电阻应变式压力传感器

宁静致远日照职业技术学院第二章压力传感器及其仪表的安装与调试第一节认识压力传感器（4课时）宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器单元内容一、知识讲解1、电阻应变式压力传感器2、电容式压力传感器3、电感式压力传感器4、压电式压力传感器5、扩散硅压力传感器二、归纳总结三、作业宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器教学目标教学目标(1)掌握常用压力传感器(如电阻应变式、电感式、电容式、压电式、压阻式、差动变压器式)压力检测原理；(2)各种压力检测的方法。(3)能识别不同种类的压力传感器；(4)能区分常见压力传感器的检测方法、信号转换、应用场合、优缺点等。教学重点难点重点难点(1)常用压力传感器检测压力的方法；(2)不同类型压力传感器的认识。常见压力传感器工作原理，仪表信号采集与测量。宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器图示为电子称，是机械称(杆称）加装传感器，将机械信号转换为电信号并传输到计算机中，实现了物体重量的测量、计算和显示，实现了智能化。问题：电子称是如何实现机与电的有机结合的?（平行梁式称重传感器）电子称实物图电子称工作原理图宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器车床中用于动态切削力的测量宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器知识讲解在生产过程中，压力检测与调节控制系统的应用非常广泛，例如锅炉蒸汽和水的压力监控；炼油厂减压蒸馏需要的低于大气的真空压力检测;在航空发动机试验研究中，为了研究发动机性能，必须测量过渡态的压力变化；电力系统中油路压力的测量和控制等。对压力监控是保证工艺要求、生产设备和人身安全，实现经济运行所必须的。检测压力的传感器主要有电阻应变式传感器、电感式传感器、压电式传感器、电容式传感器、压阻式传感器。宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器一、电阻应变式压力传感器1、认识几种应变式压力传感器电阻应变式压力传感器常应用于称重和测力领域，是借助弹性敏感元件将力的变化转化为形变，然后利用电阻导体的应变将力转变成电阻值的变化，通过测量电路得到被测量——力的电信号，最后将电信号的变化值转化为对应的测力值。电阻应变式压力传感器主要由弹性元件、电阻应变片和测量电路组成。下图所示为几种常见的电阻应变式传感器。宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器一、电阻应变式压力传感器1、认识几种应变式压力传感器宁静致远日照职业技术学院一、电阻应变式压力传感器认识压力传感器1、认识几种应变式压力传感器宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器一、电阻应变式压力传感器2、电阻应变效应电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械形变时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。由电工学可知，金属丝电阻R可用下式表示：式中ρ──电阻率，Ω·m；l──电阻丝长度，m；A──电阻丝截面积，m2。（2－1）宁静致远日照职业技术学院取一根细电阻丝，两端接上一台31/2位数字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初始阻值（）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加为（）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。认识压力传感器一、电阻应变式传感器2、理解应变效应宁静致远日照职业技术学院当沿金属丝的长度方向施加均匀力时，上式中ρ、r、l都将发生变化，导致电阻值发生变化。即得到以下结论：金属丝受外力作用而伸长时，长度增加，而截面积减少，电阻值会增大；当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小，而截面增加，电阻值会减小。阻值变化通常较小。认识压力传感器一、电阻应变式压力传感器2、电阻应变效应宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器一、电阻应变式压力传感器2、电阻应变效应实验证明，电阻应变片的电阻应变εR=∆R/R与电阻应变片的纵向应变εx的关系在很大范围内是线性的，即式中∆R/R──电阻应变片的电阻应变；K──电阻丝的灵敏系数，表示电阻丝产生单位形变时电阻值相对变化的大小，是与金属材料有关的常数。K值越大，单位形变引起的电阻值相对变化越大，灵敏度也就越高；不同的金属材料有不同的灵敏系数，通常取值K=1.7～3.6。εx为电阻丝的轴向应变量，εx=dl/l。（2－2）宁静致远日照职业技术学院图2-1电阻应变片的结构简图电阻应变片的典型结构如图2-1所示，由敏感栅、基底、覆盖层和引线等部分组成。认识压力传感器一、电阻应变式压力传感器3、电阻应变片的结构、材料宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器一、电阻应变式压力传感器4、电阻应变片的分类按电阻应变片敏感栅材料不同，可分为金属应变片和半导体应变片两大类。如图2-2为几种不同类型的电阻应变片。图3-2电阻丝应变片结构形式.（a)丝式应变片；(b)箔式应变片；(c)半导体应变片1—基底；2—应变丝或半导体；3—引出线；4—焊接电极；5—外引线宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器一、电阻应变式压力传感器4、电阻应变片的检测电路（1）直流电桥平衡条件当RL→∞时，电桥输出电压为宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器一、电阻应变式压力传感器4、电阻应变片的检测电路（2）单臂电桥R1为电阻应变片，R2、R3、R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。(3-5)单臂电桥宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器一、电阻应变式压力传感器4、电阻应变片的检测电路（2）单臂电桥n=1时，为最大值（3-6)（3-7)宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器一、电阻应变式压力传感器4、电阻应变片的检测电路图3-4差动电桥(a)半桥;(b)全桥宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器一、电阻应变式压力传感器（a)半桥输出电压为（3-8）(3-9)（b）全桥差动电路(3-10)宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器一、电阻应变式压力传感器5、筒式压力传感器当被测压力与应变管的内腔相通时，应变管部分产生应变，在薄壁筒上贴2片应变计做工作片，实心部分贴2片应变计做温度补偿应变片。没有压力作用时，这4片应变片构成的全桥处于平衡；当外部压力作用于应变管内腔时，圆管发生形变，使全桥失去平衡。这种压力传感器测量范围在106Pa～107Pa或更高的压力。其结构简单，制作方便，使用面宽，在测量火炮、炮弹、火箭的动态压力方面得到了广泛应用。图3-3筒式压力传感器宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器一、电阻应变式压力传感器6、膜片压力传感器图2-3膜片压力传感器膜片压力传感器的工作原理是，当气体或液体压力作用在弹性元件膜片的承压面上时，膜片变形，使粘贴在膜片另一面的电阻应变片随之形变，并改变阻值。这时测量电路中的电桥失去平衡，产生输出电压。宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器二、电容式压力传感器图3-4电容式压力传感器（a）不锈钢电容式压力传感器（b）血压计用电容式压力传感器（c）投入式电容式压力传感器（d）智能型管道测量用电容式压力传感器宁静致远日照职业技术学院认识压力传感器二、电容式压力传感器电容式压力传感器是利用电容作为敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，如图2-8所示，是由一个固定极板和一个弹性膜片（即动极板）组成。（一）、电容式压力传感器原理结构宁静致远日照职业技术学院P弹性膜片(动电极)固定电极认识压力传感器图2-8单电容式压力传感器（属于变极距电容式传感器）(b)变极距型电容式传感器（a）变极距型电容式传感器结构原理图二、电容式压力传感器（一）、电容式压力传感器原理结构1、单电容式压力传感器000dSCr宁静致远日照职业技术学院当传感器的εr和S为常数，初始极距为d0时，可知其初始电容量C0为000dSCr若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC，则有000001rSCCCCdddd认识压力传感器二、电容式压力传感器（一）、电容式压力传感器原理结构1、单电容式压力传感器宁静致远日照职业技术学院电容量与极板间距离的关系认识压力传感器二、电容式压力传感器（一）、电容式压力传感器原理结构1、单电容式压力传感器宁静致远日照职业技术学院因Δd的极距变化很小，使Δd/d01时，则有近似的线性关系为：电容式传感器的灵敏度为：可见，要提高灵敏度，应减小d0。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，常用提高介电常数的方法，即在两级板间加云母、塑料膜等介质。00ddCC00dCdCSn认识压力传感器二、电容式压力传感器（一）、电容式压力传感器原理结构1、单电容式压力传感器宁静致远日照职业技术学院在实际应用中，为提高灵敏度和线性度，克服电源电压、环境温度变化等外界条件影响，又研制出了差动式电容式压力传感器，如下图所示，上下两极板是固定极板，中间极板是活动极板，未开始测量时将活动极板调整在中间位置，两边电容相等。测量时，中间极板向上或下平移，就会引起电容量的上增下减或反之。δ1δ2S（b）差动平板式电容传感器结构认识压力传感器二、电容式压力传感器2、差动电容式压力传感器（a）差动式电容压力传感器结构原理图宁静致远日照职业技术学院当动极板向上位移Δδ时：电容器C1的间隙δ1变为δ0–Δδ；电容器C2的间隙δ2变为δ0+Δδ；则：20011CC10011CC认识压力传感器二、电容式压力传感器2、差动电容式压力传感器宁静致远日照职业技术学院2310000[1()()...]CC2320000[1()()...]CC电容值总的变化量为：2400002[1()()...]CC电容值相对变化量为：在Δδ/δ01时，按级数展开：35120000[22()2()...]CCCC≈认识压力传感器2、差动电容式压力传感器宁静致远日照职业技术学院声压传感器（即电容传声器）驻极体电容传声器大膜片电容传声器传声器（Microphone）即话筒，音译作麦克风，目前使用的话筒大多是动圈式和电容式。电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。单元一认识压力传感器宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器三、电感式压力传感器利用电磁感应原理将被测量如位移、压力、振动等转换成线圈自感L或互感量系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。自感式压力传感器也称变磁阻式压力传感器，它是在压力作用下使衔铁或铁芯位移，引起线圈的电感发生变化而工作的。根据结构不同分为变间隙式和螺管式两种。（一）自感式压力传感器宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器三、电感位移传感器A1L1线圈铁芯衔铁L2A2W1、变气隙式电感式压力传感器宁静致远日照职业技术学院由物理学可知，初始状态时线圈的电感为若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔL，则有认识压力传感器三、电感式压力传感器1、变气隙式压力传感器式中，N为线圈匝数，u0为空气的磁导率u0=4πx10-7H/m,A为铁芯的截面积，d为气隙厚度。宁静致远日照职业技术学院因Δd的极距变化很小，使Δd/d01时，则有近似的线性关系为：认识压力传感器三、电感式压力传感器1、变气隙式压力传感器变气隙电感式传感器的灵敏度为：宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器三、电感压力传感器当铁芯发生位移时，将引起线圈电感的变化。线圈的电感量与铁芯插入线圈的长度有如下的关系。铁芯随被测物体一起移动，导致线圈电感量发生变化。其检测位移量可从数毫米到数百毫米。缺点是灵敏度低。2、螺管式电感式压力传感器宁静致远日照职业技术学院主要内容认识压力传感器三、电