信号检测理论与技术-第三章

1第3章力学量检测技术3.1压力测量3.2力的测量3.3转矩测量2在工业生产、科学研究等各个领域中，压力、力和转矩是经常需要测量的重要参数。这些参数都是力的现象，因此在测量方法和所用仪器设备上有很多相同的地方。本章介绍压力、力和转矩的测量方法、测量中所用的仪器设备及所用典型传感器的基本原理及结构。33.1压力测量常见的传感器型式有：应变式、压阻式、电容式、压电式、谐振式等。此外还有光电式、光纤式、超声式。41、弹性元件弹性元件：利用弹性变形来进行测量和变换的元件。作用：感受压力，并产生变形。同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等，如表3-2所示。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压或真空度的测量。5表3-2弹性元件的结构和特性类别名称示意图压力测量范围kPa输出特性动态性质最小最大时间常数/s自振频率/Hz薄膜式平薄膜0～100～10510-5～10-210～104波纹膜0～10-30～10310-2～10-110～102挠性膜0～10-50～10210-2～11～1026波纹管式波纹管0～10-30～10310-2～10-110～102弹簧管式单圈弹簧管0～10-10～106－102～103多圈弹簧管0～10-20～105－10～10272.应变式压力传感器应变式压力传感器由弹性敏感元件和贴在其上的应变片组成。工作原理：首先把被测压力转变成弹性元件的应变，再利用电阻应变效应测出应变，从而间接地测出压力的大小。应变片的布置和接桥方式，对提高传感器输出的灵敏度和消除有害因素的影响很重要。8应变片电阻应变效应：当导体或半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化。AlR＝dAldAAldlAdR2AAllRR9对于半径为r的圆导体，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r由材料力学可知，在弹性范围内：Errll/,/,/)21(ERRε为导体的纵向应变，其数值一般很小；μ为材料的泊松比，一般金属μ=0.3~0.5；λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量。10金属电阻的灵敏系数/210RRk21：材料的几何尺寸变化引起的：压阻效应/金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ半导体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定0RkR11应变片分类：丝式应变片和箔式应变片。丝式应变片：由金属丝栅（敏感栅）、基底、引线、保护膜等组成。箔式应变片的敏感栅是用厚度为0.003~0.01mm的金属箔经光刻、腐蚀等工艺制成。12敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变εx，电阻增大圆弧段：沿轴向压应变εy电阻降低横向效应13电阻应变片的动态响应特性电阻应变片测量变化频率较高的动态应变时，要考虑它的动态响应特性。实验表明，在动态测量时，机械应变以相同于声波速度的应变波形式在材料中传播。应变片的动态响应特性就是其感受随时间变化的应变时的响应特性。应变波由试件材料表面经粘合剂，基底到敏感栅，需要一定时间。当应变波在敏感栅长度方向上传播时，会有时间的滞后，对动态(高频)应变测量就会产生误差。14应变波的传播速度应变波在弹性材料中传播时，其速度为151）应变波在粘合剂和基底间的传播应变波由试件材料表面经粘合剂、基底到敏感栅，需要的时间非常短。如应变波在粘合剂中的传播速度为1000m/s，粘合剂和基底的总厚度为0.05mm，则所需时间为5×10-8s，可以忽略不计。2）应变波在应变片敏感栅长度内的传播当应变波在敏感栅长度方向上传播时，应变片反映出来的应变波形是应变片丝栅长度内所感受应变量的平均值，将对动态测量产生影响。16应变片可测频率的估算影响应变片频率响应特性的主要因素是应变片的基长。以正弦应变波来分析应变片的可测频率：应变片反映的应变波形是应变片线栅长度内所感受应变量的平均值，因此应变片所反映的波幅将低于真实应变波，这就造成一定误差。应变片的基长增大，该误差也增大。图(a)表示应变片正处于应变波达到最大幅值时的瞬时情况。设应变波的波长为，应变片的基长为l0，其两端的坐标为17应变片对正弦应变波的响应特性18此时应变片在其基长l0内测得的平均应变为19测量误差e与应变波长对基长的相对比值有关。愈大，误差愈小，一般可取n＝10-20，其误差小于1.6-0.4％。故应变波幅测量误差e为0nl0nl2021v——应变波的传播速度；n——应变波波长与应变片基长之比。对于钢材，v＝5000m／s，如取n＝20，则可算得不同基长应变片的最高工作频率，如表所示。22应变式压力传感器应变式压力传感器所用弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同而采用各种型式，常见有圆膜片、弹性梁、应变筒等。23图4-10所示为应变筒式压力传感器结构。当应变筒内腔承受压力时，薄壁筒表面的周向应力最大，相应的周向应变ε为：)1/()2(22dDEpp—被测压力；E—应变筒材料的弹性模量；μ—应变筒材料的泊松比；D—应变筒外径；d—应变筒内径。式中：24分析：四片应变片接入电桥。当没有压力作用时，电桥是平衡的；当有压力作用时，应变筒产生形变，工作应变片电阻变化，电桥失去平衡，产生与压力变化相应的电压输出。25图4-11所示为平膜片式压力传感器结构，其上粘贴有如图4-12所示的箔式组合应变片。26对于边缘固定的平圆膜片，当受压力作用时，膜片上任意一点的应变可分为径向应变εr和切向应变εt273.压阻式压力传感器压阻效应：固体受力后电阻率发生变化的现象。压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器。它是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。)21(ERRλ为压阻系数，E为材料的弹性模量。/210RRk28优点：灵敏度非常高。压阻式传感器的灵敏系数要比金属应变片的灵敏系数大50至100倍。有时压阻式传感器的输出不需要放大，就可直接用于测量。分辨力高。压阻式传感器测量压力时，一二毫米水柱的微压，也能反应。频率响应好。由于扩散型压阻式传感器是用集成电路工艺制成的，测量压力时，有效面积可做得很小，这种传感器可用来测量几十千赫的脉动压力。29缺点：压阻式传感器是用半导体材料制成，半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，这是压阻式传感器的最大缺点。压阻式传感器必须要有温度补偿，或是在恒温条件下使用。30硅膜片在圆形硅杯的底部．其两边有两个压力腔，分别输入被测差压或被测压力与参考压力。高压腔接被测压力，低压腔与大气连通或接参考压力。膜片上的两对电阻中，一对位于受压应力区，另一对位于受拉应力区，当压力差使膜片变形，膜片上的两对电阻阻值发生变化，使电桥输出相应压力变化的信号。图3-10压阻式压力传感器31压阻式压力传感器的特点:(1)灵敏度高，频率响应高；(2)测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的高压；(3)精度高，工作可靠，其精度可达±0.2％～0.02％；(4)易于微小型化，目前国内生产出直径φ1.8～2mm的压阻式压力传感器。324.压电式压力传感器压电效应：某些电介质，沿某一个方向受力而发生机械变形时，其内部将发生极化现象，在其表面会产生电荷。当外力撤去后，又会重新回到不带电的状态。常用的压电材料有压电晶体(如石英晶体)和压电陶瓷(如钛酸钡)两大类。压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号。33由压电材料制成的压电元件受到压力作用时，产生的电荷量与作用力之间呈线性关系。即QkSp式中，Q为电荷量，k为压电常数，p为压力。34压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大。图3-11压电式压力传感器35压电式压力传感器特点:(1)体积小，结构简单，工作可靠；(2)测量范围宽，可测100MPa以下的压力；(3)测量精度较高；(4)频率响应高，可达30KHz，是动态压力检测中常用的传感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。365.电容式压力传感器电容式压力传感器采用变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电容的变化，测出电容变化量，便可测出压力。平行板电容器的电容量表达式式中ε为电容极板间介质的介电常数；A为两平行板相对面积；d为两平行板间距。dAC(3-9)37改变A、d、ε中任意一个参数都可以使电容量发生变化。变极距式电容压力传感器变面积式电容压力传感器。38①差动变极距式电容压力传感器改变电容两平行板间距d的测量方式有较高的灵敏度，但当位移较大时非线性严重。采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因ε受温度影响引起的不稳定性。39左右对称的不锈钢基座内有玻璃绝缘层，其内侧的凹形球面上除边缘部分外镀有金属膜作为固定电极，中间被夹紧的弹性膜片作为可动测量电极，左、右固定电极和测量电极经引线引出，从而组成了两个电容器。测量电极将空间分隔成左、右两个腔室，其中充满硅油。当隔离膜片感受两侧压力的作用时，通过硅油将差压传递到弹性测量膜片的两侧，从而使膜片产生位移。电容极板间距离的变化，将引起两侧电容器电容值的改变。电容式差压传感器40特点：结构坚实，过载能力大；灵敏度高；精度高，其精确度可达±0.25％～±0.05％；可以测量压力和差压。41图3-13变面积式电容压力传感器被测压力作用在金属膜片上，通过中心柱和支撑簧片，使可动电极随簧片中心位移而动作。可动电极与固定电极均是金属同心多层圆筒，断面呈梳齿形，其电容量由两电极交错重叠部分的面积所决定。②变面积式电容压力传感器2lnLCDdD、d——外电极内径和内电极外径；ε——极板间介质介电常数；L——极板相互重叠的长度。423.2力的测量测力传感器种类繁多，依据不同的物理效应和检测原理可分为电阻应变式压磁式压电式振弦式431.应变式力传感器应变式力传感器的工作原理与应变式压力传感器基本相同，也是由弹性敏感元件和贴在其上的应变片组成。应变式力传感器首先把被测力转变成弹性元件的应变，再利用电阻应变效应测出应变，从而间接地测出力的大小。44图3-25给出了常见的柱形、筒形、梁形弹性元件及应变片的贴片方式。图3-25几种弹性元件及应变片贴片方式452.压磁式力传感器压磁效应:当铁磁材料在受到外力拉、压作用而在内部产生应力时，其导磁率会随应力的大小和方向而变化。受拉力时，沿力作用方向的导磁率增大，而在垂直于作用力的方向上导磁率略有减小。受压力作用时,导磁率的变化正好相反。46图3-27压磁式传感器压磁式力传感器由压磁元件、传力机构组成。压磁元件由其上开孔的铁磁材料薄片叠成。压磁元件上冲有四个对称分布的孔。孔l和2之间绕有激磁绕组W12，孔3和4间绕有测量绕组W34。47当激磁绕组W12通有交变电流时，铁磁体中就产生一定大小的磁场。若无外力作用，则磁感应线相对于测量绕组平面对称分布，合成磁场强度H平行于测量绕组W34的平面，磁感应线不与测量绕组W34交连，故绕组W34不产生感应电势。当有压力F作用于压磁元件上时，磁感应线的分布图发生变形，不再对称于测量绕组W34的平面，合成磁场强度H不再与测量绕组平面平行，因而就有部分磁感应线与测量绕组W34相交链，在其上感应出电势。作用力愈大，交链的磁通越多，感应电势愈大。48特点：压磁式力传感器的输出电势比较大，通常不必再放大，只要经过滤波整流后就可直接输出。压磁式力传感器可测量很大的力，抗过载能力强，能在恶劣条件下工作。但频率响应不高(1~l0kHz