第四、五讲 压力传感器1

1、第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器第四、五讲第四、五讲 温度传感器的结构与组成温度传感器的结构与组成压力的概念及单位压力的概念及单位应变式压力计工作原理应变式压力计工作原理压电式压力传感器压电式压力传感器电容式压力传感器电容式压力传感器霍尔式压力计霍尔式压力计第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器压力传感器在日常生活中的应用压力传感器在日常生活中的应用第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器一、压力的概念及单位一、压力的概念及单位 （一）、压力的概念一）、压力的概念: :二二. . 压力的单位压力的单位 1.1.工程大气压工程大气压 2.2.标准大气压标准大气压 3.3.约定毫米

2、汞柱约定毫米汞柱 4.4.约定毫米水柱约定毫米水柱 压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力。压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力。（在物理学上称为压力，在工程上常称为压力）。大小由受力面积和）。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：垂直作用力的大小两个因素决定。表达式为：/PF S211/PaN m 1.绝对零压力 2.绝对压力 3.环境大气压力 4.标准大气压 5.表压力 6.真空度 7.差 压（压差） 上述各种压力的相互关系见图。 一、压力的概念及单位一、压力的概念及单位第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器 （三）、三）、压力的分类 指：一切分子，指：一切分子，都

3、从容器内移出，都从容器内移出，则造成完全真空，则造成完全真空，且无压力作用于且无压力作用于器壁，称为绝对器壁，称为绝对零压力。零压力。以绝对以绝对零点压零点压力为起力为起点计算点计算的压力。的压力。以绝对零压以绝对零压力为起点，力为起点，大气作用下大气作用下的压力，随的压力，随地区和高度地区和高度变化变化作用于作用于海平面海平面处的大处的大气压。气压。以大气压力为基准，压力以大气压力为基准，压力测量仪测压元件内部压力测量仪测压元件内部压力与周围大气压的差值。与周围大气压的差值。以大气压力以大气压力为基准，低为基准，低于大气压力于大气压力的压力读数。的压力读数。两个压力之间的差值两个压力之间的差

4、值第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器一、压力的概念及单位一、压力的概念及单位 （四）、四）、压力传感器的分类压力传感器的分类n1 1、液柱式压力计、液柱式压力计n2 2、弹性式压力表、弹性式压力表n3 3、力平衡式压力计、力平衡式压力计n4 4、电气式压力表（压力传感器）、电气式压力表（压力传感器）利用液注对液注底面产生的静压力利用液注对液注底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理。把被测与被测压力相平衡的原理。把被测压力转换成液注高度的一种测压法。压力转换成液注高度的一种测压法。利用弹性元利用弹性元件产生相应件产生相应的弹性变的弹性变形，根据变形，根据变形量的大小形量的大小来测得压力。

5、来测得压力。通过传感器直接把被测力转换为通过传感器直接把被测力转换为电信号，常用的有，电容式，电信号，常用的有，电容式，电感式，压电式，压阻式，电感式，压电式，压阻式，应变式传感器等应变式传感器等第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器二、二、应变式压力计应变式压力计 （一）、一）、应变式压力传感器应变式压力传感器 1、结构和分类、结构和分类n1-1-敏感栅敏感栅 2-2-基底基底 n3-3-覆盖层覆盖层 4-4-引出线引出线 丝式 箔式利用照相制版或光刻利用照相制版或光刻技术将厚约为技术将厚约为0.003-0.1Mm的金属箔片制成的金属箔片制成所需图形的敏感栅所需图形的敏感栅金属电阻应变片

6、实物半导体式认识几种应变式传感器认识几种应变式传感器二、二、应变式压力计应变式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器二、二、应变式压力计应变式压力计 （一）、一）、应变式压力传感器应变式压力传感器 2、工作原理、工作原理n基于金属电阻片在外力作用下产生机械变形，从而导致电阻发生基于金属电阻片在外力作用下产生机械变形，从而导致电阻发生变化的效应变化的效应电阻应变效应电阻应变效应 不受拉力时，不受拉力时， 受到拉力受到拉力F作用时作用时第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器二、二、应变式压力计应变式

7、压力计 （一）、一）、应变式压力传感器应变式压力传感器 2、工作原理、工作原理/R RK 阻值变化与应变关系阻值变化与应变关系 长度应变值长度应变值/L L金属材料金属材料的应变灵的应变灵敏系数敏系数第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器二、二、应变式压力计应变式压力计 （一）、一）、应变式压力传感器应变式压力传感器 3、测量电路、测量电路 当电桥满足R1 R3= R2 R4时，电桥的输出电压Uo为零，R1 R3= R2 R4被称为直流电桥平衡的条件。 单臂电桥（单应变片） KURRUUiio4411)(4)(4212211KURRRRUUiioKUUio2双臂电桥 二、二、应变式压力计应

8、变式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器全桥全桥 )(444332211RRRRRRRRUUio)(44321KUUio二、二、应变式压力计应变式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器4、温度补偿、温度补偿 由于测量环境的温度的改变而给测量带来的附加由于测量环境的温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。误差，称为应变片的温度误差。0(1)tRRt 敏感栅的电阻丝随温度变化的关系为敏感栅的电阻丝随温度变化的关系为00tRRRRt 当温度变化为当温度变化为t时，电阻变化为时，电阻变化为二、二、应变式压力计应变式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传

9、感器第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器二、二、应变式压力计应变式压力计 温度补偿的方法主要有温度补偿的方法主要有电桥补偿法电桥补偿法和和应变片自补偿法应变片自补偿法n电桥补偿法电桥补偿法nR1为工作应变片，为工作应变片，RB为补偿应变片，为补偿应变片，各参数相同，且处于同一温度场中各参数相同，且处于同一温度场中 电桥补偿电桥补偿是最常用是最常用效果较好效果较好地一种补地一种补偿。偿。 电桥输出电压与桥臂参数电桥输出电压与桥臂参数的关系为的关系为1343100134()0RRB RRBRRUEURRRR 113001134()0ttBBtR + RRUEURRRRRR 当温度变化当温度变

10、化t时，两个应变片的因温度时，两个应变片的因温度变化引起的电阻变化变化引起的电阻变化Rt相等。相等。 当工作应变片电阻有压力时，应变片有新的电阻变化为当工作应变片电阻有压力时，应变片有新的电阻变化为 ,而补偿片不受压力，没有电阻变化，所以，输出电压为而补偿片不受压力，没有电阻变化，所以，输出电压为1301134()llBR + RRUERRRRRlR 从而电桥的输出只由被测试件的电阻有关，与温度无关从而电桥的输出只由被测试件的电阻有关，与温度无关。二、二、应变式压力计应变式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器二、二、应变式压力计应变式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传

11、感器注意以下四点：注意以下四点：、在应变片工作过程中，保证、在应变片工作过程中，保证R3=R4.、R1和和RB应具有相关的性能应具有相关的性能、R1和和RB应处于同一温度场中。应处于同一温度场中。n自补偿法自补偿法 n利用自身具有温度补偿作用的应变片来实现的利用自身具有温度补偿作用的应变片来实现的 n 自学应变片的自补偿原理自学应变片的自补偿原理二、二、应变式压力计应变式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器自学应变片的自补偿原理自学应变片的自补偿原理第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器自学应变片的自补偿原理自学应变片的自补偿原理第四

12、、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器自学应变片的自补偿原理自学应变片的自补偿原理第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器自学应变片的自补偿原理自学应变片的自补偿原理第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器自学应变片的自补偿原理自学应变片的自补偿原理第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器自学应变片的自补偿原理自学应变片的自补偿原理第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器二、二、应变式压力计应变式压力计 （二）、二）、半导体应变片半导体应变片 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。第四、五讲第四、五讲 压力

13、传感器压力传感器二、二、应变式压力计应变式压力计 （三）、三）、压阻式压力传感器压阻式压力传感器n压阻式压力传感器是在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上四个阻值相等的P型电阻。用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆硅环（硅杯）固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部一般可与大气相通。在被测压力P作用下，膜片产生应力和应变。n当不受压力作用时，电桥处于平衡状态，无电压输出；当受到压力作用时，电桥失去平衡，电桥输出电压。其输出电压与压力成正比。n测力与荷重传感器测力与荷重传感器 n应变式压力传感器应变式压力传感器 5、应变式压力传感器的应用、应变式压力传感器的应用二、二、应变式压力计应变式压力计

14、第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器测力与荷重传感器测力与荷重传感器 n悬臂梁式传感器悬臂梁式传感器 二、二、应变式压力计应变式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器测力与荷重传感器测力与荷重传感器n柱式传感器柱式传感器 二、二、应变式压力计应变式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器测力与荷重传感器测力与荷重传感器 n轮辐式传感器轮辐式传感器 二、二、应变式压力计应变式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器应变式压力传感器应变式压力传感器 n筒式压力传感器筒式压力传感器n膜片式膜片式压力传感器压力传感器 二、二、应变式压力计应变式压力计 第四、五讲第

15、四、五讲 压力传感器压力传感器第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器三、三、压电式压力计压电式压力计 1 1、压电效应压电效应 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。由此而实现非电量测量。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。 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体切片 n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：n当作用力的方向改变时，电荷极性也随之改变。 三、三、压电式压力计压电式压力计

16、第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器n电荷的极性见图 在沿着电轴x方向力的作用下，产生电荷的现象称为纵向压电效应； 而把沿机械轴 y方向力的作用下，产生电荷的现象称为横向压电效应。 若沿晶片的x轴施加压力Fx，则在加压的两表面上分别出现正负电荷，如图（a）所示。 若沿晶片的y轴施加压力Fy时，则在加压的表面上不出现电荷，电荷仍出现在垂直x轴的表面上，只是电荷的极性相反。如图（c）所示， 若将x 、y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的位置不变，只是电荷的极性相反。如图（b）、（d）所示。值得注意的是纵向压电效应与元件尺寸无关，而横向压电效应与元件尺寸有关。三、三、压电式压力计压电式压力

17、计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器n2 压电材料 n（一）、压电晶体 1.石英晶体 2.水溶性压电晶体 3.铌酸锂晶体 n（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 n（三）、压电半导体 三、三、压电式压力计压电式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器3 3、测量电路、测量电路 （1 1）压电式传感器的等效电路）压电式传感器的等效电路 由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负的电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为三

18、、三、压电式压力计压电式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器 因此，压电传感器可以等效为一个与电容器Ca串联的电压源Ua，如图3-24（a）所示；也可以等效为一个与电容器并联的电荷源q，如图3-24（b）所示。电压Ua，电荷量q和电容量Ca这三者的关系为三、三、压电式压力计压电式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器 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。 常用的前置放大器主要有电压放大器电压放大器和电荷放大器电荷放大器两种类型。 （2） 电压放大器电压放大器 一般情况下，电压源要求前置放大器的电压灵敏度不随工作频率降低，将Ra与Ri，Ca与Ci并

19、联n图示的是压电传感器接到电压放大器的等效电路。 三、三、压电式压力计压电式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器n（3）、电荷放大器 n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。 三、三、压电式压力计压电式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器认识几种压电式传感器认识几种压电式传感器（a） 柱状压电陶瓷 （b）管状压电陶瓷 （c） 矩形压电陶瓷片 （d）压电陶瓷驱动器 （e）压电陶瓷超声传感器 （f）压电陶瓷超声雾化片 三、三、压电式压力计压电式压力计 第四、五讲第

20、四、五讲 压力传感器压力传感器（i)电荷型加速度计 (j)压电式测力传感器 （k）电压输出型加速度计（g）压电陶瓷蜂鸣片 （h）压电陶瓷大功率超声换能器 三、三、压电式压力计压电式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器n电容式传感器是将被测非电量（如尺寸、压力等）的变化转换为电容式传感器是将被测非电量（如尺寸、压力等）的变化转换为电容量变化的一种传感器。电容量变化的一种传感器。 压差变送器压差变送器 接近开关接近开关 三轴加速度三轴加速度传感器传感器 物位开关物位开关 四、四、电容式压力计电容式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器1、工作原理、工作原理 n不考虑边缘效

21、应，其电容不考虑边缘效应，其电容量为量为 n电容式传感器根据原理可电容式传感器根据原理可分为：分为：变面积型变面积型、变极距变极距型型和和变介电常数型变介电常数型。 四、四、电容式压力计电容式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器（1）、变面积型电容式传感器）、变面积型电容式传感器 平面形直线位移式平面形直线位移式 圆柱形直线位移式圆柱形直线位移式 角角位位移移式式 四、四、电容式压力计电容式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器（2）、变极距型电容式传感器）、变极距型电容式传感器 （3 3）、变介电常数型电容传感器）、变介电常数型电容传感器 四、四、电容式压力计电容式

22、压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器 电桥电路、调频电路、脉冲调宽电路和运算放大器式电路等。 n（1 1）、）、桥式电路桥式电路 2、测量电路、测量电路 nCx为电容传感器，没有变化时为电容传感器，没有变化时， 输出电压输出电压U U0 0=0=0。nC Cx x变化时，变化时，U U0 000，由此可测得，由此可测得电容的变化值。电容的变化值。 321CCCCxw相邻的两臂接入差动式电相邻的两臂接入差动式电容传感器。空载时的输出容传感器。空载时的输出电压为电压为 四、四、电容式压力计电容式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器n (2)、差动脉冲调宽电路 n差动脉冲

23、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。121210UCCCCUn初始时，初始时，C C1 1C C2 2，输出电压平均值为零。，输出电压平均值为零。n测量时，测量时， C C1 1C C2 2 ，输出电压输出电压U Uo o与电容的差值成正比。与电容的差值成正比。 四、四、电容式压力计电容式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器n(3)、调频电路 n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。 n图所示为调频电路原理图 CCC

24、CLLCf021(2121n当输入量导致传感器的当输入量导致传感器的电容量电容量发生变化时，振荡器的振荡发生变化时，振荡器的振荡频率也频率也相相应地应地变化变化，即振荡器频率受传感器输出电容的调制，故称调频式。，即振荡器频率受传感器输出电容的调制，故称调频式。n在实现了电容到频率的转换后，在实现了电容到频率的转换后，再用鉴频器再用鉴频器把频率的变化把频率的变化转换转换为幅为幅度的变化，度的变化，经放大后经放大后输出，进行输出，进行显示和纪录显示和纪录 四、四、电容式压力计电容式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器n(4)、运算放大器 n将电容式传感器接入运算放大器中，作为电路的反

25、馈元件构成的测量电路如图所示。n 以Cx=S/d 代入，可得：n上式表明，输出电压与d是线性关系。 UCCUCjCjUXX)/(1)/(10dSUCU0四、四、电容式压力计电容式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器（1 1）、电容式压差传感器电容式压差传感器 1-1-硅油硅油 2-2-隔离膜隔离膜 3-3-焊接焊接密封圈密封圈 4-4-测量膜片（动电测量膜片（动电极）极） 5-5-固定电极固定电极 结构 外形 应用测量液位 3、应用、应用 四、四、电容式压力计电容式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器（2）、电容式测厚仪）、电容式测厚仪 n在被测带材的上下两侧各装设

26、一在被测带材的上下两侧各装设一块面积相等且与带材距离相等的块面积相等且与带材距离相等的极板，这样两极板与带材之间形极板，这样两极板与带材之间形成两个电容成两个电容C1、C2。 1-带材 2-轧辊 3-工作电极 w带材在轧制过程中若发生带材在轧制过程中若发生厚度变化厚度变化，将引起，将引起电容电容的的变化变化，再，再用交流电桥用交流电桥将电容的变化将电容的变化检测检测出来，经过出来，经过放大放大，即可由显示仪表显示即可由显示仪表显示出带材厚度的变出带材厚度的变化。化。 四、四、电容式压力计电容式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器（3）、电容式油量表）、电容式油量表油箱电容传感器

27、同轴连接器刻度盘伺服电动机液位传感器 四、四、电容式压力计电容式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器n 1 工作原理（霍尔效应）工作原理（霍尔效应）n 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势电流和磁场的方向上将产生电动势EH。 五、五、霍尔式压力计霍尔式压力计 LbdBIHEIHUxyz半导体I第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器2 2 霍尔效应霍尔效应dIBREHH流入激励电流端（流入激励电流端（a a、b

28、 b）的）的电流电流I Iabab越大越大，电子和，电子和空穴积累得就越多，空穴积累得就越多，霍尔电动势也就越高霍尔电动势也就越高。作用在薄片上的作用在薄片上的磁感应强度磁感应强度B B越强越强，电子受到的洛，电子受到的洛仑兹力也越大，仑兹力也越大，霍尔电动势也就越高霍尔电动势也就越高。薄片的薄片的厚度、厚度、半导体材料中的半导体材料中的电子浓度电子浓度等因素对等因素对霍尔电动势也有很大的影响，导电薄膜越薄，灵敏度霍尔电动势也有很大的影响，导电薄膜越薄，灵敏度就越高。就越高。霍尔电动势EH可用下式表示：LbdBIHEIHUxyz五、五、霍尔式压力计霍尔式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器

29、压力传感器磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd da ab b2 2、霍尔元件的工作原理、霍尔元件的工作原理n半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为，这种现象称为霍尔霍尔效应效应。n(1)B=0时时、 五、五、霍尔式压力计霍尔式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器n(2).B0、作用在半导体薄片上的磁场强度、作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，越

30、强，霍尔电势也就越高。霍尔电势也就越高。五、五、霍尔式压力计霍尔式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器(3)霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧（向内侧（d 侧）偏移，在半导体薄片侧）偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之方向的端面之间建立起霍尔电势。间建立起霍尔电势。五、五、霍尔式压力计霍尔式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器(4)(4)磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成不垂直于霍尔元件

31、，而是与其法线成某一角度某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即B Bcoscos ，这时的霍尔电动势为，这时的霍尔电动势为 EH=KHIBcos 五、五、霍尔式压力计霍尔式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示演示a aa ac cd db b结论：霍尔电势与输入电流结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度、磁感应强度B成正比。当成正比。当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。五、五、霍尔式压力计霍尔式压力计 第四、五讲第四、五讲 压力传感器压力传感器3 霍尔式压力计霍尔式压力计 霍尔元件直接与弹性元件霍尔元件直接与弹性元件(弹簧管或膜盒等弹簧管或膜盒等)的位移