各種壓控開關(guān)。無(wú)壓力時(shí)壓敏導(dǎo)電橡膠是絕緣體，如同開關(guān)斷開；當(dāng)壓力達(dá)到某閾值時(shí)，其電阻大大降低，壓敏導(dǎo)電橡膠轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體，如同開關(guān)接通。
金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)與半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)都表現(xiàn)為感壓元件的電阻隨外力的變化而改變，兩者的區(qū)別是：前者的電阻變化是截面和長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)尺寸變化所致，而后者的電阻變化是電阻率變化所致。
3. 基于壓電效應(yīng)的壓力傳感器，1880年，兩位年輕的法國(guó)科學(xué)家兄弟皮埃爾·居里（Pierre Curie）和他的哥哥雅克·居里（Jacques Curie）發(fā)現(xiàn)晶體具有一個(gè)特殊性質(zhì)：當(dāng)沿一定方向?qū)M足一定對(duì)稱性的晶體材料施加外力時(shí)，晶體材料會(huì)發(fā)生形狀改變，同時(shí)其兩個(gè)相對(duì)的表面上會(huì)出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，電荷量與受力大小成正比；當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；當(dāng)外力撤掉后，它又會(huì)恢復(fù)不帶電狀態(tài)。這個(gè)性質(zhì)稱為晶體的壓電效應(yīng)。
晶體是否具有壓電效應(yīng)，是由晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性所決定的。以石英晶體為例，從下圖以看出，當(dāng)沒有外力作用時(shí)，石英晶體的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性使其內(nèi)部正負(fù)電荷的作用相互抵消，對(duì)外呈不帶電狀態(tài)。當(dāng)在外力的作用下發(fā)生形狀改變時(shí)，其結(jié)構(gòu)對(duì)稱性發(fā)生改變，內(nèi)部正負(fù)電荷的作用不再相互抵消，出現(xiàn)了電極化，對(duì)外呈現(xiàn)帶電狀態(tài)。
利用壓電效應(yīng)可以制作壓電傳感器。常用的壓電材料有壓電陶瓷、壓電晶體、壓電復(fù)合材料等，其應(yīng)用遍及我們?nèi)粘Ｉ詈透咝录夹g(shù)領(lǐng)域的方方面面。例如，打火機(jī)、煤氣灶、熱水器、汽車等的點(diǎn)火要用到壓電點(diǎn)火器，雷達(dá)、通信和導(dǎo)航設(shè)備中需要大量壓電陶瓷濾波器，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域利用壓電材料進(jìn)行免疫檢測(cè)、制作人工耳蝸等。
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電子秤出現(xiàn)以下幾種現(xiàn)象，需懷疑是稱重傳感器的故障：
?。?）電子秤不顯示零，顯示屏不斷閃爍。
?。?）電子秤顯示零以后，在加放砝碼，不顯示稱量數(shù)字。
?。?）電子秤空載或加載時(shí)，顯示的數(shù)字不穩(wěn)定，漂移或者跳變。
（4）電子秤稱量不準(zhǔn)確，顯示的稱量數(shù)字與加放的砝碼數(shù)量不一致。
（5）電子秤重復(fù)性不好，加放同一砝碼，有時(shí)稱量準(zhǔn)確，有時(shí)稱量不準(zhǔn)確。
以上幾種現(xiàn)象都有可能是稱重傳感器的故障。將需要判斷的傳感器從系統(tǒng)中單獨(dú)摘除，分別測(cè)量輸入阻抗、輸出阻抗。輸入阻抗正常值為380Ω，輸出阻抗正常值為350Ω，如果測(cè)量數(shù)據(jù)不在此范圍內(nèi)，該傳感器已經(jīng)損壞。如輸入阻抗、輸出阻抗有斷路，可先檢查傳感器信號(hào)電纜有無(wú)斷開的地方，當(dāng)信號(hào)電纜完好時(shí)，則為傳感器應(yīng)變片被燒毀，通常是因?yàn)橛写箅娏鬟M(jìn)入傳感器造成的。當(dāng)測(cè)量輸入阻抗、輸出阻抗阻值不穩(wěn)定時(shí)，可能為信號(hào)線絕緣層破裂，絕緣性能下降，或傳感器受潮，使橋路同彈性體絕緣不好。傳感器的零點(diǎn)輸出信號(hào)值，一般在（-3mv～2mv）之間。如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出此標(biāo)準(zhǔn)范圍，可能是傳感器使用中過(guò)載而造成彈性體塑性變形，使傳感器無(wú)法使用。如無(wú)零點(diǎn)信號(hào)或零點(diǎn)輸出信號(hào)很小，可能為稱重傳感器內(nèi)的應(yīng)變片已從彈性體上脫落或有支撐物支撐秤體造成。
電子秤更換電子秤傳感器步驟如下：
1）打開傳感器（損壞的）上方蓋板，用千斤頂頂起秤臺(tái)，取下傳感器地線。
2）打開接線盒，將損壞的傳感器電纜線與接線盒解脫。在傳感器端抽出電纜線。注意：在抽線時(shí)，附上一根引線穿過(guò)秤體，以便在更換新傳感器時(shí)，便電纜線穿越秤體進(jìn)入接線盒。
3）參照上述第二項(xiàng)的方法，將傳感器電纜線穿越秤體進(jìn)入接線盒。
4）按照接線圖將電纜線各芯線固定在接線盒對(duì)應(yīng)的接線柱上。
5）松開千斤頂，放平秤臺(tái)，蓋上蓋板。
6）更換傳感器后，須對(duì)汽車衡重新設(shè)定和校正。
7）傳感器安裝完后，其多余電纜線應(yīng)扎成捆放置，不得直接放置在基礎(chǔ)地面上。
8）為保證傳感器的一致性和互換性，傳感器電纜線不得隨意截?cái)唷?/span>
9）安裝和拆卸過(guò)程中，不得出現(xiàn)劃傷、磕碰傳感器現(xiàn)象，并要保護(hù)好電纜線。
溫度有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測(cè)器（RTD）和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。
1、熱電偶的工作原理
當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體和半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為TO，稱為自由端(也稱參考端)或冷端，則回路中就有電流產(chǎn)生，即回路中存在的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。這種由于溫度不同而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。與塞貝克有關(guān)的效應(yīng)有兩個(gè)：其一，當(dāng)有電流流過(guò)兩個(gè)不同導(dǎo)體的連接處時(shí)，此處便吸收或放出熱量(取決于電流的方向)，稱為珀?duì)柼?yīng)；其二，當(dāng)有電流流過(guò)存在溫度梯度的導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體吸收或放出熱量(取決于電流相對(duì)于溫度梯度的方向)，稱為湯姆遜效應(yīng)。兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。熱電偶的熱電勢(shì)EAB(T，T0)是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)合成的。接觸電勢(shì)是指兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體在接觸處產(chǎn)生的電勢(shì)，此電勢(shì)與兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)及在接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。溫差電勢(shì)是指同一導(dǎo)體或半導(dǎo)體在溫度不同的兩端產(chǎn)生的電勢(shì)，此電勢(shì)只與導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)和兩端的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、截面大小、沿其長(zhǎng)度方向的溫度分布無(wú)關(guān)。無(wú)論接觸電勢(shì)或溫差電勢(shì)都是由于集中于接觸處端點(diǎn)的數(shù)不同而產(chǎn)生的電勢(shì)，熱電偶測(cè)量的熱電勢(shì)是二者的合成。當(dāng)回路斷開時(shí)，在斷開處a，b之間便有一電動(dòng)勢(shì)差△V，其極性和大小與回路中的熱電勢(shì)一致。并規(guī)定在冷端，當(dāng)電流由A流向B時(shí)，稱A為正極，B為負(fù)極。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)△V很小時(shí)，△V與△T成正比關(guān)系。定義△V對(duì)△T的微分熱電勢(shì)為熱電勢(shì)率，又稱塞貝克系數(shù)。塞貝克系數(shù)的符號(hào)和大小取決于組成熱電偶的兩種導(dǎo)體的熱電特性和結(jié)點(diǎn)的溫度差。
目前，國(guó)際委員會(huì)（IEC）推薦了8種類型的熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，即為T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。
2、熱電阻的工作原理
導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而改變，通過(guò)測(cè)量其阻值推算出被測(cè)物體的溫度，利用此原理構(gòu)成的傳感器就是電阻溫度傳感器，這種傳感器主要用于-200—500℃溫度范圍內(nèi)的溫度測(cè)量。純金屬是熱電阻的主要制造材料，熱電阻的材料應(yīng)具有以下特性：①電阻溫度系數(shù)要大而且穩(wěn)定，電阻值與溫度之間應(yīng)具有良好的線性關(guān)系。
?、陔娮杪矢撸瑹崛萘啃?，反應(yīng)速度快。
?、鄄牧系膹?fù)現(xiàn)性和工藝性好，價(jià)格低。
?、茉跍y(cè)溫范圍內(nèi)化學(xué)物理特性穩(wěn)定。
目前，在工業(yè)中應(yīng)用廣泛的鉑和銅，并已制作成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫?zé)犭娮?/p>
3、紅外溫度傳感器
在自然界中,當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，由于它內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的存在,就會(huì)不斷地向四周輻射電磁波，其中就包含了波段位于0、75～100μm的紅外線，紅外溫度傳感器就是利用這一原理制作而成的。
SMTIR9901/02是荷蘭SmartecCompany生產(chǎn)的一款現(xiàn)在市場(chǎng)上應(yīng)用比較廣的紅外傳感器，它是基于熱電堆的硅基紅外傳感器。大量的熱電偶堆集在底層的硅基上，底層上的高溫接點(diǎn)和低溫接點(diǎn)通過(guò)一層極薄的薄膜隔離它們的熱量，高溫接點(diǎn)上面的黑色吸收層將入射的放射線轉(zhuǎn)化為熱能，由熱電效應(yīng)可知，輸出電壓與放射線是成比例的，通常熱電堆是使用BiSb和NiCr作為熱電偶。此外，SMT9902sil內(nèi)部嵌入以Ni1000溫度傳感器和一小視角的硅濾片，使得測(cè)量溫度更加的準(zhǔn)確。因?yàn)榧t外輻射特性與溫度相關(guān)，可以使用不同的濾鏡來(lái)測(cè)量不同的溫度范圍。成熟的半導(dǎo)體工藝是產(chǎn)品小型化，低成本化。為了滿足某些應(yīng)用，紅外傳感器開口視角可以設(shè)計(jì)成小至7°。
4、模擬溫度傳感器
常見的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型。
AD590是美國(guó)模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器，供電電壓范圍為3~30V，輸出電流223μA（-50℃）~423μA（+150℃），靈敏度為1μA/℃。當(dāng)在電路中串接采樣電阻R時(shí)，R兩端的電壓可作為輸出電壓。注意R的阻值不能取得太大，以保證AD590兩端電壓不低于3V。AD590輸出電流信號(hào)傳輸距離可達(dá)到1km以上。作為一種高阻電流源，最高可達(dá)20MΩ，所以它不必考慮選擇開關(guān)或CMOS多路轉(zhuǎn)換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用于多點(diǎn)溫度測(cè)量和遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量的控制。
5、邏輯輸出型溫度傳感器
設(shè)定一個(gè)溫度范圍，一旦溫度超出所規(guī)定的范圍，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，啟動(dòng)或關(guān)閉風(fēng)扇、空調(diào)、加熱器或其它控制設(shè)備，此時(shí)可選用邏輯輸出式溫度傳感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。
LM56是NS公司生產(chǎn)的高精度低壓溫度開關(guān)，內(nèi)置1、25V參考電壓輸出端。最大只能帶50μA的負(fù)載。電壓從2、7~10V，工作電流量大230μA，內(nèi)置傳感器的靈敏度為6、2mV/℃，傳感器輸出電壓為6、2mV/℃×T+395mV。
6、數(shù)字式溫度傳感器
它采用硅工藝生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器，其采用PTAT結(jié)構(gòu)，這種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有精確的，與溫度相關(guān)的良好輸出特性。PTAT的輸出通過(guò)占空比比較器調(diào)制成數(shù)字信號(hào)，占空比與溫度的關(guān)系如下式：DC=0、32+0、0047*t，t為攝氏度。輸出數(shù)字信號(hào)故與微處理器MCU兼容，通過(guò)處理器的高頻采樣可算出輸出電壓方波信號(hào)的占空比，即可得到溫度。該款溫度傳感器因其特殊工藝，分辨率優(yōu)于0、005K。測(cè)量溫度范圍-45到130℃，故廣泛被用于高精度場(chǎng)合。
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