第3章_压力检测-王威立.ppt

1、,传感器原理,第 3 章,压力检测,测压系统实例,集成压敏传感器,光纤压力传感器,电子秤,霍尔式压力计,应变式压力计,薄膜应变片,压力的概念及单位,压电式压力传感器,电容式压力传感器,压力 检测,本章的主要内容,3.1 压力的概念及单位,压力是垂直地作用在单 位面积上的力。它的大 小由两个因素，即受力 面积和垂直作用力的大 小决定。其表达式为,压力的概念,国际单位：帕斯卡,一、压力的概念,常用单位,工程大 气压,标准大 气压,约定毫 米水柱,约定毫 米汞柱,二、压力的常用单位,压力的概念,工程大气压,单位符号为at，是工业上目前常用的单位。 即 1N 力垂直作用在 1 面积上所产生的 压力，用

2、千克力 / 厘米 表示，即 。,二、压力的常用单位,压力的概念,标准大气压,单位符号为 atm，是指在纬度 45的海平面上，0时的平 均大气压力。,二、压力的常用单位,压力的概念,约定毫米汞柱,单位符号为 mmHg，即在标准重力 加速度下，0时 1mm 高的水银柱 在 1 的底面上所产生的压力,二、压力的常用单位,压力的概念,约定毫米水柱,单位符号为 mmH2O，即在标准重 力加速下，4 时1mm 高的水柱在 1 的底面上所产生的压力。,二、压力的常用单位,压力的概念,三、压力单位换算表,3.2 应变式压力计,应变效应,导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这

3、种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。,1、应变效应,实验演示,1、应变效应,电阻应变效应,1、应变效应,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,对于一长为L、横截面积为A、电阻率为的金属丝，其电阻值R为：,如果对电阻丝长度作用均匀应力，则、L、A的变化(d、dL、dA)将引起电阻R变化dR ，dR可通过对上式的全微分求得：,2、金属丝应变效应,电阻相对变化量为：,若电阻丝是圆形的， 则A=r ,对r 微分 得dA=2r dr，则：,2、金属丝应变效应,由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变

4、的关系为： y=-x （3-5） 为金属材料的泊松系数。,2、金属丝应变效应,将（3-4）式、（3-5）代入（3-3）式得：,KS称为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化。,2、金属丝应变效应,对于确定的材料，(1+2)项是常数，其数值约在12之间，实验证明d/x 也是一个常数。,上式表示金属丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系。,2、金属丝应变效应,二、电阻应变片,金属电阻应变片,1,2,半导体电阻应变片,将金属电阻丝 （一般是合金， 电阻率较高，直径 约0.02mm）粘贴在 绝缘基片上，上面 覆盖一层薄膜，使它们变成一个整体。,1、金属电阻应变片, 金属丝式应变片,利用光刻

5、、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.0030.010 mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。其优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。,1、金属电阻应变片, 金属箔式应变片,2、半导体电阻应变片,2、半导体电阻应变片,半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件 。当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。,当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为 :,2、半导体电阻应变片,式中 为半导体应变片的电阻率的相对变化，其值与半导体敏感条在轴向所受的应力之比为一常数。即,代入（

6、3-10）式，得：,上式中1+2项随几何形状而变化，LE项为压阻效应，随电阻率而变化。,2、半导体电阻应变片,实验证明LE比1+2大近百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为：,半导体应变片的突出优点是体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接，使测量系统简单。但其温度系数大，应变时非线性较严重。,2、半导体电阻应变片,基于半导体的“压阻效应” 体积小、灵敏度高、机械滞后小 温度稳定性差、非线性严重,2、半导体电阻应变片,三、电阻应变片的粘贴,应变片用粘结剂粘贴到试件表面上，粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测试件的应变传到敏感栅上。 选择粘结

7、剂必须适合应变片材料和被测试件材料，不仅要求粘接力强，粘结后机械性能可靠，而且黏合层要有足够大的剪切弹性模量，良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿、耐油、耐老化，动态应力测量时耐疲劳等。,四、电阻应变片的温度补偿,温度误差,1,2,温度补偿,热敏电阻补偿,3,由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。,1、温度误差,因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素： 应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数； 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。,由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t 存在时，

8、引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为:,K应变片灵敏系数; e试件材料线膨胀系数； g敏感栅材料线膨胀系数。,设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t ，则应变片产生的电阻相对变化为:,1、温度误差,温度变化t形成的总电阻相对变化：,可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(t,g)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(e)有关。,1、温度误差,2、温度补偿,由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿,这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感

9、栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即：,(Ra) t= (Rb) t, 双丝组合式自补偿应变片,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面,称为工作应变片R1 。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，称为补偿应变片R2。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。, 电路补偿法,把R1与R2接入电桥相邻臂上，,当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即：, 电路补偿法,选择R1=R2=R及R3=R4=r。 当温度升高或降低t 时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，则电桥的输出电压为：, 电路补偿法,若被测试件

10、受应变作用时，工作片R1感受应变，阻值变化R1 ；补偿片R2不承受应变，阻值不变。此时电桥输出电压为,（3-23）,由上式可知，电桥输出电压U0只与应变有关，与温度无关。, 电路补偿法,电桥补偿法要达到全补偿，需满足下列三个条件： R1和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同； 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等； 两应变片处于同一温度环境中。, 电路补偿法,构件受单向应力,构件受弯曲应力,梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，

11、将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。, 电路补偿法,热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电压增加，从而提高了电桥的输出电压。选择分流电阻R的值，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。,3、热敏电阻补偿,五、电阻应变片的转换电路,电桥的平衡条件,1,2,电桥电压的灵敏度,非线性误差及补偿条件,3,当RL时，电桥输出电压:,当电桥平衡时,U0=0，所以:R1 R4 = R2 R3 或 R1/R2 =R3/

12、R4 (3-25),欲使电桥达到平衡，直流电桥其相邻两臂的电阻比值应该相等。,1、电桥的平衡条件,若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为:,(3-26),2、电桥电压灵敏度,设桥臂比n=R2/R1,由于R1R1 ,可得:,分析(3-28)式： 电桥的灵敏度KU 正比于供桥电压U。 电桥的灵敏度KU 是桥臂比的函数。,2、电桥电压灵敏度,当电桥电压U确定后，由,求得n =1时，KU为最大。即：在当供桥电压U 确定后，当R1= R2、R3= R4 时，电桥的灵敏度最高。实际多取R1= R2=R3= R4,2、电桥电压灵敏度,此时，可分别将（3-26）式、（3-27）式、（3-28

13、）式简化为 ：,结论：当供桥电压和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。,2、电桥电压灵敏度,3、非线性误差及补偿条件,实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差称为绝对非线性误差； 绝对非线性误差与理想的线性特性曲线的比称为相对非线性误差，用r 表示。, 非线性误差,（3-32）, 减小或消除非线性误差的方法,减小非线性误差的方法,提高桥臂比,采用差动电桥,全桥差动,半桥差动,从（3-32）式可知，提高桥臂比n可使非线性误差减小；但电桥电压灵敏度KU将降低。为了不降低KU ，必须适当提高供桥电压U。, 减小或消除非线性误差的方法, 提高桥臂比,a.

14、半桥差动,如果桥臂电阻R1和邻边桥臂电阻R2都由应变片替代，且使一个应变片受拉，另一个受压，这种接法称为半桥差动工作电路。, 减小或消除非线性误差的方法, 采用差动电桥,a.半桥差动,当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为：,若 ， 则：,结论：U0 与R1/R1 成线性关系，差动电桥无非线性误差；电压灵敏度KU= E/2 ，比使用单只应变片提高了一倍。, 减小或消除非线性误差的方法, 采用差动电桥,b. 全桥差动 若满足 R1=R2=R3=R4 则输出电压为：,可见：全桥差动电桥也无非线性误差；电压敏度KU=E 是使用单只应变片的4倍，比半桥差动提高了一倍。, 减小或消除非线性误差的方法, 采

15、用差动电桥,六、应变式压力传感器,膜式应变传感器,1,2,测力计式应变传感器,扩展硅型压力传感器,3,图是一种最简单的平膜压力传感器。由膜片直接感受被测压力而产生变形，应变片贴在膜片的内表面，在膜片产生应变时，使应变片有一定的电阻变化输出。 对于边缘固定的圆形膜片，在受到均匀分布的压力后，膜片中一方面要产生径向应力，同时还有切向应力，由此引起的径向应变 和切向应变 分别为,1、膜式应变传感器,1、膜式应变传感器,平膜式压力传感器最大优点是结构简单，灵敏度高。但它不适于测量高温介质，输出线性差。,1、膜式应变传感器,2、测力计式应变传感器,扩散硅型压力传感器是把半导体应变膜直接扩散在单晶片基底上

16、，这个单晶片既有测量功能，又有弹性元件作用，形成了高自振频率的压力传感器。,3、扩展硅型压力传感器,图是一个扩散硅压阻式压力传感器的结构示意图。外加压力通过金属膜传递到充油的内腔，这个压力再使硅测量元件产生应变，扩散电阻通过引线与带有补偿电阻的桥路印制板连接，为了减小温度误差一般以恒流源供电。,3、扩展硅型压力传感器,3.3 薄膜应变片,(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。,与传统的应变片相比，薄膜应变片具有如下优点：,薄膜应变片的工作原理,薄膜应变片测量应变的机理利用的是敏感材料的压阻

17、效应。也就是说，在应变的作用下，一方面，材料发生几何形变引起材料的电阻发生变化；另一方面，因材料品格的变形等因索引起材料的电子自由程发生变化，导致材料的电阻率变化，从而使材料的电阻发生变化。,薄膜应变片的工作原理,设材料电阻串为，薄膜宽为d、长为l、厚为t，则薄膜的电阻为,设薄膜承受的应变为，推导可得薄膜电阻相对变化为,若考虑到薄膜应变片基片的弹性效应，那么薄膜电阻相对变化应为,薄膜应变片的制作与应用,溅射薄膜应变片,蒸发薄膜应变片,压电传感器,3.4 应变式压电传感器,压电效应,某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，

18、当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。,压电效应,正（顺）压电效应示意图,压电效应,反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。,图 压电效应的可逆性,压电效应,石英晶体的压电效应,如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。,压电效应,石英晶体的压电效应,在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的

19、轴表示，其中，纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴 (垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。,压电效应,石英晶体的压电效应,如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。,压电效应,石英晶体的压电效应,压电效应,压电效应的物理解释,石英晶体具有

20、压电效应，是由其内部分子结构决定的。图是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。 图中“”代表硅离子Si4+， “”代表氧离子O2-。,图 硅氧离子的排列示意图,当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3。 如图（a）所示。,因为P = qL（q为电荷量，L为 正负电荷之间的距离），此时 正负电荷中心重合，电偶极矩 的矢量和等于零，即 P1+P2+P30 所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。,当晶体受到沿x方向的压力（F x 0,在y、z方向上的分量为: (P1+P2

21、+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0,当晶体受到沿x方向的拉力（Fx 0）作用时，其变化情况如图（c）所示。电偶极矩P1增大， P2、 P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为 (P1 +P2 +P3) x0 (P1+ P2+ P3)y =0 (P1 +P2 +P3)z =0 在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。,可见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx 作用时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方向则不产生压电效应。,晶体在y轴方向受力Fy作用下的情况与Fx 相似。当Fy 0时，晶体的形变与图（b）相似；当Fy 0时，则与图（c）相似。由此可见，晶体在y（

22、即机械轴）方向的力 Fy作用下，在x方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。,晶体在z轴方向受力Fz的作用时，因为晶体沿x方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向的力Fz 作用下，晶体不产生压电效应。,作用力与电荷的关系,若从晶体上沿y方向切下一块如图（a）所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力x时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度P11与应力x 成正比。,即：,d11压电系数。下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向； b、c石英晶片的长度和宽度。,而P11在数值

23、上等于晶面上的电荷密度,将以上两式联立，得,反之，若沿x方向对晶片施加电场，电场强度大小为Ex 。根据逆压电效应，晶体在x轴方向将产生伸缩，即：a=d11U x,也可用相对应变表示为：,若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应力y，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为,(5-8),根据石英晶体轴对称条件：d11 = -d12，则：,晶片厚度,(5-7),反之，若沿y方向对晶片施加电场，根据逆压电效应，晶片在y轴方向将产生伸缩变形，即,或用相对应变表示：,图 石英晶体受力方向与电荷极性关系, 当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关； 沿机械轴y方向向

24、晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。,压电晶片的连接方式,在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。,压电式传感器的测量电路,并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。,串联方

25、法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。,图 压电元件连接方式 (a) 相同极性端粘结； (b) 不同极性端粘结,在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。 而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。,压电传感器的等效电路,当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器，其电容量为：,图 压电元件

26、的等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源,当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为,因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的 串联电路，如图 (b)。,实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等效电路可表示成图5-15所示的电压等效电路（a）和电荷等效电路（b）。这两种等效电路是完全等效的。,图6-8 压电传感器的实际等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源,值得注意的是：,利用压电式传感器测量静态或准静

27、态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。,压电传感器的应用,一、高分子压电材料的应用,1. 玻璃打碎报警装置 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，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,高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器,质量块,将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。 使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃

28、遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q ，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,压电传感器只能应用于动态测量,由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。,2压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）,将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行,

29、对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。,3.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。,高分子压电电缆的应用演示,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。,二、压电陶瓷传感器的应用,压电片的并联接法,压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。其总面积是单

30、片的两倍，极板上的总电荷Q并为单片电荷Q的两倍。,压电式动态力传感器以及在 车床中用于动态切削力的测量,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 训练分析装置,压电传感器测量双腿跳的动态力,下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。,图6-12 压电式加速度传感器结构图,例1 压电式加速度传感器,当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数， 即,F=ma,q=d11F=d11ma,式中：F质量块产生的惯性力； m质量块的质量； a加速度。,F=ma,（6-14）,q=d11F=d11ma,与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。,此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数， 则传感器输出电荷为,例2 压电式压