傳感器與檢測技術(shù)(3)

1、 壓力檢測壓力檢測壓力計(jì)壓力計(jì)石化事故石化事故(大連，大連，2011)目錄目錄5.1 5.1 壓力單位及壓力檢測方法壓力單位及壓力檢測方法5.2 5.2 常用壓力檢測儀表常用壓力檢測儀表5.3 5.3 測壓儀表的使用及壓力檢測系統(tǒng)測壓儀表的使用及壓力檢測系統(tǒng)5.1 5.1 壓力單位及壓力測量壓力單位及壓力測量l壓力壓力: :在在工程上工程上，垂直均勻垂直均勻地作用于單位面積地作用于單位面積上的力。上的力。5.1.1 5.1.1 壓力的單位壓力的單位 1“ 1“帕斯卡帕斯卡” ” ：1 1牛頓力垂直均勻地作用在牛頓力垂直均勻地作用在1 1平方米面積平方米面積上所形成的壓力。符號為上所形成的壓力。

2、符號為PaPa。 千帕千帕(kPa(kPa), ), 兆帕兆帕(MPa(MPa) ) 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：1.013251.01325* *10105 5 PaPa 毫米水柱毫米水柱(mmH(mmH2 2O) O) 毫米汞柱毫米汞柱(mmHg) (mmHg) 5.1.2 5.1.2 壓力的幾種表示方法壓力的幾種表示方法l1 1）絕對壓力：被測介質(zhì)作用在容器表面積上的全部壓力）絕對壓力：被測介質(zhì)作用在容器表面積上的全部壓力l2 2）大氣壓力：由地球表面空氣柱重量形成的壓力。）大氣壓力：由地球表面空氣柱重量形成的壓力。l3 3）表壓力：絕對壓力和大氣壓力之差。）表壓力：絕對壓力和大氣壓力之差。

3、l4 4）真空度：絕對壓力小于大氣壓力時的表壓力的絕對值。）真空度：絕對壓力小于大氣壓力時的表壓力的絕對值。l5 5）差壓：設(shè)備中兩處的）差壓：設(shè)備中兩處的 壓力之差。壓力之差。l5.1.3.1 5.1.3.1 重力平衡方法重力平衡方法1 1）液柱式壓力計(jì)：基于液體靜力學(xué)原理。）液柱式壓力計(jì)：基于液體靜力學(xué)原理。5.1.3 5.1.3 壓力檢測的主要方法及分類壓力檢測的主要方法及分類優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，讀數(shù)直觀。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，讀數(shù)直觀。缺點(diǎn)：就地測量，測量上限缺點(diǎn)：就地測量，測量上限不超過不超過0.1MPa-0.2MPa0.1MPa-0.2MPa。p=p1-p2=gp=p1-p2=g h h 2

4、 2）負(fù)荷式壓力計(jì)）負(fù)荷式壓力計(jì)l基于重力平衡原理基于重力平衡原理(活塞式壓力計(jì)活塞式壓力計(jì))壓力轉(zhuǎn)換成砝碼重量來測量。壓力轉(zhuǎn)換成砝碼重量來測量。優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，測量范圍大。優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，測量范圍大。用作壓力校驗(yàn)儀表。用作壓力校驗(yàn)儀表。5.1.3.2 5.1.3.2 機(jī)械力平衡方法機(jī)械力平衡方法 被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成集中力被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成集中力外力與集中力平外力與集中力平衡衡測外力大小測外力大小5.1.3.3 5.1.3.3 彈性力平衡方法彈性力平衡方法被測壓力使彈性元件變形被測壓力使彈性元件變形 彈性力與被測壓力平衡彈性力與被測壓力平衡測量元件變形程度測量元件變形程度5.1.3

5、.4 5.1.3.4 物性測量方法物性測量方法壓力作用下，測壓元件某些物理特性變化。壓力作用下，測壓元件某些物理特性變化。1 1）電測式壓力計(jì)）電測式壓力計(jì) ( (電阻、電容電阻、電容) ) 2 2）其他新型壓力計(jì)，如集成式壓力計(jì)、光纖）其他新型壓力計(jì)，如集成式壓力計(jì)、光纖壓力計(jì)等壓力計(jì)等5.2 5.2 常用壓力檢測儀表常用壓力檢測儀表5.2.1 5.2.1 彈性壓力計(jì)彈性壓力計(jì)彈性壓力計(jì)的組成框圖彈性壓力計(jì)的組成框圖核心：彈性元件。核心：彈性元件。v原理：彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓變形，其變形大小與外原理：彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓變形，其變形大小與外力成比例。力成比例。5.2.1 彈性壓力計(jì)彈

6、性壓力計(jì)l5.2.1.1 5.2.1.1 測壓彈性元件測壓彈性元件l1 1）彈性膜片：外緣固定，圓形片狀。彈性特性由中）彈性膜片：外緣固定，圓形片狀。彈性特性由中心位移與壓力的關(guān)系表示，線性關(guān)系良好。心位移與壓力的關(guān)系表示，線性關(guān)系良好。2 2）波紋管）波紋管 壁面具有多個同心環(huán)狀波紋，一端封閉，封閉端的位移壁面具有多個同心環(huán)狀波紋，一端封閉，封閉端的位移和壓力在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。和壓力在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。3 3）彈簧管）彈簧管 橫截面呈非園形（橢圓形或扁形），彎成園弧形的橫截面呈非園形（橢圓形或扁形），彎成園弧形的空心金屬管。空心金屬管。 對于單圈彈簧管對于單圈彈簧管, , 中心角變

7、中心角變化量化量比較小比較小, , 要提要提，可采用多圈彈簧管?？刹捎枚嗳椈晒堋?開口端通入被測壓力開口端通入被測壓力 非圓橫截非圓橫截面在壓力面在壓力p p作用下將趨向圓形作用下將趨向圓形使彈使彈簧管有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩簧管有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩使彈使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移簧管的自由端產(chǎn)生位移, , 同時改變中同時改變中心角。心角。 5.2.1.2 5.2.1.2 彈簧管壓力計(jì)彈簧管壓力計(jì)11彈簧管；彈簧管；22連桿；連桿；33扇形齒輪；扇形齒輪；44底座；底座；55中心齒輪；中心齒輪；66游絲；游絲；77表盤；表盤；88指針；指針；99接頭；接頭；1010橫斷面；橫斷面；11-11-靈

8、敏度調(diào)整槽靈敏度調(diào)整槽工作原理工作原理測壓范圍：測壓范圍：-10-105 510109 9PaPa5.2.1.3 5.2.1.3 波紋管差壓計(jì)波紋管差壓計(jì)雙波紋管差壓計(jì)結(jié)構(gòu)示意雙波紋管差壓計(jì)結(jié)構(gòu)示意11高壓波紋管；高壓波紋管；22補(bǔ)償波紋管；補(bǔ)償波紋管；33連桿；連桿；44擋板；擋板；55擺桿；擺桿；66扭力管；扭力管；77芯軸；芯軸；88保護(hù)閥；保護(hù)閥；99填充液；填充液；1010低壓波紋管；低壓波紋管；1111量程彈簧；量程彈簧；1212阻尼閥；阻尼閥；1313阻尼環(huán)；阻尼環(huán)；1414軸承軸承 改變量程彈簧的彈性力可改變量程彈簧的彈性力可調(diào)整儀表量程。調(diào)整儀表量程。5.2.1.4 5.2.

9、1.4 彈性測壓計(jì)信號的遠(yuǎn)傳方式彈性測壓計(jì)信號的遠(yuǎn)傳方式 彈性元件的變形或位移轉(zhuǎn)換為電信號輸出，即可實(shí)彈性元件的變形或位移轉(zhuǎn)換為電信號輸出，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳送?，F(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳送。1 1）電位器式）電位器式應(yīng)用：滑線電位器。應(yīng)用：滑線電位器。特點(diǎn)：簡單，有良好特點(diǎn)：簡單，有良好線性輸出，結(jié)構(gòu)可靠線性輸出，結(jié)構(gòu)可靠性差。性差。2 2）霍爾元件式）霍爾元件式l霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)磁場磁力線與薄片垂直磁場磁力線與薄片垂直1-21-2通電流通電流i i3-43-4感生電動勢感生電動勢BidREcHH5.2.2 5.2.2 力平衡式壓力計(jì)力平衡式壓力計(jì)l原理：反饋力平衡原理：反饋力平衡力平衡式壓力計(jì)的基本

10、框圖力平衡式壓力計(jì)的基本框圖5.2.3 5.2.3 壓力傳感器壓力傳感器壓力傳感器：能夠檢測壓力值并提供遠(yuǎn)傳信號的裝置壓力傳感器：能夠檢測壓力值并提供遠(yuǎn)傳信號的裝置常見形式：常見形式：應(yīng)變片式、壓阻式應(yīng)變片式、壓阻式( (電阻傳感器電阻傳感器) ) 電容式電容式( (電容傳感器電容傳感器) )、壓電式、振頻式等、壓電式、振頻式等主要思路：工作原理、測量電路、應(yīng)用主要思路：工作原理、測量電路、應(yīng)用( (壓力壓力) )電阻式傳感器電阻式傳感器 基本原理基本原理：將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)過：將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。 特點(diǎn)：

11、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性能穩(wěn)定、可靠、靈敏度高特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性能穩(wěn)定、可靠、靈敏度高和測量速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、機(jī)械、電和測量速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、機(jī)械、電力、化工、建筑、醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域力、化工、建筑、醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域 測量對象：測量對象：力、壓力力、壓力、位移、應(yīng)變、扭矩、加速度等，是、位移、應(yīng)變、扭矩、加速度等，是目前使用最廣泛的傳感器之一。目前使用最廣泛的傳感器之一。 分類：電位式、分類：電位式、應(yīng)變片式、壓阻式應(yīng)變片式、壓阻式電阻應(yīng)變片式傳感器電阻應(yīng)變片式傳感器slR一、工作原理一、工作原理應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)應(yīng)變元件（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）在外力作用下發(fā)應(yīng)變效應(yīng)：

12、當(dāng)應(yīng)變元件（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時其電阻值將發(fā)生變化的現(xiàn)象。生機(jī)械變形時其電阻值將發(fā)生變化的現(xiàn)象。2rsslR2rsslR2rsslR2ldRdldsdRsRlsdRdldrdRlrF l、S 、Rdll軸向應(yīng)變：軸向應(yīng)變：為電阻絲材料的泊松比，一般金屬為電阻絲材料的泊松比，一般金屬=0.3=0.30.50.5；/dr r 徑向應(yīng)變：徑向應(yīng)變：應(yīng)力值；：應(yīng)力值； E E：材料的彈性模量；：材料的彈性模量；對于彈性元件：對于彈性元件：E/dE 又因?yàn)橛忠驗(yàn)椋簤鹤柘禂?shù)，與材質(zhì)有關(guān)；：壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；KERdR)21 (其中，其中， K為為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)：單位應(yīng)變所引起的電

13、阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量相對變化量一般金屬材料：一般金屬材料：K以前者為主，則以前者為主，則K1+2=26半半 導(dǎo)導(dǎo) 體：體：K值主要是由電阻率相對變化所決定。值主要是由電阻率相對變化所決定。最終有最終有l(wèi)電阻應(yīng)變片的靈敏度K=2.0，沿縱向粘貼于直徑 為 0 . 0 5 m 的 圓 形 鋼 柱 表 面 ， 鋼 材 的E=2.01011N/m2，u=0.3。求鋼柱受10噸拉力作用時，應(yīng)變片電阻的相對變化量。又若應(yīng)變片沿鋼柱圓周方向粘貼，受同樣拉力作用時，應(yīng)變片電阻的相對變化量為多少？應(yīng)變元件種類應(yīng)變元件種類1 1絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片1 1基底；基底；2 2電阻絲；電阻

14、絲；3 3覆蓋層；覆蓋層；4 4引線引線 敏感柵是實(shí)現(xiàn)應(yīng)變與電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件，由直徑為敏感柵是實(shí)現(xiàn)應(yīng)變與電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件，由直徑為0.0150.0150.050.05 mmmm的金屬細(xì)絲繞成柵狀，將其用黏結(jié)劑黏結(jié)在各種絕緣基底上，并用引的金屬細(xì)絲繞成柵狀，將其用黏結(jié)劑黏結(jié)在各種絕緣基底上，并用引線引出，再蓋上既可保持敏感柵和引線形狀與相對位置的、又可保護(hù)線引出，再蓋上既可保持敏感柵和引線形狀與相對位置的、又可保護(hù)敏感柵的蓋片。電阻應(yīng)變片的電阻值有敏感柵的蓋片。電阻應(yīng)變片的電阻值有6060 、120120 、200200 等幾種規(guī)等幾種規(guī)格，其中格，其中120120 最為常用。最為常用。2

15、2箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片在絕緣基底上，將厚度為在絕緣基底上，將厚度為0.0030.0030.01mm0.01mm電阻箔材，利用照相制板或光電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀。優(yōu)點(diǎn)：刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀。優(yōu)點(diǎn)： 制造技術(shù)能保證敏感柵尺寸準(zhǔn)確、線條均勻，可以制成任意形狀制造技術(shù)能保證敏感柵尺寸準(zhǔn)確、線條均勻，可以制成任意形狀以適應(yīng)不同的測量要求。以適應(yīng)不同的測量要求。 敏感柵薄而寬，黏結(jié)情況好，傳遞試件應(yīng)變性能好。敏感柵薄而寬，黏結(jié)情況好，傳遞試件應(yīng)變性能好。 散熱性能好，允許通過較大的工作電流，從而可增大輸出信號。散熱性能好，允許通過較大的工作電流，

16、從而可增大輸出信號。 敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可以忽略。敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可以忽略。 蠕變、機(jī)械滯后較小，疲勞壽命高。蠕變、機(jī)械滯后較小，疲勞壽命高。3 3薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片 薄膜應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方薄膜應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，將電阻材料在基底上制成一層各種形狀的法，將電阻材料在基底上制成一層各種形狀的敏感柵，敏感柵的厚度在敏感柵，敏感柵的厚度在0.10.1 m m以下。薄膜應(yīng)以下。薄膜應(yīng)變片具有靈敏系數(shù)高，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的特變片具有靈敏系數(shù)高，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，是一種很有前途的新型應(yīng)變片。點(diǎn)，是一種很有前途的新型應(yīng)變片。彈性元件的形式彈性元件的形式幾種應(yīng)變式測量的

17、結(jié)構(gòu)示意幾種應(yīng)變式測量的結(jié)構(gòu)示意tr膜片R1R2 R3R4膜片式膜片式等截面梁 結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高適合于測5000N以下的載荷 b0h 等截面懸臂梁EbhlF26彈性梁彈性梁b0h 等強(qiáng)度懸臂梁 EhblF206彈性梁彈性梁 雙端固定梁EbhlF243彈性梁彈性梁21)2/(32EbhhRF二：電阻應(yīng)變片測量電路二：電阻應(yīng)變片測量電路直流電橋直流電橋：R R交流電橋交流電橋: R: R、L L、C C電源電源雙臂應(yīng)變電橋雙臂應(yīng)變電橋單臂應(yīng)變電橋單臂應(yīng)變電橋全臂應(yīng)變電橋全臂應(yīng)變電橋工作臂工作臂應(yīng)變片測量電橋應(yīng)變片測量電橋( (直流電橋直流電橋) )1324R RR R初始平衡條件：初始平

18、衡條件：3214RRRR或或0,000IU此時此時 R1R2R3R4UsILRL14123413241234()()ossRRUURRRRR RR RURRRR當(dāng)當(dāng)RL時，電橋輸出電壓為：時，電橋輸出電壓為： （1 1）應(yīng)變片單臂工作直流電橋）應(yīng)變片單臂工作直流電橋1141123413112343141312114()()11osssRRRUURRRRRR RURRRRRRRRRURRRRRR121(1)osRnUUnR設(shè)橋臂比設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于，由于R1R1，則上式可寫為：則上式可寫為： 1141123413112343141312114()()11osssRRRUURRRRRR

19、RURRRRRRRRRURRRRRR（1 1）應(yīng)變片單臂工作直流電橋）應(yīng)變片單臂工作直流電橋1021/()()(1)UsRnKUURn相對相對靈敏度靈敏度: : 電橋相對靈敏度正比于電橋供電電壓，電橋相對靈敏度正比于電橋供電電壓， 供電電壓越高，靈敏度越高，但供電電壓受供電電壓越高，靈敏度越高，但供電電壓受到應(yīng)變片允許功耗限制，所以要適當(dāng)選擇；到應(yīng)變片允許功耗限制，所以要適當(dāng)選擇； 電橋相對靈敏度是橋臂電阻比值電橋相對靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。(n取何值，取何值，K最高？最高？

20、)分析：思路：分析：思路：dKU/dn = 0求求KU的最大值的最大值 2410(1)UdKndnn因此因此n=1時，時，KU為最大值。即為最大值。即Us確定后，當(dāng)確定后，當(dāng)R1=R2=R3=R4時，電橋時，電橋相對靈敏度最高，此時有：相對靈敏度最高，此時有： ,444sssUoUUURKUKR結(jié)論結(jié)論1：當(dāng)電源電壓當(dāng)電源電壓Us和電阻相對變化量和電阻相對變化量R/R一定時，一定時， 電橋的輸電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關(guān)出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關(guān)。 結(jié)論結(jié)論2：應(yīng)變片電橋電路一般應(yīng)變片電橋電路一般采用等臂電橋，即采用等臂電橋，即R1=

21、R2= R3=R4=R1234132401234()(2)(2)RRRRRR RRRUURRRRRR 當(dāng)當(dāng)Ri(1+)(1+)，故故(1+)(1+)項(xiàng)可以忽略項(xiàng)可以忽略eRR一般材料一般材料: :壓阻式傳感器壓阻式傳感器 橋式測量電路，橋臂橋式測量電路，橋臂電阻對稱布置，電阻變化電阻對稱布置，電阻變化時，電橋輸出電壓與膜片時，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對應(yīng)關(guān)系。所受壓力成對應(yīng)關(guān)系。壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖11硅平膜片；硅平膜片；22低壓腔；低壓腔；33高壓腔；高壓腔；44硅杯；硅杯；55引線引線測量橋路及溫度補(bǔ)償測量橋路及溫度補(bǔ)償l為了減少溫度影響，壓為了減少溫度

22、影響，壓阻器件一般采用恒流源阻器件一般采用恒流源供電供電. .RIRRRIRRRIUUTTBDSC2121IIIADCABC21 零點(diǎn)溫度漂移是由于四個擴(kuò)散電阻的阻值及其溫度零點(diǎn)溫度漂移是由于四個擴(kuò)散電阻的阻值及其溫度系數(shù)不一致造成的。系數(shù)不一致造成的。 R2R4R1R3USCRpBCDARSEDi零點(diǎn)溫度補(bǔ)償零點(diǎn)溫度補(bǔ)償RsRs: :調(diào)零作用調(diào)零作用RpRp: :補(bǔ)償作用補(bǔ)償作用 靈敏度溫度漂移是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起靈敏度溫度漂移是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起的。溫度升高時，壓阻系數(shù)變??；靈敏度降低。的。溫度升高時，壓阻系數(shù)變?。混`敏度降低。靈敏度溫度補(bǔ)償靈敏度溫度補(bǔ)償 串聯(lián)二極管的

23、方法。串聯(lián)二極管的方法。溫度變化時改變電橋的溫度變化時改變電橋的電源電壓電源電壓。 R2R4R1R3USCRpBCDARSEDi 電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。電容變化量的一種傳感器。利用電容器的原理利用電容器的原理將被測將被測非電量非電量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電容量的變化電容量的變化，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化。，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化。根據(jù)電容器變化的參數(shù)不同，電容傳感器可以分為：變間隙根據(jù)電容器變化的參數(shù)不同，電容傳感器可以分為：變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式。式、變面積式和變介電常數(shù)式。應(yīng)用：不但廣泛

24、的應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度等機(jī)械應(yīng)用：不但廣泛的應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度等機(jī)械量的精密測量量的精密測量, ,而且可以用于壓力、差壓、液面、料面、成分而且可以用于壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方面的測量。含量等方面的測量。 電容式傳感器電容式傳感器一、工作原理及類型一、工作原理及類型dS0rSSCdd 當(dāng)被測參數(shù)變化使得當(dāng)被測參數(shù)變化使得S、 d或或發(fā)生變化時，電容量發(fā)生變化時，電容量C也隨之也隨之變化。變化。電容式傳感器可分為電容式傳感器可分為變間隙（極距）型、變面積型和變變間隙（極距）型、變面積型和變介電常數(shù)（介質(zhì)）型介電常數(shù)（介質(zhì)）型三種。三種。r 介質(zhì)的相對介電常數(shù)；介質(zhì)

25、的相對介電常數(shù)；0 真空中的介電常數(shù)，真空中的介電常數(shù)，0=8.8510-12 F/m； S 兩極板正對面積，兩極板正對面積，m2； d 兩極板之間的距離，兩極板之間的距離，m。1. 變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器Sdaxbx線位移型電容傳感器原理圖線位移型電容傳感器原理圖(1)線位移型線位移型動極板沿定極板移動動極板沿定極板移動x，則電容量變化為：，則電容量變化為：000CdbxaCCCr式中；式中；C0=0r b a /d 為初始電容，電容相對變化量為：為初始電容，電容相對變化量為：axCC0顯然，顯然，C與與動極板位移動極板位移x呈呈線性線性關(guān)系關(guān)系Sdaxbx(1)線位移型線位移

26、型(2)角位移型角位移型動極板動極板定極板定極板電容式角位移傳感器原理圖電容式角位移傳感器原理圖當(dāng)動極板產(chǎn)生角位移當(dāng)動極板產(chǎn)生角位移時時, 與定極板間的與定極板間的有效覆蓋面積改變有效覆蓋面積改變, 兩極板間的電容量改兩極板間的電容量改變。當(dāng)變。當(dāng)=0 時時, 0000rSC 當(dāng)當(dāng)0時時, 則則:000001rSCCC 可見，可見，電容的變化電容的變化C=-C0(/)與與角位移角位移成成線性線性關(guān)系。關(guān)系。動極板動極板定極板定極板(2)角位移型角位移型(3)(3)圓柱位移型圓柱位移型d D H h圓柱位移型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖圓柱位移型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)當(dāng)h = 0 時時, 02l

27、nHCD 于是：于是： HhCCC00002lnhhChCCDHCH 可見，可見，電容量的變化電容量的變化C與與高度的變化高度的變化 h 呈呈線性線性關(guān)系關(guān)系 D H h(3)(3)圓柱位移型圓柱位移型變極距型電容式傳感器變極距型電容式傳感器 d02.變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器初始電容量初始電容量C0為為 000dSCr若電容器極板間距離由初始值若電容器極板間距離由初始值d0縮小了縮小了d，電容量增大了，電容量增大了C000001rSCCCCdddd 2.變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器2300000011ddddCCCdddd若若d/d01時，則展成級數(shù)：時，則展成級數(shù)：00d

28、dCC2.變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 所以所以變極距型電容式傳感器只有在變極距型電容式傳感器只有在d/d0很小時，很小時，才有才有近似近似的的線性線性關(guān)系關(guān)系。 另外，電容式傳感器的靈敏度為：另外，電容式傳感器的靈敏度為：可見，要提高靈敏度，應(yīng)減小可見，要提高靈敏度，應(yīng)減小d0。但。但d0過小，容易引起電容器過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，常用提高介電常數(shù)的方法，即在兩級板擊穿或短路。為此，常用提高介電常數(shù)的方法，即在兩級板間加云母、塑料膜等介質(zhì)。間加云母、塑料膜等介質(zhì)。00dCdCSn相對非線性誤差相對非線性誤差：上述等式成立的條件是：上述等式成立的條件是：d/d01時，高次

29、項(xiàng)省略，若保留二時，高次項(xiàng)省略，若保留二次項(xiàng)，則有：次項(xiàng)，則有：)1 (000ddddCC可得其相對非線性誤差為可得其相對非線性誤差為：%100/%100/0020dddddd）（可見，要提高靈敏度，須減小起始間隙可見，要提高靈敏度，須減小起始間隙d0，但此時相對非線性，但此時相對非線性誤差誤差增大。所以為使二者兼得，常采用增大。所以為使二者兼得，常采用差動式結(jié)構(gòu)差動式結(jié)構(gòu)，即使其，即使其中一個電容器的電容中一個電容器的電容C1隨位移隨位移d增加，而另一個電容器的電容增加，而另一個電容器的電容C2則減小。則減小。差動式電容傳感器差動式電容傳感器10011CCdd10011CC若電極位移若電極位

30、移d，d2d020011CCdd23100001()().dddCCddd23200001()().dddCCddd電容值總的變化量為：電容值總的變化量為：24000021 ()().CdddCddd電容值相對變化量為：電容值相對變化量為：在在d /d 0 1時，按級數(shù)展開時，按級數(shù)展開：3512000022()2().dddCCCCddd差動式電容傳感器差動式電容傳感器若只保留上式中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng)若只保留上式中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng), 電容式傳感器的電容式傳感器的相對非相對非線性誤差線性誤差為：為：32002 ()100%()100%2() 差動式電容傳感器差動式電容傳感器靈敏度靈敏度是原來的是

31、原來的2倍倍 零點(diǎn)附近的零點(diǎn)附近的非線性誤差非線性誤差大大大大降低降低。 差動式電容傳感器差動式電容傳感器xBACCC相當(dāng)于兩電容并聯(lián)：相當(dāng)于兩電容并聯(lián)：2211ddbxCA其中：其中：121)(ddxlbCB2110ddblC取取x=0時電容為時電容為C0，有，有3.變介質(zhì)型電容傳感器變介質(zhì)型電容傳感器 電容與電容與x的關(guān)系推導(dǎo)如下：的關(guān)系推導(dǎo)如下：12102211ddbxCddbxCCCBAxddlCC212121001結(jié)論：電容與位移結(jié)論：電容與位移x x之間呈線性關(guān)系。之間呈線性關(guān)系。運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路 C Cx x是傳感器電容是傳感器電容C C是固定電容是固定電容u u

32、0 0是輸出電壓信號是輸出電壓信號 uC-ACxu0測量電路測量電路uj Cj CuCCuxx011 / ()/ ()dSCx/ ) (dSuCu 0l 變間隙電容傳感器的測量電路為運(yùn)算放大器電路，變間隙電容傳感器的測量電路為運(yùn)算放大器電路，如圖所示。如圖所示。C C0 0=200pF=200pF，傳感器的起始電容量，傳感器的起始電容量C Cx0 x0=20pF,=20pF,定動極板距離定動極板距離d d0 0=1.5mm,=1.5mm,運(yùn)算放大器為理想放大器運(yùn)算放大器為理想放大器( (即即K,K,Z Zi i),), 輸入電壓輸入電壓u u1 1=5sin=5sint tV V。 求當(dāng)電容傳

33、感動極板上輸求當(dāng)電容傳感動極板上輸 入一位移量入一位移量x x=0.15mm=0.15mm使使 d d0 0減小時減小時, ,電路輸出電壓電路輸出電壓u u0 0 為多少為多少? ? (2)(2)二極管雙二極管雙T T型電路型電路 U0iC1iC2UED1D2RRC1C2RL電源為正半周電源為正半周D D1 1短路，短路，D D2 2開路，開路，電源為正半周電源為正半周D D1 1短路，短路，D D2 2開路開路. .0122(2)()()LLELRRRRUUCCRRT測量電路測量電路兩室結(jié)構(gòu)的電容式壓力傳感器兩室結(jié)構(gòu)的電容式壓力傳感器1 1，44隔離膜片；隔離膜片；2 2，33不銹鋼基不銹鋼

34、基座；座；55玻璃絕緣層；玻璃絕緣層；66固定電極；固定電極；77彈性膜片；彈性膜片；88引線引線 彈性膜片和固定電極組成差彈性膜片和固定電極組成差動電容器。動電容器。 硅油傳壓硅油傳壓彈性膜片產(chǎn)生彈性膜片產(chǎn)生位移位移兩側(cè)電容改變。兩側(cè)電容改變。應(yīng)用一：壓力應(yīng)用一：壓力 電容傳聲器核心是平板電容器，振動膜片是一片表面經(jīng)過金屬化處理的輕質(zhì)彈性電容傳聲器核心是平板電容器，振動膜片是一片表面經(jīng)過金屬化處理的輕質(zhì)彈性薄膜，當(dāng)膜片隨著聲波的壓力的大小產(chǎn)生振動時，膜片與后極板之間的相對距離薄膜，當(dāng)膜片隨著聲波的壓力的大小產(chǎn)生振動時，膜片與后極板之間的相對距離發(fā)生變化，膜片與極板所構(gòu)成電容器的量就發(fā)生變化。

35、極板上的電荷隨之變化，發(fā)生變化，膜片與極板所構(gòu)成電容器的量就發(fā)生變化。極板上的電荷隨之變化，電路中的電流也相應(yīng)變化，負(fù)載電阻上也就有相應(yīng)的電壓輸出，從而完成了聲音電路中的電流也相應(yīng)變化，負(fù)載電阻上也就有相應(yīng)的電壓輸出，從而完成了聲音信號與電信號的轉(zhuǎn)換。信號與電信號的轉(zhuǎn)換。應(yīng)用二：電容聲傳感器應(yīng)用二：電容聲傳感器1C2Cam1C2C應(yīng)用三：電容加速度傳感器應(yīng)用三：電容加速度傳感器加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用 裝有傳感裝有傳感器的假器的假人人氣囊氣囊常規(guī)的鍵盤有機(jī)械按鍵常規(guī)的鍵盤有機(jī)械按鍵和電容按鍵兩種。和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，

36、原理是式開關(guān)的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時形成震蕩脈沖允許暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關(guān)通過的條件。這種開關(guān)是無觸點(diǎn)非接觸式的，是無觸點(diǎn)非接觸式的，磨損率極小磨損率極小。應(yīng)用四：電腦鍵盤應(yīng)用四：電腦鍵盤圖為IBM ThinkpadT42/T43 的指紋識別傳感器應(yīng)用五：指紋識別傳感器應(yīng)用五：指紋識別傳感器l指紋識別所需電容傳感器包含一個大約有數(shù)萬個金屬導(dǎo)體的陣列，其外面指紋識別所需電容傳感器包含一個大約有數(shù)萬個金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面。當(dāng)用戶的手指放在上面時，金屬導(dǎo)體陣列是一層絕緣的表面。當(dāng)用戶的手

37、指放在上面時，金屬導(dǎo)體陣列/ /絕緣物絕緣物/ /皮皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。優(yōu)點(diǎn)：體積小、成本低、成像精度高、耗電量很小，因此非常適合在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用。5.2.3.4 5.2.3.4 振頻式壓力傳感器振頻式壓力傳感器 原理：利用感壓元件本身的諧振頻率與壓力的關(guān)原理：利用感壓元件本身的諧振頻率與壓力的關(guān)系，通過測量頻率信號的變系，通過測量頻率信號的變 化來檢測壓力。化來檢測壓力。 在一定的壓力作用下，變化在一定的壓

38、力作用下，變化 后的振筒頻率可以近似表示為后的振筒頻率可以近似表示為01Pffp振筒式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意振筒式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意11激振線圈；激振線圈；22支柱；支柱；33底座；底座；44引線；引線；55外殼；外殼；66振動筒；振動筒；77檢測線圈；檢測線圈；88壓力入口壓力入口5.2.3.5 5.2.3.5 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器l 正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）l 逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電材料壓電材料 壓電晶體：如石英等；壓電晶體：如石英等； 壓電陶瓷：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電陶瓷：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等； 壓電半

39、導(dǎo)體：如硫化鋅、碲化鎘等。壓電半導(dǎo)體：如硫化鋅、碲化鎘等。壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的極化壓電陶瓷的極化等效電路及信號變換電路等效電路及信號變換電路aSCd其電容量為：其電容量為： 電壓大小為：電壓大小為：aaqUC。壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 (a)(a)等效為一個電荷源等效為一個電荷源Q Q與一個電容與一個電容C Ca a并聯(lián)的電路并聯(lián)的電路 (b)(b)等效成一個電源等效成一個電源U U = = Q Q/ /C Ca a 和一個電容和一個電容C Ca a的串聯(lián)電路的串聯(lián)電路 壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路l關(guān)鍵：高阻抗的前置放大器

40、關(guān)鍵：高阻抗的前置放大器 前置放大器兩個作用前置放大器兩個作用: :把壓電式傳感器的微弱信號放大；把壓電式傳感器的微弱信號放大；把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。C Ca a：傳感器的固有電容；：傳感器的固有電容；C Ci i：前置放大器輸入電容：前置放大器輸入電容 ；C Cc c：連線電容；：連線電容；R Ra a：傳感器的漏電阻；：傳感器的漏電阻；R Ri i：前置放大器輸入電阻。：前置放大器輸入電阻。iaiaRRRRRicaCCCC前置放大器輸入電壓：前置放大器輸入電壓： RCjRiUi1輸出信號分析輸出信號分析l壓電元件的力壓電元件的力 F=F

41、F=Fm msintsintl壓電元件的壓電系數(shù)為壓電元件的壓電系數(shù)為k k，產(chǎn)生的電荷為，產(chǎn)生的電荷為Q = Q = k kF F。cosmdQik Ftdt Ijk F 1ij RUkFj RC。壓力傳感器結(jié)構(gòu)壓力傳感器結(jié)構(gòu)壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意11絕緣體；絕緣體；22壓電元件；壓電元件；33殼體；殼體；44膜片膜片步態(tài)分析跑臺步態(tài)分析跑臺縱跳訓(xùn)練分析裝置縱跳訓(xùn)練分析裝置5.3 5.3 測壓儀表的使用及壓力檢測系統(tǒng)測壓儀表的使用及壓力檢測系統(tǒng)l5.3.1 5.3.1 測壓儀表的使用測壓儀表的使用l5.3.1.1 5.3.1.1 測壓儀表的選擇測壓儀表的選擇1 1）

42、精度等級選擇）精度等級選擇2 2）量程選擇）量程選擇 穩(wěn)定壓力：最大被測壓力不超過測量上限的穩(wěn)定壓力：最大被測壓力不超過測量上限的2/32/3。 脈動壓力：最大被測壓力不超過測量上限的脈動壓力：最大被測壓力不超過測量上限的1/21/2。 高壓：最大被測壓力不超過測量上限的高壓：最大被測壓力不超過測量上限的3/53/5。 最小被測壓力一般不小于測量上限的最小被測壓力一般不小于測量上限的1/31/3。 5.3.1.2 5.3.1.2 測壓儀表的校驗(yàn)測壓儀表的校驗(yàn) 標(biāo)準(zhǔn)儀表的選擇原則：其允許絕對誤差要小于標(biāo)準(zhǔn)儀表的選擇原則：其允許絕對誤差要小于被校儀表允許絕對誤差的被校儀表允許絕對誤差的1/31/3

43、1/51/5?；钊綁毫πｒ?yàn)系統(tǒng)活塞式壓力校驗(yàn)系統(tǒng)11測量活塞；測量活塞；22砝碼；砝碼；33活塞筒；活塞筒；44螺旋壓力發(fā)生器；螺旋壓力發(fā)生器；55工作液；工作液；66被校壓力表；被校壓力表；77手輪；手輪；88絲桿；絲桿；99工作活塞；工作活塞；1010油杯；油杯；1111進(jìn)油進(jìn)油閥；閥；a a、b b、cc切斷閥；切斷閥；dd進(jìn)油閥進(jìn)油閥0mgpSl 有一臺空壓機(jī)的緩沖罐，其工作壓力變化有一臺空壓機(jī)的緩沖罐，其工作壓力變化范圍為范圍為13.513.516 MPa16 MPa ，工藝要求最大測量誤，工藝要求最大測量誤差為差為0.8 MPa0.8 MPa，并可就地觀察及高低限報(bào)警。，并可就地

44、觀察及高低限報(bào)警。試選一合適的壓力表（包括測量范圍、精度等試選一合適的壓力表（包括測量范圍、精度等級）。級）。l測量范圍選擇為測量范圍選擇為:0:020Mpa20Mpa、0 040MPa40MPa、0 060Mpa60Mpal精確等級選擇為：精確等級選擇為：1 1級、級、1.51.5級、級、2.52.5級。級。l解：儀表量程選擇解：儀表量程選擇l空壓機(jī)的緩沖罐的壓力視為脈動壓力：空壓機(jī)的緩沖罐的壓力視為脈動壓力：l根據(jù)就地觀察及能進(jìn)行高低報(bào)警的要求，可選根據(jù)就地觀察及能進(jìn)行高低報(bào)警的要求，可選用用YX-150YX-150型電接點(diǎn)壓力表，測量范圍為型電接點(diǎn)壓力表，測量范圍為0 040MPa40MPa。max216 232PPPal檢驗(yàn)量程下限：檢驗(yàn)量程下限：l被測壓力的最小值不低于滿量程的被測壓力的最小值不低于滿量程的1/31/3，符合，符合要求。要求。l最大引用