第三章壓力檢測

第三章壓力檢測第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.1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（2）標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（3）約定毫米汞柱（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3.1.1所示。第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.1壓力的概念及單位3、壓力的分類1.絕對壓力2.環(huán)境大氣壓力3.表壓力4.真空度5.差壓

上述各種壓力的相互關(guān)系見圖。

第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.2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，稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。

設(shè)有一根長度為L，截面積為S，電阻率為ρ的電阻絲，未受力時的電阻值為：受力后：

第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.2應(yīng)變式壓力計3.2.2電阻應(yīng)變片1、金屬電阻應(yīng)變片

金屬電阻應(yīng)變片分為金屬絲式和箔式，圖所示為金屬絲式和金屬箔式電阻應(yīng)變片。常用的電阻應(yīng)變絲的材料是康銅絲和鎳鉻合絲，用薄紙作為基底的應(yīng)變片稱為紙基應(yīng)變片；用有機聚合物作為基底的應(yīng)變片稱為膠基應(yīng)變片。

第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.2應(yīng)變式壓力計電阻應(yīng)變片1、應(yīng)變絲2、基底3、引線4、金屬膜引線第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.2應(yīng)變式壓力計2、半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)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(dǎo)體壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)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=σ/ε，上式又可寫為

為提高靈敏度半導(dǎo)體應(yīng)變片還有制成柵形的。

第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.2應(yīng)變式壓力計3.2.3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。

第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.2應(yīng)變式壓力計3.2.4

轉(zhuǎn)換電路當(dāng)RL=∞時，電橋輸出電壓為：單臂電橋輸出電壓和電壓靈敏度為

雙臂電橋電路，一般接成差動電橋。其輸出電壓為電橋四臂同時接入工作應(yīng)變片，則構(gòu)成全橋電路。其輸出電壓為

第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.2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。

第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.2應(yīng)變式壓力計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

圖(b)是膜片一個截面示意圖

第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.3薄膜應(yīng)變片

薄膜應(yīng)變片是用濺射或蒸發(fā)的方法將半導(dǎo)體或金屬敏感材料鍍在彈性基片上的。

3.3.1薄膜應(yīng)變片原理

電阻為：

設(shè)其應(yīng)變?yōu)棣牛娮柘鄬ψ兓癁椋?/p>

對于半導(dǎo)體材料，上式可寫為：

第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.3

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(yù)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。

第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.4

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，人造的壓電陶瓷等。

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體切片

第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.4

壓電式壓力傳感器當(dāng)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：

第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.4

壓電式壓力傳感器電荷的極性見圖

第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.4

壓電式壓力傳感器2、壓電效應(yīng)的物理解釋如圖所示。

第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.4

壓電式壓力傳感器3.4.2壓電材料1、壓電晶體（1）石英晶體（2）水溶性壓電晶體（3）鈮酸鋰晶體2、壓電陶瓷（1）鈦酸鋇壓電陶瓷2）鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（3）鈮酸鹽系壓電陶瓷（4）鈮鎂酸鉛壓電陶瓷3、壓電半導(dǎo)體

第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.4

壓電式壓力傳感器3.4.3測量電路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Ca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。實際壓電傳感器輸出信號很微弱，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，另一個是阻抗變換。

第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.4

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。

第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.4

壓電式壓力傳感器2、電荷放大器

電荷放大器是有反饋電容的高增益運算放大器，它的輸入信號是壓電傳感器產(chǎn)生的電荷。當(dāng)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。第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.4

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

2、壓電式單向測力傳感器

第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.4

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第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.5電容式壓力傳感器

3.5.1電容式傳感器的工作原理

電容式傳感器有三種基本類型：變極距型、變面積型、變介電常數(shù)型。

1、變極距型電容傳感器第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.5電容式壓力傳感器

2、變面積型電容傳感器

3、變介電常數(shù)型電容傳感器

第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.5電容式壓力傳感器

3.5.2

差動電容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。

第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.5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：第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.5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L0非耦合情況下，輸出電壓為：

第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.5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。輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。

第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.5電容式壓力傳感器差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖如示第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.5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(dāng)被測量使電容變化時，振蕩頻率也相應(yīng)變化，故稱為調(diào)頻電路。圖所示為調(diào)頻電路原理圖

第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.5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)成的測量電路如圖所示。

以Cx=εS/d代入，可得：上式表明，輸出電壓與d是線性關(guān)系。第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.5電容式壓力傳感器3.5.4電容式壓力傳感器1、電容式差壓傳感器2、變面積式壓力傳感器3、荷重傳感器

第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.6

霍爾式壓力計

3.6.1霍爾效應(yīng)霍爾元件的特性常用靈敏度KH表示，即此時

第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.6

霍爾式壓力計3.6.2霍爾式壓力計工作原理

第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.6

霍爾式壓力計3.6.3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。第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.6

霍爾式壓力計幾種補償電路

第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.6

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。第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.6

霍爾式壓力計3.6.4霍爾式壓力計

第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.7

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)。圖是一個比較簡單稱重系統(tǒng)框圖。

第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.7

電子稱3.7.2稱重傳感器原理圖是振弦式稱重傳感器的工作原理圖。第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.7

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第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.8集成壓敏傳感器3.8.1硅電容式集成傳感器1、硅敏感電容器的工作原理

2、硅敏感電容器的測量電路第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.8集成壓敏傳感器第44頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三3.8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