传感器技术 课件 第3章 压力传感器

第3章压力传感器理论知识Contents目

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3.1电容式压力传感器3.2压电式传感器3.3电阻应变式传感器教学目标了解电阻应变式压力传感器的结构，理解其基本工作原理；01了解电容式压力传感器的分类、结构，理解其工作原理；02了解压电式传感器的结构，理解其工作原理；03掌握压力电子秤的设计、制作与调试。043.1电阻应变式传感器导入新课生活中常用的电子秤是怎么制作的？1.电阻应变式传感器的发展历程05P.梅森等研制出半导体应变计。195704S.史密斯发现半导体材料的压阻效应。195403杰克逊利用光刻技术，首次制成了箔式应变计。195302西蒙斯和A.鲁奇制出纸基丝绕式电阻应变计。193801汤姆逊，海底电缆，拉伸电阻值增加。18562.电阻应变式传感器的定义电阻应变式传感器是一种利用金属弹性体、电阻应变片将力转换为电信号的传感器。图3-1.BX120-3AA图3-2.BX120-100AA图3-3.压力应变计3.电阻应变式传感器的结构组成电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变片以及信号调理电路构成。图3-4电阻应变式传感器的结构组成●弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移，然后再由传感器将应变或位移转换成电信号。（1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。（2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。（3）弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定。（4）抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。►应变式传感器常用弹性敏感元件

图3-5变换力的弹性敏感元件变换力的各种弹性元件（1）变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件指输入量为力F，输出量为应变或位移的弹性敏感元件。►应变式传感器常用弹性敏感元件

a)实心轴b)空心轴c、d)等截面圆环e、f、g)变形圆环h)等截面悬臂梁i)等强度悬臂梁j)变形的悬臂梁k)扭转轴图3-6变换压力的弹性敏感元件►应变式传感器常用弹性敏感元件应变式传感器常用弹性敏感元件●（2）变换压力的弹性敏感元件均匀分布作用于物体的力称为压力。例如气体或液体的压力等。变换压力的弹性敏感元件如图所示。3.1.1电阻应变式传感器的工作原理1.应变效应应变效应：金属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的物理现象，称为应变效应。LL+ΔLRR+ΔRF图3-7金属丝的应变效应2.金属丝应变效应演示实验●长度为L、横截面积为S、电阻率为ρ的金属丝其电阻为R。►实验结论：金属丝受拉时：L变长、S变小，导致R变大。3.1.1电阻应变式传感器的工作原理3.1.1电阻应变式传感器的工作原理

3.1.1电阻应变式传感器的工作原理

3.1.1电阻应变式传感器的工作原理

►结论：应变与电阻变化率呈线性关系

图3-8应变与电阻变化率的关系3.1.1电阻应变式传感器的工作原理

3.1.1电阻应变式传感器的工作原理1.电阻应变片的分类（1）电阻应变片敏感元件的材料不同①金属电阻应变片②半导体应变片金属丝式应变片金属箔式应变片薄膜式应变片体型扩散型外延型薄膜型半导体应变片3.1.2电阻应变片的分类与粘贴1.电阻应变片的分类（1）金属电阻应变片A.金属丝式应变片的结构①敏感栅是转换元件，由金属丝、金属箔制成，它被粘贴在基体上。通过基体把应变传递给它。②基底保持电阻丝固定形状、尺寸和位置。③覆盖层（保护片）起绝缘保护作用。④引线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。

图3-9金属丝应变片的结构1、引线2、覆盖层3、敏感栅4、基底图3-10金属箔式应变片的结构B.金属箔式应变片的结构利用采用照相制版或光刻蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般为0.003～0.01mm，可以制成各种形状的敏感栅。金属丝式与箔式应变片的区别：①金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，逐渐被箔式所取代。但金属丝式应变片价格便宜，多用于大批量、一次性试验。②箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，目前广泛用于电子秤等各种应变式传感器中。C.金属薄膜应变片它是采用真空蒸镀、沉积或溅射式阴极扩散等方法在绝缘基底材料上制成一层很薄的敏感电阻膜，再加上保护层而制成，其厚度一般在0.1µm以下。图3-11金属薄膜式应变片金属薄膜与金属丝式应变片的区别：①薄膜应变片的应变传递性能得到了极大的改善，几乎无蠕变，灵敏度系数高。②其优点是电阻温度系统小（10-6～10-5Ω/℃）、稳定性好、可靠性高、工作温度范围宽（100～180℃）、使用寿命长、成本低，易实现工业化生产的特点，是一种很有前途的新型应变片。目前在航空、航天工业，及对稳定性要求较高的测控系统中得到了广泛的应用。（2）.半导体应变片①半导体应变片的基本结构有三种类型：体型、薄膜型、扩散型。优点：比电阻应变片灵敏系数高（约高50～100倍）、机械滞后小、体积小、耗电少等优点。(1)体型(2)薄膜型(3)扩散型图3-12半导体应变片的结构（2）.半导体应变片②压阻效应：当半导体受到应力作用时，由内部载流子的迁移引起电阻率的变化，称为压阻效应。压阻传感器：是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。图3-13压阻传感器（2）半导体应变片③压阻传感器的应用压阻式传感器广泛应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。图3-14压阻传感器应用于飞机的风洞实验

压阻传感器的应用◊应用与医疗行业图3-15压阻传感器应用于医疗行业

压阻传感器的应用图3-16压阻传感器应用于医疗行业

压阻传感器的应用◊应用于爆炸冲击波的测量图3-17压阻传感器应用于爆炸冲击波的测量

压阻传感器的应用◊用于地震波的测量图3-18压阻传感器应用于地震监测压阻传感器的应用◊用于自动供水系统图3-19压阻传感器应用于自动供水系统2.电阻应变片的粘贴工艺电阻应变片的粘贴工艺包括被测试件粘贴表面处理、贴片位置确定、涂底胶、贴片、干燥固化、质量检查、引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。具体步骤为：（1）应变片的筛选①外观检查；②阻值与绝缘电阻的检查；图3-20检测阻值2.电阻应变片的粘贴工艺（2）测点表面处理和测点定位图3-21测点表面处理和测点定位2.电阻应变片的粘贴工艺（3）应变片的粘贴图3-22应变片的粘贴2.电阻应变片的粘贴工艺（4）应变片的干燥

应变片粘贴好后应有足够的粘结强度以保证与试件共同变形。此外，应变计和试件间应有一定的绝缘度，以保证应变读数的稳定。因此，在贴好片后就需要进行干燥处理，可用电吹风微加热处理（注意距离和均匀）,用万用表测量应变片绝缘电阻值，应大于20MΩ。图3-23应变片的干燥（5）导线的焊接和固定

将引出线焊接在应变片的接线端。在应变片引出线下，贴上胶带纸，以免应变片引出线与被测试件接触造成短路。2.电阻应变片的粘贴工艺图3-24导线的焊接和固定（6）应变片的防潮处理

为避免胶层吸收空气中的水分而降低绝缘电阻值，应在应变片接好线后，立即对应变片进行防潮处理。

常用的的防潮剂可用704硅胶，将704硅胶均匀的涂在应变片和引出线上。2.电阻应变片的粘贴工艺图3-25导线的焊接和固定（7）应变片的质量检验a.用目测或放大镜检查应变片是否粘牢固，有无气泡、翘起等现象。b.用万用表检查电阻值，阻值应和应变片的标称阻值相差不大于1Ω。2.电阻应变片的粘贴工艺图3-26应变片的质量检验3.电阻应变片的应用材料受拉应变的测量图3-27材料受拉应变测量3.电阻应变片的应用管桩材料受压的测量(a).预应力管桩的受力预测：工作人员正在贴应变片(b).应变片粘贴在管桩上，四片应变片可组成全桥图3-28管桩材料受压测量3.1.3测量转换电路把微小应变引起的微小电阻变化测量出来。要把电阻相对变化ΔR/R转换为电压或电流的变化，应该采用什么测量转换电路？直流电桥和交流电桥

机械应变一般都很小，该如何考虑测量呢？1.直流电桥（1）直流测量电桥

图3-29直流测量电桥电路1.直流电桥非平衡电桥的输出电压若桥路的4个桥臂相邻电阻的电阻值变化趋势相同，桥路的输出电压为零。若相邻电阻的电阻值变化趋势相反，桥路就产生输出电压：非平衡电桥可以分为单臂电桥、双臂电桥、四臂全桥图3-30非平衡测量电桥电路1.直流电桥①单臂电桥R1——电阻应变片。起始时，应变片未承受应变，电桥平衡：R1=R2=R3=R4=R

，此时Uo=0。当应变片承受外力时，则R1增大为R1+ΔR，对于单臂电桥，此时的输出电压为：图3-31单臂测量电桥电路R+ΔR1.直流电桥②双臂电桥电阻R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻R。当应变片承受外力时，R1增大为R1+ΔR，同时R2减小为R2－ΔR，此时的输出电压为单臂工作时的两倍。即：图3-32双臂测量电桥电路R+ΔRR-ΔR1.直流电桥③四臂全桥电阻R1、R2、R3、R4均为应变片，且差动工作，当应变片承受应变时，则R1和R4增大ΔR，R2和R3减小ΔR，此时的输出电压为单臂工作时的四倍。则有

图3-33双臂测量电桥电路1.直流电桥温度误差及补偿定义：外界温度的变化会给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。原因：因环境温度改变引起敏感栅电阻值的变化。引起电阻变化的主要因素有：（1）应变片电阻丝的温度系数；（1）电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。解决措施（1）补偿片法（2）自补偿法1.直流电桥（1）补偿片法R1为工作片，RB为补偿应变片，R3、R4为固定电阻。工作片R1粘贴在被测试件上需要测量应变的地方，补偿片RB粘贴在补偿块上，与被测试件温度相同，但不承受应变。（2）双臂半桥、四臂全桥可以实现温度自补偿，双臂全桥图3-34补偿片法测量电桥电路2.交流电桥交流电桥与直流电桥分析方法相同图3-35交流测量电桥电路3.2电容式压力传感器3.2.1电容式传感器的工作原理1.电容式传感器的定义（1）电容式传感器：将被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。优点：①高阻抗，小功率；②动态范围大、响应速度快；③几乎没有零漂；④结构简单、适应性强，可在恶劣的环境下使用。图3-36电容式传感器（2）工作原理电容式传感器最常用的形式是由两个平行电极组成，以空气为介质的电容器。式中：ε—极板间介质的介电常数，ε=ε0εr

ε0—真空介电常数，8.854×10-12F/m

εr—极板间介质的相对介电常数S—极板间所覆盖的面积d—极板间距离图3-37电容式传感器3.2.1电容式传感器的工作原理2.电容式传感器的结构及原理（1）电容式传感器结构和原理——①变间隙型电容传感器设动极板未移动时极板间距为d0图3-38变间隙型电容传感器3.2.1电容式传感器的工作原理灵敏度①变间隙的电容式传感器

当

非线性误差：在设计变间隙型电容传感器时，要考虑满足

d<<d0的条件，且一般

d只能在极小的范围内变化。2.电容式传感器的结构及原理

当

①变间隙的电容式传感器

2.电容式传感器的结构及原理图3-39变间隙型差动电容传感器

差动式结构

灵敏度为：

非线性误差为：①变间隙的电容式传感器ACC1C2Bd0由上式可以看出，灵敏度提高一倍。2.电容式传感器的结构及原理图3-40变间隙型差动电容传感器a.直线位移型S

②变面积型电容式传感器

2.电容式传感器的结构及原理图3-41直线位移型电容式传感器b.角位移型②变面积型电容式传感器

2.电容式传感器的结构及原理图3-42角位移型电容式传感器c.圆柱形②变面积型电容式传感器图3-43变面积型电容传感器

2.电容式传感器的结构及原理③变介质型电容式传感器2.电容式传感器的结构及原理a.线位移设极板宽度为b0，长度l，间距d0板间无介质εr2

时：插入介质εr2

后：图3-44线位移变介质型电容传感器液位限位传感器设定按钮b.圆柱型变介质电容传感器（液位）③变介电常数的电容式传感器

2.电容式传感器的结构及原理图3-45圆柱形变介质型电容传感器3.2.2电容式压力传感的分类及工作原理电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。1.单电容式压力传感器图3-46单电容压力传感器差动形式的电容式压力传感器的灵敏度比非差动式高一倍，线性也得到较大改善。诸如温度、激励源电压、频率变化等外界的影响也能基本上相互抵消。2.差动电容式压力传感器的工作原理与结构

非差动电容传感器演示图3-47差动电容式差压传感器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（定极板）9－弹性平膜片

10－δ腔11－铝合金外壳12－限位波纹盘

13－过压力保护悬浮波纹膜片

14－公共参考端（地电位）15－螺纹压力接头16－测量转换电路及显示器铝合金盒17－信号电缆2026/3/1166图3-47差动电容式差压传感器1－C1的电容/位移特性

2－C2的电容/位移特性

3－C1、C2差接后的的电容/位移特性非差动电容式传感器与差动传感器的特性比较图3-48非差动电容式传感器与差动电容式传感器的特性比较3.2.3测量电路电容式传感器测量电路把电容的变化量转换成电压、电流、频率等变化量，再送给控制核心。测量电路3大类调频调幅脉冲调宽测量电路——1.调频电路3.2.3测量电路（1）转换电路生产频率信号，可远距离传输不受干扰；（2）具有较高的灵敏度，,可测量高至0.01um级位移变化量；（3）但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。特点图3-49调频式测量电路原理框图频率技术公式

式中，C1——振荡回路固有电容；C2——传感器电容；Cx——引线分布电容。其电路组成原理如图3-49所示：3.2.3测量电路(1).交流电桥

将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个或两个相邻臂，另外两臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个次级线圈，如图3-50所示。测量电路——2.调幅电路（a）单臂法

（b）差动接法图3-50电容传感器的桥式转换电路差动接法输出电压为在实际应用中，接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高（一般达几兆欧至几十兆欧），输出电压幅值又小，所以由电桥电路组成的系统原理框图如图3-51所示。图3-51交流电桥测量系统原理框图测量电路——2.调幅电路(2).运算放大器式电路将电容传感器接入开环放大倍数为A的运算放大电路中，作为电路的反馈组件，如图3-52所示。图3-52运算放大器式电容传感器测量电路由理想放大器的工作原理可得：

差动脉冲宽度调制电路，是利用对传感器电容的充放电，使电路输出脉冲的宽度随传感器的电容量变化而变化。其电路原理如图3-53所示。测量电路——3.差动脉冲宽度调制电路当双稳态触发器处于某一状态，Q=1，A点高电位，通过R1对C1充电，时间常数t1=R1C1，直至F点点位高于参比电位UT，比较器A1输出正跳变信号。Q=1期间，电容器C2上已充电流VD2迅速放电至零电平。A1正跳变信号激励触发器翻转，使Q=0，于是A点为低电平，C1通过VD1迅速放电，而B点高电位通过R2对C2充电，时间常数t2=R2C2，直至G点点位高于参比电位UT图3-53差动脉冲宽度调制电路原理图当C1=C2时，各点电压波形如右图a，Uo的平均值为0当C1、C2不相等时，充电时间常数发生改变，若C1＞C2，则各点电压波形如右图（b）所示，输出电压的平均值不等于0Uo经低通滤波后，所得直流电压为测量电路——3.差动脉冲宽度调制电路图3-54差动脉冲宽度调制电压波形3.3压电式压力传感器●优点：体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高。压电传感器的定义压电式传感器是利用压电材料的压电效应（Piezoelectriceffect），在外力作用下，其表面产生电荷，从而实现非电量的检测，它是一种典型的有源传感器，即发电型传感器。压电传感器的感测量动态力、机械冲击和振动，在声学、医学、力学、导航方面应用广泛。但不能用于静态参数的测量。压电式传感器的种类根据工作原理：正压电效应型和逆压电效应型。3.3.1压电传感器原理与压电材料►压电效应正压电效应：某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。逆压电效应：在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“逆压电效应”，也叫做“电致伸缩效应”。

利用压电效应的可逆性，可以实现机——电能量的相互转换压电式传感器工作原理是基于压电效应基础上的。3.3.1压电传感器原理与压电材料压电效应是于1880年由雅克·保罗·居里(JacquesPaulCurie)和皮埃尔·居里（Pierre

Curie）发现的。图3-55压电式传感器工作原理►压电效应3.3.1压电传感器原理与压电材料F●力的方向改变时，电荷的符号也随之改变，外力去掉后，电荷消失。图3-56压电效应的动画1.石英晶体的压电效应石英晶体成正六边形棱柱体，石英晶体结构及压电效应如图3-57所示。3.3.1压电传感器原理与压电材料图3-57石英晶体结构及压电效应在正常的情况下，晶格上的正、负电荷中心重合，表面呈电中性。1.石英晶体的压电效应3.3.1压电传感器原理与压电材料图3-57石英晶体结构及压电效应当在x轴向施加压力时，如图3-57（b）所示，各晶体上的带电粒子均产生相对位移，正电荷中心向B面移动，负电荷中心向A面移动，因而B面呈现正电荷，A面呈现负电荷。1.石英晶体的压电效应3.3.1压电传感器原理与压电材料图3-57石英晶体结构及压电效应在y方向施加压力时，如图3-57（d）所示，晶格离子沿y轴被向内压缩，A面呈现正电荷，B面呈现负电荷。1.石英晶体的压电效应3.3.1压电传感器原理与压电材料图3-57石英晶体结构及压电效应沿y轴施加拉伸力时，如图3-57（e）所示，晶格离子在y向被拉长，x向缩短，B面呈现正电荷，A面呈现负电荷。纵向压电效应横向压电效应沿电轴x方向作用产生电荷的现象沿机械轴y轴方向作用产生电荷的现象1.石英晶体的压电效应3.3.1压电传感器原理与压电材料图3-58垂直于电轴x切割的石英晶体切片在与x轴垂直的两面金属极面间产生的电压沿x方向施加作用力Fx电轴垂直表面上产生的电荷纵向压电系数

=2.3为晶体上覆以金属的极面间的电容

69图3-58垂直于电轴x切割的石英晶体切片如果在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力时，为石英晶体的横向压电系数

根据石英晶体的轴对称条件可得则在与x轴垂直的平面上产生的电荷为1.石英晶体的压电效应3.3.1压电传感器原理与压电材料●

压电陶瓷：人工制造的具有电畴结构的多晶压电材料。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。►压电陶瓷的压电效应不具有压电效应有了压电特性原始的压电陶瓷外加直流电场极化电场去除后，电畴方向基本不变，留下了很强的剩余极化。极化过的压电陶瓷受力后产生电荷。3.3.1压电传感器原理与压电材料

极化处理：在一定温度下对压电陶瓷施加强电场（如20～30kv/cm直流电场）。►压电陶瓷的极化处理外力作用极化处理的压电陶瓷外加直流电场●

原因：陶瓷内部的电畴的极化方向在外电场作用下都趋向于电场的方向，这个方向就是压电陶瓷的极化方。。压电效应(a)未极化(b)电极化图3-59陶瓷内部电畴的极化70压电陶瓷特性（1）电畴结构（2）极化处理后存有很强的剩余场极化（4）受到外力作用时产生了压电效应（3）极化处理后具有很高的压电系数（5）机械强度比石英差2.压电陶瓷的压电效应3.3.1压电传感器原理与压电材料71当压电陶瓷在极化面上受到沿极化方向（z向）的作用力Fx时（即作用力垂直于极化面）压电陶瓷的压电效应如图3-60所示，则在两个镀金（或银）的极化面上分别出现正负电荷。dzz为压电陶瓷的纵向压电系数图3-60压电陶瓷的压电效应输出电压为为压电陶瓷片电容

电荷量Qzz与Fz成比例2.压电陶瓷的压电效应3.3.1压电传感器原理与压电材料72（a）z向施力

（b）x向施力图3-60压电陶瓷的压电效应当沿x轴方向施加作用力Fx时，在镀银极化面上产生的电荷Qzz为：是压电陶瓷在横向力作用时的压电系数；且均为负值，由于极化压电陶瓷平面各向同性。所以2.压电陶瓷的压电效应3.3.1压电传感器原理与压电材料3.3.1压电传感器原理与压电材料3.压电材料（1）压电晶体（石英晶体（如SW2）、铌酸锂（UNbO3）、钽酸锂（LiTaO2）等。）石英晶体分为天然与人造两种，天然石英晶体的性能优于人造石英晶体，价格较高。化学成分：二氧化硅,SiO2晶体结构：六角棱柱体颜色：透明(如果没有杂质)图3-61天然石英晶体①石英晶体切片及封装图3-62石英晶体薄片图3-63双面镀银并封装►压电材料——石英晶体晶振石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。图3-64石英晶振图3-65硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在xoy平面上的投影

(b)等效为正六边形排列的投影②石英晶体压电效应机理(a)xy(b)+xy++---(a)Fx=0y+xP1P2P3--++-②石英晶体压电效应机理图3-66Fx=0时，石英晶体压电效应示意图(b)Fx<0x+Fxy+-Fx-P1P2P