压力检测 (5).ppt

第三章压力及力的检测,第一节压力的概念及单位绝对压力表压力负压力真空度,第二节应变式压力计,一应变效应导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。,由电工学可知，设有一长度为l、截面积为a、半径为r、电阻率为的金属单丝工作原理:,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。,应变片用于测量力F的计算公式,由材料力学可知，x=F/（AE），所以R/R又可表示为,如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积A以及弹性模量均为已知，则只要设法测出R/R的数值，即可获知试件受力的大小,传感器与自动检测技术,二、结构类型与粘贴,金属应变片,半导体应变片,1、结构类型,传感器与自动检测技术,l称应变片的标距或工作基长b称应变片的工作宽度b*l称应变片的规格,（1）金属丝式,传感器与自动检测技术,金属丝式应变片的内部结构,传感器与自动检测技术,（2）箔式通过光刻、腐蚀而成，散热条件好，电流密度高，灵敏度高，可制成任意形状。,传感器与自动检测技术,箔式应变片的外形,传感器与自动检测技术,（3）薄膜式真空蒸镀技术制成，特点同上。,传感器与自动检测技术,应变片粘贴演示,2、应变片的粘贴,1.应变片的检查与选择,2.试件的表面处理,3.底层处理,4.贴片,5.固化,6.粘贴质量检查,7.引线焊接与组桥连线,步骤：,传感器与自动检测技术,金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。,三、测量转换电路,例，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=19600N，求受拉后应变片的阻值R.,所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。,存在问题,解决方案,传感器与自动检测技术,不平衡电桥,取R1=R2=R3=R4,得,传感器与自动检测技术,1、单臂电桥,2、双臂电桥,R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感受到的应变12以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。,传感器与自动检测技术,3、四臂全桥,全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1R4产生的电阻增量（或感受到的应变14）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。,结论:上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。,传感器与自动检测技术,调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。,传感器与自动检测技术,四、温度补偿,1、补偿块补偿法,R1试件受力后应变片R1产生的电阻增量；R1t、R2t由温度变化引起的R1、R2的电阻增量。,补偿块温度补偿示意图,1试件2补偿块,传感器与自动检测技术,当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。,2、桥路自补偿法,五、应变效应的应用,2、将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。,电阻应变片的应用可分为两大类：,1、将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。,传感器与自动检测技术,1、应变式压力传感器,(1)弹性粱式(波纹管),国产BPR-2型压力传感器结构示意图,(2)应变筒式,传感器与自动检测技术,(3)压阻式固态压力传感器,高压进气口,低压进气口,绝对压力传感器,传感器与自动检测技术,小型压阻式固态压力传感器,呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器,p1进气管,p2进气管,固态压力传感器,传感器与自动检测技术,小型压阻式固态压力传感器,表压压力传感器,p1进气管,传感器与自动检测技术,2、应变式力传感器,传感器与自动检测技术,称重计,传感器与自动检测技术,应变式力传感器,F,F,F,F,传感器与自动检测技术,各种悬臂梁,传感器与自动检测技术,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,传感器与自动检测技术,汽车衡,传感器与自动检测技术,汽车衡称重系统,作业1如图所示，已知两个热电偶串联，热端所处的温度分别为t1和t2，冷端所处的温度为tn，已知t1=1500C，tn=200C，毫伏表测得的电压为30mV。求t2的温度。附相关分度表：,2两枚规格完全相同的金属应变片R1和R2，电阻为120，灵敏系数K0=2，两枚应变片一枚感应拉力一枚感应压力，应变大小均为1000，测量转换电路采用直流电桥的双臂半桥工作方式，电桥电源电压U=6V，求：(1)画出该电桥电路图；(2)求电桥输出电压UO。,特点:1、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。2、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。3、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。,第三节压电式压力及力传感器,一、基本工作原理,1压电效应,某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。,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）,2.逆压电效应,二、压电材料的分类及特性,压电传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（如上述的石英体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。,1、石英晶体,天然形成的石英晶体外形,天然形成的石英晶体外形（续）,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,2、压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。,压电陶瓷外形,3、高分子压电材料,典型的高分子压电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。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,高分子压电薄膜及拉制,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,压电式脚踏报警器,高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）,三、压力传感器的测量转换电路,1压电元件的等效电路,a为电荷等效电路,b为电压等效电路,由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要转换电路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。,注意,2测量转换电路,由于电压前置放大器中的输出电压与电缆电容有关，故目前采用电荷前置放大器。电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，与电缆长度等因素的影响很小：,电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。,注意,四通道电荷放大器外形,.,其他电荷放大器外形,面板式电荷放大器,其他电荷放大器外形（续）,四、压电传感器的应用,1、高分子压电材料的应用,(1).玻璃打碎报警装置将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器,质量块,将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,(2)压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）,将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行,对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。,(3)交通监测,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。,高分子压电电缆的应用演示,将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。,2、压电陶瓷传感器的应用,压电片的并联接法,其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并为单片电荷Q的两倍。,2压电式传感器的应用,（1）压电式力传感器,压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用,压电式步态分析跑台,压电式纵跳训练分析装置,压电传感器测量双腿跳的动态力,第五节电容式压力及力传感器,电容式传感器通过电容传感元件将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。,传感器与自动检测技术,一、工作原理及结构形式,电容传感器的理想公式为,d极板间距离；A极板面积；电容极板间介质的介电常数。,传感器与自动检测技术,1、变极距式电容传感器,传感器与自动检测技术,a）结构示意图1定极板2动极板,b）电容量与极板距离的关系,传感器与自动检测技术,2、变面积式电容式传感器,传感器与自动检测技术,a）图是角位移型电容式传感器。当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化，此时电容值为,变间隙式电容传感器的几种形式,传感器与自动检测技术,变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。,传感器与自动检测技术,3、变介电常数电容式传感器,几种介质的相对介电常数,传感器与自动检测技术,经推导可知变介电常数式电容传感器其电容与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式表示：,其中A、B均为与结构和介质有关的常数,传感器与自动检测技术,1、变压器电桥,二、测量转换电路,传感器与自动检测技术,缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波后，才能辨别位移方向。,对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：,优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线性关系转化为位移与输出电压的线性关系。,可得：,传感器与自动检测技术,调频电路将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器的频率f产生相应的变化。,2、调频电路,传感器与自动检测技术,直放式调频电路原理框图,传感器与自动检测技术,3、脉冲宽度调制电路,经分析推导得：,脉冲调宽电路具有以下五方面的特点：,消除了非线性；,不需要相敏检波即能获得较大的直流输出；,电路只采用直流电源，不需要频率发生器；,频率对输出无影响；,对输出矩形波纯度要求不高。,三、电容式传感器的应用,电容器的容量受三个因素影响，即：极距d、相对面积A和极间介电常数。固定其中两个变量，电容量C就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。,传感器与自动检测技术,1、压力测量,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线路位置,内部不锈钢膜片的位置,电容式差压变送器,传感器与自动检测技术,电容式差压变送器内部结构,1高压侧进气口2低压侧进气口3过滤片4空腔5柔性不锈钢波纹隔离膜片6导压硅油7凹形玻璃圆片8镀金凹形电极9弹性平膜片10腔,传感器与自动检测技术,各种电容式差压变送器外形,第六节霍尔式压力计,一、霍尔效应,霍尔电压UH为：,式中RH霍尔常数,KH霍尔元件灵敏度,二材料及结构特点,霍尔元件一般采用具有N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。,1.锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。,2.锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。,3.砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。,采用砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用。,特点,小结,霍尔元件结构,（a）霍尔元件结构示意图（b）图形符号（c）外形,三基本电路,由于建立霍尔效应所需的时间很短（约10-12s10-14s之间），因此控制电流为交流时，频率可以很高（几千兆赫）。,注意,二、霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿,1基本参数,（1）输入电阻Ri；,（2）输出电阻R0；,（3）最大激励电流IM；,（4）灵敏度KH；,（5）最大磁感应强度BM；,（6）不等位电势；,（7）霍尔电势温度系数,霍尔元件的主要外特性参数,最大磁感应强度BM,上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？,线性区,2温度误差及其补偿,霍尔元件是由半导体制成的，因半导体对温度很敏感，霍尔元件的载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都随温度而变化，因而使霍尔元件的特性参数（如霍尔电势和输入、输出电阻等）成为温度的函数，导致霍尔传感器产生温度误差。,（a）输入回路补偿电路（b）输出回路补偿电路（c）正温度系数热敏电阻的补偿电路,原因,处理方法,第八节差分变压器式传感器,电感式传感器是利用线圈的自感、互感或阻抗的变化来实现非电量检测的一种装置，而差分变压器式传感器是一种电感式传感器，它是根据互感的变化来感知被检测量的。,一、差分变压器式传感器的工作原理,1、结构可分间隙式和螺管式两种,差分变压器的结构示意图,、,1一次绕组，2、3二次绕组，4衔铁,以螺管式为例,差动变压器式传感器的等效电路,结构特点：两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。,2、工作原理,差分变压器等效电路,基本思想：把铁芯位移量转换成初级线圈及次级线圈互感系数的变化，图中M1、M2与位移x有关。,当位移x很小时：Uo=k|x|（无法判别位移方向）,传感器与自动检测技术,差分变压器输出电压动画,传感器与自动检测技术,差分变压器输出特性1理想特性2实际特性,产生零点残余电压的主要原因：,结构不完全对称；存在寄生参数；电源存在高次谐波；磁路的磁化曲线存在非线性,减小零点残余电压的方法通常有：,提高对称性；减少电源谐波成分；使衔铁工作在磁化曲线的线性区；采用电路补偿：如，相敏检波电路、差分整流电路或在线圈上并联阻容移相网络等,二、基本特性,1灵敏度,2线性范围,一般线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右，只有中间部分线性较好。,为了获得高的灵敏度，在不使一次侧线圈过热的情况下，尽量提高励磁电压，电源频率以400Hz到10kHz为佳。差动变压器的灵敏度一般可达0.55V/mm，行程越小，灵敏度越高。,三、测量转换电路,差分变压器对测量转换电路的要求为：判别衔铁位移方向及大小；消除零点残余电压。,差分相敏检波电路,差分整流电路,常用测量转换电路,传感器与自动检测技术,测量钢板厚度的动画演示,四、差分变压器式传感器的应用,以YST1型差分压力变送器为例,YST1型差分压力变送器结构示意图1接头2膜盒3导线4印刷线路板5差分线圈6衔铁7电源变压器8罩壳9指示灯10安装座11底座,传感器与自动检测技术,差分变压器传感器产品,TD-1油动机行程阀位位移传感器,交流差分变压器式角位移传感器,GA系列差分变压器位移传感器,一、选择题1、在两片间隙为1mm的两块平行板的间隙中插入(),可测得最大的电容量.A.塑料薄膜B.干的纸C.湿的纸D.玻璃薄片2、电子卡尺的分辨率可达0.01mm,行程可达200mm,它的内部所采用的