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电阻应变式压力传感器

发布日期:2020-09-14 12:49

  第二章 压力传感器及其仪表 的安装与调试 第一节 认识压力传感器(4课时) 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 主要内容 单元内容 一、知识讲解 1、电阻应变式压力传感器 2、电容式压力传感器 3、电感式压力传感器 4、压电式压力传感器 5、扩散硅压力传感器 二、归纳总结 三、作业 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感主器要内容 教学目标 教 (1)掌握常用压力传感器(如电阻应变式、电感式、电容式、压电式、压阻式、差 学 动变压器式)压力检测原理; 目 (2)各种压力检测的方法。 标 (3)能识别不同种类的压力传感器; (4)能区分常见压力传感器的检测方法、信号转换、应用场合、优缺点等。 重点 教 学 重 点 (1)常用压力传感器检测压力的方法; 难 (2)不同类型压力传感器的认识。 点 难点 常见压力传感器工作原理,仪表信 号采集与测量。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感主器要内容 图示为电子称,是机械称(杆 称)加装传感器,将机械信号转 换为电信号并传输到计算机中, 实现了物体重量的测量、计算和 显示,实现了智能化。 问题:电子称是如何实现机与 电的有机结合的?(平行梁式称重 传感器) 日照职业技术学院 电子称实物图 电子称工作原理图 宁静致远 认识压力传感主器要内容 车床中用于动态切削力的测量 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 主要内容 知识讲解 在生产过程中,压力检测与调节控制系统的应用 非常广泛,例如锅炉蒸汽和水的压力监控;炼油厂减 压蒸馏需要的低于大气的真空压力检测;在航空发动 机试验研究中,为了研究发动机性能,必须测量过渡 态的压力变化;电力系统中油路压力的测量和控制等。 对压力监控是保证工艺要求、生产设备和人身安全, 实现经济运行所必须的。 检测压力的传感器主要有电阻应变式传感器、电 感式传感器、压电式传感器、电容式传感器、压阻式 传感器。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感主器要内容 一、电阻应变式压力传感器 1、认识几种应变式压力传感器 电阻应变式压力传感器常应用于称重和测力领 域,是借助弹性敏感元件将力的变化转化为形变, 然后利用电阻导体的应变将力转变成电阻值的变 化,通过测量电路得到被测量——力的电信号, 最后将电信号的变化值转化为对应的测力值。 电阻应变式压力传感器主要由弹性元件、电 阻应变片和测量电路组成。下图所示为几种常见 的电阻应变式传感器。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传主感器要内容 一、电阻应变式压力传感器 1、认识几种应变式压力传感器 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 一、电阻应变式压力传感器 1、认识几种应变式压力传感器 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感主器要内容 一、电阻应变式压力传感器 2、电阻应变效应 电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即导体或半导体材料 在外界力的作用下产生机械形变时,其电阻值相应发生变化,这 种现象称为“应变效应”。 由电工学可知,金属丝电阻R可用下式表示: (2-1) 式中 ρ──电阻率,Ω·m; l──电阻丝长度,m; A──电阻丝截面积,m2。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 一、电阻应变式传感器 2、 理解应变效应 取一根细电阻丝,两端接上一台3 1/2位数字式欧姆表(分辨 率为1/2000),记下其初始阻值( ? )。当我们用力将该 电阻丝拉长时,会发现其阻值略有增加为( ?)。测量应力 、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 一、电阻应变式压力传感器 2、电阻应变效应 当沿金属丝的长度方向施加均匀力时,上式中 ρ、r、l 都将发生变化,导致电阻值发生变化。 即得到以下结论:金属丝受外力作用而伸长时,长 度增加,而截面积减少,电阻值会增大;当金属丝 受外力作用而压缩时,长度减小,而截面增加,电 阻值会减小。阻值变化通常较小。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感主器要内容 一、电阻应变式压力传感器 2、电阻应变效应 实验证明,电阻应变片的电阻应变εR=?R/R与电阻应变片的 纵向应变εx的关系在很大范围内是线) 式中 ? R/ R ── 电阻应变片的电阻应变; K ── 电阻丝的灵敏系数,表示电阻丝产生单位形变 时电阻值相对变化的大小,是与金属材料有关的常数。K值越大, 单位形变引起的电阻值相对变化越大,灵敏度也就越高;不同的 金属材料有不同的灵敏系数,通常取值K= 1.7~3.6 。 εx为电阻丝的轴向应变量,εx=dl/l。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 一、电阻应变式压力传感器 3、电阻应变片的结构、材料 电阻应变片的典型结构 如图2-1所示,由敏感栅、 基底、覆盖层和引线 电阻应变片的结构简图 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传主感器要内容 一、电阻应变式压力传感器 4、电阻应变片的分类 按电阻应变片敏感栅材料不同,可分为金属应变片和半导体应 变片两大类。如图2-2为 几种不同类型的电阻应变片。 图3-2 电阻丝应变片结构形式. (a)丝式应变片;(b)箔式应变片;(c)半导体应变片 1—基底;2—应变丝或半导体;3—引出线—外 引线 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传主感器要内容 一、电阻应变式压力传感器 4、电阻应变片的检测电路 (1)直流电桥平衡条件 当RL→∞时,电桥输出电压为 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 主要内容 一、电阻应变式压力传感器 4、电阻应变片的检测电路 (2)单臂电桥 R1为电阻应变片,R2、R3、R4为电桥固定电阻,这就构成了单臂电桥。 (3-5) 日照职业技术学院 单臂电桥 宁静致远 认识压力传感器 主要内容 一、电阻应变式压力传感器 4、电阻应变片的检测电路 (2)单臂电桥 n=1时,为最大值 日照职业技术学院 (3-6) (3-7) 宁静致远 认识压力传主感器要内容 一、电阻应变式压力传感器 4、电阻应变片的检测电路 日照职业技术学院 图3-4 差动电桥 (a)半桥; (b) 全桥 宁静致远 认识压力传感器 主要内容 一、电阻应变式压力传感器 (a)半桥输出电压为 (3-8) (b)全桥差动电路 (3-9) 日照职业技术学院 (3-10) 宁静致远 认识压力传感器 主要内容 一、电阻应变式压力传感器 5、筒式压力传感器 当被测压力与应变管的内腔相通时,应变管部分产生应变, 在薄 壁筒上贴2片应变计做工作片,实心部分贴2片应变计做温度补偿应变 片。没有压力作用时,这4片应变片构成的全桥处于平衡;当外部压力 作用于应变管内腔时,圆管发生形变,使全桥失去平衡。这种压力传 感器测量范围在106Pa~107Pa或更高的压力。其结构简单,制作方 便,使用面宽,在测量火炮、炮弹、火箭的动态压力方面得到了广泛 应用。 日照职业技术学院 图3-3 筒式压力传感器 宁静致远 认识压力传感器 主要内容 一、电阻应变式压力传感器 6、膜片压力传感器 膜片压力传感器的工作原理是,当气体或液体压力作用在弹性元件膜 片的承压面上时,膜片变形,使粘贴在膜片另一面的电阻应变片随之 形变,并改变阻值。这时测量电路中的电桥失去平衡,产生输出电压 。 日照职业技术学院 图2-3 膜片压力传感器 宁静致远 认识压力传感器 主要内容 二、电容式压力传感器 (a)不锈钢电容 (b)血压计用电 式压力传感器 容式压力传感器 (c)投入式电容 (d)智能型管道测量用 式压力传感器 电容式压力传感器 图3-4 电容式压力传感器 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 二、电容式压力传感器 (一)、电容式压力传感器原理结构 电容式压力传感器是利用电容作为敏感元件将 被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力 传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作 为电容器的一个电极,当薄膜感受压力而变形时, 薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化,通过 测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。 电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感 器,如图2-8所示,是由一个固定极板和一个弹性 膜片(即动极板)组成。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 二、电容式压力传感器 (一)、电容式压力传感器原理结构 1、单电容式压力传感器 P 弹性膜片(动电极) 固定电极 C0 ? ? 0? r S d0 (a)变极距型电容式传感器结构原理图 (b) 变极距型电容式传感器 图2-8 单电容式压力传感器(属于变极距 电容式传感器) 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 二、电容式压力传感器 (一)、电容式压力传感器原理结构 1、单电容式压力传感器 当传感器的εr和S为常数,初始极距为d0时,可知其初始电容量C0为 C0 ? ? 0? r S d0 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd,电容量增大了ΔC,则有 日照职业技术学院 C ? C0 ? ?C ? ?0?r S d0 ? ?d ? 1 C0 ? ?d d0 宁静致远 认识压力传感器 二、电容式压力传感器 (一)、电容式压力传感器原理结构 1、单电容式压力传感器 日照职业技术学院 电容量与极板间距离的关系 宁静致远 认识压力传感器 二、电容式压力传感器 (一)、电容式压力传感器原理结构 1、单电容式压力传感器 因Δd的极距变化很小,使Δd/d01时,则有近似的线性关系为: ?C ? ?d C0 d0 电容式传感器的灵敏度为: Sn ? ?C ?d ? C0 d0 可见,要提高灵敏度,应减小d0。但d0过小,容易引起电容器击穿或短路。为 此,常用提高介电常数的方法,即在两级板间加云母、塑料膜等介质。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 二、电容式压力传感器 2、差动电容式压力传感器 在实际应用中,为提高灵敏度和线性度,克服电源电压、环境温度变化等外界条 件影响,又研制出了差动式电容式压力传感器,如下图所示,上下两极板是固定极 板,中间极板是活动极板,未开始测量时将活动极板调整在中间位置,两边电容相 等。测量时,中间极板向上或下平移,就会引起电容量的上增下减或反之。 日(照a)职业差技动术式学电院容压力传感器结构原理图 δ1 δ2 S (b)差动平板式电容传宁感静器致结构远 认识压力传感器 二、电容式压力传感器 2、差动电容式压力传感器 当动极板向上位移Δδ时: 电容器C1的间隙δ1变为δ0–Δδ ; 电容器C2的间隙δ2变为δ0+Δδ ; 则: C1 ? C0 1 1 ? ?? ?0 1 C2 ? C0 1? ?? ?0 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 2、差动电容式压力传感器 在Δδ /δ 0 1时,按级数展开: C1 ? C0 [1 ? ?? ?0 ? ( ?? ?0 )2 ? ( ?? ?0 )3 ? ...] C2 ? C0[1? ?? ?0 ?? ?( ?0 )2 ?? ?( ?0 )3 ? ...] 电容值总的变化量为: ?C ? C1 ? C2 ? C0[2 ?? ?0 ?? ? 2( ?0 )3 ?? ? 2( ?0 )5 ? ...] 电容值相对变化量为: ?C ? 2 ?? [1? ( ?? )2 ? ( ?? )4 ? ...] ≈ C 日照职业技术学院 0 ?0 ?0 ?0 宁静致远 单元一 认识压力传感器 声压传感器(即电容传声器) 传声器(Microphone)即话筒,音译作麦克风,目前使用的话筒 大多是动圈式和电容式。 电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为 输出电压。 驻极体电容传声器 日照职业技术学院 大膜片电容传声器 宁静致远 认识压力传感主器要内容 三、电感式压力传感器 利用电磁感应原理将被测量如位移、压力、振动 等转换成线圈自感L或互感量系数M的变化,再由测量 电路转换为电压或电流的变化量输出,这种装置称为 电感式传感器 。 (一)自感式压力传感器 自感式压力传感器也称变磁阻式压力传感器,它 是在压力作用下使衔铁或铁芯位移,引起线圈的电感 发生变化而工作的。根据结构不同分为变间隙式和螺 管式两种。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 主要内容 三、电感位移传感器 1、变气隙式电感式压力传感器 L1 线 日照职业技术学院 ??? 衔铁 宁静致远 认识压力传感器 三、电感式压力传感器 1、变气隙式压力传感器 由物理学可知,初始状态时线圈的电感为 式中,N为线H/m,A为铁 芯的截面积,d为气隙厚度。 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd,电容量增大了ΔL,则有 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 三、电感式压力传感器 1、变气隙式压力传感器 因Δd的极距变化很小,使Δd/d01时,则有近似的线性关系为: 变气隙电感式传感器的灵敏度为: 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感主器要内容 三、电感压力传感器 2、螺管式电感式压力传感器 当铁芯发生位移时,将引起线圈电感的变化。线圈的电感量与铁芯插入线圈的长 度有如下的关系。铁芯随被测物体一起移动,导致线圈电感量发生变化。其检测 位移量可从数毫米到数百毫米。缺点是灵敏度低。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感主器要内容 三、电感式压力传感器 2、差动变压器式压力传感器 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传主感器要内容 三、电感位移传感器 2、差动变压器式压力传感器 初级线加交流励磁电压Uin, 次级线圈上由于电磁感应而产生感 应电压。 由于两个次级线圈反极性串接, 所以两个次级线圈中的感应电压 UOUT1和UOUT2的相位相反,当铁芯 处于中心对称位置时,则 UOUT1=UOUT2,所以UOUT=0。 当铁芯向两端位移时,UOUT1大 于或小于UOUT2,使UOUT不等于零, 其值与铁芯的位移成正比。 特点:结构简单、灵敏度高、线性度好和测量范围宽。缺点是存在零点残余 电动势。可采用相敏检波电路等措施进行补偿。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 螺线管式差动变压器转换电路 (1)差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量,只能 反映衔铁位移的大小,不能反映移动的方向) (2)测量值中将包含零点残余电压 为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的,实 际测量时,常常采用差动整流电路和相敏检波电路。 (1) 差动整流电路 把差动变压器的两个次级输出电压分别整流,然后将整流的 电压或电流的差值作为输出。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 螺线管式差动变压器转换电路 1 T Ui ?x R0 U o (a)半波电压输出 a Tb Ui c ?x d 4 29 C1 3 11 R0U o 5 8 6 C2 10 7 (c)全波电压输出 T Ui ?x R0 Uo T Ui ?x Uo R0 (b)半波电流输出 (d )全波电流输出 日照职业技术学院 差动差整动流整流电电路路 宁静致远 认识压力传感器 主要内容 四、压电式压力传感器 压电式脚踏报警器 石英晶体振荡器(晶振) 日照职业技术学院 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 宁静致远 认识压力传感主器要内容 四、压电式压力传感器 压电式传感器主要应用类型 压电式传感器主要应用类型表中列给出了压电传感器的主要应用 类型。目前它们已经在工业、民用和军事方面得到广泛应用,但其中 用得最多的还是力敏类型: 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感主器要内容 四、压电式压力传感器工作原理 压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质 的压电效应为基础,在外力作用下,在电介质表面产生电荷, 从而实现非电量电测的目的。 压电传感元件是力敏感元件,它可以测量最终能变换为 力的那些非电物理量,例如动态力、动态压力、振动加速度 等,但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比 大等特点。由于它没有运动部件,因此结构坚固、可靠性、 稳定性高。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 四、压电式压力传感器 (一)压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱,用金刚石刀具切割 出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时,晶格产生变形 ,表面产生正电荷,电荷Q与所施加的力F成正比 ,这种现 象称为压电效应 。还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压,它就会产生机 械变形。当去掉外加电场时,电介质的变形随之消失,这种 现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)。 日照职业技术学院 宁静致远 单元一 认识压力传感器 石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时,电荷的极性随之改变,输出电压的频率与动态力的频 率相同;当动态力变为静态力时,电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 四、压电式压力传感器 (二)、压电材料 自然界中的大多数晶体具有压电效应,但压电效应十分明显的并不多。 天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡等材料是 压电效应性能优良的压电材料。 压电材料基本上可分为三大类:压电晶体、压电陶瓷和有机压电材料。 (1)压电晶体是一种单晶体,例如,石英晶体、酒石酸钾钠等;(2)压 电陶瓷是一种人工制造的多晶体,例如:锆钛酸铅、钛酸钡、铌酸锶等; (3)有机压电材料属于新一代的压电材料,其中较为重要的有半导体和 高分子压电材料。压电半导体有氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)、碲化 镉(CdTe)、硫化镉(CdS)、碲化锌(ZnTe)和砷化镓(GaAs)等。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 (1) 压电式力传感器 压电式传感器是以压电元件为转换元件,输出电荷与作用力成正比的力 - 电转换装置。常用的形式为荷重垫圈式,它由基座、盖板、石英晶片、电 极以及引出插座等组成。如示的是YDS-78型压电式单向力传感器的结构, 它主要用于频率变化不太高的动态力的测量。 被测力通过传力上盖使压电 元件受压力作用而产生电荷。由 于传力上盖的弹性形变部分的厚 度很薄,只有0.1~0.5mm,因此 灵敏度很高。 1-传力上盖板 2-压电片 3-电极 4-电极引出插头 5-绝缘材料 6-基座 YDS-78型压电式单向力传感器的结构示意图 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 (3) 压电式金属加工切削力测量传感器 图示是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。由于压电 陶瓷元件的自振动频率高,特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压 电传感器位于车刀前部的下方,当进行切削加工时,切削力通过刀 具传给压电传感器,压电传感器将切削力转换为电信号输出,记录 下电信号的变化可测得切削力的变化。 日照职业技术学院 宁静致远 压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量 日照职业技术学院 宁静致远 压电式声传感器 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 五、压阻式压力传感器 1、压阻式压力传感器的工作原理:半导体的压阻效应 固体受到作用力后,电阻率就要发生变化,这种效 应称为压阻效应 。 半导体材料的压阻效应特别强。 压阻式传感器的灵敏系数大,分辨率高。频率响应 高,体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参 数。 因为半导体材料对温度很敏感,因此压阻式传感器 的温度误差较大,必须要有温度补偿。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 五、压阻式压力传感器 2、扩散硅压阻式压力传感器 压阻式压力传感器结构简图 1—低压腔 2—高压腔 3—硅杯 4—引线—硅膜片 采用N型单晶硅为传感器的弹性元件, 在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感器 2、 扩散型压阻式压力传感器 工作原理: 膜片两边存在压力差时,膜片产生变形,膜片上各点产生应力。 四个电阻在应力作用下,阻值发生变化,电桥失去平衡, 输出相应的电压,电压与膜片两边的压力差成正比。 压阻式压力传感器结构简图 1—低压腔 2—高压腔 3—硅杯 4—引线—硅膜片 日照设职计业技时术学,院适当安排电阻的位置,可以组成差动电桥宁。静致远 认识压力传感器 2、 扩散型压阻式压力传感器 扩散型压阻式压力传感器特点: ? 优点: 体积小,结构比较简单,动态响应也好,灵敏度高,能测 出十几帕的微压,长期稳定性好,滞后和蠕变小,频率响应高, 便于生产,成本低。 ? 测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利 用微处理器对非线性和温度进行补偿。 日照职业技术学院 宁静致远 认识压力传感主器要内容 归纳总结 1、电阻应变式压力传感器 2、电容式压力传感器 3、电感式压力传感器 4、压电式压力传感器 5、扩散硅压力传感器 作业 以表格的形式,总结各种压力传感器的工作原理、性能特点、应用场合,逐条 分析压力传感器选用的规定。 日照职业技术学院 宁静致远

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