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第3章压力检测,压力的概念及单位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数字式压力计,第3章压力检测,工程领域所谓压力即物理学中的压强。是很多生产过程重要的工艺参数之一，是很多生产过程自动化（过程控制）常见的测控对象之一。本章简要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、霍尔式压力计等的结构、原理及应用。,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。大小由受力面积的大小和垂直作用力的大小决定。表达式为：二、压力的单位SI单位：帕斯卡（Pa）。工程领域常用单位：工程大气压（at）；标准大气压（atm）；约定毫米汞柱（mmHg）；约定毫米水柱（mmH2O）。常用单位与帕斯卡的换算关系（2p.189）。,3.1压力的概念及单位,三、压力的分类绝对压力大气压力表压力差压真空度上述各种压力的相互关系,（真空度）,压力检测常用弹性元件：弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。,(a)、(b)弹簧管式；(c)膜片式；(d)膜盒式；(e)波纹（波登）管式。,3.2应变式压力计,3.2.1金属应变片金属应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻值随外力作用发生机械形变（拉伸或压缩）而相应改变，称为金属材料的电阻应变效应。一段长度为L，截面积为S，电阻率为的金属丝，受力前后的电阻值的变化：,3.2应变式压力计,（轴向）应变径向应变,泊松系数,弹性模量（Kg/mm2）,应力,3.2应变式压力计,金属应变片分为丝式应变片、箔式应变片和薄膜应变片三类，结构与特点见1p.34-35。常用的应变丝的材料是康铜丝和镍铬合金丝。丝式应变片和箔式应变片的结构如图示。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。,3.2应变式压力计,金属应变片的结构：1-敏感栅2-基底（厚0.020.04mm）3-引线4-金属膜引线,厚0.0010.01mm,直径0.020.04mm,3.2应变式压力计,3.2.2半导体应变片（压阻式传感器）半导体应变片（压阻式传感器）的工作原理是基于半导体的压阻效应。单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，电阻率发生显著变化，称为半导体的压阻效应。半导体应变片电阻的变化主要是电阻率变化引起的，即又，故,半导体压阻系数,半导体应变片主要有体型（如图）和扩散型（见扩散型压阻式压力传感器）两类。,3.2应变式压力计,与金属应变片相比，半导体应变片的主要优点是灵敏度高（12个量级）；主要缺点是温度误差大，必须有补偿措施。“温度误差及其补偿”见后。,3.2应变式压力计,商品应变片R：60、120、350、600、1000。,箔式应变片和薄膜应变片常制作成应变花,3.2应变式压力计,3.2.3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、防护与屏蔽等。（参考传感器技术手册）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。一工作片,一补偿片；两个均为工作片(条件?优点?)。,3.2应变式压力计,R1,RB,F,R1,RB,F,3.2应变式压力计,3.2.4测量电路1.直流电桥,一般采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R。有,当时，略去高阶小量，有,电桥输出与应变近似成线性关系。,电桥单臂工作：设R1为工作片（补偿片接相邻桥臂），有,温度补偿？为提高灵敏度、改善非线性及得到温度补偿，实践中常用半桥差动电路或全桥差动电路。,3.2应变式压力计,半桥差动电路：,全桥差动电路：,温度补偿？,温度补偿？,U,U,2.交流电桥,为克服直流放大器的零漂问题，应变电桥常采用交流电桥（调幅？）。图示为交流电桥和半桥差动应变交流电桥的一般形式。应变片的引线分布电容（交流电源！）使得两桥臂应变片呈复阻抗特性，即相当于应变片并联了一个电容。,交流电桥输出：交流电桥平衡条件：半桥差动应变交流电桥桥臂阻抗：取整理可得即平衡条件：,交流电桥平衡调节,交流电容电桥平衡调节，需同时有电阻可调和电容可调。,被测应力变化引起电桥输出为,单臂应变交流电桥输出？全桥差动应变交流电桥输出？,3.2应变式压力计,直流电桥的调零用电位器即可。直流电桥的供电和调零都较简单。但是，输出信号需要放大时，用直接耦合放大器（很多被测量是静态的或缓变的），有漂移问题。为解决漂移等问题，常用交流电桥。但是，供电（稳频和稳幅）和调零（电位器和电容）都较复杂；输出为调幅信号。通常需要检波电路。常用相敏检波电路（已集成化）。近年来，由于低漂移集成运放的发展，直流电桥得到了广泛应用。在测控实践中，为了能将传感器输出信号（一般很微弱）从各种噪声中分离出来，将传感器输出信号调制（赋以一定特征），是一种常见做法。很多情形中，调制是通过传感器测量电路实现的（如交流电桥）。,3.2应变式压力计,圆柱式力传感器（荷重传感器）,柱形,筒形,圆柱面展开图,桥路连接图,3.2应变式压力计,梁式力传感器（荷重传感器）,3.2应变式压力计,扭矩传感器,应变片应用实例,3.2.5扩散型压阻式压力传感器,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应变薄膜（敏感栅），制成扩散型半导体应变片（压阻式传感器）。四个阻值相等的扩散型半导体应变片（图示）构成平衡电桥。,3.2应变式压力计,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。四个电阻的配置位置：按膜片上径向应力r和切向应力t的分布情况确定。,设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。,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。,扩散硅压力变送器,3.4压电式压力传感器,3.4.1压电效应某些物质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（正）压电效应。具有压电效应的物质称为压电材料，如天然的石英晶体，人造的压电陶瓷等。逆压电效应（电致伸缩效应）？一、石英晶体的压电效应下图为天然结构的石英晶体外形和石英晶体切片。,天然石英晶体外形,石英晶体切片,双面镀银并封装,石英晶体振荡器（晶振）,3.4压电式压力传感器,X轴：电轴或1轴Y轴：机械轴或2轴Z轴：光轴或3轴,纵向压电效应：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷。横向压电效应：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷。沿光轴（Z轴）方向的力作用下不产生压电效应。,石英晶体的压电效应：,3.4压电式压力传感器,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：,压电系数,石英：,3.4压电式压力传感器,电荷的极性,3.4压电式压力传感器,二、压电效应的物理解释,3.4压电式压力传感器,3.4.2压电材料一、压电晶体石英晶体水溶性压电晶体铌酸锂晶体二、压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷锆钛酸铅系压电陶瓷铌酸盐系压电陶瓷铌镁酸铅压电陶瓷三、压电半导体,与石英比较？,在压电式传感器中，常将两片或多片压电片叠压在一起后并联或串联使用。,并联输出电荷大，电容大，时间常数大。适于测量慢变信号并且以电荷为输出量。串联输出电压大，电容小。适于以电压为输出量，且测量电路输入阻抗很高。,3.4压电式压力传感器,3.4.3测量电路等效电路压电传感器输出信号微弱，且内阻很高（Ra1010），需用前置放大器。前置放大器作用：放大压电传感器输出的微弱信号；是阻抗变换。,3.4压电式压力传感器,一、电压放大器压电传感器接到电压放大器的等效电路如图示。,ui,ui,uo,uo,u,u,3.4压电式压力传感器,(幅值),3.4压电式压力传感器,不能用于静态测量。高频响应好。Ui与Cc有关。改变电缆长度，需重新校准。电缆不能太长。电缆长，Cc大，传感器的电压灵敏度低。与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠。解决电缆问题的办法是将放大器与传感器装在一起（电缆极短，Cc趋于零），组成一体化传感器。,3.4压电式压力传感器,如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以，测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。,3.4压电式压力传感器,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。当略去泄漏电阻，且放大器输入电阻趋于无穷大时，它的等效电路如图所示。,Q,3.4压电式压力传感器,优点：uo与Cc无关，且正比于Q。Rf（1081010）提供直流负反馈通路，以减小零漂，使放大器工作稳定。,3.4压电式压力传感器,电荷放大器,商品化的电荷放大器？,3.4压电式压力传感器,3.4.4压电式压力及力传感器压电式压力传感器可测压力104108Pa，频率几Hz几十kHz（甚至上百kHz）。,三维（轴、向）,压电式单向测力传感器,3.4压电式压力传感器,压电式压力传感器,消除振动加速度影响的压电式压力传感器,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,压电传感器测量双腿跳的动态力,煤气灶电子点火装置,图示为煤气灶电子点火装置，由高压跳火来点燃煤气。将开关往里压，气阀打开；开关旋转，弹簧往左压。此时，弹簧有一很大的力撞击压电晶体，高压放电，燃烧盘点火。打火机？,压电引信(引爆),压电引信结构图如图(a)所示。早期的40火箭筒引信如图(b)所示，平时内外电极开路，当火箭筒撞击时，内外电极短路引爆。改进的压电引信原理如图(c)所示，当火箭筒撞击时，压电晶体产生电荷，使电发火管打火，从而引爆。,集成压电式传感器简介:,是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。典型应用：脉搏计数探测；按键键盘，触摸键盘；振动、冲击、碰撞报警；振动加速度测量；管道压力波动；机电转换、动态力检测等。,高分子压电薄膜和电缆,电缆,压电式脚踏报警器,玻璃打碎报警器将高分子压电薄膜制作的玻璃打碎报警传感器贴在玻璃上，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,高分子压电薄膜制作的压电扬声器（逆压电效应）,高分子压电电缆用于交通监测,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。,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。,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。一、变极距型电容传感器,边缘效应?,3.5电容式压力传感器,二、变面积型电容传感器,三、变介电常数型电容传感器,3.5电容式压力传感器,电容压力/差压变送器,3.5电容式压力传感器,3.5.2差动电容传感器,通常，,变极距型,变面积型,实践中，常用差动电容传感器，既提高了灵敏度，又改善了非线性。,非差动：,灵敏度及非线性的证明（以变极距型为例）：,初始电容为,取，非线性误差(一般取最大项)为(25)%。,非线性项为2次项,k,3.5电容式压力传感器,差动：,非线性项为3次项,故：灵敏度为2倍；非线性显著改善。,k,3.5电容式压力传感器,3.5.3测量电路一、交流电桥（调幅？）,专用集成测量电路，如MS3110，31p.58,3.5电容式压力传感器,交流电桥测量电路：,3.5电容式压力传感器,二、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。,3.5电容式压力传感器,差动脉冲调宽电路原理图,3.5电容式压力传感器,差动脉冲调宽电路各点电压波形差动脉冲调宽电路优点,3.5电容式压力传感器,正半周时C1充电;负半周时C1通过RL放电（iL1）。另一半类似。C1=C2iL1=iL2UL=0。C1C2iL1iL2UL0。UL（C1-C2）。,三、二极管双T交流电桥,高频方波,3.5电容式压力传感器,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。,3.5电容式压力传感器,优缺点?,C2=C3C,电压跟随器？,调频电路原理图：,Ci为寄生电容,3.5电容式压力传感器,调频电路框图：,限幅器,调频,放大器,3.5电容式压力传感器,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，得：上式表明，输出电压与d是线性关系。,消除边缘效应:,带有等位环的平板电容传感器原理1、2极板3等位环（保护环）,3.5电容式压力传感器,3.5.4电容式压力传感器一、电容式差压传感器,1隔离膜片2、7固定电极（金属镀膜）3硅油4测量膜片（动电极）5玻璃层6底座8引线,特点：灵敏度高，线性好，减小了介电常数受温度影响引起的不稳定性。,3.5电容式压力传感器,二、变面积式压力传感器,p,电容式压力传感器,3.5电容式压力传感器,三、荷重传感器,习题：,1.请证明差动变极距式电容传感器的灵敏度是非差动式的2倍（设），且非线性也显著改善。,讨论题：1.用电容传感器检测水果质量（无损检测）？自动分级？2.用电容传感器设计老人跌倒自动报警器？3.用电容传感器设计触摸开关或接近开关？,3.6霍尔式压力计,3.6.1霍尔效应与霍尔元件霍尔效应（N型半导体）霍尔元件的特性常用灵敏度KH表示，,电子浓度,霍尔系数,420.1mm3,测量原理？,控制电极霍尔电极,3.6霍尔式压力计,因建立霍尔效应的时间极短（10-1210-14s），故控制电流用直流或交流都可以，交流频率可达几GHz。若控制电流是交流，则霍尔电势也是交流，。I和UH都是有效值。霍尔元件有几种副效应，会带来测量误差。测量精度要求高时，可通过适当的测量方法和数据处理方法来消除或减小副效应的影响。控制电流用交流，可减小部分副效应的影响，必要时还可实现调制（作用？）。实践中控制电流也常用交流。,3.6霍尔式压力计,B0.5T时，线性较好。霍尔元件封装形式：直插式（电极引线在一边）；贴片式。（外形有多种）霍尔集成电路（内含霍尔元件、运放等电路）：线性霍尔集成电路（精度高，）；开关型霍尔集成电路（磁控开关，有单稳和双稳，无触点）。常见应用：磁场（如高斯计）、位移、转速、功率、磁性物体探测、磁控开关、汽油机点火器、无刷直流电动机等。,开关型霍耳集成电路,3.6霍尔式压力计,为了获得较大的霍尔电势输出，可输出叠加。霍尔元件可直流供电或交流供电。,3.6霍尔式压力计,霍尔元件可恒流供电或恒压供电。,3.6霍尔式压力计,3.6.2霍尔式压力计工作原理,P,3.6霍尔式压力计,3.6.3霍尔式压