壓力傳感器的原理與應(yīng)用教材

1、第一章第一章 傳感器及其應(yīng)用傳感器及其應(yīng)用 壓力傳感器壓力傳感器 一一 壓力傳感器的分類壓力傳感器的分類 壓力是重要的工業(yè)參數(shù)之一，正確測量和控制壓 力對保證生產(chǎn)工藝過程的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重要意義。 壓力及差壓的測量還廣泛地應(yīng)用在流量和液位的測量 中。 壓力傳感器用以將壓力傳感器用以將“壓力壓力”轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換“成電量，然后成電量，然后 進(jìn)行測量。這里的進(jìn)行測量。這里的”壓力壓力“，可以來自，可以來自流動的氣、液流動的氣、液 體或聲音，也可以是力的作用。體或聲音，也可以是力的作用。 l機(jī)械式機(jī)械式:成本低、無需電源，被廣泛使成本低、無需電源，被廣泛使 用，但體積較大、靈敏度較低。用，但體積較大、靈敏

2、度較低。 l電氣式：電氣式： （ 體積小、體積小、 靈敏度高）靈敏度高） 二二 電阻應(yīng)變片傳感器電阻應(yīng)變片傳感器 1 1 工作原理工作原理 當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā) 生機(jī)械變生機(jī)械變形形時其電阻值將發(fā)生變化時其電阻值將發(fā)生變化 A l R 長度變化為長度變化為L，面積變化為，面積變化為A，則電阻的變化為：，則電阻的變化為： d A l dA A l dl A dR 2 導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時，其電阻值隨導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時，其電阻值隨 著發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為著發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)。 l l E ll 半導(dǎo)體電阻率半導(dǎo)體電阻率

3、: l為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，它與半導(dǎo)體材料種類及應(yīng)力方向 與晶軸方向之間的夾角有關(guān)； E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，與晶向有關(guān)。 位移、力、力矩、加速度、壓力 彈性敏 感元件 應(yīng)變 外力作用 被測對象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形 應(yīng)變片敏感柵隨同變形 電阻值發(fā)生相應(yīng)變化 應(yīng)變片 2 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與種類電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與種類 （1）金屬電阻應(yīng)變片：）金屬電阻應(yīng)變片：金屬電阻應(yīng)變片有絲 式、箔式及薄膜式等結(jié)構(gòu)形式。 （2）半導(dǎo)體應(yīng)變片）半導(dǎo)體應(yīng)變片：利用半導(dǎo)體材料的利用半導(dǎo)體材料的 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件。而制成的一種純電阻性元件。 l體型半導(dǎo)體、薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片、擴(kuò)散型半導(dǎo)體型半導(dǎo)

4、體、薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片、擴(kuò)散型半導(dǎo) 體應(yīng)變片。體應(yīng)變片。 *靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片 的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍 ； *橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極小；橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極??； *溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬 電阻應(yīng)變片差得多。電阻應(yīng)變片差得多。 應(yīng)變片測量應(yīng)變是通過敏感柵的電阻相對變化應(yīng)變片測量應(yīng)變是通過敏感柵的電阻相對變化 而得到的。測量電阻的微小相對變化是通過測量電而得到的。測量電阻的微小相對變化是通過測量電 路得到的。路得到的。 測量電路：測量電路：直流電橋直流電橋（供電電源為直流電壓）供電電源為直流電壓）和和 交流電橋交流電橋（供電電源為

5、交流電壓）供電電源為交流電壓） 工作原理：工作原理：應(yīng)變片受力后阻值發(fā)生變化，而使橋應(yīng)變片受力后阻值發(fā)生變化，而使橋 路輸出電壓發(fā)生變化，且電壓變化與受力大小成比路輸出電壓發(fā)生變化，且電壓變化與受力大小成比 例。例。 3 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路 平衡條件平衡條件 : R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1、R2、R3、R4 可由4個應(yīng)變片單獨(dú)構(gòu) 成，也可由4個應(yīng)變片 和4個電阻構(gòu)成（將應(yīng) 變片粘貼在電阻上） U RRRR RRRR U )( 4321 3241 0 應(yīng)變片工作時，其電阻變化應(yīng)變片工作時，其電阻變化R )( )()( 44332211 33224411

6、 0 RRRRRRRR RRRRRRRR UU R1、R2、R3、R4 可由4個應(yīng)變片單獨(dú)構(gòu)成，也可由4個應(yīng)變片和4個電阻 構(gòu)成（將應(yīng)變片粘貼在電阻上） 采用等臂電橋，即采用等臂電橋，即R1= R2= R3=R4=R 。此時有：。此時有： )2)(2( )( 4321 32414321 0 RRRRRR RRRRRRRRR UU 設(shè)外力作用下應(yīng)變片的阻值變化為：設(shè)外力作用下應(yīng)變片的阻值變化為： R1= R4=RR; R2=R3=R-R U R R U 0 4 電阻應(yīng)變片傳感器電阻應(yīng)變片傳感器 l應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式力傳感器 l應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器 l應(yīng)變式液體重量（或液位）傳感器應(yīng)

7、變式液體重量（或液位）傳感器 l應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器 將應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，進(jìn)行標(biāo)定后作為測量力、將應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，進(jìn)行標(biāo)定后作為測量力、 壓力、位移等物理量的傳感器。壓力、位移等物理量的傳感器。 2 1 )2/(3 2 Ebh hRF R R 在外力作用下，在外力作用下， 各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大 梁式力傳感器梁式力傳感器 等截面梁 結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高 適合于測適合于測5000N以下的載荷以下的載荷 b0 h 等截面懸臂梁 Ebh lF R R 2 6 筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器 BK-2S稱重傳感器稱重傳感器 采用

8、國際流行的雙梁式或剪切S梁結(jié)構(gòu)， 拉、壓輸出對稱性好、 測量精度高、結(jié) 構(gòu)緊湊，安裝方便，廣泛用于機(jī)電結(jié)合秤 、料斗秤、包裝秤等各種測力、稱重系統(tǒng) 中。 供橋電壓 12VDC 輸入阻抗 38020 輸出阻抗 35010 絕緣電阻 2000M 工作溫度 -10+50 BK4輪輻式傳感器系列輪輻式傳感器系列 采用輪輻式結(jié)構(gòu)，高度低，抗偏采用輪輻式結(jié)構(gòu)，高度低，抗偏 抗側(cè)能力強(qiáng)，測量精度高，性能穩(wěn)定抗側(cè)能力強(qiáng)，測量精度高，性能穩(wěn)定 可靠安裝方便，是大、中量程精度傳可靠安裝方便，是大、中量程精度傳 感器中的最佳形式，廣泛用于各種電感器中的最佳形式，廣泛用于各種電 子衡器和各種力值測量，如汽車衡、子衡器

9、和各種力值測量，如汽車衡、 軌道衡、吊勾秤、料斗秤。軌道衡、吊勾秤、料斗秤。 技術(shù)參數(shù) 量程（t） 1，2，5，10，20，30，50 供橋電壓 12VDC 靈敏度 152mV/V 輸入阻抗 73020 非線性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 輸出阻抗 70010 重復(fù)性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 絕緣電阻 2000M 滯后（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 工作溫度 -10+50 允許過負(fù)荷 120%FS 熱零點(diǎn)偏移（%FS/10） 壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等 應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上應(yīng)變片不

10、直接粘貼在壓力感受元件上 通常用于測量小壓力。 其缺點(diǎn)是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程。 AK-1型應(yīng)變式脈動壓力傳感器型應(yīng)變式脈動壓力傳感器 產(chǎn)品產(chǎn)品特點(diǎn)： 采用外殼和膜片為一體的圓膜片結(jié)構(gòu) 尺寸小，安裝方便 頻響高，精度高，性能穩(wěn)定可靠 適用于各種動，靜態(tài)、氣、液體介質(zhì)的壓力測量 容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器 三三 壓力傳感器電路舉例壓力傳感器電路舉例 （1）應(yīng)變片壓力傳感器電路）應(yīng)變片壓力傳感器電路 （2） 擴(kuò)散型半導(dǎo)體壓力傳感器電路擴(kuò)散型半導(dǎo)體壓力傳感器電路 擴(kuò)散型半導(dǎo)體壓力傳感器是通過擴(kuò)散形成的應(yīng)變電橋構(gòu)成的擴(kuò)散型半導(dǎo)體壓力傳感器是通過擴(kuò)散形成的應(yīng)變電橋構(gòu)

11、成的 橋路，可以恒壓方式進(jìn)行驅(qū)動，也可以恒流方式進(jìn)行驅(qū)動。橋路，可以恒壓方式進(jìn)行驅(qū)動，也可以恒流方式進(jìn)行驅(qū)動。 采用采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，型單晶硅為傳感器的彈性元件， 在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜 壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖 r0 R4R3 R2R1 0.635r0 (a)(b) 壓力接管 p 引線端 內(nèi)部引線 擴(kuò)散電阻 膜片 硅杯 l工作原理：工作原理：膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生 變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。四個電阻在應(yīng)力變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。四個電阻在應(yīng)力 作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡， 輸出輸出 相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。 l優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 體積小，