第三章压力检测

第3章压力检测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。本章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、电容式压力传感器和霍尔式压力计等的测量原理及测压方法。3.1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常用的几种压力单位与帕斯卡的换算关系见表3.1.1所示。3.1压力的概念及单位3、压力的分类1.绝对压力2.环境大气压力3.表压力4.真空度5.差压上述各种压力的相互关系见图。3.2应变式压力计3.2.1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：3.2应变式压力计3.2.2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。3.2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3.2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。3.2应变式压力计3.2.3电阻应变片的粘贴及温度补偿1、应变片的粘贴：粘贴工艺包括被测试件表面处理，贴片，质量检查，焊接引线以及防护与屏蔽等。2、温度误差及其补偿（1）温度误差：温度误差是指环境温度变化引起应变片电阻变化。原因有两方面：一方面是应变片电阻丝的温度系数，另一方面是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。（2）温度补偿电桥补偿法如图。3.2应变式压力计3.2.4转换电路当RL=∞时，电桥输出电压为：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3.2应变式压力计3.2.5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。3.2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3.3薄膜应变片薄膜应变片是用溅射或蒸发的方法将半导体或金属敏感材料镀在弹性基片上的。3.3.1薄膜应变片原理电阻为：设其应变为ε，电阻相对变化为：对于半导体材料，上式可写为：3.3薄膜应变片3.3.2薄膜应变片的制作及应用1、溅射薄膜应变片主要成膜工艺有真空溅射和真空蒸镀。真空溅射工艺大致流程为：基片预处理、溅射介质层、溅射敏感层、蒸发Au、光刻电极、形成电桥、完成全部电连接、沉积钝化膜。2、蒸发薄膜应变片用真空蒸发工艺制作的薄膜应变片其结构同溅射应变片基本相同。3.4压电式压力传感器3.4.1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，人造的压电陶瓷等。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3.4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：3.4压电式压力传感器电荷的极性见图3.4压电式压力传感器2、压电效应的物理解释如图所示。3.4压电式压力传感器3.4.2压电材料1、压电晶体（1）石英晶体（2）水溶性压电晶体（3）铌酸锂晶体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3.4压电式压力传感器3.4.3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，另一个是阻抗变换。3.4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3.4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3.4压电式压力传感器3.4.4压电压力及力传感器1、压电式三维测力传感器2、压电式单向测力传感器3.4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3.5电容式压力传感器3.5.1电容式传感器的工作原理电容式传感器有三种基本类型：变极距型、变面积型、变介电常数型。1、变极距型电容传感器3.5电容式压力传感器2、变面积型电容传感器3、变介电常数型电容传感器3.5电容式压力传感器3.5.2差动电容传感器在实际压力测量中，常使用差动点电容传感器，不但提高了灵敏度，也改善了非线性。3.5电容式压力传感器3.5.3测量电路电桥电路、调频电路、脉冲调宽电路和运算放大器式电路等。1、桥式电路空载电压为：3.5电容式压力传感器2、紧耦合电桥电路紧耦合电桥理论可得此状态下输出电压在两L0非耦合情况下，输出电压为：12402020CLCLUCCU1202020CLCLUCCU3.5电容式压力传感器3、差分脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路属脉冲调制电路。它利用对传感器电容充放电使输出脉冲的宽度随电容量的变化而变化，再经低通滤波器可得对应被测量变化的直流信号。输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。121210UCCCCU3.5电容式压力传感器差动脉冲调宽电路各点电压波形图如示3.5电容式压力传感器4、调频电路将电容式传感器接入高频振荡器的LC回路中，当被测量使电容变化时，振荡频率也相应变化，故称为调频电路。图所示为调频电路原理图CCCCLLCf021(21213.5电容式压力传感器5、运算放大器将电容式传感器接入运算放大器中，作为电路的反馈元件构成的测量电路如图所示。以Cx=εS/d代入，可得：上式表明，输出电压与d是线性关系。UCCUCjCjUXX)/(1)/(10dSUCU03.5电容式压力传感器3.5.4电容式压力传感器1、电容式差压传感器2、变面积式压力传感器3、荷重传感器3.6霍尔式压力计3.6.1霍尔效应霍尔元件的特性常用灵敏度KH表示，即此时IBKUHHdRKHHdIBRUHH3.6霍尔式压力计3.6.2霍尔式压力计工作原理3.6霍尔式压力计3.6.3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。3.6霍尔式压力计几种补偿电路3.6霍尔式压力计2、霍尔电势的温度系数主要是温差电势和灵敏度系数随温度变化两种情况。3、温度对内阻的影响4、温度补偿霍尔元件输入电阻和霍尔电势的温度系数均为正的效果较好的补偿电路图。实际测量中，要求较高时，常采用恒温方法。3.6霍尔式压力计3.6.4霍尔式压力计3.7电子称3.7.1电子称的原理电子称的核心部件是称重传感器。称重传感器把机械力转换为电信号，经放大处理后，或显示，或输入数据处理系统。图是一个比较简单称重系统框图。3.7电子称3.7.2称重传感器原理图是振弦式称重传感器的工作原理图。3.7电子称3.7.3电子称的应用ICS-XXX-T系列电子皮带配料称3.8集成压敏传感器3.8.1硅电容式集成传感器1、硅敏感电容器的工作原理2、硅敏感电容器的测量电路3.8集成压敏传感器00))((2CCCCUUUxxaPO3.8集成压敏传感器3.8.2扩散硅压敏传感器扩散硅压敏传感器将补偿电路与硅压敏元件构成的全桥电路集成在一起，温度补偿效果很好。KPRRRUUUbeCO)(6653.9数字式压力计3.9.1MPX压力传感器MPX2000系列压力传感器如图所示，其结构原理如图所示。3.9数字式压力计3.9.2测量电路由温度补偿、放大和A/D转换组成3.9数字式压力计