第三章 壓力檢測1

3壓力測量壓力概述(物理學的壓強)

為均勻而垂直作用于單位面積上的力。表達式為壓力的單位：1N的力垂直均勻地作用在一平方米面積上，所形成的壓力為一個“帕斯卡”，Pa.非法定計量單位：工程大氣壓；標準大氣壓；約定毫米汞柱；約定毫米水柱。

P=F/A傳感器原理及應用幾種不同表示方法(1)絕對壓力作用于物體表面積上的全部壓力,(2)大氣壓力

空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力,(3)表壓力（相對壓力）絕對壓力與大氣壓力之差,當絕對壓力小于大氣壓力,則表壓力為負壓,稱為真空度。用一般的壓力表監(jiān)視生產(chǎn)過程時，只需注意容器或設(shè)備內(nèi)外壓力之差，即相對壓力，是以環(huán)境大氣壓為參考點得到的差值。

傳感器原理及應用(4)差壓任意兩個壓力之差稱為差壓。測量壓力的傳感器有,應變式、電容式、差動變壓器、霍爾、壓電等。

傳感器原理及應用應變式力傳感器

FFFF各種懸臂梁

FF固定點固定點電纜應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置FR1R2R4應變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF

荷重傳感器上的應變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。

汽車衡電子秤

磅秤超市打印秤遠距離顯示吊鉤秤

便攜式彈性敏感元件一、概念變形:物體因外力作用改變原來的尺寸、形狀.彈性形變:外力去掉后完全恢復原來的尺寸、形狀的變形。傳感器原理及應用

彈性元件:具有彈性形變特點的元件.當彈性敏感元件受拉(壓)力時，元件除了產(chǎn)生變形外，其內(nèi)部橫截面之間還存在相互的作用力，內(nèi)力(N),單位:牛頓.

應力:單位橫截面積S(單位為mm2)上所受的力，記為σ.應變式壓力計：

電阻應變效應：導體或半導體材料在外力作用下產(chǎn)生機械變形，其電阻值將發(fā)生變化。電阻絲的靈敏度系數(shù)：單位應變引起的電阻相對變化3.2.2電阻應變片圖3.2.2電阻應變片1—敏感元件2、4—基底3—引線應變片組成應變片結(jié)構(gòu)2.半導體電阻應變片半導體壓阻效應：對半導體施加應力時，其電阻率產(chǎn)生變化，半導體電阻率隨應力變化的關(guān)系叫半導體壓阻效應。半導體應變電阻由受應力后幾何尺寸變化引起的電阻變化和電阻率變化引起的電阻變化兩部分組成。電阻率引起的電阻變化占主要。彈性模數(shù)故電阻應變片的粘貼1.粘結(jié)劑的粘結(jié)力要強，迅速將被測試件的應變傳到敏感柵。2.粘貼工藝包括測試試件表面處理，貼片位置確定，引線的焊接固定，防護與屏蔽。3.2.3溫度補償二、溫度誤差及其補償1.溫度誤差環(huán)境溫度改變引起電阻變化的主要因素有兩方面：（1）應變片電阻絲的溫度系數(shù)；（2）電阻絲材料與試件材料的線膨脹系數(shù)不同。

由溫度變化引起總電阻相對變化：溫度變化引起敏感柵電阻的相對變化線膨脹系數(shù)不同引起的變形使電阻有相對變化電橋電路的溫度補償

環(huán)境溫度變化時會引起應變片的電阻變化，對測量造成誤差,進行溫度補償消除這種誤差。

常用的溫度補償方法是電橋補償法。圖3.2.4溫度補償措施3.2.4轉(zhuǎn)換電路用電橋電路實現(xiàn)電阻相對變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號，以便用電測儀表進行測量。當時，直流電橋平衡條件圖3.2.5直流電橋負載RL=∞,電橋輸出電壓為橋臂比n=R2/R1,考慮電橋平衡條件，略去分母中的△R1/R1,得

靈敏度

靈敏度系數(shù)單臂工作電橋:

R1為應變片，其余各臂為固定電阻。當電源電壓U及應變片電阻相對變化一定時，電橋的輸出電壓和電壓靈敏度與各橋臂的阻值無關(guān)。半橋雙臂工作方式:Rl、R2為應變片，R3、R4為固定電阻。（一拉一壓）Rl=R2,△Rl=△R2,R3=R4,差動雙臂工作電橋輸出電壓：兩片都受壓或受拉，并使△Rl=△R4如圖3.2.7（b），得到同樣輸出電壓。圖3.2.7雙臂電橋傳感器原理及應用全橋四臂工作方式:全橋四臂都為應變片，輸出電壓：圖3.2.8全橋電路可見，全橋電壓靈敏度比單臂橋提高四倍，全橋和相鄰臂工作的半橋電路不僅靈敏度高，而且當負載電阻為無窮大時，沒有非線性誤差，同時還起到溫度補償作用。一、膜式應變傳感器對于邊緣固定的圓形膜片，徑向應變，切向應變，分別為R,h-----平膜片工作部分半徑和厚度；E，----膜片的彈性模量和材料泊松比；x-------任意點離圓心的徑向距離。x=0,,都達到正的最大值在膜的邊膜x=R處，=0，最小，測量應變片沿圓周方向粘貼，補償應變片沿軸向粘貼。結(jié)構(gòu)特點：當被測介質(zhì)溫度波動時應變片受到的影響小些。由于應變片內(nèi)外都不與被測介質(zhì)接觸，便于冷卻介質(zhì)（水或風）的流通。二、測力計式應變傳感器擴散硅型壓力傳感器是把半導體應變膜直接擴散在單晶體基底上，這個單晶片既有測量功能，也有彈性元件作用。三、擴散硅型壓力傳感器應變式力傳感器3.3.1壓電效應

壓電效應:電介質(zhì),當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r,其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象,在它的兩個表面便產(chǎn)生符號相反的電荷,當外力去掉后,其又重新恢復到不帶電狀態(tài).傳感器原理及應用3.3壓電式壓力傳感器石英晶體

石英晶體化學式為SiO2,是單晶體結(jié)構(gòu)。是一個正六面體?？v向軸z稱為光軸,經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x軸稱為電軸,機械軸:與x和z軸同時垂直的軸y。傳感器原理及應用第6章壓電式傳感器（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝外形結(jié)構(gòu)傳感器原理及應用第6章壓電式傳感器

縱向壓電效應:沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應.

橫向壓電效應:沿機械軸y方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應.沿光軸z方向受力時不產(chǎn)生壓電效應。

傳感器原理及應用第6章壓電式傳感器在電軸方向施加作用力,與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷,

qx=d11fx沿機械軸y方向施加作用力fy,與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷

qy=d12*a/b*fy

d12——y軸方向受力的壓電系數(shù),d12=-d11;a、b——晶體切片長度和厚度.傳感器原理及應用第6章壓電式傳感器二、壓電效應的物理解釋

當石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時,晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形,正負離子的相對位置隨之變動。此時正負電荷重心不再重合,在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷.

當晶體受到沿y軸方向的壓力作用時,在x軸上出現(xiàn)電荷,極性為x軸正向為負電荷。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。

沿z軸方向施加作用力,晶體不會產(chǎn)生壓電效應。作用力fx、fy的方向相反時,電荷的極性也隨之改變。

正壓電效應:作用力方向改變時,電荷的極性也隨之改變。機械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象。

逆壓電效應:在電介質(zhì)極化方向施加電場,電介質(zhì)會產(chǎn)生變形的現(xiàn)象。

利用這種效應可制作電能與機械能互換的驅(qū)動器，在便攜式電話、噴墨打印機以及尖端技術(shù)的掃描隧道顯微鏡等方面得到了廣泛應用。

具有壓電效應的材料稱為壓電材料,壓電材料能實現(xiàn)機—電能量的相互轉(zhuǎn)換.壓電元件機械能電能傳感器原理及應用第6章壓電式傳感器

三大類:壓電晶體、壓電陶瓷和壓電半導體。壓電材料的主要特性參數(shù):（1）壓電常數(shù)直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。（2）彈性常數(shù)決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。（3）介電常數(shù)電容器極板間充滿電介質(zhì)時,電容增大的倍數(shù)固有電容與介電常數(shù)有關(guān);固有電容又

影響著壓電傳感器的頻率下限。(4）居里點壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。

傳感器原理及應用第6章壓電式傳感器3.3.2壓電材料一、壓電晶體1.石英晶體幾百度溫度范圍內(nèi)，壓電系數(shù)不隨溫度改變，575℃時，完全失去壓電性質(zhì)，575℃為它的居里點。有很大機械強度，沖擊力作用下漂移小，靈敏度低。主要用來測量大量值的力或用于準確度、穩(wěn)定性要求高的場合和制作標準傳感器。2.水溶性壓電晶體最早發(fā)現(xiàn)的是酒石酸鉀鈉，有很大的壓電靈敏度和高的介電常數(shù)，但它易于受潮，機械強度低，電阻率也低只限于在室溫和濕度低的環(huán)境下應用。3.鈮酸鋰晶體單晶體，是一種壓電性能良好的電聲換能材料，居里溫度1200℃，在耐高溫傳感器上有廣泛應用。機械強度低，很脆弱，熱沖擊力差，小心使用。二

壓電陶瓷人工制備的壓電材料，需經(jīng)外加電場極化處理后才具有很強的壓電效應。1.鈦酸鋇壓電陶瓷具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，居里點低。2.鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷3.鈮酸鹽系壓電陶瓷在水聲傳感器方面受到重視，性能比較穩(wěn)定，適用于壓電陶瓷外形

高分子壓電薄膜及拉制

可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板

壓電式腳踏報警器

三、壓電半導體既有壓電特性又有半導體特性。硫化鋅、碲化鎘、氧化鋅、硫化鎘測量電路

需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器:放大傳感器輸出的微弱信號；把傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?。前置放大器?電壓放大器和電荷放大器。電壓放大器（阻抗變換器）

輸出電壓與輸入電壓成正比

電阻R=RaRi/(Ra+Ri),電容C=Ca+Cc+Ci,U=q/Ca,若壓電元件受正弦力f=Fmsinωt的作用,其電壓為(Q=d*F)Ua=傳感器原理及應用第6章壓電式傳感器放大器輸入端電壓Ui為的幅值為傳感器原理及應用第6章壓電式傳感器

輸入電壓和作用力之間相位差為

理想情況下輸入電壓幅值Uim為傳感器原理及應用第6章壓電式傳感器

電壓靈敏度：wR>>12.電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路,由一個反饋電容Cf和高增益運算放大器構(gòu)成,當略去Ra和Ri并聯(lián)電阻后,電荷放大器可用圖所示等效電路.傳感器原理及應用第6章壓電式傳感器傳感器原理及應用第6章壓電式傳感器圖3.3.6電荷放大器原理圖其輸出電壓Uo為Uo≈UCf=

求出電荷放大器的輸出電壓傳感器原理及應用第6章壓電式傳感器

通常A=104～106,若滿足（1-A）Cf>>Ca+Ｃc+Ci時,可表示為Uo≈電荷放大器的輸出電壓Uo與電纜電容Cc無關(guān),與q成正比,這是電荷放大器的最大特點。傳感器原理及應用第6章壓電式傳感器3.3.4壓電傳感器及其特點

壓電元件的變形方式以利用縱向壓電效應的厚度變形最方便,壓電材料的選擇取決于被測力的大小,測量精度和工作環(huán)境等.壓電傳感器的應用

一、高分子壓電材料的應用

1.玻璃打碎報警裝置將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。粘貼位置壓電傳感器只能應用于動態(tài)測量

由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時，靈敏度下降）。

2．壓電式周界報警系統(tǒng)

（用于重要位置出入口、周界安全防護等）

將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風或聽音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測人的步行,對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統(tǒng)分辨出來。右圖為測量系統(tǒng)的輸出波形。3.交通監(jiān)測

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費站地磅、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）及機場滑行道等。高分子壓電電纜的應用

將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲在計算機內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。

壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應用壓電式步態(tài)分析跑臺壓電式縱跳訓練分析裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力一壓電式三維測力傳感器同時測量三個互相垂直的力分量二壓電式單相測力傳感器三壓電式測量均勻壓力傳感器四消除振動加速度影響的壓電傳感器壓電式傳感器具有體積小，重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量頻率范圍寬等優(yōu)點。合理的設(shè)計能使它具有較強的抗干擾能力，是一種應用廣泛的測力傳感器，但不能測頻率太低的被測量，多用來測加速度或動態(tài)力或壓力。電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器3.5電容式傳感器3.4電容式壓力傳感器3.4.1電容傳感器工作原理和類型

電容式傳感器是將被測非電量變化成電容量的變化，

電容器C可以通過改變

S—面積，稱變面積型傳感器

—距離，稱變極距型傳感器

—介質(zhì)，稱變介質(zhì)型傳感器

電容傳感器工作原理和類型

變極距型傳感器當可動極板因被測量變化向上移動△d時，電容量增量變面積型傳感器與變極距型比較，它們的測量范圍大，可測較大的線位移和角位移。圓柱形電容器的電容量為對于單邊圓柱形線位移，可動極2位移△l時，電容變量

變介質(zhì)型傳感器多用來測量電介質(zhì)的厚度、位移，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。3.4.2差分電容傳感器輸出電容：圖a:圖b:圖3.4.4差動電容傳感器原理框圖3.4.3測量電路將電容量轉(zhuǎn)換成電壓或電流的電路。種類很多，常用的有電橋電路、調(diào)頻電路、脈沖調(diào)寬電路和運算放大器電路。一、橋式電路圖3.4.5電容傳感器的橋式電路電橋平衡時，Cx改變時，有電壓輸出，這種電路常用于液位檢測儀。圖3.4.5（b）,接有差動電容傳感器，空載輸出電壓為U----工作電壓；C0----電容傳感器平衡狀態(tài)的電容值由緊耦合電橋理論得此狀態(tài)下輸出電壓：兩L0非耦合情況下，輸出電壓：二、緊耦合電橋電路圖3.4.6緊耦合電橋電路將電橋靈敏度隨w2LC變化曲線繪在同一坐標系中如圖3.4.7，曲線1是緊耦合電橋，曲線2是非耦合電橋。圖3.4.7差動電容傳感器電橋靈敏度曲線也稱脈沖調(diào)制電路，是利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨電容式傳感器的電容量變化而變化，然后通過低通濾波器就能得到對應被測量變化的直流信號。三、差動脈沖調(diào)寬電路圖3.4.8差動脈沖調(diào)寬電路原理圖直流輸出電壓：電容的充電時間：設(shè)R1=R2=R，得圖3.4.9差動脈沖調(diào)寬電路電壓波形調(diào)頻電路靈敏度較高、易于得到數(shù)字輸出、可獲得高電平的直流信號、抗干擾能力強，可發(fā)送、接受實現(xiàn)遙控遙測；但其頻率受溫度和電纜電容影響較大，要采取穩(wěn)頻措施。四、調(diào)頻電路振蕩器的頻率受電容傳感器的電容限制圖3.4.10調(diào)頻電路原理圖在開環(huán)放大倍數(shù)為A和輸入阻抗較大的情況下，五、運算放大器圖3.5.11運算放大器原理圖工作過程；特點：靈敏度高、線性好，減少了由于介