電子課件-《傳感器及應用(第二版)》-B02-1472-模塊三-力的測量

1、課題一 電阻應變式力傳感器課題二 稱重傳感器課題三 應變式壓力傳感器課題四 壓阻式壓力傳感器課題五 壓力變送器了解力傳感器的分類和功能特點。了解電阻應變式力傳感器的工作原理。能正確使用電阻應變式力傳感器。能正確完成應變片的粘貼。學習目標課題一電阻應變式力傳感器知識引入在起重機鋼絲繩上或吊鉤上安裝測力傳感器來檢測鋼絲繩受力情況，測量起吊質(zhì)量，以便及時進行超載報警，防止事故的發(fā)生。鋼絲繩測力傳感器外形鋼絲繩測力傳感器結構示意圖知識講解一、力傳感器的基本知識力傳感器根據(jù)制造原理不同可分為電阻應變式、電容式、振弦式、壓電式等。在測量靜態(tài)力 （ 力的大小與方向不隨時間變化而變化或隨時間緩慢變化） 時，最

2、常用的是電阻應變式力傳感器。電阻應變式力傳感器的核心是電阻應變片，如圖所示。電阻應變式力傳感器的工作過程如圖所示。 電阻應變片的外形電阻應變式力傳感器工作原理二、電阻應變式力傳感器工作原理導體或半導體材料在外力作用下伸長或縮短時，它的電阻值會相應地發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應變效應。將應變片貼在被測物體上，應變片里面的材料就隨著被測物體所受的外力產(chǎn)生應變，伸長或縮短，其阻值也會相應地變化，應變片就是利用該效應，通過測量電阻的變化測量使物體產(chǎn)生應變的力。 在力傳感器中大多使用的是金屬電阻應變片，其結構如圖所示。金屬電阻應變片結構示意圖基底電阻絲粘貼膠 引出線覆蓋層三、電阻應變式力傳感器的使用

3、方法根據(jù)測量環(huán)境、測量對象不同，電阻應變片也有多種形式，如圖所示，可依據(jù)不同使用情況選擇不同類型的應變片。電阻應變式力傳感器的使用方法有兩種。第一種是將應變片直接粘貼在被測構件上，用來測定構件的應變或應力。第二種是將應變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構成應變式力傳感器。 各種類型的應變片） 單軸應變片） 單軸、帶雙線導線應變片） 單軸細線用應變片） 單軸、剪切應力用應變片） 雙軸、扭矩用應變片） 雙軸 90應變片） 帶溫度傳感器的應變片） 測量塑料用應變片四、電阻應變式力傳感器的測量電路電阻應變式力傳感器應變電阻的變化是極其微弱的，電阻相對變化率僅為 0.2 左右。通常采用惠斯通電橋電路進行

4、測量，將電阻相對變化 R R 轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，再用測量儀表或電阻應變式力傳感器專用測量電路便可以方便地進行測量。五、應變片的粘貼應變片的粘貼是應變式力傳感器測量技術的關鍵環(huán)節(jié)之一，將直接影響膠的粘接質(zhì)量及測量精度。 應變片的粘貼工藝步驟 應變片的選擇與檢查應變片的種類較多，首先要根據(jù)被測物體及環(huán)境選擇應變片。 試件的表面處理對試件表面進行處理，清除試件表面雜質(zhì)、油污、油漆、銹跡及疏松層等。 做粘貼標記在需要測量應變的位置沿著應變的方向做好記號。 底層處理為了表面的徹底清潔，可用化學清洗劑如氯化碳、丙酮、甲苯等進行反復清洗。 點膠將應變片反面用清潔劑清洗干凈，再將膠水滴在應變片的反面。

5、貼片 用拇指緊緊按住應變片 3min，注意用力不能過大。 固化在固化過程中，要掌握好溫度、時間和循環(huán)周期。 粘貼質(zhì)量檢查首先是從外觀上檢查粘貼位置是否正確，粘貼層是否有氣泡、漏粘、破損等。然后檢測應變片是否有斷路或短路現(xiàn)象并測量應變片的絕緣電阻。了解稱重傳感器的功能特點和基本工作原理。能正確選用稱重傳感器。學習目標課題二稱重傳感器知識引入為了實現(xiàn)對物料的快速、準確的稱量，提高工業(yè)生產(chǎn)過程自動化程度，采用了稱重傳感器進行載荷測量，最后由計算機控制各閥門工作。電子秤的核心部件就是稱重傳感器。知識講解一、 稱重傳感器的基本知識 應變式稱重傳感器的工作原理電阻應變式稱重傳感器由彈性元件、應變片和外殼所

6、組成，如圖中所示，其彈性元件是應變梁。 稱重傳感器 應變式稱重傳感器種類根據(jù)傳感器彈性元件的結構不同，應變式稱重傳感器分為柱式、懸臂梁式、環(huán)式、輪輻式等。常用稱重傳感器外形如圖所示。稱重傳感器（） 柱式稱重傳感器柱式稱重傳感器典型結構如圖所示，敏感元件為圓柱體，在細的部位粘貼 4 片或 8 片應變片，用其組成惠斯登電橋。 柱式稱重傳感器（） 柱環(huán)式稱重傳感器柱環(huán)式稱重傳感器典型結構如圖所示。 柱環(huán)式稱重傳感器（） 懸臂梁式稱重傳感器如圖所示稱重傳感器的彈性元件為雙孔平行梁式彈性元件，由于彈性體成平行四邊形，因此其輸出不受力作用點位置變動的影響。懸臂梁式稱重傳感器懸臂梁式稱重傳感器（） 環(huán)式稱重

7、傳感器環(huán)式稱重傳感器的典型結構如圖所示。環(huán)式稱重傳感器（） 輪輻式稱重傳感器輪輻式稱重傳感器結構如圖所示，主要由五個部分組成，輪轱、輪圈、輪輻條、受拉和受壓應變片。 輪輻式稱重傳感器二、稱重傳感器選擇方法 環(huán)境因素因為這關系到傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命，甚至是整個測量系統(tǒng)的可靠性和安全性。 傳感器數(shù)量和量程的選擇傳感器數(shù)量的選擇是根據(jù)電子秤的用途、秤體需要支撐的點數(shù)而定的。 各種類型稱重傳感器的適用范圍傳感器類型的選擇主要取決于稱量范圍，如柱環(huán)式稱重傳感器適用于大、中量程，懸臂梁式稱重傳感器適用于小量程。 稱重傳感器精度稱重傳感器的精度包括傳感器的非線形、遲滯、重復性、靈敏度等技

8、術指標。三、稱重傳感器使用方法及注意事項將傳感器安裝在測量系統(tǒng)中時，如果使用單個稱重傳感器，則應使物體受力方向或物體重心通過傳感器的中心線，以防止測量中產(chǎn)生側向分力，影響測量精度； 如果使用多個稱重傳感器，則要求傳感器承載點在同一水平面上，傳感器在平面內(nèi)對稱分布，無偏載現(xiàn)象。測量時將傳感器的輸出引線根據(jù)使用說明書與變送器相連。在使用稱重傳感器時，應注意以下事項： 傳感器、變送器應定期進行靜態(tài)標定，以保證使用精度。 傳感器的最大載荷力不應超過滿量程的 120 。 傳感器應避免與較高的非工作熱輻射接觸。 安裝傳感器時，要選擇與量程相應強度的緊固螺釘。 變送器增益調(diào)節(jié)有兩種，一種是放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)，可

9、以根據(jù)需要調(diào)節(jié)； 一種是微調(diào)，用于靜態(tài)標定時使用，在無標定設備監(jiān)視下不能任意調(diào)節(jié)。了解壓力的基本概念。了解壓力傳感器的主要類型。掌握應變式壓力傳感器的結構、原理和功能特點。能正確選擇、安裝、校驗壓力傳感器。學習目標課題三應變式壓力傳感器知識引入壓力是工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)?；S的干燥、造粒裝置一、壓力的基本概念檢測領域和工業(yè)中所指的“壓力”，通常就是物理學中的“壓強”（本課題接下來所提到的“壓力”，即為物理學中的“壓強”，用 P 表示，等于垂直作用在單位面積上的力。它的大小由兩個因素決定，即受力面積和垂直作用力，其表達式為：P=F/S。壓力的法定計量單位為“帕斯卡”，簡稱“帕( Pa

10、 )”，它表示 1 牛頓 (N) 力垂直而均勻地作用于1 m2面積上的壓力。由于 Pa 這個單位太小，因此工程上常用其倍數(shù)單位兆帕(MPa)來表示，1 MPa=106 Pa。壓力的表示法有絕對壓力、相對壓力和差壓。絕對壓力是以絕對真空作為基準所表示的壓力； 相對壓力是以當?shù)丨h(huán)境的大氣壓力作為基準所表示的壓力，也稱表壓。差壓是指兩個壓力的差。絕對壓力與相對壓力的換算關系為：絕對壓力 相對壓力 大氣壓力二、壓力傳感器的種類 絕對壓力傳感器絕對壓力傳感器所測得的壓力數(shù)值是以真空為起點的壓力，如圖所示，將 P2 端抽為真空并密封時，傳感器內(nèi)部的參考壓力腔為真空狀態(tài) （ 相當于零點） 此時即構成絕對壓力

11、傳感器。平常所說的環(huán)境大氣壓就是指絕對壓力。相對真空度 大氣壓 絕對壓力。壓力傳感器結構示意圖 相對壓力傳感器相對壓力傳感器也稱表壓傳感器。表壓傳感器所測得的壓力數(shù)值是以環(huán)境大氣壓為參考基準的壓力。一般普通壓力表的指示值都是相對壓力，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中所提到的壓力絕大多數(shù)指的也是表壓。 差壓傳感器如圖所示，差壓是指兩個壓力P1 和 P2 之差，又稱為壓力差。差壓傳感器在使用時，不允許在一側仍保持很高壓力的情況下，將另一側的壓力降低到零，這樣會使兩面的壓力差劇增，造成過載。三、應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器的典型結構如圖所示。應變式壓力傳感器的彈性元件是一個圓形的金屬膜片，圓形應變片粘貼在

12、金屬膜片上。金屬膜片的周邊被固定，當膜片一面受壓力作用時，膜片的另一面產(chǎn)生徑向應變 r 和切向應變 t 。如圖所示，根據(jù)應力分布，金屬膜片上粘貼有四個應變片，兩個貼在正的最大區(qū)域 （ R2、R3） ，兩個貼在負的最大區(qū)域 （ R1、R4） 。四個應變片組成全橋電橋電路，這樣通過測量輸出電壓，來測量被測壓力，既可提高傳感器的靈敏度，又能起到溫度補償?shù)淖饔谩兪綁毫鞲衅鞯慕Y構 彈性元件應變片分布圖目前高精度應變式壓力傳感器均采用薄膜式應變片。薄膜式應變片采用濺射、蒸鍍等真空鍍膜技術在金屬彈性膜片上直接生成隔離絕緣膜和金屬電阻膜，然后再通過半導體光刻技術，制作四個應變電阻，組成全橋電橋電路，如圖

13、所示。薄膜式應變片四、壓力傳感器的安裝 壓力傳感器與所測壓力管道或壓力容器的密封連接壓力傳感器密封連接方法很多，一般根據(jù)傳感器的量程、結構、密封等要求的不同，連接方法也不盡相同。 壓力傳感器的不同壓力接嘴） 倒刺狀壓力接嘴） 、） 平底螺紋狀壓力接嘴） 球頭狀壓力接嘴壓力傳感器的不同密封方法） 用 形圈密封） 用密封墊密封常見壓力接嘴形式常用壓力接頭在很多壓力測量場所不便直接安裝壓力傳感器，需將壓力引出，一般采用銅管或金屬軟管將壓力轉(zhuǎn)接出來，如圖所示。引壓管） 銅管） 金屬軟管 取壓口位置的選擇 一般選擇原則是：（） 取壓口不得取在管道的彎曲、分叉的地方。（） 當管道內(nèi)有突出物體時，取壓口應選

14、在突出物體的前面。（） 如果取在閥門附近，則距閥門的距離應大于 2D （ D 為管道直徑） ，取壓口若在閥門后，與閥門的距離應大于 3D。（） 取壓口應處于流速平穩(wěn)、無渦流流動的區(qū)域。 其他需考慮因素（） 壓力傳感器要安裝在能滿足儀表使用環(huán)境條件和易觀察、易檢修的地方。壓力傳感器安裝示意圖（） 安裝地點應盡量避免振動和高溫影響。（） 測量有腐蝕性、黏度較大、易結晶、有沉淀物的介質(zhì)時，應選取帶隔離膜片的壓力傳感器。（） 儀表必須垂直安裝。若裝在室外，還應加裝保護箱。（） 當測量小壓力信號時，壓力傳感器應與取壓口在同一高度，否則就需要修正因高度差所引起的測量誤差。五、壓力傳感器的校驗對于大壓力傳感

15、器，校驗壓力傳感器的設備主要是砝碼壓力計，如圖所示。校驗方法是： 在常態(tài)工作條件下，將壓力傳感器接在壓力計表頭的壓力接嘴處，按圖所示連接電路和油路，加不同的砝碼，可獲得不同的壓力源，精度可達 0.15 級，該方法適用于測量相對壓力傳感器。砝碼壓力計） YS 600 （ 滿量程 60MPa） ） YS 60 （ 滿量程 6 MPa）液壓傳感器電路與油路六、壓力傳感器的選擇原則 根據(jù)測量對象要求選用合適的傳感器類型相對壓力 （ 表壓） 傳感器適用于開口罐、開口管道等壓力的測量以及大壓力信號的測量等。差壓傳感器適用于測量兩容器或兩管道的壓力差，也常用于測量液位。絕對壓力傳感器適用于相對真空的介質(zhì)壓力

16、值以及小壓力的測量。 根據(jù)測量對象的環(huán)境選擇與之相兼容的傳感器傳感器一般應安裝于通風、干燥、無蝕、陰涼處，但如果需要安裝在露天環(huán)境中，則應裝防護罩，避免陽光照射和雨淋。 根據(jù)測量對象選擇適當量程的壓力傳感器壓力傳感器量程的選用一般以使被測量參數(shù)經(jīng)常處在整個量程的 80 90 為最好，且最大工作狀態(tài)點不能超過滿量程。了解壓阻式壓力敏感元件的特點和工作原理。了解壓阻式壓力傳感器的工作原理。掌握壓阻式壓力傳感器的功能特點。能正確安裝、使用、校驗壓阻式壓力傳感器。學習目標 課題四壓阻式壓力傳感器知識引入在航空工業(yè)上，常常需要測量機翼氣流壓力分布、發(fā)動機進氣口處的動壓畸變； 在生物醫(yī)學上，將 10 m

17、厚的硅膜片注射到生物體內(nèi)時，需要進行體內(nèi)壓力的測量； 在軍事工業(yè)上，常需要測量爆炸壓力和沖擊波以及槍炮腔內(nèi)的壓力； 恒壓供水系統(tǒng)中，需要監(jiān)測水管出口的壓力。這些場合，常常都會選用壓阻式壓力傳感器。知識講解一、壓阻式壓力敏感元件壓阻式壓力傳感器的敏感元件是壓阻元件，它主要由外殼、硅杯和引出線等組成 （ 見圖） 。硅杯是壓阻元件的核心部分，是一塊帶有應變電阻的硅膜片。壓阻元件的膜片和應變電阻經(jīng)精細加工成一體結構，沒有可動部分，因此也稱為固態(tài)傳感器。壓阻式壓力敏感元件的壓力測量原理與金屬膜片式應變壓力傳感器的工作原理基本相同，只是使用的材料和工藝不同。 壓阻式壓力敏感元件的結構） 硅壓阻元件） 帶封

18、裝的硅壓阻元件 常見壓阻元件的外形） 普通壓阻元件） 帶隔離膜片的壓阻元件） 帶隔離膜片的壓差壓阻元件二、壓阻式壓力傳感器的工作原理對一塊半導體材料的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應力時，該材料的電阻率會發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為半導體的壓阻效應。這是因為半導體電阻率的大小取決于有限載流子（ 即自由電子、空穴） 的遷移率，加在單晶材料某一軸向上的外應力，會使載流子遷移率發(fā)生較大的變化。半導體材料的電阻率發(fā)生變化時，其電阻值相應也會變化。半導體材料電阻變化率遠大于金屬應變片的電阻變化率。將壓阻式壓力敏感元件緊密地安裝到帶壓力接嘴的殼體中，就構成了壓阻式壓力傳感器，如圖所示。壓阻式壓力傳感器） 結構

19、圖） 外形圖 測量絕對壓力絕對壓力敏感元件在膜片的一側有一個密封的近似真空的參考壓力腔，也就是說在未施加外界壓力時，單晶硅膜片上已作用了一個大氣壓的壓力。如圖所示，硅杯與玻璃基座封接后組成真空腔，此時測到的壓力即為絕對壓力。絕對壓力敏感元件 測量相對壓力 （表壓）如圖所示，硅杯的一側與大氣相通，P1 為大氣壓。此時測出的壓力即為相對壓力。相對壓力敏感元件 測量差壓測量差壓時，在硅膜片的兩側設有兩個進壓口，一個進口壓力為 P1，另一個進口壓力為 P2，如圖所示，此時作用在硅膜片上的壓力為兩個壓力之差(差壓)，即所測的壓力為P=P1-P2。相對壓力敏感元件 測量電路壓阻式壓力傳感器的測量電路是由恒

20、流源、放大電路及調(diào)整電路組成的，如圖所示。 壓阻式壓力傳感器測量電路三、壓阻式壓力傳感器的特點壓阻式壓力傳感器的彈性元件是單晶硅膜片，可將壓阻式壓力傳感器、穩(wěn)壓電源或穩(wěn)流電源、補償電路及電阻、A D或 DA電路做在一個芯片上。壓阻式壓力傳感器的硅杯與玻璃基底采用的是在真空中靜電封接的方法，因此特別適合作絕壓式壓力傳感器。壓阻式壓力傳感器不僅能檢測靜態(tài)壓力，還可檢測頻率為幾十千赫的脈動壓力。壓阻式壓力傳感器的靈敏度高，適用于小壓力測量。壓阻式壓力傳感器有許多突出的優(yōu)點，但其缺點也同樣突出，那就是它的溫度特性差，需要溫度補償，工藝復雜。四、壓阻式壓力傳感器的安裝、使用與校驗方法壓阻式壓力傳感器的安

21、裝與使用方法和應變式壓力傳感器基本相同。連接時密封即可，不能用力過度，以避免器件受損，影響產(chǎn)品性能。壓阻式壓力傳感器的連接方式有多種，包括錐形管（ 見圖，為防止脫落，通常用管夾緊固）與橡皮管的連接、 錐螺紋的連接、 加密封墊圈的連接、 喇叭口與球頭的連接等。 錐形管連接五、壓阻式壓力傳感器的使用注意事項在使用壓阻式壓力傳感器時，關鍵要注意壓力傳感器密封連接和預防壓力傳感器過載的問題。壓阻式壓力傳感器常用于氣體的測量或小壓力的測量，密封問題常被忽視。超量程過載是常見的故障問題。在對壓阻式壓力傳感器通電前，要確認接線是否正確，電氣連接是否嚴格按照接線說明進行，錯誤接線會造成電路的損壞，甚至嚴重損壞

22、產(chǎn)品。了解壓力變送器的基本結構和工作原理。掌握使用電容式壓力變送器測量液位的原理和方法。能正確使用壓力變送器。能正確排除壓力變送器的常見故障。學習目標課題五壓力變送器知識引入一般情況下，通過測量油罐的液位可以計算油量的實際數(shù)量 （ 即噸數(shù)） ，同時還可以防止儲油罐溢滿，因此在油庫管理系統(tǒng)中，儲油罐的液位測量十分重要。油罐的液位可以采用壓力變送器測量。知識講解一、壓力變送器的基本知識壓力變送器由壓力傳感器、信號轉(zhuǎn)換電路、殼體及各種連接件組成。壓力傳感器將來自現(xiàn)場的液體或氣體等介質(zhì)的壓力參數(shù)轉(zhuǎn)換成微小的電流或電壓信號，然后通過標準的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成 DC420 mA 或 DC15 V 的工業(yè)標準信號，送至顯示儀、記錄儀、計算機或控制器等設備。在工業(yè)中，壓力變送器常被稱為現(xiàn)場儀表或一