第三章压力传感器

1、第3章压力检测在测量上所称的庄力就是杨理学中的压强， 它是反映炀质状态的一个参数；在工业自动化生 产过程中是重要工艺参数之一 O本章简单介绍压力的概念及单住,重点讲鮮应变式压力计.压赳式压力传感器、削彖式压力传感器和霍余式压力计等的测量原理及测压方法O3.1压力的概念及单位1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：2、压力的单位(1)工程大气压(3)约定毫米汞柱P丄S(2)标准大气压(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压力的概念及单位IP表压'大气压力线,1P绝对圧力叶负压 真空01绝对

2、 绝对圧力的零线F压(£3、压力的分类(1) 绝对压力(2) .环境大气压力表压力(4)真空度.差压上述各种压力的相互关系见图。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，称另电阻应变以应。设有一根长度为L,截面积为S,电阻率为 P的电阻丝，未受力时的电阻值为：受力后：A 7?AZ3.2应变式压力计令电阻丝的轴向应变为£=AI/I,径向应变为力 由 材料力学可知力二-|J（AI/I）=屮& “为电阻丝材料 的泊松系数，经整理可得AR+ 2诚+丸« =池=(1 + 2“)+沁土 3.2应变式压力计 3.2.2

3、电阻应变片1、金属电阻应变片金属色阻应变片分为金属丝式和箔式，图所 示为金属丝式和全属箔式色阻应雯片。常用的色阻应变丝的材料是康铜丝和襟餾合 丝，用藩纨作为基底的应变片称为纸4基应雯片； 用有机聚合杨作为基底的应变片称为肤基应变 片。3.2应变式压力计电阻应变片变底线 应基引 、 、 、 12 34、金属膜引线124L2(")丝式(b )箔式3.2应变式压力计竺"杓R P23= 7TCF = ttEs = Ke P、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=o

4、/w ,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。*3.2应变式压力计 323电阻应变片的粘贴及温度补偿1、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。2、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。*3.2应变式压力计U 3.2.4转换电路当二8时,电桥输出电压为:（尺尺_凡尺）u （尺+兄）（宛+尺）0/o=O时，有R1R4 R2R3"Ri 7?4(a )(b)*3.2应

5、变式压力计单臂电桥输岀电压和电压灵敏度为双臂电桥电路，一般接成差动电桥。其输岀电压 为u °2 R,电桥四臂同时接入工作应变片，则构成全桥电路。*3.2应变式压力计3.2应变式压力计 3.2.5应变式压力传感器1、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。2)(h)*3.2应变式压力计8、2、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。3、扩散硅型压力传感器图(a)是一个杯型组合式测量元件97,10II321214 '彳18X1.5三：257”31.2(a)(b) Jrxxxz z /

6、7 / '/,</Z/7/Z7/>才 / / / / / /,9 101 应变片；2外壳;3垫片;4冷却水管;5密封垫；6垫片；7接线柱；8电缆；9压帽；10定位销；11 垫片；12 应变筒；13 垫片；1午保护帽图(b)是膜片一个截面示意图X 3.3薄膜应变片F射或蒸发的方法将半导体或金属敏感材料镀在弹性基片上的。优点：1、稳定性好2、使用寿命长3、灵敏度高4、温度系数小5、工作温度范围宽6、量程大7、成本低。土 3.3薄膜应变片 3.3.1薄膜应变片原理电阻为：尺=设其应变为£ ,电阻相对变化为:竽（1 + 2亦+些RP对于半导体材料，上式可写为:dR _dp

7、土 3.3薄膜应变片 3.3.2薄膜应变片的制作及应用1、溅射薄膜应变片主要成膜工艺有真空溅射和真空蒸镀。真空溅射 工艺大致流程为：基片预处理、溅射介质层、溅射敏 感层、蒸发Au、光刻电极、形成电桥、完成全部电连 接、沉积钝化膜。2、蒸发薄膜应变片用真空蒸发工艺制作的薄膜应变片其结构同溅射 应变片基本相同。土 3.4压电式压力传感器 3.4.1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，人造压电陶瓷等。1、石英晶体的压电效应图为天然结构的石英晶体外形和石英晶

8、体切片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：(a)左旋石英晶体(b)石英晶体的晶轴(a)左旋石英晶体(b)石英晶体的晶轴(a)左旋石英晶体(b)石英晶体的晶轴土 3.4压电式压力传感器电荷的极性见图土 3.4压电式压力传感器2、压电效应的物理解释如图所示。(3)(h )(c )(3)(h )(c )I- -I- -IX+ 十 + 十(3)(h )(c )3.4压电式压力传感器 啤342压电材料1、压电晶体(1) 石英晶体：石英晶体即二氧化硅(SiO2),有天然的和人工培育的 两种。压电系数1=

9、2.31 X10-12C/N,在几百摄氏度的温度 范围内，压电系数儿乎不随温度而变。至iJ575°C时，它完全失去了压电性质，这就是它的居里点。石英的熔点为1750°C,密度为2.65X103kg/m3,有很大的机械强度和稳定的机械性质,可承受高达6.8X1079.8X 107Pa的应力，在冲击力作用下漂移较小。F 3.4压电式压力传感器(2)水溶性压电晶体：最早发现的是酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H2O),它有很大的压电灵敏度和高的介电常数，压电系数 dl=3X10-9C/No但是酒石酸钾钠易于受潮，它的机械 强度低，电阻率也低，因此，只限于在室温(v45°

10、C)和湿度低的环境下应用。(3)锯酸锂晶体：人工提拉法制成了覩酸锂的大晶块，稳定性远比多晶 体的压电陶瓷好。它是一种压电性能良好的电声换能材 料，它的居里温度为1200°C左右,远比石英和压电陶瓷 高，,3.4压电式压力传感器2、压电陶瓷(1) 钛酸顿压电陶瓷(2) 错钛酸铅系压电陶瓷(3) 觇酸盐系压电陶瓷(4) 覩镁酸铅压电陶瓷3压电半导体压电半导体如硫化锌(ZnS)、硏化镉(CdTe)、氧化锌 (ZnO)、硫化镉(CdS)、硏化锌(ZnTe)和神化镣(CaAs)等。 这些材料的显著特点是：既具有压电特性，又具有半导体 特性，有利于将元件和线路集成于一体，从而研制出新型 的集成压

11、电传感器的测试系统。M 3.4压电式压力传感器 34 3 涮畐由幽 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5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。实际压电传感器输岀信号很微弱，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，另一个是把高阻抗输岀 转换为低阻抗输岀。3.4压电式压力传感器1、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。t J't 1.1 I iC) IO=cO=c-%3.4压电式压力传感器、电荷放大器电荷放大器是有反馈电容的高增益运

12、算放大器，它的输入信号是压电传感器产牛的电荷。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。II甜IIU° = UAIIIF 3.4压电式压力传感器 3.4.4压电压力及力传感器1、压电式三维测力传感器：一种压电式三维测力 传感器的三组晶体切片的组合情况，可同时测量三个 互相垂直的鼻 7 传力分量。2、压电式单向测力传感器X 3.4压电式压力传感器*3、压电式测量均匀压力传感器4、消除振动加速度影响的压电传感器外壳冷却腔晶片薄壁管膜片引线端子绝缘子/外壳/石英品片膜/、绝缘子*3.5电容式压力传感器电容式压力及力传感器是将被测量 （如尺寸、压力等）的变化转换成

13、电容 量的变化的一种传感器。实际上，它本 身就是一个可变电容器。目前，从工业 生产过程自动化应用来说，有压力、差 压、绝对压力、带开方的差压（用于测 流量）等品种及高差压、微差压、高静 压等规格。亞35电容式压力传感器 3.5.1电容式传感器的工作原理C电容式传感器有三种基本类型 变介电常数型。变极距型、变面积型、1、变极距型电容传感器AC =sS sS一二 J d - Ad dNdd Ai/土35电容式压力传感器2、变面积型电容传感器（工）、_2砖/In馆/打）(a)(d)(a)(d)3、变介电常数型电容传感器(a)(d)(a)(d)nr(a)(d)*3.5电容式压力传感器3.5.2差动电容

14、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。AC = C0dd + xMMz 、21+X+C _ 2疋(/ + A/)2疋(/ _ /)ln(r, / z) ln(x/打)OG-Oco3.5电容式压力传感器 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。1、桥式电路空载电压为:(cq-ac)-(c0 + ac)l acl?(Co + AC) + (Co-AC)Co(a)(b)42LoC26?2LoC-1*3.5电容式压力传感器2、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L°非耦合情况下，输出电压为：卩。=

15、_竺£/ 2心CC 6?2L0C-l、35电容式压力传感器3、差分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。uo = uA-uB = u.7 +T2输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。5”3.5电容式压力传感器吧差动脉冲调宽电路各点电压波形图如示%50 .叫50U0“B50 "artr/u°0"F-5tWA</r一 T、_t3.5电容式压力传感器4、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

16、应变化，故称为调频 电路。图所不为调频电路原理图1 _ 1出2 7C J LC 2 7C J 厶（G + AC3.5电容式压力传感器5、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肉崩示。l/(jC) cx以Cx=£ S/d代入，可得:uc上式表明，输岀电压与d是线性关系。丁 3.5电容式压力传感器理5.4电容式压力传感器1、电容式差压传感器7将左右对称的不锈钢基座2和3的外侧加工成环状波纹 沟槽，并焊上波纹隔离膜片1和4。基座内侧有玻璃层5, 基座和玻璃层中央都有孔。玻璃内表面磨成凹球面，球面 除边缘部分外镀以金属膜6,此金属膜层为电容的定极板 并

17、有导线通往外部。左右对称 的上述结构中央夹入并焊接弹。 性平膜片，即测量膜片7,为 ” 电容的中央动极板。测量膜片- 左右空间被分隔成两个室，故呆3|35电容式压力传感器L变面积式压力传感器测压力作用在金属膜片1上，通过中心柱2、支撑簧片3使可动电极4随膜片中心位移而动作。(b)3.6霍尔式压力计-霍尔式压力计是利用霍尔元件测量弹性元件变 形的一种电测压力计，它结构简单，体积小， 频率响应宽，动态范围（输出电动势的变化）大, 可靠性高，易于微型化和集成电路化。但信号 转换效率低，温度影响大，使用于要求转换精 度高的场合必须进行温度补偿。B 3.6.1霍尔效应uH=-d土 3.6霍尔式压力计霍尔

18、元件的特性常用灵敏度金表示，即Rh此时5=KhIB可见，霍尔电动势的大小正比于控制电流拆口 磁感应强度创勺乘积及灵敏度知。当控制电流 的方向或磁场的方向改变时，输岀电动势的 方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方 向时，霍尔电动势并不改变原来的方向。3.6霍尔式压力计3.6.2霍尔式压力计工作原理/土 3.6霍尔式压力计363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。1、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。(a)(b)(a)(b)(a)(b)土 3.6霍尔式压力计几种补偿电路rrXOo X-"6 "

19、;| 1_土 3.6霍尔式压力计*2、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。3、温度对内阻的影响nSb-40-20 0 20 40 60 80 1007/XSi Ge(Hz-4) In As 、Ge(Hz-l、2、3)3.6霍尔式压力计4、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。5Ri + RlU L RJo LUr _（1 + 力）R宀RRg丽心U H( +at)尺(1 + 0/) +心3.6霍尔式压力计 3.6.4霍尔式压力计由两部分组成：一部分是弹性元件，用它来感受压 力，并把压力转换

20、成位移量；另一部分是霍尔元件与磁系 统。(a)(b)3.7电子称 3.7.1电子称的原理电子称的核心部件是称重传感器。称重传感器把机械 力转换为电信号，经放大处理后，或显示，或输入数 据处理系统。13DP0LC打印机图是一个比较简单称重系统框图。3.7电子称 3.7.2称重传感器原理秤重传感器根据制作原理不同可以分为感应式、电容 式、压磁式、振弦式和应变式等，而压磁式、振弦式和应变式传感器在电子称系统中都得到了广泛地应用。图是振弦式称重 传感器的工作原理图。3.7电子称3.7.3电子称的应用ICS-XXX-T系列电子皮带配料称，适用于陶 瓷、精细化工、烟草等对配料精度要求较高的 场所。分类如下

21、表。37电子称 表3. 7. 1电子秤的分类与应用类别应用静态称重系 统汽车衡、轨道衡、废钢秤、 吊车秤汽车、火车、飞机等的重量， 货物重量以及确定板坯、钢 锭的重量动态称重系 统轨道衡、驼峰称重、轨道 液体罐车、双秤台系统铁路车辆、卡车、拖车等在 运动状态卜称重配料称重系 统多种原料组分装入一个 称重斗的微机配料系统；多种原料组分装入几个 称重斗的微机配料系统塑料工业、洗涤剂生产、食 品丄业、铸造工业、玻璃生 产、炼钢等方面其它称重系 统皮带秤、重量检验秤、计 数秤控制物料流量、检验欠重、 超重以及对库房中的零件、 元件的进货和发货等进行计 数3.8集成压敏传感器集成压敏传感器依照敏感元件的

22、不同可分为两类，硅 电容式集成压敏传感器和扩散硅集成压敏传感器，硅 电容式集成压敏传感器的敏感元件是电容式压敏元件, 扩散硅集成压敏传感器采用的是电阻式压敏元件。 3.8.1硅电容式集成传感器1、硅敏感电容器的工作原理3.8集成压敏传感器、硅敏感电容器的测量电路IIAvd，2c5jvd3-D_YD広 qII亠丄4乂 VD4 q 丰心-13 oUo2QJpUgCJ土 3.8集成压敏传感器 3.8.2扩散硅压敏传感器扩散硅压敏传感器将补偿电路与硅压敏元件构成的全桥电路集成在一起，温度补偿效果很好。带温度补偿电路的集成压力敏感器件如图O5=% - % 今P7?2R-E=-nr-C=|-uoAUBVT-OUc3.9