第3章 壓力檢測(新)

1、壓力檢測壓力檢測1第第3章章 壓力檢測壓力檢測 測量上所稱的壓力就是物理學(xué)中的壓強(qiáng)，它是反映物測量上所稱的壓力就是物理學(xué)中的壓強(qiáng)，它是反映物質(zhì)狀態(tài)的一個重要參數(shù)。質(zhì)狀態(tài)的一個重要參數(shù)。壓力檢測壓力檢測2常用的測量壓力的儀表按工作原理大致可分為四大類：1.液柱式壓力計(jì)液柱式壓力計(jì)根據(jù)流體靜力學(xué)原理,把被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度。利用這種方法測量壓力的儀表有U形管壓力計(jì)，倒U型壓差計(jì)，單管壓力計(jì)和斜管壓力計(jì)等。2.活塞式壓力計(jì)活塞式壓力計(jì)根據(jù)液體傳遞壓力的原理,將被測量壓力換成活塞面積上所加平衡砝碼的重量,活塞式壓力計(jì)一般被作為標(biāo)準(zhǔn)儀器用來對彈簧管壓力計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)和刻度。壓力檢測壓力檢測33.彈簧式壓力

2、計(jì)彈簧式壓力計(jì)根據(jù)彈性元件受力變形的原理,將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移,利用這種方法測量的儀表主要有彈簧管壓力計(jì)等.4.電氣式壓力計(jì)電氣式壓力計(jì)將被測壓力轉(zhuǎn)換成各種電參數(shù)，根據(jù)電參數(shù)的大小而實(shí)現(xiàn)壓力的間接測量。壓力檢測壓力檢測41. 1.電子稱電子稱原理原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)變形，再通過應(yīng)化為結(jié)構(gòu)變形，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。應(yīng)用實(shí)例壓力檢測壓力檢測52. 2.橋梁固有頻率測量橋梁固有頻率測量橋梁固有頻率測量可用來判斷橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況，對重要橋梁通常每年進(jìn)行一橋梁固有頻率測量可用來判斷橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況，對重要橋梁通常每年進(jìn)行一次測量。當(dāng)橋梁固有

3、頻率發(fā)生變化時，說明橋梁結(jié)構(gòu)有變化，應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)的結(jié)次測量。當(dāng)橋梁固有頻率發(fā)生變化時，說明橋梁結(jié)構(gòu)有變化，應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)的結(jié)構(gòu)安全檢查。構(gòu)安全檢查。 應(yīng)用實(shí)例壓力檢測壓力檢測63.高分子壓電電纜高分子壓電電纜應(yīng)用實(shí)例 將高分子壓電電纜埋在公路上，用于車速監(jiān)測、收費(fèi)站地磅、將高分子壓電電纜埋在公路上，用于車速監(jiān)測、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場滑行道等。及機(jī)場滑行道等。壓力檢測壓力檢測7高分子壓電電纜的應(yīng)用演示高分子壓電電纜的應(yīng)用演示 將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的將兩根高分子壓電電纜

4、相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的 路面下約路面下約5cm5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，可以用來測量車速及汽車的載重量，并并可以獲可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距等），并根據(jù)存儲在計(jì)算機(jī)取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距等），并根據(jù)存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。 壓力檢測壓力檢測8 1.壓力的概念和單位；壓力的概念和單位； 2.常見電氣式壓力傳感器。常見電氣式壓力傳感器。本章學(xué)習(xí)內(nèi)容：本章學(xué)習(xí)內(nèi)容：主要參考書：主要參考書： 1.劉篤任劉篤任. 傳感器應(yīng)用技術(shù)傳感器應(yīng)用技術(shù)M.西安電子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出版社,2003. 2.王俊

5、峰王俊峰. 現(xiàn)代傳感器應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)代傳感器應(yīng)用技術(shù)M.機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社,2006.壓力檢測壓力檢測9本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求： 1.理解壓力的概念。理解壓力的概念。 2.掌握掌握應(yīng)變式、壓電式、電容式、霍爾式應(yīng)變式、壓電式、電容式、霍爾式壓力傳感器的壓力傳感器的 工作原理、測量方法及應(yīng)用、誤差分析及補(bǔ)償?shù)取９ぷ髟?、測量方法及應(yīng)用、誤差分析及補(bǔ)償?shù)取?3.了解其它壓力傳感器。了解其它壓力傳感器。壓力檢測壓力檢測103.1 壓力的概念及單位壓力的概念及單位壓力壓力:垂直而均勻地作用在單位面積上的力。垂直而均勻地作用在單位面積上的力。它的大小由兩它的大小由兩個因素所決定，即垂直作用力和

6、受力面積的大小，用數(shù)學(xué)個因素所決定，即垂直作用力和受力面積的大小，用數(shù)學(xué)式表示為：式表示為： 式中式中: :壓力（壓力（PaPa） 均勻垂直作用力（均勻垂直作用力（N N） 受力面積（受力面積（m m2 2）SF1Pa = 110-3KPa = 110-6MPa國際單位制中定義壓力的單位國際單位制中定義壓力的單位: :1N的力的力垂直而均勻地作用在垂直而均勻地作用在1m2面積上所形成的壓力面積上所形成的壓力，稱為稱為牛頓牛頓/ /米米2 2（N/mN/m2 2），簡稱），簡稱“帕帕”，符號，符號“PaPa” 。一、壓力的概念一、壓力的概念壓力檢測壓力檢測111.工程大氣壓工程大氣壓( kgf/

7、cmkgf/cm2 2 ,符號符號atat ) ： 1kg力垂直作用在力垂直作用在1cm2面積上產(chǎn)生的壓力。面積上產(chǎn)生的壓力。 2.標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atmatm) ： 維度維度450的海平面上的海平面上0時的平均大氣壓力。時的平均大氣壓力。3.約定毫米汞柱約定毫米汞柱(mmHgmmHg) ： 0時時1mm高的水銀柱在高的水銀柱在1cm2底面上產(chǎn)生的壓力。底面上產(chǎn)生的壓力。 4.約定毫米水柱約定毫米水柱(mmHmmH2 2O O)： 4時時1mm高的水柱在高的水柱在1cm2底面上產(chǎn)生的壓力。底面上產(chǎn)生的壓力。 其它常用壓力單位其它常用壓力單位壓力檢測壓力檢測12二、壓力的幾種表示形式二、壓

8、力的幾種表示形式 被測壓力通?？杀硎緸楸粶y壓力通常可表示為絕對壓力絕對壓力、表壓表壓、負(fù)壓負(fù)壓(或真空度或真空度)。 絕對壓力絕對壓力: :相對于絕對真空所測得的壓力。相對于絕對真空所測得的壓力。 表壓力（表壓）表壓力（表壓）: :相對于大氣壓力的差壓相對于大氣壓力的差壓, ,絕對壓力和大氣絕對壓力和大氣壓力之間的差壓。工業(yè)上所用壓力指示值多數(shù)為表壓。壓力之間的差壓。工業(yè)上所用壓力指示值多數(shù)為表壓。 負(fù)壓負(fù)壓: :低于大氣壓力時的表壓，簡稱負(fù)壓，又稱真空度。低于大氣壓力時的表壓，簡稱負(fù)壓，又稱真空度。壓力檢測壓力檢測13四、四、電氣電氣式式壓力傳感器的類別壓力傳感器的類別 應(yīng)變式應(yīng)變式 壓電式

9、壓電式 電容式電容式 霍爾式霍爾式 電位器式電位器式 電感式電感式 振弦式等振弦式等壓力檢測壓力檢測14 應(yīng)變：應(yīng)變：物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì) 應(yīng)變式壓力計(jì)：應(yīng)變式壓力計(jì)： 應(yīng)變式壓力計(jì)是利用應(yīng)變式壓力計(jì)是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)做成的傳感器，它的核做成的傳感器，它的核心元件是心元件是電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片。 應(yīng)用：應(yīng)用： 廣泛用于壓力、力、力矩、加速度、頻率、重量等參數(shù)廣泛用于壓力、力、力矩、加速度、頻率、重量等參數(shù)的測量。的測量。壓力檢測壓力檢測153.2.1 3.2.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)

10、 lRS 應(yīng)變效應(yīng)：應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時，其電阻值發(fā)生的變化，稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。械形變時，其電阻值發(fā)生的變化，稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。 原理分析：原理分析： 未受力時未受力時: :設(shè)有一根長度為設(shè)有一根長度為L L，截面積為，截面積為S S，電阻率為，電阻率為e e的的電阻絲，未受力時的電阻值為：電阻絲，未受力時的電阻值為： 壓力檢測壓力檢測16 受力后：受力后：若在拉力作用下，應(yīng)變電阻柵隨彈性元件變化產(chǎn)若在拉力作用下，應(yīng)變電阻柵隨彈性元件變化產(chǎn)生伸長變形生伸長變形LL，由于長度，由于長度L L變長，電阻絲截面積變長，電阻絲截

11、面積S S將縮小。將縮小。上述兩種變形將使得電阻柵每段電阻絲的電阻產(chǎn)生變化。上述兩種變形將使得電阻柵每段電阻絲的電阻產(chǎn)生變化。FFLL+dL2r2(r-dr)壓力檢測壓力檢測17 應(yīng)變電阻材料應(yīng)滿足要求：應(yīng)變電阻材料應(yīng)滿足要求： 靈敏系數(shù)大靈敏系數(shù)大; ; 溫度系數(shù)小溫度系數(shù)小; ; 電阻率和機(jī)械強(qiáng)度高電阻率和機(jī)械強(qiáng)度高; ; 工藝性能好工藝性能好。常用的敏感元件材料是康銅（銅鎳合金）、鎳鉻合金、常用的敏感元件材料是康銅（銅鎳合金）、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金、 鐵鎳鉻合金等。鐵鎳鉻合金等。壓力檢測壓力檢測183.2.2 3.2.2 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片定義定義: : 能將機(jī)械構(gòu)件上的應(yīng)

12、變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。能將機(jī)械構(gòu)件上的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式壓力計(jì)由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成。應(yīng)變式壓力計(jì)由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成。工作原理：工作原理： 被測物理量作用在彈性元件上，彈性元件在力、力矩或被測物理量作用在彈性元件上，彈性元件在力、力矩或 壓力等的作用下發(fā)生變形并產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后壓力等的作用下發(fā)生變形并產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后 傳遞給與之相連的傳遞給與之相連的電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片，引起應(yīng)變片電阻值變化，引起應(yīng)變片電阻值變化， 通過測量電路變成電參量輸出。輸出的電參量大小反映被通過測量電路變成電參量輸出。輸出的電參量大小反映被 測

13、量的大小。測量的大小。壓力檢測壓力檢測19 尺寸不同尺寸不同: : 長的有幾百長的有幾百mmmm，短的僅有，短的僅有0.2 mm0.2 mm； 結(jié)構(gòu)形式不同結(jié)構(gòu)形式不同: : 有單片、雙片、應(yīng)變花和各種特殊形狀的圖案；有單片、雙片、應(yīng)變花和各種特殊形狀的圖案； 使用環(huán)境不同使用環(huán)境不同: : 有高溫、低溫、水、核輻射、高壓、磁場等；有高溫、低溫、水、核輻射、高壓、磁場等； 安裝形式不同安裝形式不同: : 有粘貼、非粘貼、焊接、火焰噴涂等；有粘貼、非粘貼、焊接、火焰噴涂等； 材料不同材料不同: : 分為分為金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片和和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片。 分類分類: :應(yīng)變片有

14、很多品種系列應(yīng)變片有很多品種系列: :壓力檢測壓力檢測20 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): : 由基體材料、金屬應(yīng)變絲由基體材料、金屬應(yīng)變絲 或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和 引出線等部分組成。引出線等部分組成。一、金屬電阻應(yīng)變片一、金屬電阻應(yīng)變片 常見形式：金屬絲式、箔式、薄膜式等。絲式應(yīng)變片是最早常見形式：金屬絲式、箔式、薄膜式等。絲式應(yīng)變片是最早應(yīng)應(yīng)用的品種。用的品種。 壓力檢測壓力檢測21二、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片二、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理和導(dǎo)體應(yīng)變片相似。對半導(dǎo)體半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理和導(dǎo)體應(yīng)變片相似。對半導(dǎo)體施加應(yīng)力時，其施加應(yīng)力時，其電阻率電阻率發(fā)生變化。發(fā)生變化。 1、P型

15、單晶硅條型單晶硅條 2、內(nèi)引線、內(nèi)引線3、焊接電極、焊接電極 4、引線、引線 5、基底、基底半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)：對半導(dǎo)體施加壓力時，其：對半導(dǎo)體施加壓力時，其電阻率電阻率隨應(yīng)力隨應(yīng)力發(fā)生變化。發(fā)生變化。壓力檢測壓力檢測22半導(dǎo)體應(yīng)變片特點(diǎn)半導(dǎo)體應(yīng)變片特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): : 靈敏度高。比金屬應(yīng)變片的靈敏度約大靈敏度高。比金屬應(yīng)變片的靈敏度約大5050100100倍。倍。 體積小，耗電省。體積小，耗電省。 機(jī)械滯后小，可測量靜態(tài)應(yīng)變、低頻應(yīng)變等。機(jī)械滯后小，可測量靜態(tài)應(yīng)變、低頻應(yīng)變等。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 非線性嚴(yán)重。非線性嚴(yán)重。壓力檢測壓力檢測233.2.3.2.3 3 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路應(yīng)變片

16、應(yīng)變片R R1 1將被測試件的應(yīng)變將被測試件的應(yīng)變 轉(zhuǎn)換成電阻的相對變化轉(zhuǎn)換成電阻的相對變化 R R1 1/R/R1 1，還需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號才能用電測儀表測量。還需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號才能用電測儀表測量。常識：常識：電阻應(yīng)變片工作時電阻應(yīng)變片工作時, , 其電阻變化很微小。其電阻變化很微小。引起的不平衡電壓極小引起的不平衡電壓極小, , 不能用來直接不能用來直接驅(qū)動指示儀表驅(qū)動指示儀表, , 故需要對其放大。一般故需要對其放大。一般放大器的放大器的輸入阻抗要比測量電橋的內(nèi)阻輸入阻抗要比測量電橋的內(nèi)阻高得多高得多，可認(rèn)為電橋輸出端處于開路狀態(tài)。，可認(rèn)為電橋輸出端處于開路狀態(tài)。壓

17、力檢測壓力檢測24由圖中可知：由圖中可知：142303412()()abR RR RUUURRRR電橋平衡時電橋平衡時I If f=0,=0,有有311423240RRR RR RRR或 儀表的調(diào)零儀表的調(diào)零狀態(tài)狀態(tài)壓力檢測壓力檢測25 設(shè)設(shè)R1為電橋工作臂為電橋工作臂, R2、R3 、R4均為固定橋臂。均為固定橋臂。 起始狀態(tài)，起始狀態(tài)， ,電橋平衡，此時電橋平衡，此時U0=Usc=0。R1 R1R3R4R2bUcda放大器Usc1.單臂工作電橋電路單臂工作電橋電路1324RRRR壓力檢測壓力檢測26 設(shè)n= ，考慮到起始平衡條件 ，并略去分母中的 項(xiàng)，得輸出電壓：12RR3412RRRR1

18、1RR0211(1)UnURnR4123110124113(1)(1)(1)RRRRRRUURRRRRRR1 R1R3R4R2bUcda放大器Usc 若若受力后電阻發(fā)生應(yīng)變受力后電阻發(fā)生應(yīng)變, 其值阻變化其值阻變化R1， 電橋輸出電壓為電橋輸出電壓為：1021(1)nRUUnR壓力檢測壓力檢測270021111110(1)uUUUnKURRRnRRRKu稱為電橋的電壓靈敏度。稱為電橋的電壓靈敏度。應(yīng)變片電阻相對變化率一定時，應(yīng)變片電阻相對變化率一定時， Ku愈大，電橋輸出電壓愈愈大，電橋輸出電壓愈大，電橋愈靈敏。大，電橋愈靈敏。提高靈敏度的措施 選擇適當(dāng)?shù)臉虮郾冗x擇適當(dāng)?shù)臉虮郾萵 n。提高電源

19、電壓，但它受應(yīng)變片允許功耗的限制。提高電源電壓，但它受應(yīng)變片允許功耗的限制。靈敏度的確定壓力檢測壓力檢測28當(dāng)當(dāng)n=1n=1時，電橋電壓靈敏度最高。單臂工作電橋輸出電壓和時，電橋電壓靈敏度最高。單臂工作電橋輸出電壓和靈敏度為：靈敏度為：114oRUURUKu41單臂工作時由單臂工作時由 可知：可知：當(dāng)電源電壓及電阻相對變化率一定時，電橋的輸出電壓當(dāng)電源電壓及電阻相對變化率一定時，電橋的輸出電壓和和靈敏度與各橋臂阻值的大小無關(guān)。靈敏度與各橋臂阻值的大小無關(guān)。1021(1)nRUUnR結(jié)論壓力檢測壓力檢測29由于使用單臂工作時，系統(tǒng)存在非線性誤差由于使用單臂工作時，系統(tǒng)存在非線性誤差和和溫度誤差，

20、溫度誤差，為了消除誤差，常采用半橋或全橋電路。為了消除誤差，常采用半橋或全橋電路。9半橋差動電路UR1+R1R2-R2 在試件上安裝兩個工作應(yīng)變片，在試件上安裝兩個工作應(yīng)變片，一個受拉力，一個受壓力，接入一個受拉力，一個受壓力，接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋電路，電橋相鄰橋臂，稱為半橋電路，該電橋輸出電壓為：該電橋輸出電壓為：224112234()oRRRUURRRRRR 2.半橋（雙臂工作電橋）電路半橋（雙臂工作電橋）電路壓力檢測壓力檢測309U若若R1=R2, R1=R2, R3=R4, R1=R2, R1=R2, R3=R4, 又稱為又稱為差分電橋差分電橋，輸出電壓輸出電壓和靈敏度為：和靈敏

21、度為：112oRUUR2UUK11RR差分差分電橋電橋U U0 0與與 呈線性關(guān)系，差分電橋沒有非線性誤差。呈線性關(guān)系，差分電橋沒有非線性誤差。電橋電壓靈敏度電橋電壓靈敏度K KU U=U/2=U/2，比單臂工作時提高一倍。，比單臂工作時提高一倍。同時還具有溫度補(bǔ)償。同時還具有溫度補(bǔ)償。結(jié)論壓力檢測壓力檢測313.3.全橋電路全橋電路 在試件上安裝四個工作應(yīng)變片，兩個受拉應(yīng)變，兩個受在試件上安裝四個工作應(yīng)變片，兩個受拉應(yīng)變，兩個受壓應(yīng)變，將兩個應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋壓應(yīng)變，將兩個應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋差動電路。差動電路。9全橋差動電路R1+R1R2-R2R4+R

22、4R3-R3U壓力檢測壓力檢測32若若R1=R2=R3=R4R1=R2=R3=R4，且，且R1=R2=R3=R4R1=R2=R3=R4，則輸出電壓和，則輸出電壓和靈敏度為：靈敏度為：11oRUURUKU結(jié)論全橋差動電路不僅沒有非線性誤差，且電壓靈敏度是單臂全橋差動電路不僅沒有非線性誤差，且電壓靈敏度是單臂測量時的測量時的4 4倍。同時也具有溫度補(bǔ)償作用。倍。同時也具有溫度補(bǔ)償作用。壓力檢測壓力檢測33一、應(yīng)變片的粘貼一、應(yīng)變片的粘貼 粘合劑的性能及粘合工藝的質(zhì)量影響應(yīng)變片的工作特性。粘合劑的性能及粘合工藝的質(zhì)量影響應(yīng)變片的工作特性。 要選擇合適的粘合劑和正確的粘結(jié)工藝。要選擇合適的粘合劑和正確

23、的粘結(jié)工藝。1.1.對粘合劑要求對粘合劑要求: : (1) (1) 有一定的粘結(jié)強(qiáng)度。有一定的粘結(jié)強(qiáng)度。 (2) (2) 能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變。能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變。 (3) (3) 蠕變小。蠕變小。 (4) (4) 機(jī)械滯后小。機(jī)械滯后小。 (5) (5) 耐疲勞性能好。耐疲勞性能好。 (6) (6) 具有足夠的穩(wěn)定性能。具有足夠的穩(wěn)定性能。 (7) (7) 對彈性元件和應(yīng)變片不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用。對彈性元件和應(yīng)變片不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用。 (8) (8) 有適當(dāng)?shù)膬Υ嫫凇Ｓ羞m當(dāng)?shù)膬Υ嫫凇?(9) (9) 應(yīng)有較大的溫度使用范圍。應(yīng)有較大的溫度使用范圍。3.2.43.2.4 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償電阻應(yīng)變

24、片的粘貼及溫度補(bǔ)償壓力檢測壓力檢測34二、溫度誤差及其補(bǔ)償二、溫度誤差及其補(bǔ)償1tRtR 問題引出 解決方法電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法 敏感柵的金屬電阻本身隨溫度發(fā)生變化：敏感柵的金屬電阻本身隨溫度發(fā)生變化：試件材料與應(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不一致，試件材料與應(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不一致，使應(yīng)變絲產(chǎn)生使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加變形附加變形而造成的電阻變化。而造成的電阻變化。壓力檢測壓力檢測351. 1.電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法由于由于R R1t1t和和R Rbtbt相同，根據(jù)電路理論可知：當(dāng)相鄰橋臂有相同，根據(jù)電路理論可知：當(dāng)相鄰橋臂有等量變化時，對輸出沒有影響，即輸出電壓與溫度無關(guān)。等量變化時，對輸出沒有影響，即

25、輸出電壓與溫度無關(guān)。補(bǔ)償件與試件溫度相同，但不承受形變。補(bǔ)償件與試件溫度相同，但不承受形變。注意補(bǔ)償片補(bǔ)償片R Rb b與應(yīng)變片與應(yīng)變片R R1 1特性相同；特性相同；工作應(yīng)變片工作應(yīng)變片試件試件補(bǔ)償片補(bǔ)償片補(bǔ)償件補(bǔ)償件（1）補(bǔ)償片法壓力檢測壓力檢測36工作片、補(bǔ)償片貼在同一試件上，兩者感受的應(yīng)變符號相反。工作片、補(bǔ)償片貼在同一試件上，兩者感受的應(yīng)變符號相反。 兩個電阻變化值相同而符號相反兩個電阻變化值相同而符號相反（2 2）對稱粘貼應(yīng)變片法）對稱粘貼應(yīng)變片法（2）對稱粘貼應(yīng)變片法壓力檢測壓力檢測373.3 薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片 薄膜技術(shù)薄膜技術(shù) 薄膜技術(shù)是在一定的基底上，用薄膜技術(shù)是在一定的

26、基底上，用真空蒸鍍真空蒸鍍、濺射濺射等工藝技等工藝技術(shù)加工成零點(diǎn)幾微米至幾微米的金屬、半導(dǎo)體或氧化物薄術(shù)加工成零點(diǎn)幾微米至幾微米的金屬、半導(dǎo)體或氧化物薄膜的技術(shù)。這些薄膜可以加工成各種梁、橋、膜等微型彈膜的技術(shù)。這些薄膜可以加工成各種梁、橋、膜等微型彈性元件，也可加工為轉(zhuǎn)換元件，在傳感器的研制中得到了性元件，也可加工為轉(zhuǎn)換元件，在傳感器的研制中得到了廣泛應(yīng)用。廣泛應(yīng)用。壓力檢測壓力檢測38 真空蒸鍍真空蒸鍍 在真空室內(nèi)，將待蒸發(fā)的在真空室內(nèi)，將待蒸發(fā)的材料置于鎢絲制成的加熱材料置于鎢絲制成的加熱器上加熱，當(dāng)真空度抽到器上加熱，當(dāng)真空度抽到0.0133Pa0.0133Pa以上時，加大鎢以上時，加

27、大鎢絲的加熱電流，使材料融絲的加熱電流，使材料融化，繼續(xù)加大電流使材料化，繼續(xù)加大電流使材料蒸發(fā)，在基底上凝聚成膜。蒸發(fā)，在基底上凝聚成膜。12341真空室 2基底3鎢絲 4接高真空泵。壓力檢測壓力檢測39 濺射濺射 在低真空室中，將待濺射在低真空室中，將待濺射物制成靶置于陰極，用高物制成靶置于陰極，用高壓（通常在壓（通常在1000V1000V以上）以上）使惰性氣體電離形成等離使惰性氣體電離形成等離子體，等離子中的正離子子體，等離子中的正離子以高能量轟擊靶面，使待以高能量轟擊靶面，使待濺射物的原子離開靶面，濺射物的原子離開靶面，淀積到陽極工作臺上的基淀積到陽極工作臺上的基片上，形成薄膜。片上，

28、形成薄膜。31254761靶靶 2陰極陰極 3直流高壓直流高壓4陽極陽極 5基片基片6惰性氣體入口惰性氣體入口 7接真空系統(tǒng)。接真空系統(tǒng)。壓力檢測壓力檢測40 壓電式傳感器壓電式傳感器:以某些電介質(zhì)的以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在為基礎(chǔ)，在外力作用外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。3.4 3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器測量對象應(yīng)用范圍力、壓力、加速度等。力、壓力、加速度等。（由于是（由于是力敏感元件力敏感元件，能測量最終能變換為力，能測量最終能變換為力 的物理量。）的物理量。）工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油

29、勘探、聲波測井、電聲學(xué)等。工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測井、電聲學(xué)等。壓力檢測壓力檢測411.指套式電子血壓計(jì)指套式電子血壓計(jì)應(yīng)用實(shí)例壓力檢測壓力檢測422.壓電式玻璃破碎報(bào)警器壓電式玻璃破碎報(bào)警器粘貼粘貼位置位置應(yīng)用實(shí)例壓力檢測壓力檢測43 正壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿著某些電介質(zhì)在沿著一定方向一定方向受到壓力或拉力作用時發(fā)生形變，并且在受到壓力或拉力作用時發(fā)生形變，并且在其其一定表面一定表面會產(chǎn)生電荷，若將外力去掉，它們又重新回到不帶電狀態(tài)會產(chǎn)生電荷，若將外力去掉，它們又重新回到不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也

30、隨著改變。電能電能機(jī)械能機(jī)械能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)3.4.1 3.4.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)思考什么是電介質(zhì)什么是電介質(zhì)？什么是導(dǎo)體什么是導(dǎo)體？二者區(qū)別？二者區(qū)別？ 逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向一定方向上產(chǎn)生機(jī)上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。壓力檢測壓力檢測44一、石英晶體的壓電效應(yīng)一、石英晶體的壓電效應(yīng)晶體切片其中：其中：縱向軸稱為縱向軸稱為

31、光軸（光軸（Z Z軸）軸）； 經(jīng)過正六面體棱線且垂直于光軸的稱為經(jīng)過正六面體棱線且垂直于光軸的稱為電軸（電軸（x x軸）軸）； 與與x x軸和軸和z z軸同時垂直的稱為軸同時垂直的稱為機(jī)械軸（機(jī)械軸（Y Y軸）軸）。 石英晶體是最常用的壓電晶體之一，理想幾何形狀為正六石英晶體是最常用的壓電晶體之一，理想幾何形狀為正六面體晶柱。面體晶柱。 在晶體學(xué)中可用三根互相垂直的晶軸表示。在晶體學(xué)中可用三根互相垂直的晶軸表示。壓力檢測壓力檢測45光軸（基準(zhǔn)軸，光軸（基準(zhǔn)軸，Z Z軸）：軸）：光沿該方向通過沒有雙折射現(xiàn)象，光學(xué)方法確光沿該方向通過沒有雙折射現(xiàn)象，光學(xué)方法確定。定。沒有壓電效應(yīng)沒有壓電效應(yīng)石英晶

32、體的三個晶軸zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)電軸（電軸（X X軸）：軸）：垂直于該軸的表面上垂直于該軸的表面上壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)最強(qiáng)。最強(qiáng)。 縱向壓電效應(yīng)：沿電軸縱向壓電效應(yīng)：沿電軸X-XX-X方向的力作用下產(chǎn)生的電荷的壓電效應(yīng)。方向的力作用下產(chǎn)生的電荷的壓電效應(yīng)。 橫向壓電效應(yīng)：沿機(jī)械軸橫向壓電效應(yīng)：沿機(jī)械軸Y-YY-Y方向的力作用下產(chǎn)生的電荷的壓電效應(yīng)。方向的力作用下產(chǎn)生的電荷的壓電效應(yīng)。 機(jī)械軸（機(jī)械軸（Y Y軸）：軸）：垂直垂直xzxz面，在電場作用下，該軸方向的面，在電場作用下，該軸方向的機(jī)械形變機(jī)械形變最明最明顯。顯。壓力檢測壓力檢測461.1. X X軸方向受力軸方

33、向受力 縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)FXFX+ + + +(a)(b)XXXxXQd FX X軸方向受力時，產(chǎn)生的電荷軸方向受力時，產(chǎn)生的電荷QxQx與作用力與作用力FxFx成正比，符號由成正比，符號由FxFx是壓力還是拉力決定，與晶體的尺寸無關(guān)。是壓力還是拉力決定，與晶體的尺寸無關(guān)。結(jié)論xdx軸方向上的軸方向上的壓電系數(shù)（壓電系數(shù)（C/NC/N）v受力方向和變形不同壓電系數(shù)也不同受力方向和變形不同壓電系數(shù)也不同在在X X軸方向施加壓力時，在軸方向施加壓力時，在垂直于垂直于X X軸的平面上出現(xiàn)軸的平面上出現(xiàn)電荷電荷且且X X軸軸正向帶正電；正向帶正電；若若作用力作用力F FX X改為拉力，改為拉力

34、，出現(xiàn)出現(xiàn)電荷極性相反，見圖電荷極性相反，見圖( (a a) )、( (b b) )。壓力檢測壓力檢測472.2. Y Y軸方向受力軸方向受力 橫橫向壓電效應(yīng)向壓電效應(yīng)YyYlQdFh + + + + + + + (c)(d)FYFYXXY Y軸方向受力時，產(chǎn)生的電荷軸方向受力時，產(chǎn)生的電荷QxQx不僅與作用力不僅與作用力FxFx成有關(guān)，還成有關(guān)，還與晶體的尺寸有關(guān)。符號與與晶體的尺寸有關(guān)。符號與X X軸方向受力的情況相反。軸方向受力的情況相反。結(jié)論ydy軸方向上的軸方向上的壓電系數(shù)（壓電系數(shù)（C/NC/N）l, h l, h 晶體切片的長度，厚度晶體切片的長度，厚度若若在同一晶片上作用力是沿

35、著機(jī)械軸方向，其電荷仍在與在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸方向，其電荷仍在與X X軸軸垂直平面上出現(xiàn)，極性見圖（垂直平面上出現(xiàn)，極性見圖（c c）、（）、（d d）。壓力檢測壓力檢測483. 3.壓電效應(yīng)的物理解釋壓電效應(yīng)的物理解釋壓電效應(yīng)是由于晶格在機(jī)械力的作用下發(fā)生的形變壓電效應(yīng)是由于晶格在機(jī)械力的作用下發(fā)生的形變, ,從而使電從而使電偶極距不平衡所引起。偶極距不平衡所引起。+-XYP1P2P31230ppp1 1）在不受力的情況下）在不受力的情況下壓力檢測壓力檢測492 2）受到）受到X X方向的力方向的力縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)+-XYP1P2P3123()0 xppp123()0ypp

36、p123()0zppp壓力檢測壓力檢測503 3）受到）受到Y(jié) Y方向的力方向的力橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)+-XYP1P2P3123()0 xppp123()0yppp123()0zppp壓力檢測壓力檢測51自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、硫化鋅等材料是性能優(yōu)良的經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、硫化鋅等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。壓電材料。3.4.2 3.4.2 壓電材料壓電材料一、常用壓電材料分類一、常用壓電材料分類 1. 1.壓電晶體壓電晶體 石英晶體石英晶體 水溶性壓電晶體水溶性壓電晶體 鈮

37、酸鋰晶體鈮酸鋰晶體 2. 2.壓電陶瓷壓電陶瓷 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷 鈮酸鹽系壓電陶瓷鈮酸鹽系壓電陶瓷 鈮鎂酸鉛壓電陶瓷鈮鎂酸鉛壓電陶瓷 3. 3.壓電半導(dǎo)體壓電半導(dǎo)體 硫化鋅硫化鋅 碲化鎘碲化鎘壓力檢測壓力檢測52二、常用壓電材料特點(diǎn)二、常用壓電材料特點(diǎn)1. 1.石英晶體石英晶體 石英（石英（SiOSiO2 2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介介電常數(shù)電常數(shù)和和壓電系數(shù)壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化。兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化。優(yōu)點(diǎn)性能

38、非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也相當(dāng)好。性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也相當(dāng)好。缺點(diǎn)價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多.壓力檢測壓力檢測53注意石英是一種各向異性晶體，按不同方向切割的晶片，其物理石英是一種各向異性晶體，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。因此在性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。因此在設(shè)計(jì)石英傳感器時，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的設(shè)計(jì)石英傳感器時，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。切型。適用場合一般僅用于一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中?；蛞筝^高的傳感器中。壓

39、力檢測壓力檢測542. 2.壓電陶瓷壓電陶瓷優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)。具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：居里溫度低，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。居里溫度低，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。人制備的壓電材料，需經(jīng)外加電場極化處理后才具有很強(qiáng)的壓人制備的壓電材料，需經(jīng)外加電場極化處理后才具有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)。電效應(yīng)。壓力檢測壓力檢測553. 3.壓電半導(dǎo)體材料壓電半導(dǎo)體材料具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點(diǎn)。具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點(diǎn)。既有壓電特性既有壓電特性, ,又有半導(dǎo)體特性又有半導(dǎo)體特性, ,利于將元件和線路集成利于將元件和線路集成于一體。于一體。壓

40、力檢測壓力檢測563.4.3 3.4.3 測量電路測量電路 當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機(jī)械應(yīng)力的作用時，當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機(jī)械應(yīng)力的作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。可把在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷?？砂褖弘妭鞲衅骺闯梢粋€壓電傳感器看成一個靜電發(fā)生器靜電發(fā)生器，如圖，如圖( (a a) )。也可把它視為。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器電容器，如圖，如圖(b)(b)。 qq電極壓 電 晶體Ca(b)(a) 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路壓力檢測壓力檢測57 因此，壓電傳感

41、器可等效為以下兩種形式因此，壓電傳感器可等效為以下兩種形式: : 電壓源電壓源U Ua a和一個電容器和一個電容器C Ca a的的串聯(lián)串聯(lián)電路，如圖電路，如圖( (a a) )； 電荷源電荷源q q和一個電容器和一個電容器C Ca a的的并聯(lián)并聯(lián)電路，如圖電路，如圖( (b b) )。U0Q 當(dāng)兩極板聚集異性電荷時，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，當(dāng)兩極板聚集異性電荷時，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為其大小為aaqUC壓力檢測壓力檢測58測量電路的等效電路壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗前置放大器。

42、它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗前置放大器。其作用為：其作用為： 把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗； 放大傳感器輸出的微弱信號。放大傳感器輸出的微弱信號。壓力檢測壓力檢測59實(shí)際使用時還需考慮以下幾個方面：實(shí)際使用時還需考慮以下幾個方面： 壓電傳感器的泄漏電阻壓電傳感器的泄漏電阻R Ra, a, 連接電纜的等效電容連接電纜的等效電容C Cc c 放大器的輸入電阻放大器的輸入電阻R Ri i， 放大器的輸入電容放大器的輸入電容C Ci i ，其等效電路如圖所示：，其等效電路如圖所示：壓力檢測壓力檢測60壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，壓電

43、傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此因此,前置放大器分為兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。前置放大器分為兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。電壓放大器：電壓放大器：輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比。輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比。電荷放大器：電荷放大器：輸出電壓與輸入電荷成正比。輸出電壓與輸入電荷成正比。壓力檢測壓力檢測611. 1. 電壓放大器電壓放大器aiaiRRRRRciCCCaaqUC壓力檢測壓力檢測62 若壓電元件受正弦力若壓電元件受正弦力F=FF=Fm m sin sintt的作用，則在外力作用下的作用，則在外力作用下其產(chǎn)生的電壓為其產(chǎn)生的電壓

44、為sinsinmamaaQdFUtUtCC式中：式中： U Um m壓電元件輸出電壓幅值，壓電元件輸出電壓幅值，U Um m= =dFdFm m/ /C Ca a； d d壓電系數(shù)。壓電系數(shù)。 壓力檢測壓力檢測63 由此可得放大器輸入端電壓由此可得放大器輸入端電壓U Ui i， 其復(fù)數(shù)形式為：其復(fù)數(shù)形式為：1()iaj RUdFj R CCU Ui i的幅值的幅值U Uimim為：為：2221mimacidFRURCCC靈敏度：靈敏度：221()()imUmaciUdKFCCCR壓力檢測壓力檢測64 理想情況下，傳感器的理想情況下，傳感器的R Ra a電阻值與前置放大器輸入電阻電阻值與前置放大

45、器輸入電阻R Ri i都為無限大，即都為無限大，即 ( (C Ca a+ +C Cc c+ +C Ci i) )RR1 1，那么理想情況下輸入電，那么理想情況下輸入電壓幅值壓幅值U Uamam為：為：mamacidFUCCC結(jié)論由于由于U Ui i的幅值的幅值U Uimim為：為：2221mimacidFRURCCCimUmaciUdKFCCC所以靈敏度所以靈敏度輸出電壓靈敏度輸出電壓靈敏度受電纜分布電容受電纜分布電容影響。影響。 作用力的作用力的變化頻率與測量回路時間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于變化頻率與測量回路時間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于1 1時，前置放大器的時，前置放大器的 輸入電壓和靈敏度均與頻率無關(guān)。輸

46、入電壓和靈敏度均與頻率無關(guān)。壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換，否則將引入測量誤差壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換，否則將引入測量誤差壓力檢測壓力檢測65討論：討論：在在什么情況下可以看做理想狀態(tài)？什么情況下可以看做理想狀態(tài)？ 若若為測量回路的時間常數(shù)，且為測量回路的時間常數(shù)，且=R(Ca+Cc+Ci)，并令，并令0=1/,則有：則有：2222011mmimacidFRdFRURCCC 0mammacidFUdFRCCC020/1(/)imamUU 為什么考慮它？壓力檢測壓力檢測66020/1 (/)imamUU 00901.00.51234Uim/Uam壓力檢測壓力

47、檢測67討論：討論： =0=0（所測量力為靜態(tài)量）：（所測量力為靜態(tài)量）： U Uimim=0=0（輸入電壓為零）（輸入電壓為零）所以不能測量靜態(tài)量。所以不能測量靜態(tài)量。 33（高頻情況）：（高頻情況）： U Uimim/U/Uamam11，實(shí)際接近理想。，實(shí)際接近理想。輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。若若 一定，一定， 越高，高頻響應(yīng)越好。越高，高頻響應(yīng)越好。 31時ofQUC 壓力檢測壓力檢測73由上式可有以下結(jié)論：由上式可有以下結(jié)論： 電荷放大器的輸出電壓電荷放大器的輸出電壓UoUo只取決于輸入電荷與反饋電容只取決于輸入電荷與反饋電容C Cf f，與電纜電容與電纜電容

48、C Cc c無關(guān)，且與無關(guān)，且與Q Q成正比，這是電荷放大器的最成正比，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。大特點(diǎn)。 為了得到必要的測量精度，要求反饋電容為了得到必要的測量精度，要求反饋電容C Cf f的溫度和時間的溫度和時間穩(wěn)定性都很好，在實(shí)際電路中，考慮到不同的量程等因素，穩(wěn)定性都很好，在實(shí)際電路中，考慮到不同的量程等因素，C Cf f的容量做成可選擇的，范圍一般為的容量做成可選擇的，范圍一般為100104pF100104pF。 通常通常A A=104108=104108 輸出與電纜電容無關(guān)，電纜可更換并且電纜可長達(dá)輸出與電纜電容無關(guān)，電纜可更換并且電纜可長達(dá)1km1km 可測可測準(zhǔn)靜態(tài)量準(zhǔn)靜態(tài)量：

49、由于由于=R=Rf fC Cf f相當(dāng)大，可測低頻相當(dāng)大，可測低頻f=0.5Hzf=0.5Hz壓力檢測壓力檢測743.5 3.5 電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳感器是將被測量電容式傳感器是將被測量(如尺寸、壓力等如尺寸、壓力等)的變化轉(zhuǎn)換成的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化的一種傳感器電容量的變化的一種傳感器,轉(zhuǎn)換元件是一個具有轉(zhuǎn)換元件是一個具有可變參可變參數(shù)的電容器數(shù)的電容器。 廣泛用于位移、振動、角度、加速度以及壓力、差壓、液廣泛用于位移、振動、角度、加速度以及壓力、差壓、液面（料位）、成份含量等方面的測量。面（料位）、成份含量等方面的測量。壓差變送器壓差變送器 接近開關(guān)接近開關(guān) 三軸加速度傳感

50、器三軸加速度傳感器 液位傳感器液位傳感器 壓力檢測壓力檢測753.5.1 3.5.1 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理d d S S 用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，其電容其電容C C為為: : 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； 0 0真空介電常數(shù)，真空介電常數(shù)， 0 0 8.85pF/m8.85pF/m； r r 相對介電常數(shù)。相對介電常數(shù)。0rssCdd 工作原理：工作原理：改變改變S S、d d、 三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量

51、容量C C 改變。固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的改變。固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器：電容傳感器：變極距型變極距型、變面積型變面積型和和變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型。壓力檢測壓力檢測76一、變極距型電容傳感器一、變極距型電容傳感器1.板式結(jié)構(gòu)板式結(jié)構(gòu)0000001C C=C11ssCddddddd 00SCd初始電容初始電容間距減小間距減小d時，電容量時，電容量壓力檢測壓力檢測770dd10103 3kv/mm)kv/mm)或塑料膜可或塑料膜可改善電容器耐壓性能。改善電容器耐壓性能。 變極距式電容式傳感器的起始電容在變極距式電容式傳感器的起始電容在 2020100pF

52、100pF之間之間, , 極極板間板間距在距在2525200um200um范圍內(nèi)，而測量最大位移應(yīng)小于間范圍內(nèi)，而測量最大位移應(yīng)小于間距的十分之一，因此這種電容式傳感器主要用于距的十分之一，因此這種電容式傳感器主要用于微位移微位移測量測量。 d0越小越好？越小越好？思考壓力檢測壓力檢測802. 2.板式差動結(jié)構(gòu)板式差動結(jié)構(gòu) 差動結(jié)構(gòu)的變間隙型電容傳感器采用兩差動結(jié)構(gòu)的變間隙型電容傳感器采用兩塊定極板，在二者之間放一塊動極板。塊定極板，在二者之間放一塊動極板。01010000C1C11ssCCddddddd02020000C1C11ssCCddddddd假設(shè)動極板向上移動了假設(shè)動極板向上移動了d

53、, 則有則有壓力檢測壓力檢測8101010000C1C11ssCCddddddd02020000C1C11ssCCddddddd電容總的變化量為：241200002C1 dddCCCddd電容的相對變化量為：002CCdd差動結(jié)構(gòu)的電容傳感器既提高了靈敏度，又減小了非線性誤差。差動結(jié)構(gòu)的電容傳感器既提高了靈敏度，又減小了非線性誤差。此時傳感器的測量靈敏度為： 0200C2K2Csddd壓力檢測壓力檢測82二、變面積型電容傳感器二、變面積型電容傳感器 角位移：角位移：極板極板2 2的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移 度度時，兩極板的遮蓋面積時，兩極板的遮蓋面積s

54、s電容量電容量。 板狀線位移：板狀線位移：極板極板2 2可以左右移動。極板可以左右移動。極板1 1固定不動。固定不動。 筒形：筒形：外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動。角位移角位移板狀板狀筒形筒形壓力檢測壓力檢測831. 1.電容式電容式角位移角位移傳感器傳感器 00sCd0000(1)sCCCCCd 初始狀態(tài)=0時， 當(dāng)動極板順時針轉(zhuǎn)動角度時，傳感器電容變化量傳感器電容變化量C與角位移與角位移呈呈線性關(guān)系線性關(guān)系 靈敏度為 ：000 CK CCCSd 壓力檢測壓力檢測84當(dāng)動極板相對于定極板沿著長度方向當(dāng)動極板相對于定極板沿著長度方向平

55、移平移x x時，其電容量為：時，其電容量為：000b-b1 C1 CCddxxxxCdb CC0C K000axaxxCxC電容量電容量C C與直線位移與直線位移x呈線性關(guān)系，呈線性關(guān)系，其靈敏度為其靈敏度為 ： 2. 2.電容式電容式線位移線位移傳感器傳感器 初始狀態(tài)下初始狀態(tài)下，x=0,0Cbad壓力檢測壓力檢測85變面積型電容傳感器靈敏度為常數(shù)，輸出量與輸入量變面積型電容傳感器靈敏度為常數(shù)，輸出量與輸入量呈線性關(guān)系，適合于測量較大的直線位移和角位移。呈線性關(guān)系，適合于測量較大的直線位移和角位移。結(jié)論壓力檢測壓力檢測861022120 00000000()rrrLLLLLCCCbCCCCC

56、dLL 當(dāng)當(dāng)L=0L=0時，初始電容時，初始電容 ：010 000rL bCd 當(dāng)被測電介質(zhì)進(jìn)入極板間當(dāng)被測電介質(zhì)進(jìn)入極板間L L長度后，長度后，電容變化量與電介質(zhì)移動量電容變化量與電介質(zhì)移動量L L呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系 靈敏度為：靈敏度為：三、變介電常數(shù)型電容傳感器三、變介電常數(shù)型電容傳感器 1. 1.板式結(jié)構(gòu)板式結(jié)構(gòu)20020000(1)rrLLCCCCLLKLLL壓力檢測壓力檢測87000000222221111122()22()2()lnlnlnlnlnxxxxhh hhhhCCrrrrrrrrrr 00212lnhCrr初始電容(無液體時) :液位高度為hx時，電容為： 液位傳感器的

57、電容變化量液位傳感器的電容變化量C與液面高度與液面高度hx呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系 液位傳感器h2r12r2hx空氣介電常數(shù)為 液體介電常數(shù)為02.2.圓筒式結(jié)構(gòu)圓筒式結(jié)構(gòu) 壓力檢測壓力檢測883.5.2 3.5.2 測量電路測量電路1. 1.橋式電路橋式電路壓力檢測壓力檢測892. 2. 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。生變化。 調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測

58、量高至量高至0.01m0.01m級位移變化量。信號的輸出頻率易于用級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，可數(shù)字儀器測量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送、接收，以達(dá)到遙測遙控的目的。但頻率受溫以發(fā)送、接收，以達(dá)到遙測遙控的目的。但頻率受溫度和電纜電容影響較大，需采取穩(wěn)頻措施。度和電纜電容影響較大，需采取穩(wěn)頻措施。壓力檢測壓力檢測903.運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器cbICiUiIcxICxoUA 將電容式傳感器接入運(yùn)算放大器電路中，作為電路的反饋將電容式傳感器接入運(yùn)算放大器電路中，作為電路的反饋元件而構(gòu)成測量電路。元件而構(gòu)成測量電路。由運(yùn)算放大器工作原理可

59、得由運(yùn)算放大器工作原理可得ixxoUCCCjCjU/1/1測量條件：測量條件： 要求輸入阻抗要求輸入阻抗Zi及放大倍數(shù)及放大倍數(shù)A足夠大。足夠大。 為保證儀器精度，還要求電源電壓為保證儀器精度，還要求電源電壓Ui的幅值和固定電容的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。值穩(wěn)定。壓力檢測壓力檢測913.5.3 3.5.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器不但應(yīng)用于壓力、差壓力、液壓、料位、成分含量的測量，不但應(yīng)用于壓力、差壓力、液壓、料位、成分含量的測量，也應(yīng)用于位移、振動、加速度、荷重的測量。也應(yīng)用于位移、振動、加速度、荷重的測量。一、電容差壓傳感器一、電容差壓傳感器一個膜片動電極和兩個在凹形

60、玻璃上電一個膜片動電極和兩個在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動電容器。鍍成的固定電極組成的差動電容器。 當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片使之產(chǎn)當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片使之產(chǎn)生位移時生位移時, , 形成的兩個電容器的電容量形成的兩個電容器的電容量一個增大一個減小。電容值的變化經(jīng)測一個增大一個減小。電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電壓的變化。電流或電壓的變化。 壓力檢測壓力檢測92特點(diǎn)：特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、 響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快( (約約100ms)100ms) 能測微小壓差能測微小壓差(0 (00.75Pa