学习单元二工程机械用压力传感器

学习单元二.工程机械用压力传感器在测量上所称的压力就是物理学中的压强，它是反映物质状态的一个参数；在工业自动化生产过程中是重要工艺参数之一。本学习单元简单介绍压力的概念及单位，重点讲解应变式压力计、压电式压力传感器和霍尔式压力计等的测量原理及测压方法。2.1压力的概念及单位1、压力的概念:压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力。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：2、压力的单位（1）工程大气压（2）标准大气压（3）约定毫米汞柱（4）约定毫米水柱2.2应变式压力计2.2.1电阻应变效应电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，称为电阻应变效应。设有一根长度为L，截面积为S，电阻率为ρ的电阻丝，未受力时的电阻值为：受力后：2.2应变式压力计令电阻丝的轴向应变为ε=△l/l，径向应变为△r/r，由材料力学可知△r/r=-μ(△l/l)=-με，μ为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得令21RR/21/RRKKRR2.2应变式压力计2.2.2电阻应变片1、金属电阻应变片金属电阻应变片分为金属丝式和箔式，图所示为金属丝式和金属箔式电阻应变片。常用的电阻应变丝的材料是康铜丝和镍铬合丝，用薄纸作为基底的应变片称为纸基应变片；用有机聚合物作为基底的应变片称为胶基应变片。2.2应变式压力计电阻应变片1、应变丝2、基底3、引线4、金属膜引线2.2应变式压力计2、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，表示为由于弹性系数E=σ/ε，上式又可写为为提高灵敏度半导体应变片还有制成栅形的。2.2应变式压力计2.2.4转换电路当RL=∞时，电桥输出电压为：Uo=0时，有03241RRRRRRRR43212.2应变式压力计单臂电桥输出电压和电压灵敏度为双臂电桥电路，一般接成差动电桥。其输出电压为电桥四臂同时接入工作应变片，则构成全桥电路。其输出电压为2.2应变式压力计2.2应变式压力计2.2.5应变式压力传感器1、膜式应变传感器图是一种简单的平膜压力传感器，应变片贴在膜片的内表面。膜片感受压力时产生应变，使应变片有一定的电阻输出。2.2应变式压力计2、测力式应变传感器右图为一种带水冷的测力计式压力传感器。3、扩散硅型压力传感器图(a)是一个杯型组合式测量元件图(b)是膜片一个截面示意图1-应变片；2-外壳；3-垫片；4-冷却水管；5-密封垫；6-垫片；7-接线柱；8-电缆；9-压帽；10-定位销；11-垫片；12-应变筒；13-垫片；14-保护帽.2.3压电式压力传感器2.3.1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。具有压电效应的物体称为压电材料，如天然的石英晶体，人造压电陶瓷等。1、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2.3压电式压力传感器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：2.3压电式压力传感器电荷的极性见图2.3压电式压力传感器2、压电效应的物理解释如图所示。2.3压电式压力传感器2.3.2压电材料1、压电晶体（1）石英晶体：石英晶体即二氧化硅（SiO2），有天然的和人工培育的两种。压电系数d11=2.31×10-12C/N，在几百摄氏度的温度范围内，压电系数几乎不随温度而变。到575℃时，它完全失去了压电性质，这就是它的居里点。石英的熔点为1750℃，密度为2.65×103kg/m3，有很大的机械强度和稳定的机械性质，可承受高达6.8×107～9.8×107Pa的应力，在冲击力作用下漂移较小。2.3压电式压力传感器（2）水溶性压电晶体：最早发现的是酒石酸钾钠（NaKC4H4O6.4H2O），它有很大的压电灵敏度和高的介电常数，压电系数d11=3×10-9C/N。但是酒石酸钾钠易于受潮，它的机械强度低，电阻率也低，因此，只限于在室温（＜45℃）和湿度低的环境下应用。（3）铌酸锂晶体：人工提拉法制成了铌酸锂的大晶块，稳定性远比多晶体的压电陶瓷好。它是一种压电性能良好的电声换能材料，它的居里温度为1200℃左右，远比石英和压电陶瓷高，2.3压电式压力传感器2、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3、压电半导体压电半导体如硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)、碲化锌(ZnTe)和砷化镓(CaAs)等。这些材料的显著特点是：既具有压电特性，又具有半导体特性，有利于将元件和线路集成于一体，从而研制出新型的集成压电传感器的测试系统。2.3压电式压力传感器2.3.3测量电路把压电晶体等效成一个电荷源与电容并联的等效电路。由于电容器上的电压Ua，电荷量Q，电容Ca的关系为Ua=Q/Ca，压电晶体也可等效为一个电压源和一个电容器的串联电路。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。前置放大器有两个作用：一是放大压电传感器输出的微弱信号，另一个是把高阻抗输出转换为低阻抗输出。2.3压电式压力传感器1、电压放大器图示的是压电传感器接到电压放大器的等效电路。icamimCCCdFU2.3压电式压力传感器2、电荷放大器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。AUACCCCQAUificao1foCQU2.3压电式压力传感器2.3.4压电压力及力传感器1、压电式三维测力传感器：一种压电式三维测力传感器的三组晶体切片的组合情况，可同时测量三个互相垂直的FX、FY、FZ力分量。2、压电式单向测力传感器2.3压电式压力传感器3、压电式测量均匀压力传感器4、消除振动加速度影响的压电传感器2.4霍尔式压力计霍尔式压力计是利用霍尔元件测量弹性元件变形的一种电测压力计，它结构简单，体积小，频率响应宽，动态范围(输出电动势的变化)大，可靠性高，易于微型化和集成电路化。但信号转换效率低，温度影响大，使用于要求转换精度高的场合必须进行温度补偿。2.4.1霍尔效应dIBRUHH2.4霍尔式压力计霍尔元件的特性常用灵敏度KH表示，即此时可见，霍尔电动势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B的乘积及灵敏度KH。当控制电流的方向或磁场的方向改变时，输出电动势的方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电动势并不改变原来的方向。dRKHHIBKUHH2.4霍尔式压力计2.4.2霍尔式压力计工作原理2.4霍尔式压力计2.4.3霍尔式压力计的误差及补偿霍尔式压力计的误差有两部分，一是弹性元件的变换误差；一是霍尔元件的变换误差。1、不等位电势及补偿不等位电势的产生有两个原因，如图所示。2.4霍尔式压力计几种补偿电路2.4霍尔式压力计2.4.4霍尔式压力计由两部分组成：一部分是弹性元件，用它来感受压力，并把压力转换成位移量；另一部分是霍尔元件与磁系统。