傳感器技術及應用 教案 項目三　壓力測量

教學內容任務一壓力測量的一般概念及壓力傳感器介紹課時2教學目標知識目標1.了解壓力相關的基本概念；2.了解壓力的測量的主要方法；3.了解常見壓力傳感器。能力目標1.學會識別常用的壓力傳感器。素質目標1.培養(yǎng)多角度分析問題和解決問題的能力；2.樹立最優(yōu)化解決問題的思想，鼓勵倡導合作學習的精神。教學重點1.壓力相關的基本概念；2.壓力的主要方法；3.壓力傳感器簡介。教學難點壓力的測量原理。教學策略教法學法講解，分析討論，動畫觀看，ppt展示教學手段教具準備課件，多媒體，ppt，圖片，動畫，視頻教學過程教學要點及教師活動學生活動教學引入在生活實際中力和壓力的檢測、調節(jié)與控制在生產生活中的應用非常廣泛。例如，家用高壓鍋、各種汽罐體上的減壓閥等都是大家熟悉的壓力調節(jié)裝置。火力發(fā)電廠鍋爐蒸汽壓力的監(jiān)測與控制是保證發(fā)電設備安全、經濟運行的重要措施。在工業(yè)生產、科學研究等各個領域中力和壓力的監(jiān)測與控制是保證生產工藝要求、設備和人身安全所必須的，也是提高產品質量和生產效率的重要手段。下面，讓我們初步了解、認識一些檢測力和壓力的一些壓力傳感器。學生思考，了解傳感器在日常生產生活中的應用。教學過程教學要點及教師活動學生活動一、壓力概念及測量的重要性1．壓力的概念壓力是工業(yè)生產過程中的重要參數之一，為了保證生產正常運行，必須對壓力進行監(jiān)測和控制。比如在化學反應中，壓力既影響物料平衡，又影響化學反應速度，所以必須嚴格遵守工藝操作規(guī)程，這就需要測量或控制其壓力，以保證工藝過程的正常進行。其次壓力測量或控制也是安全生產所必須的，通過壓力監(jiān)視可以及時防止生產設備因過壓而引起破壞或爆炸。在熱電廠中，爐膛負壓反映了送風量與引風量的平衡關系，爐膛壓力的大小還與爐內穩(wěn)定燃燒密切相關，直接影響機組的安全經濟運行。（1）壓力的單位工程技術上，壓力對應于物理概念中的壓強，即指均勻而垂直作用于單位面積上的力，用符號表示。在國際單位制中，壓力的單位為帕斯卡（Pascal），簡稱帕，用符號表示，其物理意義是1牛頓力垂直均勻地作用于1平方米面積上所產生的壓力稱為1帕。目前在工程技術上仍使用的壓力單位還有：工程大氣壓、物理大氣壓、巴、毫米汞柱和毫米水柱等。我國已規(guī)定國際單位帕斯卡為壓力的法定計量單位。（2）壓力的表示方法在測量中，壓力有三種表示方式，即絕對壓力、表壓力、真空度或負壓，此外，還有壓力差（差壓）。1）絕對壓力是指被測介質作用在物體單位面積上的全部壓力，是物體所受的實際壓力。2）表壓力是指絕對壓力與大氣壓力的差值。當差值為正時，稱為表壓力，簡稱壓力；當表壓力為負時，稱為負壓或真空，該負壓的絕對值稱為真空度。3）差壓是指兩個壓力的差值。習慣上把較高一側的壓力稱為正壓力，較低一側的壓力稱為負壓力。但應注意的是正壓力不一定高于大氣壓力，負壓力也并不一定低于大氣壓力。各種工藝設備和測量儀表通常是處于大氣之中，也承受著大氣壓力，只能測出絕對壓力與大氣壓力之差，所以工程上經常采用表壓和真空度來表示壓力的大小。所以，一般的壓力測量儀表所指示的壓力也是表壓或真空度。因此，以后所提壓力，在無特殊說明外，均指表壓力。2．壓力測量的主要方法及分類目前，壓力測量的方法很多，按照信號轉換原理的不同，一般可分為四類。（1）液柱式壓力測量該方法是根據流體靜力學原理，把被測壓力轉換成液柱高度差進行測量，測量儀器液柱式壓力計如圖3-1-2所示。一般采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管或單管進行小壓力、負壓和差壓的測量。（2）彈性式壓力測量該方法是根據彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉換成彈性元件的位移或力進行測量，測量儀器彈性式壓力計如圖3-1-3所示。常用的彈性元件有彈簧管、彈性膜片和波紋管。（3）電氣式壓力測量該方法是利用敏感元件將被測壓力直接轉換成各種電量進行測量。如電阻、電容量、電流及電壓等。（4）活塞式壓力測量該方法是根據液壓機液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉換成活塞面積上所加平衡砝碼的重力進行測量。它普遍被用作標準儀器對壓力測量儀表進行檢定，如壓力校驗臺。測量儀器活塞式壓力計結構如圖3-1-4所示，主要由壓力發(fā)生部分和測量部分組成。1）壓力發(fā)生部分。壓力發(fā)生部分主要指手搖泵.通過加壓手輪旋轉絲桿，推動工作活塞(手搖泵活塞)擠壓工作液，將待測壓力經工作液傳給測量活塞。工作液一般采用潔凈的變壓器油或蓖麻油等。2）測量部分。測址活塞上端的菇碼托盤上放有荷重菇碼，活塞插人活塞筒內，下端承受手搖泵擠壓工作液所產生的壓力PO當作用在活塞下端的油壓與活塞、托盤及琺碼的質量所產生的壓力相平衡時，活塞就被托起并穩(wěn)定在一定位置上，這時壓力表的示值為式中P—被測壓力，Pa；m1、m2和m3活塞、托盤和硅碼的質量，kg；A—活塞承受壓力的有效面積，m2；g—活塞式壓力計使用地點的重力加速度（m/S2）。在工業(yè)生產過程中，常使用彈性式壓力儀表進行就地顯示，使用電氣式壓力儀表進行壓力信號的遠傳。二、壓力傳感器簡介壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)?，F(xiàn)在常用的測力和壓力的傳感器有以下幾種，下面我們就逐一為大家簡單介紹：1．電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器是將被測的動態(tài)壓力作用在彈性敏感元件上，使它產生變形，在其變形的部位粘貼有電阻應變片，電阻應變片感受動態(tài)壓力的變化，按這種原理設計的傳感器稱為電阻應變式壓力傳感器。常用的電阻應變式壓力傳感器包括測低壓用的膜片式壓力傳感器、測中壓用的膜片——應變筒式壓力傳感器、測高壓用的應變筒式壓力傳感器。（1）膜片——應變筒式壓力傳感器的特點是具有較高的強度和抗沖擊穩(wěn)定性，具有優(yōu)良的靜態(tài)特性、動態(tài)特性和較高的自震頻率，可達30KHz以上，測量的上限壓力可達到9.6mpa。適于測量高頻脈動壓力，又加上強制水冷卻。也適于高溫下的動態(tài)壓力測量，如火箭發(fā)動機的壓力測量，內燃機、壓氣機等的壓力測量。（2）膜片式應變壓力傳咸器的特點是這種壓力傳感器不宜測量較大的壓力，當變形大時，非線性較大。但小壓力測量中由于變形很小，非線性誤差可小于0.5％，同時又有較高的靈敏度，因此在沖擊波的測量中，國內外都用過這種膜片式壓力傳感器。（3）應變筒式壓力傳感器的特點是這種傳感器還可以利用活塞將被測壓力轉換為力傳遞到應變筒上或通過垂鏈形狀的膜片傳遞被測壓力。應變筒式壓力傳感器的結構簡單、制造方便、適用性強，在火箭彈、炮彈和火炮的動態(tài)壓力測量方面有廣泛應用。2．壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器是由平面應變傳感器發(fā)展起來的一種新型壓力傳感器。它以硅片作為彈性敏感元件，任該膜片上用集成電路擴散工藝制成四個等值導體電阻，組成惠斯登電矯，當膜片受力后、由于半導體的壓阻效應．電阻值發(fā)生變化，使電橋輸出而測得壓力的變化，利用這種方法制成的壓力傳感器叫壓阻式壓力傳感器。壓阻式壓力傳感器優(yōu)點：頻率響應高；體積小、耗電少；靈敏度高、精度好，可測量到0.1%的精確度；無運動部件（敏感元件與轉換元件一體）。壓阻式壓力傳感器缺點：溫度特性差；工藝復雜；量程??；不耐腐蝕。在航天和航空工業(yè)中壓力是一個關鍵參數，對靜態(tài)和動態(tài)壓力，局部壓力和整個壓力場的測量都要求很高的精度。因此壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例如，用于測量直升飛機機翼的氣流壓力分布，測試發(fā)動機進氣口的動態(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。3．壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應，將壓力轉換為相應的電信號，經放大器、記錄器而得到欲測的動態(tài)壓力參數，如圖3-1-7所示。壓電式壓力傳感器的特點主要有：優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。因此，壓電式壓力傳感器廣泛應用在生物醫(yī)學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的，壓電壓力傳感器常用于動態(tài)壓力，所以壓電壓力傳感器的應用也非常廣。認真聽教師講解，有疑問舉手提問。結合自己見過的，認真聽教師分析。教學反饋及檢測課堂小結1.壓力相關的基本概念；2.壓力的主要方法；3.壓力傳感器簡介。作業(yè)布置教材思考與練習教學反思教學內容任務二彈簧管壓力表課時2教學目標知識目標1.了解波紋管的結構及工作原理；2.了解彈性敏感元件定義及特性；3.了解彈簧管壓力表的結構及工作原理；4.了解彈簧管壓力表的安裝事項。能力目標1.能利用彈簧管壓力表進行壓力檢測；2.能正確選用彈簧管壓力表。素質目標1.養(yǎng)成獨立思考和動手操作的習慣；2.培養(yǎng)小組協(xié)調能力和合作學習的精神。教學重點1.波紋管的結構及工作原理；2.彈性敏感元件定義及特性；3.彈簧管壓力表的結構及工作原理；4.彈簧管壓力表的安裝事項。教學難點1.波紋管的結構及工作原理；2.彈性敏感元件定義及特性；3.彈簧管壓力表的結構及工作原理；4.彈簧管壓力表的安裝事項。教學策略教法學法講解，分析討論，動畫觀看，ppt展示教學手段教具準備課件，多媒體，ppt，圖片，動畫，視頻教學過程教學要點及教師活動學生活動教學引入日常生活和生產中我們經常見到一些壓力表，這種生活中常見的壓力表就是彈簧管壓力表，氣動系統(tǒng)三聯(lián)件及壓力表屬于就地指示型壓力表，就地顯示壓力的大小，沒有遠程傳送顯示、調節(jié)功能，可以通過調節(jié)三聯(lián)件減壓閥旋鈕，輸出不同的壓力并在壓力表上進行顯示。那么，彈簧管壓力表是怎么測出壓力的？學生思考，了解傳感器在生產生活中的應用。教學過程教學要點及教師活動學生活動一、彈性敏感元件在壓力傳感器中用于測量的彈性元件稱為彈性敏感元件。1.定義如果在外力去掉后能完全恢復其原來的尺寸和形狀，那么這種變形稱為彈性變形。具有這類特性的物體稱為彈性元件。2.常見的幾種彈性敏感元件由于彈性敏感元件在傳感器中有很多作用，所以它具有好的彈性特性、足夠的精度等。因而對制作彈性敏感元件的材料提出了多方面的要求，如彈性模量的溫度系數要小、有良好的機械加工和熱處理性能等。我國通常使用合金鋼、碳鋼、銅合金和鋁合金等材料。（1）膜片、膜盒膜片是一種周邊固定的圓形彈性薄片，如圖3-2-2所示。根據軸向截面形狀的不同分成平膜片和波紋膜片兩種。把兩個膜片沿邊緣焊接在一起制成膜盒。在輸入量相同的條件下，膜盒的輸出位移比膜片增大近一倍，提高了測量靈敏度。它們主要用于測量壓力、壓差的彈性敏感元件，或者用于隔離兩種流體介質——隔離膜片。（2）波紋管波紋管是一種具有環(huán)形波紋的圓柱形薄壁管，如圖3-2-3所示。金屬波紋管主要應用于補償管線熱變形、減震、吸收管線沉降變形等作用，廣泛應用于石化、儀表、航天、化工、電力、水泥、冶金等行業(yè)。（3）彈簧管彈簧管又稱波登管，它是一根彎成270°圓弧的扁圓或橢圓形截面的空心金屬管，大多數是C型彈簧管，如圖3-2-4所示。彈簧管主要用于壓力測量儀表中的檢出元件。二、彈簧管的分類彈簧管是將壓力轉化成位移或機械力的主要彈性元件之一，它是用彈性材料制作的、彎成C形、螺旋形和盤簧形等形狀的中空管。常見的截面形狀有橢圓形、扁形、圓形（如圖3-2-5所示）。其中扁管適用于低壓，圓管適用于高壓，盤成螺旋形彈簧管可用于要求彈簧管有較大位移的儀表中。1.按材質分為（1）錫磷青銅：適用于普表,對銅及銅合金無腐蝕性的介質,-40℃<介質溫度<170℃,精度最高為1%（2）黃銅：測量介質為乙炔（易燃易爆物品）。（3）鈹青銅：測量壓力范圍≤10MPa（4）鉻釩鋼：測量壓力范圍≥16MPa（5）不銹鋼：分為304、316（316L）均適用于高溫（大于80℃），適用有腐蝕性介質，450℃≥介質溫度≥170℃。其中316（316L）的耐腐蝕行高于304，用于食品，醫(yī)藥行業(yè)，被稱為“衛(wèi)生型不銹鋼”。2.按形狀分C型管和螺旋管。3.按壓力表的測量范圍分微壓、低壓、中壓、高壓。三、彈簧管壓力表的結構及工作原理1.結構彈簧管壓力表屬于就地指示型壓力表，它是通過表內的敏感元件——波登管的彈性變形引起指針轉動來顯示壓力。其結構主要由彈簧管、拉桿、扇形齒輪、中心齒輪、指針、刻度面板、游絲、調整螺釘、接頭等組成，如圖3-2-6所示。2.工作原理彈簧管壓力表通過一彎成圓弧形的彈簧管作為測量元件，彈簧管一端固定起來，并通過接頭與被測介質相連;另一端封閉，為自由端。自由端與連桿與扇形齒輪相連，扇形齒輪又和機心齒輪咬合組成傳動放大裝置。彈簧管壓力表通過表內的敏感元件——波登管的彈性形變，再由表內機芯的轉換機構將壓力形變傳導至指針，引起指針轉動來顯示壓力，如圖3-2-7所示。3.彈簧管壓力表的選用原則（1）根據使用環(huán)境和被測介質的性質，選擇合適類型的壓力表。（2）根據工藝設備要求，選擇壓力表外殼直徑，受壓容器一般安裝直徑為100～150mm的壓力表。（3）根據所測介質的工作壓力要求，選擇壓力表量程，要求被測壓力值一般在壓力表的使用量程范圍的1/3～2/3之間。（4）根據容器的壓力等級和實際工作需要，選擇壓力表精度等級。常用精度等級：1.0級、1.6級、1.5級、2.5級、4.0級。認真聽教師講解，有疑問舉手提問。隨著教師的思路共同分析思考教學反饋及檢測【案例分析】鍋爐中的壓力檢測鍋爐是一種能量轉換設備，向鍋爐輸入的能量有燃料中的化學能、電能、高溫煙氣的熱能等形式，而經過鍋爐轉換，向外輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機熱載體。多用于火電站、船舶、機車和工礦企業(yè)。鍋爐在“鍋”與“爐”兩部分同時進行，水進入鍋爐以后，在汽水系統(tǒng)中鍋爐受熱面將吸收的熱量傳遞給水，使水加熱成一定溫度和壓力的熱水或生成蒸汽，輸出應用。在燃燒設備部分，燃料燃燒放出熱量，通過熱的傳播將熱量傳遞給鍋爐受熱面，而本身溫度逐漸降低，最后由煙囪排出。蒸汽鍋爐鍋內的水吸收熱量后，由液體狀態(tài)變成氣體狀態(tài)，其體積增大很多，由于鍋爐是密閉的容器，因而限制了水汽的自由膨脹，結果就使鍋爐各受壓部件受到了水汽壓力的作用。所以鍋爐必須安裝壓力表。一般安裝彈性壓力表。課堂小結1.彈性敏感元件定義及特性；2.彈簧管壓力表的結構及工作原理；3.彈簧管壓力表的選用原則。作業(yè)布置教材思考與練習教學反思教學內容任務三電阻應變式傳感器課時2教學目標知識目標1.了解電阻應變片的工作原理；2.了解電阻應變片的結構及分類；3.了解電阻應變式壓力傳感器測量電路。能力目標1.學會電阻應變式傳感器的外部接線方法；2.學會電阻應變式傳感器的安裝。素質目標1.培養(yǎng)積極動手操作的習慣，提高分析解決問題的能力；2.積極鼓勵小組協(xié)調和合作學習的精神。教學重點1.電阻應變片的工作原理；2.電阻應變片的結構及分類；3.電阻應變式壓力傳感器測量電路。教學難點1.電阻應變片的工作原理；2.電阻應變片的結構及分類；3.電阻應變式壓力傳感器測量電路。教學策略教法學法講解，分析討論，動畫觀看，ppt展示教學手段教具準備課件，多媒體，ppt，圖片，動畫，視頻教學過程教學要點及教師活動學生活動教學引入在日常生活中我們經常會遇到稱重問題，例如去超市買菜要稱重量，生產中原料要按照一定比例進行配比。從過去到現(xiàn)在，我們用來稱重的工具也在隨著科技的發(fā)展，更新?lián)Q代。典型的稱重設備，它們分別是如何稱重的？學生思考，了解傳感器在生產生活中的應用。教學過程教學要點及教師活動學生活動電阻應變式傳感器是將被測量的應力（壓力、荷重、扭力等）通過所產生的金屬彈性形變轉換成電阻變化的檢測元件。一、電阻應變式傳感器1.工作原理電阻應變式傳感器主要由彈性敏感元件、電阻應變片、補償電阻和外殼等組成。彈性敏感元件受到所測量的力而產生變形，并使附著其上的電阻應變片一起變形。電阻應變片再將變形轉換為電阻值的變化，通過轉換電路將其轉變成電量輸出,電量變化的大小反映了被測物理量的大小，從而可以測量力、壓力、扭矩、位移、加速度等多種物理量。電阻應變片的電阻隨著它所承受的機械變形（伸長或縮短）的大小發(fā)生變化的一種物理現(xiàn)象稱為電阻的應變效應。2.電阻應變片的結構電阻應變片有敏感柵、引線、粘結劑、覆蓋層和基底五部分組成。（1）敏感柵是應變片中把應變量轉換成電阻變化量的敏感部分，它是用金屬絲或半導體材料制成的單絲或柵狀體。（2）引線是從敏感柵引出電信號的絲狀或帶狀導線。（3）粘結劑：是具有一定電絕緣性能的粘結材料，用它將敏感柵固定在基底上。（4）覆蓋層：用來保護敏感柵而覆蓋在上面的絕緣層。（5）基底：用以保護敏感柵，并固定引線的幾何形狀和相對位置。3.電阻應變片的分類目前應用最廣泛的電阻應變片有兩種：金屬應變片和半導體應變片。（1）金屬應變片金屬電阻應變片的種類繁多，形式多樣，常見的結構有金屬絲式應變片、金屬箔式應變片和薄膜式應變片。1）金屬絲式應變片是使用最早、最多，因其制作簡單、性能穩(wěn)定、價格低廉、易于粘貼而被廣泛使用。金屬絲式應變片有回線式和短接式二種。其中回線式最為常用，制作簡單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，但其應變橫向效應較大。短接式應變片兩端用直徑比柵線直徑大5～10倍的鍍銀絲短接。優(yōu)點是克服了橫向效應，但制造工藝復雜。2）金屬箔式應變片是利用照相制版或光刻技術將厚約0.003～0.01mm的金屬箔片制成所需圖形的敏感柵，也稱為應變花。其優(yōu)點是與基底的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，能將溫度影響減小到最小的程度，適合于大批量生產。缺點是電阻值的分散性比金屬絲的大，有的相差幾十歐姆，需做阻值調整。在常溫下，金屬箔式應變片已逐步取代了金屬絲式應變片。3）薄膜應變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1μm以下的金屬電阻薄膜的敏感柵,最后再加上保護層。它的優(yōu)點是應變靈敏度系數大,允許電流密度大,工作范圍廣。（2）半導體應變片1半導體應變片是用半導體材料制成的,其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。所謂壓阻效應，是指半導體材料在某一軸向受外力作用時,其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象。半導體應變片的優(yōu)點是靈敏度高比金屬絲式高50～80倍，機械滯后小，橫向效應小，體積小.缺點是溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。目前，國產半導體應變片大都采用P型硅單晶制成。1二、電阻應變式壓力傳感器測量電路電阻應變式傳感器是將被測量的應力通過所產生的金屬彈性形變轉換成電阻變化，通過轉換電路將其轉變成電量輸出的檢測元件。由于機械應變一般都很小，要把微小應變引起的微小電阻值的變化測量出來，同時，要把電阻相對變化轉換為電壓或電流的變化，因此，需要設計專用的測量電路。在測量實際中我們常用直流橋式測量電路作為電阻應變式傳感器的測量轉換電路。1.直流電橋直流電橋的R1，R2，R3，R4稱為電橋的橋臂。RL為其負載（可以是測量儀表內阻或其他負載）。當時，電橋的輸出電壓應為：當電橋平衡時，，此稱為電橋平衡條件。2.常用電橋測量電路根據工作中電阻應變片參與變化的橋臂的個數，將電橋測量電路分為：半橋單臂式、半橋雙臂式、全橋式三種電路。（1）半橋單臂式半橋單臂式電路，其中只有一個橋臂R1阻值隨被測量而變化，即R1是電阻應變片，若四個橋臂的初始電阻值相等，則（2）半橋雙臂式半橋雙臂式電路，其中有相鄰兩個橋臂R1，R2阻值隨被測量而變化，即R1，R2是電阻應變片，若四個橋臂的初始電阻值相等，即設相鄰兩個橋臂阻值變化量相等時，為使輸出不為零且提高靈敏度，使電阻變化方向相反（即一個阻值增大，另一個則減?。瑒t：（3）全橋式全橋式電路，其中有四個橋臂R1，R2，R3，R4阻值都隨被測量而變化，即R1，R2，R3，R4都是電阻應變片，若四個橋臂的初始電阻值相等，即：設四個橋臂的阻值變化量相等，且為使輸出不為零且提高輸出靈敏度，任意兩相鄰橋臂電阻值變化方向均相反，則：綜上所述可以看出，在三種全橋電路中全橋電路的靈敏度是最好的，相同條件下，它的輸出值是最大的，所以大多數情況下我們都采用全橋電路作為電阻應變式傳感器的測量轉換電路。三、電阻應變式傳感器的應用常用的電阻應變式傳感器有應變式測力傳感器、應變式壓力傳感器、應變式扭矩傳感器、應變式位移傳感器、應變式加速度傳感器等。電阻應變式傳感器的優(yōu)點是精度高，測量范圍廣壽命長,結構簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。1.應變式測力傳感器應變式測力傳感器是利用電阻應變原理構成，粘貼在傳感器彈性體上的高檔箔式應變片組成全橋電路。當受到載荷作用時，彈性體產生變形，應變片也相應感受應變，從而使電橋失去平衡，并輸出與作用力大小成正比的電信號。2.應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器主要是測量氣體或液體壓力的薄板式傳感器。當氣體或液體壓力作用在薄板承壓面上時，薄板變形，粘貼在另一面的電阻應變片隨之變形，并改變阻值。這時測量電路中電橋平衡被破壞，產生輸出電壓。3.應變式扭矩傳感器應變式扭矩傳感器是由彈性軸直接與被測對象接觸（例如電機轉軸），在受到扭轉時發(fā)生形變，軸上會有應力和應變產生，其橫截面會受到一個剪應力，從而引起應變片產生形變，改變阻值，使測量電路中電橋失去平衡，產生輸出信號。4.應變式位移傳感器應變式位移傳感器是測試被測對象，在外力作用下，所產生的直線位移或與直線位移有關的非電量轉換成電量的的電測位移傳感器，可與靜態(tài)或動態(tài)應變儀搭配使用，可供水利水電、材料力學、橋梁隧道、航空和土木結構等科研教學和生產等各類試驗中的靜態(tài)、準靜態(tài)或低頻動態(tài)下的直線位移測試。5.應變式加速度傳感器應變式加速度傳感器原理是殼體與被測物體一起做加速度運動時，懸臂梁在質量快的慣性作用下反方向運動，使梁體發(fā)生形變，粘貼在梁上的應變片阻值發(fā)生變化。通過測量阻值的變化求出待測物體的加速度。應變式加速度傳感器可應用在控制手柄振動和搖晃、汽車制動啟動檢測、地震檢測、報警系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)視、工程測振、地質勘探、鐵路、橋梁、大壩的振振動測試與分析等。認真聽教師講解，有疑問舉手提問。隨著教師的思路共同分析思考教學反饋及檢測【案例分析】電阻應變式壓力變送器在球磨機中的應用球磨機是磨礦分級工序的主要設備，是工業(yè)生產中廣泛使用的高細磨機械之一，是物料被破碎之后，再進行粉碎的關鍵設備。球磨機廣泛應用于水泥，硅酸鹽制品，新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑與有色金屬選礦以及玻璃陶瓷等生產行業(yè)，對各種礦石和其它可磨性物料進行干式或濕式粉磨。球磨機的主軸承為低速，重負荷的滑動軸承，其主軸承運行可靠性對生產的影響很大。為保證球磨機的生產運行平穩(wěn)，每臺球磨機的主軸承潤滑都配備了潤滑油站，如圖3-3-14所示。球磨機運行時潤滑油系統(tǒng)如果出現(xiàn)故障將會造成球磨機主軸承潤滑油量少、無油，致使主軸承壓力油膜破壞，不能獲得液體摩擦，造成軸徑與軸瓦間的半干摩擦，并引起軸承合金發(fā)熱，嚴重時造成軸承合金脫落，磨機研瓦，從而導致球磨機不能正常運行。解決此現(xiàn)象關鍵就在潤滑油站安裝一壓力變送器，監(jiān)測油站出口壓力即可。因為此壓力監(jiān)測對磨機至關重要，需要時時關注。所以此信號需要上傳至自動化系統(tǒng)，當壓力值低時，聯(lián)鎖停球磨機電機。課堂小結1.電阻應變片的工作原理；2.電阻應變片的結構及分類；3.電阻應變式壓力傳感器測量電路。作業(yè)布置教材思考與練習教學反思教學內容任務四壓電式壓力傳感器課時2教學目標知識目標1.了解壓電式傳感器的工作原理；2.了解壓電式元件的結構及分類；3.了解壓電式傳感器的測量轉換電路；4.了解壓電式傳感器的實際應用及接線。能力目標1.能利用壓電式傳感器測量壓力；2.能識別各種壓電式傳感器。素質目標1.養(yǎng)成獨立思考和解決問題的習慣；2.培養(yǎng)小組團結協(xié)作的學習精神。教學重點1.壓電式傳感器的工作原理；2.壓電式元件的結構及分類；3.壓電式傳感器的測量轉換電路；4.壓電式傳感器的實際應用及接線。教學難點1.壓電式傳感器的工作原理；2.壓電式傳感器的測量轉換電路；教學策略教法學法講解，分析討論，動畫觀看，ppt展示教學手段教具準備課件，多媒體，ppt，圖片，動畫，視頻教學過程教學要點及教師活動學生活動教學引入在生產過程中，壓力檢測與調控系統(tǒng)的應用非常廣泛。且對壓力的監(jiān)控是保證工藝要求、生產設備和人身安全、實現(xiàn)經濟運行所必須的。今天我們將學習另外一種壓力檢測方法——壓電式壓力傳感器。我們可以在日常生活中找到類似壓電式的實際應用，例如打火機，打火機點火就是一種壓電打火的應用。學生思考，了解傳感器在生產生活中的應用。教學過程教學要點及教師活動學生活動壓電式傳感器是一種自發(fā)電式和機電轉換式傳感器，是典型的無源傳感器。它可以對各種動態(tài)力、機械沖擊和振動進行測量，在聲學、醫(yī)學、力學、導航方面都得到廣泛的應用。它具有體積小、質量輕、頻響高、信噪比大等特點。一、壓電式傳感器壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質材料的壓電效應，它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產生電荷，此電荷經電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。1.壓電效應某些電介質，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，其內部就產生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產生符號相反的電荷，當外力去掉后，其又重新恢復到不帶電狀態(tài)，當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變，晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比，這種現(xiàn)象稱壓電效應（正壓電效應）。相反，當在電介質極化方向施加電場，這些電介質也會產生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應”（電致伸縮效應）。2.壓電材料自然界許多晶體具有壓電效應，但十分微弱，研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。應用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電晶體、經過極化處理的壓電陶瓷、新型壓電材料。（1）壓電晶體壓電晶體中我們常用的是天然的石英晶體，如圖3-4-3所示，在實際使用時需要把石英晶體切片封裝，如圖3-4-4所示。石英晶體各個方向的特性是不同的。其中縱向軸z稱為光軸，經過六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時垂直的軸y稱為機械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”，而把沿機械軸y方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”。而沿光軸z方向的力作用時不產生壓電效應。石英晶體是一種應用廣泛的壓電晶體。石英晶體振蕩器（晶振），在振蕩電路中工作時，壓電效應與逆壓電效應交替作用，從而產生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。（2）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，如圖3-4-7所示，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內外生產的壓電元件絕大多數都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。壓電陶瓷內部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質。在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強，就有更多的電疇更完全地轉向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當外電場去掉后，電疇的極化方向基本沒變化，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性。（3）新型壓電材料新型壓電材料一般常用的有兩種：一種是壓電半導體，一種是高分子壓電材料。壓電半導體材料有ZnO、CdS（硫化鎘）、CdTe（碲化鎘）等，具有靈敏度高，響應時間短等優(yōu)點。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測力和溫度等參數。典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據需要制成薄膜或電纜套管等形狀；不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度；價格便宜，頻率響應范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達80dB。二、壓電式傳感器的測量電路1.壓電式傳感器的等效電路將壓電晶片產生電荷的兩個晶面封裝上金屬電極后，就構成了壓電元件。當壓電元件受力時，就會在兩個電極上產生電荷，因此，壓電元件相當于一個電荷源；兩個電極之間是絕緣的壓電介質，因此它又相當于一個以壓電材料為介質的電容器，則其電容量Ca為：—壓電陶瓷或石英晶體的介電常數A—極板面積d—壓電元件厚度。壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri,輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra。這樣，壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實際等效電路。2.壓電元件的連接單片壓電元件產生電荷量甚微，為提高壓電傳感器輸出靈敏度，在實際應用中常采用兩片或以上同型號壓電元件粘貼組合。因此，考慮電荷的極性因素，其連接法分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。（1）并聯(lián)連接：兩壓電元件的負極集中在中間極板上，正極在上下兩邊并連接在一起，此時電容量大，輸出電荷量大，適用于測量緩變信號和以電荷為輸出的場合。（2）串聯(lián)連接：上極板為正極，下極板為負極，在中間是一元件的負極與另一元件的正極相連接，此時傳感器本身電容小，輸出電壓大，適用于要求以電壓為輸出的場合，并要求測量電路有高的輸入阻抗。3.壓電式傳感器測量電路壓電傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗前置放大器。其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：電荷放大器和電壓放大器。（1）電荷放大器并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電荷源。電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容Cf和高增益運算放大器構成。電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關，電纜電容等其他因素的影響可以忽略不計。（2）電壓放大器串聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電壓源。由于壓電效應引起的電容量很小，因而其電壓源等效內阻很大，在接成電壓輸出型測量電路時，要求前置放大器不僅有足夠的放大倍數，而且應具有很高的輸入阻抗。

三、壓電式壓力傳感器的應用壓電式傳感器的基本原理是利用壓電材料的壓電效應，即當施加力作用在壓電材料上，傳感器就有電荷（或電壓）輸出。電荷在無泄漏條件下才能保持，即需要測量回路需要無限大的輸入阻抗，但無法實現(xiàn)，所以壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。只有在交變力的作用下，電荷才可以得到不斷補充，供給測量回路能量，故適于動態(tài)測量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時，靈敏度下降）。壓電式傳感器具有響應頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結構簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點，在諸多行業(yè)中得到了廣泛的應用，如工程力學、生物醫(yī)學、石油勘探、聲波測井、電聲學等許多技術領域。認真聽教師講解，有疑問舉手提問。隨著教師的思路共同分析思考教學反饋及檢測【案例分析】壓電式傳感器檢測應用壓電式玻璃打碎報警裝置，它采用的是高分子壓電材料，將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10′20mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護膜覆蓋。使用時，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動，表面產生電荷，在兩個輸出引腳之間產生窄脈沖報警信號。壓電式周界報警系統(tǒng)，將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風或聽音器的作用，可在幾十米范圍內探測人的步行,對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統(tǒng)分辨出來。汽車發(fā)動機中的氣缸點火時刻必須十分精確。如果恰當地將點火時間提前一些，即有一個提前角，就可使汽缸中汽油與空氣的混合氣體得到充分燃燒，使扭矩增大，排污減少。但提前角太大時，混合氣體產生自燃，就會產生沖擊波，發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲，稱為爆震，可能使火花塞、活塞環(huán)熔化損壞，使缸蓋、連桿、曲軸等部件過載、變形，可用壓電傳感器檢測爆震并控制。課堂小結1.壓電式傳感器的工作原理；2.壓電式元件的結構及分類；3.壓電式傳感器的測量轉換電路；4.壓電式傳感器的實際應用及接線。作業(yè)布置教材思考與練習教學反思教學內容任務五差動變壓器式傳感器課時2教學目標知識目標1.了解差動變壓器式傳感器的工作原理；2.了解差動變壓器式傳感器的結構及分類；3.理解差動變壓器式傳感器的測量轉換電路；4.掌握差動變壓器式傳感器的實際應用及接線方法。能力目標1.能利用差動變壓器式傳感器測量壓力；2.會識別各種差動變壓器式傳感器。素質目標1.培養(yǎng)全面分析和解決問題的能力；2.培養(yǎng)勤觀察、勤動手的良好習慣。教學重點1.差動變壓器式傳感器的工作原理；2.差動變壓器式傳感器的結構及分類；3.差動變壓器式傳感器的測量轉換電路；4.差動變壓器式傳感器的實際應用及接線方法。教學難點1.差動變壓器式傳感器的測量轉換電路；2.差動變壓器式傳感器的實際應用及接線方法。教學策略教法學法講解，分析討論，動畫觀看，ppt展示教學手段教具準備課件，多媒體，ppt，圖片，動畫，視頻教學過程教學要點及教師活動學生活動教學引入壓電式傳感器在技術層面有局限性，比如它只能檢測動態(tài)力，而在測量靜態(tài)力時就不能運用壓電式傳感器來完成測量了。對于靜態(tài)力如何測量呢？在電學中我們學習過電磁感應，到銜鐵移動時在次級線圈B中的感應電流也將發(fā)生改變，這就是我們將學習的另外一種壓力檢測傳感器——差動變壓器式壓力傳感器的實驗模型。學生思考，了解傳感器在生產生活中的應用。教學過程教學要點及教師活動學生活動一、差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器是一種廣泛用于電子技術和非電量檢測中的變壓裝置。用于測量位移、壓力、振動等非電量參量。它既可用于靜態(tài)測量，也可用于動態(tài)測量。1.差動變壓器式傳感器的結構差動變壓器式傳感器主要由銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈骨架等組成。初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當于變壓器的原邊；次級線圈由兩個結構尺寸和參數相同的相同線圈反相串接而成，相當于變壓器的副邊。2.差動變壓器式傳感器的工作原理差動變壓器式傳感器的工作原理類似變壓器的作用原理，即電磁感應的互感現(xiàn)象。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測量帶動銜鐵改變而變化。由于在使用時采用兩個二次繞組反向串接，以差動方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱為差動變壓器式傳感器。差動變壓器式傳感器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響），它的等效電路圖中U1為一次繞組激勵電壓；M1、M2分別為一次繞組與兩個二次繞組間的互感：L1、R1分別為一次繞組的電感和有效電阻；L21、L22分別為兩個二次繞組的電感；R21、R22分別為兩個二次繞組的有效電阻。對于差動變壓器式傳感器，當銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組繞向相同，因而由一次側激勵引起的感應電動勢相同。由于兩個二次繞組反向串接，所以差動輸出電動勢為零。當銜鐵移向二次繞組L21一邊，這時互感M1大，M2小，因而二次繞組L21內感應電動勢大于二次繞組L22內感應電動勢，這時差動輸出電動勢不為零。在傳感器的量程內，銜鐵移動越大，差動輸出電動勢就越大。同樣道理，當銜鐵向二次繞組L22一邊移動差動輸出電動勢仍不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。二、差動變壓器式傳感器的分類差動變壓器式傳感器依據結構原理不同可分為：變隙式差動變壓器式傳感器、變面積式差動變壓器式傳感器、螺線管式差動變壓器式傳感器三種。1.變隙式差動變壓器式傳感器變隙式差動變壓器式傳感器，a、b兩種結構的變隙式差動變壓器，圖中C為銜鐵，當圖a中銜鐵上下移動或者圖b中銜鐵左右移動時，改變了銜鐵與鐵芯間隙大小，即導致互感發(fā)生變化，這會導致次級線圈有信號輸出，從而檢測被測量。這種傳感器靈敏度高，測量范圍較窄，一般用于測量幾微米到幾百微米的機械位移。2.螺線管式差動變壓器式傳感器螺線管式差動變壓器式傳感器，當螺線管中的銜鐵隨著被測量移動時，線圈中的互感會發(fā)生變化，使次級線圈有