第三章壓力傳感器

1、第3章壓力檢測在測量上所稱的莊力就是楊理學中的壓強， 它是反映煬質(zhì)狀態(tài)的一個參數(shù)；在工業(yè)自動化生 產(chǎn)過程中是重要工藝參數(shù)之一 O本章簡單介紹壓力的概念及單住,重點講鮮應(yīng)變式壓力計.壓赳式壓力傳感器、削彖式壓力傳感器和霍余式壓力計等的測量原理及測壓方法O3.1壓力的概念及單位1壓力的概念：壓力是垂直而均勻地作用在單 位面積上的力。大小由受力面積和垂直作用力 的大小兩個因素決定。表達式為：2、壓力的單位(1)工程大氣壓(3)約定毫米汞柱P丄S(2)標準大氣壓(4)約定毫米水柱常用的幾種壓力單位與帕斯卡的換算關(guān)系見表3.1壓力的概念及單位IP表壓'大氣壓力線,1P絕對圧力葉負壓 真空01絕對

2、 絕對圧力的零線F壓(£3、壓力的分類(1) 絕對壓力(2) .環(huán)境大氣壓力表壓力(4)真空度.差壓上述各種壓力的相互關(guān)系見圖。3.2應(yīng)變式壓力計3.2.1電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻絲在外力作用下發(fā)生機械形變時，其 電阻值發(fā)生變化，稱另電阻應(yīng)變以應(yīng)。設(shè)有一根長度為L,截面積為S,電阻率為 P的電阻絲，未受力時的電阻值為：受力后：A 7?AZ3.2應(yīng)變式壓力計令電阻絲的軸向應(yīng)變?yōu)?#163;=AI/I,徑向應(yīng)變?yōu)榱?由 材料力學可知力二-|J（AI/I）=屮& “為電阻絲材料 的泊松系數(shù)，經(jīng)整理可得AR+ 2誠+丸« =池=(1 + 2“)+沁土 3.2應(yīng)變式壓力計 3.2.2

3、電阻應(yīng)變片1、金屬電阻應(yīng)變片金屬色阻應(yīng)變片分為金屬絲式和箔式，圖所 示為金屬絲式和全屬箔式色阻應(yīng)雯片。常用的色阻應(yīng)變絲的材料是康銅絲和襟餾合 絲，用藩紈作為基底的應(yīng)變片稱為紙4基應(yīng)雯片； 用有機聚合楊作為基底的應(yīng)變片稱為膚基應(yīng)變 片。3.2應(yīng)變式壓力計電阻應(yīng)變片變底線 應(yīng)基引 、 、 、 12 34、金屬膜引線124L2(")絲式(b )箔式3.2應(yīng)變式壓力計竺"杓R P23= 7TCF = ttEs = Ke P、半導體應(yīng)變片半導體受力時，電阻率發(fā)生變化，電阻率隨應(yīng)力變 化的關(guān)系稱為半導體壓阻效應(yīng)。半導體應(yīng)變片電阻 的 變化主要是電阻率變化引起的，表示為由于彈性系數(shù)E=o

4、/w ,上式又可寫為為提高靈敏度半導體應(yīng)變片還有制成柵形的。*3.2應(yīng)變式壓力計 323電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補償1、應(yīng)變片的粘貼：粘貼工藝包括被測試件表面處理，貼 片，質(zhì)量檢查，焊接引線以及防護與屏蔽等。2、溫度誤差及其補償(1)溫度誤差：溫度誤差是指環(huán)境溫度變化引起應(yīng)變片電阻變化。原因有兩方面：一方面是應(yīng)變片電阻絲的 溫度系數(shù)，另一方面是電阻絲材料與試件材料的線膨脹系數(shù)不同。(2)溫度補償電橋補償法如圖。*3.2應(yīng)變式壓力計U 3.2.4轉(zhuǎn)換電路當二8時,電橋輸出電壓為:（尺尺_凡尺）u （尺+兄）（宛+尺）0/o=O時，有R1R4 R2R3"Ri 7?4(a )(b)*3.2應(yīng)

5、變式壓力計單臂電橋輸岀電壓和電壓靈敏度為雙臂電橋電路，一般接成差動電橋。其輸岀電壓 為u °2 R,電橋四臂同時接入工作應(yīng)變片，則構(gòu)成全橋電路。*3.2應(yīng)變式壓力計3.2應(yīng)變式壓力計 3.2.5應(yīng)變式壓力傳感器1、膜式應(yīng)變傳感器圖是一種簡單的平膜壓力傳感器，應(yīng)變片貼在膜片的 內(nèi)表面。膜片感受壓力時產(chǎn)生應(yīng)變，使應(yīng)變片有一定 的電阻輸出。2)(h)*3.2應(yīng)變式壓力計8、2、測力式應(yīng)變傳感器右圖為一種帶水冷的測力計式壓力傳感器。3、擴散硅型壓力傳感器圖(a)是一個杯型組合式測量元件97,10II321214 '彳18X1.5三：257”31.2(a)(b) Jrxxxz z /

6、7 / '/,</Z/7/Z7/>才 / / / / / /,9 101 應(yīng)變片；2外殼;3墊片;4冷卻水管;5密封墊；6墊片；7接線柱；8電纜；9壓帽；10定位銷；11 墊片；12 應(yīng)變筒；13 墊片；1午保護帽圖(b)是膜片一個截面示意圖X 3.3薄膜應(yīng)變片F(xiàn)射或蒸發(fā)的方法將半導體或金屬敏感材料鍍在彈性基片上的。優(yōu)點：1、穩(wěn)定性好2、使用壽命長3、靈敏度高4、溫度系數(shù)小5、工作溫度范圍寬6、量程大7、成本低。土 3.3薄膜應(yīng)變片 3.3.1薄膜應(yīng)變片原理電阻為：尺=設(shè)其應(yīng)變?yōu)?#163; ,電阻相對變化為:竽（1 + 2亦+些RP對于半導體材料，上式可寫為:dR _dp

7、土 3.3薄膜應(yīng)變片 3.3.2薄膜應(yīng)變片的制作及應(yīng)用1、濺射薄膜應(yīng)變片主要成膜工藝有真空濺射和真空蒸鍍。真空濺射 工藝大致流程為：基片預處理、濺射介質(zhì)層、濺射敏 感層、蒸發(fā)Au、光刻電極、形成電橋、完成全部電連 接、沉積鈍化膜。2、蒸發(fā)薄膜應(yīng)變片用真空蒸發(fā)工藝制作的薄膜應(yīng)變片其結(jié)構(gòu)同濺射 應(yīng)變片基本相同。土 3.4壓電式壓力傳感器 3.4.1壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)物體在某方向受壓力或拉力作用產(chǎn)生形 變時，表面會產(chǎn)生電荷。外力撤消后，又回到不帶電 狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物體 稱為壓電材料，如天然的石英晶體，人造壓電陶瓷等。1、石英晶體的壓電效應(yīng)圖為天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形和石英晶

8、體切片3.4壓電式壓力傳感器當切片在沿X軸的方向上受到壓力Fx作用時， 晶體切片將產(chǎn)生厚度變形，并在與X軸垂直的 平面上產(chǎn)生電荷QX,它的大小為：(a)左旋石英晶體(b)石英晶體的晶軸(a)左旋石英晶體(b)石英晶體的晶軸(a)左旋石英晶體(b)石英晶體的晶軸土 3.4壓電式壓力傳感器電荷的極性見圖土 3.4壓電式壓力傳感器2、壓電效應(yīng)的物理解釋如圖所示。(3)(h )(c )(3)(h )(c )I- -I- -IX+ 十 + 十(3)(h )(c )3.4壓電式壓力傳感器 啤342壓電材料1、壓電晶體(1) 石英晶體：石英晶體即二氧化硅(SiO2),有天然的和人工培育的 兩種。壓電系數(shù)1=

9、2.31 X10-12C/N,在幾百攝氏度的溫度 范圍內(nèi)，壓電系數(shù)兒乎不隨溫度而變。至iJ575°C時，它完全失去了壓電性質(zhì)，這就是它的居里點。石英的熔點為1750°C,密度為2.65X103kg/m3,有很大的機械強度和穩(wěn)定的機械性質(zhì),可承受高達6.8X1079.8X 107Pa的應(yīng)力，在沖擊力作用下漂移較小。F 3.4壓電式壓力傳感器(2)水溶性壓電晶體：最早發(fā)現(xiàn)的是酒石酸鉀鈉(NaKC4H4O64H2O),它有很大的壓電靈敏度和高的介電常數(shù)，壓電系數(shù) dl=3X10-9C/No但是酒石酸鉀鈉易于受潮，它的機械 強度低，電阻率也低，因此，只限于在室溫(v45°

10、C)和濕度低的環(huán)境下應(yīng)用。(3)鋸酸鋰晶體：人工提拉法制成了覩酸鋰的大晶塊，穩(wěn)定性遠比多晶 體的壓電陶瓷好。它是一種壓電性能良好的電聲換能材 料，它的居里溫度為1200°C左右,遠比石英和壓電陶瓷 高，,3.4壓電式壓力傳感器2、壓電陶瓷(1) 鈦酸頓壓電陶瓷(2) 錯鈦酸鉛系壓電陶瓷(3) 覘酸鹽系壓電陶瓷(4) 覩鎂酸鉛壓電陶瓷3壓電半導體壓電半導體如硫化鋅(ZnS)、硏化鎘(CdTe)、氧化鋅 (ZnO)、硫化鎘(CdS)、硏化鋅(ZnTe)和神化鐐(CaAs)等。 這些材料的顯著特點是：既具有壓電特性，又具有半導體 特性，有利于將元件和線路集成于一體，從而研制出新型 的集成壓

11、電傳感器的測試系統(tǒng)。M 3.4壓電式壓力傳感器 34 3 涮畐由幽 把壓電晶體等效成一個電荷源與電容并聯(lián) 的等效電路。由于電容器上的電壓Ua,電荷量 Q,電容5的關(guān)系為Ua=Q/Ca,壓電晶體也可 等效為一個電壓源和一個電容器的串聯(lián)電路。實際壓電傳感器輸岀信號很微弱，且內(nèi)阻 很高，需用前置放大器。前置放大器有兩個作用：一是放大壓電傳 感器輸出的微弱信號，另一個是把高阻抗輸岀 轉(zhuǎn)換為低阻抗輸岀。3.4壓電式壓力傳感器1、電壓放大器圖示的是壓電傳感器接到電壓放大器的等效電路。t J't 1.1 I iC) IO=cO=c-%3.4壓電式壓力傳感器、電荷放大器電荷放大器是有反饋電容的高增益運

12、算放大器，它的輸入信號是壓電傳感器產(chǎn)牛的電荷。當略去泄露電 阻，且放大器輸入電阻趨于無窮大時，它的等效電路如圖所示。II甜IIU° = UAIIIF 3.4壓電式壓力傳感器 3.4.4壓電壓力及力傳感器1、壓電式三維測力傳感器：一種壓電式三維測力 傳感器的三組晶體切片的組合情況，可同時測量三個 互相垂直的鼻 7 傳力分量。2、壓電式單向測力傳感器X 3.4壓電式壓力傳感器*3、壓電式測量均勻壓力傳感器4、消除振動加速度影響的壓電傳感器外殼冷卻腔晶片薄壁管膜片引線端子絕緣子/外殼/石英品片膜/、絕緣子*3.5電容式壓力傳感器電容式壓力及力傳感器是將被測量 （如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成

13、電容 量的變化的一種傳感器。實際上，它本 身就是一個可變電容器。目前，從工業(yè) 生產(chǎn)過程自動化應(yīng)用來說，有壓力、差 壓、絕對壓力、帶開方的差壓（用于測 流量）等品種及高差壓、微差壓、高靜 壓等規(guī)格。亞35電容式壓力傳感器 3.5.1電容式傳感器的工作原理C電容式傳感器有三種基本類型 變介電常數(shù)型。變極距型、變面積型、1、變極距型電容傳感器AC =sS sS一二 J d - Ad dNdd Ai/土35電容式壓力傳感器2、變面積型電容傳感器（工）、_2磚/In館/打）(a)(d)(a)(d)3、變介電常數(shù)型電容傳感器(a)(d)(a)(d)nr(a)(d)*3.5電容式壓力傳感器3.5.2差動電容

14、傳感器在實際壓力測量中，常使用差動點電容傳感器，不但 提高了靈敏度，也改善了非線性。AC = C0dd + xMMz 、21+X+C _ 2疋(/ + A/)2疋(/ _ /)ln(r, / z) ln(x/打)OG-Oco3.5電容式壓力傳感器 3.5.3測量電路電橋電路、調(diào)頻電路、脈沖調(diào)寬電路和運算放大 器式電路等。1、橋式電路空載電壓為:(cq-ac)-(c0 + ac)l acl?(Co + AC) + (Co-AC)Co(a)(b)42LoC26?2LoC-1*3.5電容式壓力傳感器2、緊耦合電橋電路緊耦合電橋理論可得此狀態(tài)下輸出電壓在兩L°非耦合情況下，輸出電壓為：卩。=

15、_竺£/ 2心CC 6?2L0C-l、35電容式壓力傳感器3、差分脈沖調(diào)寬電路差動脈沖調(diào)寬電路屬脈沖調(diào)制電路。它利用對傳感器電 容充放電使輸出脈沖的寬度隨電容量的變化而變化，再 經(jīng)低通濾波器可得對應(yīng)被測量變化的直流信號。uo = uA-uB = u.7 +T2輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。5”3.5電容式壓力傳感器吧差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖如示%50 .叫50U0“B50 "artr/u°0"F-5tWA</r一 T、_t3.5電容式壓力傳感器4、調(diào)頻電路將電容式傳感器接入高頻振蕩器的LC回路中，當被測 量使電容變化時，振蕩頻率也相

16、應(yīng)變化，故稱為調(diào)頻 電路。圖所不為調(diào)頻電路原理圖1 _ 1出2 7C J LC 2 7C J 厶（G + AC3.5電容式壓力傳感器5、運算放大器將電容式傳感器接入運算放大器中，作為電路的反饋 元件構(gòu)成的測量電路如肉崩示。l/(jC) cx以Cx=£ S/d代入，可得:uc上式表明，輸岀電壓與d是線性關(guān)系。丁 3.5電容式壓力傳感器理5.4電容式壓力傳感器1、電容式差壓傳感器7將左右對稱的不銹鋼基座2和3的外側(cè)加工成環(huán)狀波紋 溝槽，并焊上波紋隔離膜片1和4。基座內(nèi)側(cè)有玻璃層5, 基座和玻璃層中央都有孔。玻璃內(nèi)表面磨成凹球面，球面 除邊緣部分外鍍以金屬膜6,此金屬膜層為電容的定極板 并

17、有導線通往外部。左右對稱 的上述結(jié)構(gòu)中央夾入并焊接彈。 性平膜片，即測量膜片7,為 ” 電容的中央動極板。測量膜片- 左右空間被分隔成兩個室，故呆3|35電容式壓力傳感器L變面積式壓力傳感器測壓力作用在金屬膜片1上，通過中心柱2、支撐簧片3使可動電極4隨膜片中心位移而動作。(b)3.6霍爾式壓力計-霍爾式壓力計是利用霍爾元件測量彈性元件變 形的一種電測壓力計，它結(jié)構(gòu)簡單，體積小， 頻率響應(yīng)寬，動態(tài)范圍（輸出電動勢的變化）大, 可靠性高，易于微型化和集成電路化。但信號 轉(zhuǎn)換效率低，溫度影響大，使用于要求轉(zhuǎn)換精 度高的場合必須進行溫度補償。B 3.6.1霍爾效應(yīng)uH=-d土 3.6霍爾式壓力計霍爾

18、元件的特性常用靈敏度金表示，即Rh此時5=KhIB可見，霍爾電動勢的大小正比于控制電流拆口 磁感應(yīng)強度創(chuàng)勺乘積及靈敏度知。當控制電流 的方向或磁場的方向改變時，輸岀電動勢的 方向也將改變。但當磁場與電流同時改變方 向時，霍爾電動勢并不改變原來的方向。3.6霍爾式壓力計3.6.2霍爾式壓力計工作原理/土 3.6霍爾式壓力計363霍爾式壓力計的誤差及補償霍爾式壓力計的誤差有兩部分，一是彈性元件的變換 誤差；一是霍爾元件的變換誤差。1、不等位電勢及補償不等位電勢的產(chǎn)生有兩個原因，如圖所示。(a)(b)(a)(b)(a)(b)土 3.6霍爾式壓力計幾種補償電路rrXOo X-"6 "

19、;| 1_土 3.6霍爾式壓力計*2、霍爾電勢的溫度系數(shù)主要是溫差電勢和靈敏度系數(shù)隨溫度變化 兩種情況。3、溫度對內(nèi)阻的影響nSb-40-20 0 20 40 60 80 1007/XSi Ge(Hz-4) In As 、Ge(Hz-l、2、3)3.6霍爾式壓力計4、溫度補償霍爾元件輸入電阻和霍爾電勢的溫度系數(shù)均 為正的效果較好的補償電路圖。實際測量中，要求較高時，常采用恒溫方法。5Ri + RlU L RJo LUr _（1 + 力）R宀RRg麗心U H( +at)尺(1 + 0/) +心3.6霍爾式壓力計 3.6.4霍爾式壓力計由兩部分組成：一部分是彈性元件，用它來感受壓 力，并把壓力轉(zhuǎn)換

20、成位移量；另一部分是霍爾元件與磁系 統(tǒng)。(a)(b)3.7電子稱 3.7.1電子稱的原理電子稱的核心部件是稱重傳感器。稱重傳感器把機械 力轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大處理后，或顯示，或輸入數(shù) 據(jù)處理系統(tǒng)。13DP0LC打印機圖是一個比較簡單稱重系統(tǒng)框圖。3.7電子稱 3.7.2稱重傳感器原理秤重傳感器根據(jù)制作原理不同可以分為感應(yīng)式、電容 式、壓磁式、振弦式和應(yīng)變式等，而壓磁式、振弦式和應(yīng)變式傳感器在電子稱系統(tǒng)中都得到了廣泛地應(yīng)用。圖是振弦式稱重 傳感器的工作原理圖。3.7電子稱3.7.3電子稱的應(yīng)用ICS-XXX-T系列電子皮帶配料稱，適用于陶 瓷、精細化工、煙草等對配料精度要求較高的 場所。分類如下

21、表。37電子稱 表3. 7. 1電子秤的分類與應(yīng)用類別應(yīng)用靜態(tài)稱重系 統(tǒng)汽車衡、軌道衡、廢鋼秤、 吊車秤汽車、火車、飛機等的重量， 貨物重量以及確定板坯、鋼 錠的重量動態(tài)稱重系 統(tǒng)軌道衡、駝峰稱重、軌道 液體罐車、雙秤臺系統(tǒng)鐵路車輛、卡車、拖車等在 運動狀態(tài)卜稱重配料稱重系 統(tǒng)多種原料組分裝入一個 稱重斗的微機配料系統(tǒng)；多種原料組分裝入幾個 稱重斗的微機配料系統(tǒng)塑料工業(yè)、洗滌劑生產(chǎn)、食 品丄業(yè)、鑄造工業(yè)、玻璃生 產(chǎn)、煉鋼等方面其它稱重系 統(tǒng)皮帶秤、重量檢驗秤、計 數(shù)秤控制物料流量、檢驗欠重、 超重以及對庫房中的零件、 元件的進貨和發(fā)貨等進行計 數(shù)3.8集成壓敏傳感器集成壓敏傳感器依照敏感元件的

22、不同可分為兩類，硅 電容式集成壓敏傳感器和擴散硅集成壓敏傳感器，硅 電容式集成壓敏傳感器的敏感元件是電容式壓敏元件, 擴散硅集成壓敏傳感器采用的是電阻式壓敏元件。 3.8.1硅電容式集成傳感器1、硅敏感電容器的工作原理3.8集成壓敏傳感器、硅敏感電容器的測量電路IIAvd，2c5jvd3-D_YD広 qII亠丄4乂 VD4 q 豐心-13 oUo2QJpUgCJ土 3.8集成壓敏傳感器 3.8.2擴散硅壓敏傳感器擴散硅壓敏傳感器將補償電路與硅壓敏元件構(gòu)成的全橋電路集成在一起，溫度補償效果很好。帶溫度補償電路的集成壓力敏感器件如圖O5=% - % 今P7?2R-E=-nr-C=|-uoAUBVT-OUc3.9