壓力傳感器復(fù)習(xí)題

1、 第第3章章 壓力檢測壓力檢測 在測量上所稱的壓力就是物理學(xué)中的壓強，它是反映物質(zhì)狀態(tài)的一個參數(shù)；在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中是重要工藝參數(shù)之一。 本章簡單介紹壓力的概念及單位，重點講解應(yīng)變式壓力計、壓電式壓力傳感器、電容式壓力傳感器和霍爾式壓力計等的測量原理及測壓方法。 3.1 壓力的概念及單位壓力的概念及單位1 1、壓力的概念、壓力的概念: : 壓力是垂直而均勻地作用在單壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力。大小由受力面積和垂直作用力位面積上的力。大小由受力面積和垂直作用力的大小兩個因素決定。表達式為：的大小兩個因素決定。表達式為：2 2、 壓力的單位壓力的單位 （1 1）工程大氣壓）工程大氣

2、壓 （2 2）標準大氣壓）標準大氣壓 （3 3）約定毫米汞柱）約定毫米汞柱 （4）約定毫米水柱約定毫米水柱n常用的幾種壓力單位與帕斯卡的換算關(guān)系見常用的幾種壓力單位與帕斯卡的換算關(guān)系見表表3.1.1所示。所示。 3.1 壓力的概念及單位壓力的概念及單位3 3、壓力的分類、壓力的分類 (1).(1).絕對壓力絕對壓力 (2).(2).環(huán)境大氣壓力環(huán)境大氣壓力 (3).(3).表壓力表壓力 (4).(4).真空度真空度 (5).(5).差差 壓壓 n上述各種壓力的相互關(guān)系見圖。上述各種壓力的相互關(guān)系見圖。 3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計 n3.2.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng) 電阻絲在外力作用下

3、發(fā)生機械形變時，其電阻值發(fā)生變化，稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。 設(shè)有一根長度為L，截面積為S，電阻率為的電阻絲，未受力時的電阻值為： 受力后： 3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計n令電阻絲的軸向應(yīng)變?yōu)?=l/l，徑向應(yīng)變?yōu)閞/r，由材料力學(xué)可知r/r = -(l/l) =-，為電阻絲材料的泊松系數(shù)，經(jīng)整理可得n令21RR/21/RRKKRR3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計n3.2.2 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片 1 1、金屬電阻應(yīng)變片、金屬電阻應(yīng)變片 金屬電阻應(yīng)變片分為金屬絲式和箔式，圖所示為金屬絲式和金屬箔式電阻應(yīng)變片。n 常用的電阻應(yīng)變絲的材料是康銅絲和鎳鉻合絲，用薄紙作為基底的應(yīng)變片稱為紙基應(yīng)變片；用 有

4、機聚合物作為基底的應(yīng)變片稱為膠基應(yīng)變片。 3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計n電阻應(yīng)變片1、應(yīng)變絲2、基底3、引線4、金屬膜引線3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計2、半導(dǎo)體應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體受力時，電阻率發(fā)生變化，電阻率隨應(yīng)力變半導(dǎo)體受力時，電阻率發(fā)生變化，電阻率隨應(yīng)力變化的關(guān)系稱為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻化的關(guān)系稱為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻 的的變化主要是電阻率變化引起的，表示為變化主要是電阻率變化引起的，表示為 n 由于彈性系數(shù)由于彈性系數(shù)E=/E=/， 上式又可寫為上式又可寫為 為提高靈敏度半導(dǎo)體應(yīng)變片還有制成柵形的。為提高靈敏度半導(dǎo)體應(yīng)變片還有制成柵形的。 3.2

5、 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計n3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補償電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補償 1 1、應(yīng)變片的粘貼、應(yīng)變片的粘貼：粘貼工藝包括被測試件表面處理，貼片，質(zhì)量檢查，焊接引線以及防護與屏蔽等。 2 2、溫度誤差及其補償、溫度誤差及其補償 （1）溫度誤差 ：溫度誤差是指環(huán)境溫度變化引起應(yīng)變片電阻變化。原因有兩方面：一方面是應(yīng)變片電阻絲的溫度系數(shù)，另一方面是電阻絲材料與試件材料的線膨脹系數(shù)不同。 （2）溫度補償 電橋補償法如圖。 3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計n3.2.4 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路n當 RL=時，電橋輸出電壓為：nUo =0時，有03241RRRRRRRR43213.2 應(yīng)變式

6、壓力計應(yīng)變式壓力計單臂電橋輸出電壓和電壓靈敏度為 雙臂電橋電路，一般接成差動電橋。其輸出電壓為電橋四臂同時接入工作應(yīng)變片，則構(gòu)成全橋電路。其輸出電壓為 3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計n3.2.5 應(yīng)變式壓力傳感器 1、膜式應(yīng)變傳感器 圖是一種簡單的平膜壓力傳感器，應(yīng)變片貼在膜片的內(nèi)表面。膜片感受壓力時產(chǎn)生應(yīng)變，使應(yīng)變片有一定的電阻輸出。 3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計2、測力式應(yīng)變傳感器 右圖為一種帶水冷的測力計式壓力傳感器。 3、擴散硅型壓力傳感器 圖(a)是一個杯型組合式測量元件 圖(b)是膜片一個截面示意圖 1-應(yīng)變片；2-外殼；3-墊片；4-冷卻水管

7、；5-密封墊；6-墊片；7-接線柱；8-電纜；9-壓帽；10-定位銷；11-墊片；12-應(yīng)變筒；13-墊片；14-保護帽3.3 薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片 薄膜應(yīng)變片是用濺射或蒸發(fā)的方法將半導(dǎo)體或金屬敏感材料鍍在彈性基片上的。優(yōu)點： 1、穩(wěn)定性好 2、使用壽命長 3、靈敏度高 4、溫度系數(shù)小 5、工作溫度范圍寬 6、量程大 7、成本低。 3.3 薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片n3.3.1 薄膜應(yīng)變片原理 電阻為：n 設(shè)其應(yīng)變?yōu)椋娮柘鄬ψ兓癁椋?n對于半導(dǎo)體材料，上式可寫為： 3.3 薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片 n3.3.2 薄膜應(yīng)變片的制作及應(yīng)用1、濺射薄膜應(yīng)變片 主要成膜工藝有真空 濺射和真空蒸鍍。真空濺射工藝

8、大致流程為：基片預(yù)處理、濺射 介質(zhì)層、濺射敏感層、蒸發(fā)Au、光刻電極、形成電 橋、完成全部電連接、沉積鈍化膜。 2、蒸發(fā)薄膜應(yīng)變片 用真空蒸發(fā)工藝制作的薄膜應(yīng)變片其結(jié)構(gòu)同濺射應(yīng)變片基本相同。 3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 n3.4.1 壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)物體在某方向受壓力或拉力作用產(chǎn)生形變時，表面會產(chǎn)生電荷。外力撤消后，又回到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物體稱為壓電材料，如天然的石英晶體，人造壓電陶瓷等。 1、石英晶體的壓電效應(yīng) 圖為天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形和石英晶體切片 3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n當切片在沿X軸的方向上受到壓力Fx作用時，晶體切

9、片將產(chǎn)生厚度變形，并在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qx，它的大小為： 3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n電荷的極性見圖 3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器2、壓電效應(yīng)的物理解釋 如圖所示。 3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n3.4.2 壓電材料 1、壓電晶體 （1）石英晶體： 石英晶體即二氧化硅（SiO2），有天然的和人工培育的兩種。壓電系數(shù)d11=2.3110-12C/N，在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變。到575時，它完全失去了壓電性質(zhì)，這就是它的居里點。石英的熔點為1750，密度為2.65103kg/m3，有很大的機械強度和穩(wěn)定的機械性質(zhì)，可承受高達

10、6.81079.8107Pa的應(yīng)力，在沖擊力作用下漂移較小。 3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器（2）水溶性壓電晶體： 最早發(fā)現(xiàn)的是酒石酸鉀鈉（NaKC4H4O6.4H2O），它有很大的壓電靈敏度和高的介電常數(shù)，壓電系數(shù)d11=310-9C/N。但是酒石酸鉀鈉易于受潮，它的機械強度低，電阻率也低，因此，只限于在室溫（45）和濕度低的環(huán)境下應(yīng)用。 （3）鈮酸鋰晶體： 人工提拉法制成了鈮酸鋰的大晶塊，穩(wěn)定性遠比多晶體的壓電陶瓷好。它是一種壓電性能良好的電聲換能材料，它的居里溫度為1200左右，遠比石英和壓電陶瓷高， 3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器2、壓電陶瓷 （1）鈦酸鋇壓電陶瓷

11、（2）鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷 （3）鈮酸鹽系壓電陶瓷 （4）鈮鎂酸鉛壓電陶瓷 3、壓電半導(dǎo)體 壓電半導(dǎo)體如硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)、氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)、碲化鋅(ZnTe)和砷化鎵(CaAs)等。這些材料的顯著特點是：既具有壓電特性，又具有半導(dǎo)體特性，有利于將元件和線路集成于一體，從而研制出新型的集成壓電傳感器的測試系統(tǒng)。3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n3.4.3 測量電路測量電路 把壓電晶體等效成一個電荷源與電容并聯(lián)的等效電路。由于電容器上的電壓Ua，電荷量Q，電容Ca的關(guān)系為 Ua=Q/Ca，壓電晶體也可等效為一個電壓源和一個電容器的串聯(lián)電路。 實際壓電傳感

12、器輸出信號很微弱，且內(nèi)阻很高，需用前置放大器。 前置放大器有兩個作用：一是放大壓電傳感器輸出的微弱信號，另一個是把高阻抗輸出轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出。 3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器1、電壓放大器n 圖示的是壓電傳感器接到電壓放大器的等效電路。 icamimCCCdFU3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器2、電荷放大器 n 電荷放大器是有反饋電容的高增益運算放大器，它的輸入信號是壓電傳感器產(chǎn)生的電荷。當略去泄露電阻，且放大器輸入電阻趨于無窮大時，它的等效電路如圖所示。 AUACCCCQAUificao1foCQU 3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n3.4.4 壓電壓力及力傳感器

13、1、壓電式三維測力傳感器：一種壓電式三維測力傳感器的三組晶體切片的組合情況，可同時測量三個互相垂直的FX、FY、FZ力分量。 2、壓電式單向測力傳感器 3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器3、壓電式測量均勻壓力傳感器 4、消除振動加速度影響的壓電傳感器3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 電容式壓力及力傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化的一種傳感器。實際上，它本身就是一個可變電容器。目前，從工業(yè)生產(chǎn)過程自動化應(yīng)用來說，有壓力、差壓、絕對壓力、帶開方的差壓（用于測流量）等品種及高差壓、微差壓、高靜壓等規(guī)格。3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 n3.5.1 電

14、容式傳感器的工作原理 n電容式傳感器有三種基本類型：變極距型、變面積型、變介電常數(shù)型。 1、變極距型電容傳感器 3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 2、變面積型電容傳感器 3、變介電常數(shù)型電容傳感器 12/ln2rrlC3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 n3.5.2 差動電容傳感器 n在實際壓力測量中，常使用差動點電容傳感器，不但提高了靈敏度，也改善了非線性。 200012dxdxCxddCxddCCllCrrllrrllC012122/ln2/ln23.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 n3.5.3 測量電路 電橋電路、調(diào)頻電路、脈沖調(diào)寬電路和運算放大器式電路等。 1、橋式

15、電路 空載電壓為： 3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 2、緊耦合電橋電路 n緊耦合電橋理論可得此狀態(tài)下輸出電壓n在兩L0非耦合情況下， 輸出電壓為： 12402020CLCLUCCU1202020CLCLUCCU3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 3、差分脈沖調(diào)寬電路 n差動脈沖調(diào)寬電路屬脈沖調(diào)制電路。它利用對傳感器電容充放電使輸出脈沖的寬度隨電容量的變化而變化，再經(jīng)低通濾波器可得對應(yīng)被測量變化的直流信號。n輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。 121210UCCCCU12121UTTTTUUUBAO3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器n差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖如示

16、3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器4、調(diào)頻電路 n將電容式傳感器接入高頻振蕩器的LC 回路中，當被測量使電容變化時，振蕩頻率也相應(yīng)變化，故稱為調(diào)頻電路。 n圖所示為調(diào)頻電路原理圖 CCCCLLCf021(21213.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器5、運算放大器 n將電容式傳感器接入運算放大器中，作為電路的反饋元件構(gòu)成的測量電路如圖所示。 以Cx=S/d 代入，可得：n上式表明，輸出電壓與d是線性關(guān)系。 UCCUCjCjUXX)/(1)/(10dSUCU03.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器n3.5.4 電容式壓力傳感器1、電容式差壓傳感器 將左右對稱的不銹鋼基座2和3的外側(cè)加工

17、成環(huán)狀波紋溝槽，并焊上波紋隔離膜片1和4?；鶅?nèi)側(cè)有玻璃層5，基座和玻璃層中央都有孔。玻璃內(nèi)表面磨成凹球面，球面除邊緣部分外鍍以金屬膜6，此金屬膜層為電容的定極板并有導(dǎo)線通往外部。左右對稱的上述結(jié)構(gòu)中央夾入并焊接彈性平膜片，即測量膜片7，為電容的中央動極板。測量膜片左右空間被分隔成兩個室，故有兩室之稱。3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器2、變面積式壓力傳感器 測壓力作用在金屬膜片1上，通過中心柱2、支撐簧片3使可動電極4隨膜片中心位移而動作。 3.6 霍爾式壓力計霍爾式壓力計 n霍爾式壓力計是利用霍爾元件測量彈性元件變形的一種電測壓力計，它結(jié)構(gòu)簡單，體積小，頻率響應(yīng)寬，動態(tài)范圍(輸出電動

18、勢的變化)大，可靠性高，易于微型化和集成電路化。但信號轉(zhuǎn)換效率低，溫度影響大，使用于要求轉(zhuǎn)換精度高的場合必須進行溫度補償。 n3.6.1 霍爾效應(yīng)dIBRUHH3.6 霍爾式壓力計霍爾式壓力計n霍爾元件的特性常用靈敏度K KH H表示，即n此時 n可見，霍爾電動勢的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強度B的乘積及靈敏度KH。當控制電流的方向或磁場的方向改變時，輸出電動勢的方向也將改變。但當磁場與電流同時改變方向時，霍爾電動勢并不改變原來的方向。 dRKHHIBKUHH3.6 霍爾式壓力計霍爾式壓力計n3.6.2 霍爾式壓力計工作原理 3.6 霍爾式壓力計霍爾式壓力計n3.6.3 霍爾式壓力計的誤差及

19、補償 霍爾式壓力計的誤差有兩部分，一是彈性元件的變換誤差；一是霍爾元件的變換誤差。 1、不等位電勢及補償 n不等位電勢的產(chǎn)生有兩個原因，如圖所示。 3.6 霍爾式壓力計霍爾式壓力計n幾種補償電路 3.6 霍爾式壓力計霍爾式壓力計2、霍爾電勢的溫度系數(shù) 主要是溫差電勢和靈敏度系數(shù)隨溫度變化兩種情況。 3、溫度對內(nèi)阻的影響3.6 霍爾式壓力計霍爾式壓力計4、溫度補償 霍爾元件輸入電阻和霍爾電勢的溫度系數(shù)均為正的效果較好的補償電路圖。 實際測量中，要求較高時，常采用恒溫方法。 LiHRRUI0HLiLLLURRRIRU0LiHLitHttRtRtURRUI11LiHLtLLtRtRtURIRU113

20、.6 霍爾式壓力計霍爾式壓力計n3.6.4 霍爾式壓力計霍爾式壓力計 由兩部分組成：一部分是彈性元件，用它來感受壓力，并把壓力轉(zhuǎn)換成位移量；另一部分是霍爾元件與磁系統(tǒng)。 3.7 電子稱電子稱 n3.7.1 電子稱的原理 n電子稱的核心部件是稱重傳感器。稱重傳感器把機械力轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大處理后，或顯示，或輸入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。n圖是一個比較簡單稱重系統(tǒng)框圖。 3.7 電子稱電子稱n3.7.2 稱重傳感器原理 秤重傳感器根據(jù)制作原理不同可以分為感應(yīng)式、電容式、壓磁式、振弦式和應(yīng)變式等，而壓磁式、振弦式和應(yīng)變式傳感器在電子稱系統(tǒng)中都得到了廣泛地應(yīng)用。 圖是振弦式稱重傳感器的工作原理圖。 3.7 電子

21、稱電子稱n3.7.3 電子稱的應(yīng)用 ICS-XXX-T系列電子皮帶配料稱，適用于陶瓷、精細化工、煙草等對配料精度要求較高的場所 。分類如下表。3.7 電子稱電子稱表3.7.1 電子秤的分類與應(yīng)用類 別應(yīng) 用靜態(tài)稱重系統(tǒng)汽車衡、軌道衡、廢鋼秤、吊車秤汽車、火車、飛機等的重量，貨物重量以及確定板坯、鋼錠的重量動態(tài)稱重系統(tǒng)軌道衡、駝峰稱重、軌道液體罐車、雙秤臺系統(tǒng)鐵路車輛、卡車、拖車等在運動狀態(tài)下稱重配料稱重系統(tǒng)多種原料組分裝入一個稱重斗的微機配料系統(tǒng)；多種原料組分裝入幾個稱重斗的微機配料系統(tǒng)塑料工業(yè)、洗滌劑生產(chǎn)、食品工業(yè)、鑄造工業(yè)、玻璃生產(chǎn)、煉鋼等方面其它稱重系統(tǒng)皮帶秤、重量檢驗秤、計數(shù)秤控制物料流量、檢驗欠重、超重以及對庫房中的零件、元件的進貨和發(fā)貨等進行計數(shù)3.8 集成壓敏傳感器集成壓敏傳感器n集成壓敏傳感器依照敏感元件的不同可分為兩類，硅電容式集成壓敏傳感器和擴散硅集成壓敏傳感器，硅電容式集成壓敏傳感器的敏感元件是電容式壓敏元件，擴散硅集成壓敏傳感器采用的是電阻式壓敏元件。 n3.8.1 硅電容式集成傳感器 1、硅敏感電容器的工作原理 3.8 集成壓敏傳感器集成壓敏傳感器00)(2CCCCUUUxxaPO2、硅敏感電容器的測量電路3.8 集成壓敏傳感器集成壓敏傳感器n3.8.2 擴散硅壓敏傳感器擴散硅壓