壓力傳感器的原理與應(yīng)用

1、第一章第一章 傳感器及其應(yīng)用傳感器及其應(yīng)用 壓力傳感器壓力傳感器一一 壓力傳感器的分類壓力傳感器的分類 壓力是重要的工業(yè)參數(shù)之一，正確測量和控制壓力對保證生產(chǎn)工藝過程的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重要意義。壓力及差壓的測量還廣泛地應(yīng)用在流量和液位的測量中。 壓力傳感器用以將壓力傳感器用以將“壓力壓力”轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換“成電量，然后成電量，然后進(jìn)行測量。這里的進(jìn)行測量。這里的”壓力壓力“，可以來自，可以來自流動(dòng)的氣、液流動(dòng)的氣、液體或聲音，也可以是力的作用。體或聲音，也可以是力的作用。 l機(jī)械式機(jī)械式:成本低、無需電源，被廣泛使成本低、無需電源，被廣泛使用，但體積較大、靈敏度較低。用，但體積較大、靈敏度較低。l電氣

2、式：電氣式： （ 體積小、體積小、 靈敏度高）靈敏度高） 二二 電阻應(yīng)變片傳感器電阻應(yīng)變片傳感器1 1 工作原理工作原理當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變生機(jī)械變形形時(shí)其電阻值將發(fā)生變化時(shí)其電阻值將發(fā)生變化AlR長度變化為長度變化為L，面積變化為，面積變化為A，則電阻的變化為：，則電阻的變化為：dAldAAldlAdR2 導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，其電阻值隨導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，其電阻值隨著發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為著發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)。 llEll半導(dǎo)體電阻率半導(dǎo)體電阻率: l為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，它與半導(dǎo)體材料種類及應(yīng)力方向與

3、晶軸方向之間的夾角有關(guān)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，與晶向有關(guān)。 位移、力、力矩、加速度、壓力彈性敏感元件 應(yīng)變 外力作用被測對象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形應(yīng)變片敏感柵隨同變形電阻值發(fā)生相應(yīng)變化 應(yīng)變片2 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與種類電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與種類（1）金屬電阻應(yīng)變片：）金屬電阻應(yīng)變片：金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式及薄膜式等結(jié)構(gòu)形式。（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片）半導(dǎo)體應(yīng)變片：利用半導(dǎo)體材料的利用半導(dǎo)體材料的 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件。而制成的一種純電阻性元件。l體型半導(dǎo)體、薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片、擴(kuò)散型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體、薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片、擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。體應(yīng)變片。*靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片靈敏

4、系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍 ；*橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極??；橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極??； *溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多。電阻應(yīng)變片差得多。 應(yīng)變片測量應(yīng)變是通過敏感柵的電阻相對變化應(yīng)變片測量應(yīng)變是通過敏感柵的電阻相對變化而得到的。測量電阻的微小相對變化是通過測量電而得到的。測量電阻的微小相對變化是通過測量電路得到的。路得到的。 測量電路：測量電路：直流電橋直流電橋（供電電源為直流電壓）供電電源為直流電壓）和和交流電橋交流電橋（供電電源為交流電壓）供電電源為交流電壓） 工作原理：工作原理：應(yīng)變片受力后阻值發(fā)生變化，而使橋應(yīng)變片受力后阻值

5、發(fā)生變化，而使橋路輸出電壓發(fā)生變化，且電壓變化與受力大小成比路輸出電壓發(fā)生變化，且電壓變化與受力大小成比例。例。3 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路 平衡條件平衡條件 :R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1、R2、R3、R4可由4個(gè)應(yīng)變片單獨(dú)構(gòu)成，也可由4個(gè)應(yīng)變片和4個(gè)電阻構(gòu)成（將應(yīng)變片粘貼在電阻上） URRRRRRRRU)(432132410應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化R )()()(44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU R1、R2、R3、R4可由4個(gè)應(yīng)變片單獨(dú)構(gòu)成，也可由4個(gè)應(yīng)變片和4個(gè)電阻構(gòu)成（將應(yīng)變片粘貼在電阻上

6、） 采用等臂電橋，即采用等臂電橋，即R1= R2= R3=R4=R 。此時(shí)有：。此時(shí)有：)2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU設(shè)外力作用下應(yīng)變片的阻值變化為：設(shè)外力作用下應(yīng)變片的阻值變化為： R1= R4=RR; R2=R3=R-R URRU04 電阻應(yīng)變片傳感器電阻應(yīng)變片傳感器l應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式力傳感器l應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器l應(yīng)變式液體重量（或液位）傳感器應(yīng)變式液體重量（或液位）傳感器l應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器將應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，進(jìn)行標(biāo)定后作為測量力、將應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，進(jìn)行標(biāo)定后作為測量力、壓力、位移等物理量的傳

7、感器。壓力、位移等物理量的傳感器。 21)2/(32EbhhRFRR在外力作用下，在外力作用下，各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大 梁式力傳感器梁式力傳感器等截面梁 結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高適合于測適合于測5000N以下的載荷以下的載荷 b0h 等截面懸臂梁EbhlFRR26 筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器 BK-2S稱重傳感器稱重傳感器采用國際流行的雙梁式或剪切S梁結(jié)構(gòu)，拉、壓輸出對稱性好、 測量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，廣泛用于機(jī)電結(jié)合秤、料斗秤、包裝秤等各種測力、稱重系統(tǒng)中。供橋電壓 12VDC 輸入阻抗 38020 輸出阻抗 35010 絕緣電阻 2000

8、M 工作溫度 -10+50 BK4輪輻式傳感器系列輪輻式傳感器系列 采用輪輻式結(jié)構(gòu)，高度低，抗偏采用輪輻式結(jié)構(gòu)，高度低，抗偏抗側(cè)能力強(qiáng)，測量精度高，性能穩(wěn)定抗側(cè)能力強(qiáng)，測量精度高，性能穩(wěn)定可靠安裝方便，是大、中量程精度傳可靠安裝方便，是大、中量程精度傳感器中的最佳形式，廣泛用于各種電感器中的最佳形式，廣泛用于各種電子衡器和各種力值測量，如汽車衡、子衡器和各種力值測量，如汽車衡、軌道衡、吊勾秤、料斗秤。軌道衡、吊勾秤、料斗秤。技術(shù)參數(shù) 量程（t） 1，2，5，10，20，30，50 供橋電壓 12VDC 靈敏度 152mV/V 輸入阻抗 73020 非線性（%FS） 0.03, 0.05, 0.

9、1 輸出阻抗 70010 重復(fù)性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 絕緣電阻 2000M 滯后（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 工作溫度 -10+50 允許過負(fù)荷 120%FS 熱零點(diǎn)偏移（%FS/10） 壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等 應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上通常用于測量小壓力。其缺點(diǎn)是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程。AK-1型應(yīng)變式脈動(dòng)壓力傳感器型應(yīng)變式脈動(dòng)壓力傳感器產(chǎn)品產(chǎn)品特點(diǎn)： 采用外殼和膜片為一體的圓膜片結(jié)構(gòu) 尺寸小，安裝方便 頻響高，精度高，性能穩(wěn)定可靠 適用于各種動(dòng)，靜

10、態(tài)、氣、液體介質(zhì)的壓力測量容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器三三 壓力傳感器電路舉例壓力傳感器電路舉例 （1）應(yīng)變片壓力傳感器電路）應(yīng)變片壓力傳感器電路（2） 擴(kuò)散型半導(dǎo)體壓力傳感器電路擴(kuò)散型半導(dǎo)體壓力傳感器電路擴(kuò)散型半導(dǎo)體壓力傳感器是通過擴(kuò)散形成的應(yīng)變電橋構(gòu)成的擴(kuò)散型半導(dǎo)體壓力傳感器是通過擴(kuò)散形成的應(yīng)變電橋構(gòu)成的橋路，可以恒壓方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，也可以恒流方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。橋路，可以恒壓方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，也可以恒流方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。采用采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜 壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖r0R4R3R2R10.635r0(a)(b)壓力接管p引線端內(nèi)部引線擴(kuò)散電阻膜片硅杯l工作原理：工作原理：膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片產(chǎn)生膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。四個(gè)電阻在應(yīng)力變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。四個(gè)電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡， 輸出輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。l優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 體積小，結(jié)構(gòu)