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第三章压力检测 在测量上所称的压力就是物理学中的压强 它是反映物质状态的一个参数 在工业自动化生产过程中是重要工艺参数之一 本章简单介绍压力的概念及单位 重点讲解应变式压力计压电式压力传感器电容式压力传感器霍尔式压力计的测量原理及测压方法 1 力学知识复习1 力 力是一个物体对另一物体的作用 单位 牛顿N2 压力 物理学中把垂直压在物体上的力叫做压力 压力的方向与接触面垂直 单位 牛顿N3 压强 物理学中把物体单位面积上受到的力叫做压强 单位是帕斯卡Pa 简称帕 1Pa 1N 物理意义表示这个物体每平方米受到的压力为1N 在测量上所称的压力就是物理学中的压强 4 应力 应力是物质抵抗外界负荷时单位面积所受的内力 单位 N m2 Pa MPa 2 例如 3 5 应变 衡量变形 应变 应力变化 例如 长度1米的杆 被拉长为1 01米应变 1 01 1 1 0 01 4 固定 应用 判断悬臂梁危险区域 力 危险部位 5 危险部位 危险部位 危险部位 6 3 1压力的概念及单位 一 压力的概念 压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力 大小由受力面积和垂直作用力的大小两个因素决定 表达式为 二 压力的单位1 工程大气压2 标准大气压3 约定毫米汞柱4 约定毫米水柱常用的几种压力单位与帕斯卡的换算关系见表3 1 1所示 7 三 压力的分类1 绝对压力2 环境大气压力3 表压力4 真空度5 差压上述各种压力的相互关系见图 8 3 2应变式压力计 3 2 1电阻应变效应电阻丝在外力作用下发生机械形变时 其电阻值发生变化 称为电阻应变效应 设有一根长度为L 截面积为S 电阻率为 的电阻丝 未受力时的电阻值为 受力后 压力变化 机械变形 电阻变化 9 3 2 2电阻应变片一 金属电阻应变片金属电阻应变片分为金属丝式和箔式 图3 2 2所示为金属丝式和金属箔式电阻应变片 常用的电阻应变丝的材料是康铜丝和镍铬合丝 用薄纸作为基底的应变片称为纸基应变片 用有机聚合物作为基底的应变片称为胶基应变片 10 电阻应变片 1 应变丝2 基底3 引线4 金属膜引线 11 二 半导体应变片半导体受力时 电阻率发生变化 电阻率随应力变化的关系称为半导体压阻效应 半导体应变片电阻的变化主要是电阻率变化引起的 表示为由于弹性系数E 上式又可写为为提高灵敏度半导体应变片还有制成栅形的 12 3 2 3电阻应变片的粘贴及温度补偿一 应变片的粘贴 粘贴工艺包括被测试件表面处理 贴片 质量检查 焊接引线以及防护与屏蔽等 二 温度误差及其补偿1 温度误差 温度误差是指环境温度变化引起应变片电阻变化 原因有两方面 一方面是应变片电阻丝的温度系数 另一方面是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同 2 温度补偿电桥补偿法如图 13 3 2 4转换电路当RL 时 电桥输出电压为 单臂电桥输出电压和电压灵敏度为双臂电桥电路 一般接成差动电桥 其输出电压为电桥四臂同时接入工作应变片 则构成全桥电路 其输出电压为 14 3 2 5应变式压力传感器一 膜式应变传感器图是一种简单的平膜压力传感器 应变片贴在膜片的内表面 膜片感受压力时产生应变 使应变片有一定的电阻输出 15 二 测力式应变传感器右图为一种带水冷的测力计式压力传感器 三 扩散硅型压力传感器图 a 是一个杯型组合式测量元件图 b 是膜片一个截面示意图 16 3 3压电式压力传感器 3 3 1压电效应某些电介质物体在某方向受压力或拉力作用产生形变时 表面会产生电荷 外力撤消后 又回到不带电状态 这种现象称为压电效应 具有压电效应的物体称为压电材料 如天然的石英晶体 人造的压电陶瓷等 一 石英晶体的压电效应图3 3 1为天然结构的石英晶体外形和石英晶体切片 17 石英晶体 18 石英晶体 19 当切片在沿X轴的方向上受到压力Fx作用时 晶体切片将产生厚度变形 并在与X轴垂直的平面上产生电荷Qx 它的大小为 20 电荷的极性见图 21 二 压电效应的物理解释如图所示 22 3 3 2压电材料一 压电晶体1 石英晶体2 水溶性压电晶体3 铌酸锂晶体二 压电陶瓷1 钛酸钡压电陶瓷2 锆钛酸铅系压电陶瓷3 铌酸盐系压电陶瓷4 铌镁酸铅压电陶瓷三 压电半导体 23 3 3 3测量电路把压电晶体等效成一个电荷源与电容并联的等效电路 由于电容器上的电压Ua 电荷量Q 电容Ca的关系为Ua Q Ca 压电晶体也可等效为一个电压源和一个电容器的串联电路 实际压电传感器输出信号很微弱 且内阻很高 需用前置放大器 前置放大器有两个作用 一是放大压电传感器输出的微弱信号 另一个是阻抗变换 24 一 电压放大器图示的是压电传感器接到电压放大器的等效电路 25 二 电荷放大器电荷放大器是有反馈电容的高增益运算放大器 它的输入信号是压电传感器产生的电荷 当略去泄露电阻 且放大器输入电阻趋于无穷大时 它的等效电路如图所示 26 3 3 4压电传感器及其特点一 压电式三维测力传感器二 压电式单向测力传感器三 压电式测量均匀压力传感器四 消除振动加速度影响的压电传感器 27 3 4压磁式压力传感器 利用铁磁材料受力后导磁性能的变化 将被测力转换为电信号 28 3 5电容式压力传感器 3 5 1电容式传感器的工作原理电容式传感器有三种基本类型 变极距型 变面积型 变介电常数型 将被测量 如尺寸 压力 的变化转换成电容量的变化 29 一 变极距型电容传感器 30 二 变面积型电容传感器 31 三 变介电常数型电容传感器 32 3 5 2差动电容传感器在实际压力测量中 常使用差动点电容传感器 不但提高了灵敏度 也改善了非线性 33 3 5 3测量电路电桥电路 调频电路 脉冲调宽电路和运算放大器式电路等 一 桥式电路空载电压为 34 二 紧耦合电桥电路紧耦合电桥理论可得此状态下输出电压在两L0非耦合情况下 输出电压为 35 三 差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路属脉冲调制电路 它利用对传感器电容充放电使输出脉冲的宽度随电容量的变化而变化 再经低通滤波器可得对应被测量变化的直流信号 输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 36 差动脉冲调宽电路各点电压波形图如示 37 四 调频电路将电容式传感器接入高频振荡器的LC回路中 当被测量使电容变化时 振荡频率也相应变化 故称为调频电路 图所示为调频电路原理图 38 五 运算放大器将电容式传感器接入运算放大器中 作为电路的反馈元件构成的测量电路如图所示 以Cx S d代入 可得 上式表明 输出电压与d是线性关系 39 应用举例 电容式差压传感器进行液位测量 压力测量 温度测量 液位测量 40 电容式差压传感器 41 42 3 5 4电容式压力及力传感器一 电容式差压传感器 43 44 二 变面积式压力传感器 45 三 电容式力传感器 46 3 6霍尔式压力计 霍耳传感器是利用半导体材料的霍耳效应进行测量的一种传感器 霍耳效应 磁场 电势差重点 磁 电 47 霍耳效应 电子在运动过程中 在磁场作用下受到洛仑兹力的作用 向一侧偏转 使该侧形成负电荷的积累 另一侧则形成正电荷的积累 这样因电荷积累而建立一个电场 在置于磁场中的导体或半导体里通入电流 若电流与磁场垂直 则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差 这种现象称为霍耳效应 48 3 6 1霍尔效应霍尔元件的特性常用灵敏度KH表示 即此时 49 50 霍耳电压 UH KH I B霍耳电压 UH控制电流强度 I磁感应强度 B改变B或I就可以改变UH 51 KH 霍耳灵敏度KH RH dRH 霍耳系数 材料相关 d 器件厚度 尺寸相关 为提高灵敏度 应如何选取RH和d 52 3 6 2霍尔式压力计工作原理 53 霍尔式压力计 54 3 6 3霍尔式压力计的误差及补偿霍尔式压力计的误差有两部分 一是弹性元件的变换误差 一是霍尔元件的变换误差 一 不等位电势及补偿不等位电势的产生有两个原因 如图所示 55 几种补偿电路 56 二 霍尔电势的温度系数主要是温差电势和灵敏度系数随温度变化两种情况 三 温度对内阻的影响四 温度补偿霍尔元件输入电阻和霍尔电势的温度系数均为正的效果较好的补偿电路图 实际测量中 要求较高时 常采用恒温方法 57 霍耳传感器的应用霍尔传感器是一种磁传感器 用它们可以检测磁场及其变化 可在各种与磁场有关的场合中使用 霍尔传感器具有许多优点 它们的结构牢固 体积小 重量轻 寿命长 安装方便 功耗小 频率高 可达1MHZ 耐震动 不怕灰尘 油污 水汽及盐雾等的污染或腐蚀 58 应用1 直接测量磁场 2 人为设置磁场测量其它物理量 59 工作磁体典型设置 对移 60 工作磁体典型设置 侧移 61 工作磁体典型设置 旋转 62 工作磁体典型设置 遮断 63 工作磁体典型设置 放置在霍耳器件背面 64 典型应用 高斯计 65 典型应用 电流计 66 典型应用 转速计 67 典型应用 位移传感器 68 典型应用 1 发动机无触点点火 传统 凸轮结构 磨损大 不够精确 采用霍耳齿轮传感器测速 精确 无磨损 用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在汽缸中的运动速度 以提供更准确的点火时间 其作用是别的速度传感器难以代替的 69 霍耳元件测速其它应用 ABS 汽车防抱死制动系统 霍耳元件用在无刷直流电机中 不存在电刷磨损换向问题 大大增加使用寿命 70 为什么采用霍耳元件测电流 不用万用表 71 小电流测量 大电流测量 72 霍尔电流传感器的特点 可以实现电流的 无电位 检测 即测量电路不必接入被测电路即可实现电流检测 它们靠磁场进行耦合 因此 检测电路的输入 输出电路是完全电隔离的 检测过程中 被测电路的状态不受检测电路的影响 检测电路也不受被检电路的影响 霍尔电流传感器可以检测从直流到100kHz 通过仔细的设计和制作 甚至可以达到MHz级 的各种波