第3章 壓力檢測(cè)

1、壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)1第第3章章 壓力檢測(cè)壓力檢測(cè) 測(cè)量上所稱(chēng)的壓力就是物理學(xué)中的壓強(qiáng)，它是反映物測(cè)量上所稱(chēng)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(gè)重要參數(shù)。質(zhì)狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)2常用的測(cè)量壓力的儀表按工作原理大致可分為四大類(lèi)：常用的測(cè)量壓力的儀表按工作原理大致可分為四大類(lèi)：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(cè)壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度。利用這種方法測(cè)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(cè)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(lái)對(duì)彈簧管壓力計(jì)

2、進(jìn)行校驗(yàn)和刻度。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)33.彈簧式壓力計(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(cè)壓力轉(zhuǎn)換成位移,利用這種方法測(cè)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(cè)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(cè)量。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)41. 1.電子稱(chēng)電子稱(chēng)原理原理將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)變形，再通過(guò)應(yīng)化為結(jié)構(gòu)變形，再通過(guò)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(cè)壓力檢測(cè)52. 2.橋梁固有頻率測(cè)量橋梁固有頻率測(cè)量橋梁固有頻率測(cè)量可用來(lái)判斷橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況，對(duì)重要橋梁通常每年進(jìn)行一橋梁固有頻率測(cè)量可用來(lái)判斷橋梁結(jié)構(gòu)安全

3、狀況，對(duì)重要橋梁通常每年進(jìn)行一次測(cè)量。當(dāng)橋梁固有頻率發(fā)生變化時(shí)，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)有變化，應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)的結(jié)次測(cè)量。當(dāng)橋梁固有頻率發(fā)生變化時(shí)，說(shuō)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(cè)壓力檢測(cè)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(chē)速監(jiān)測(cè)、收費(fèi)站地磅、將高分子壓電電纜埋在公路上，用于車(chē)速監(jiān)測(cè)、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車(chē)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(chē)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(chǎng)滑行道等。及機(jī)場(chǎng)滑行道等。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)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

4、若干米，平行埋設(shè)于柏油公路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的路面下約5cm5cm，可以用來(lái)測(cè)量車(chē)速及汽車(chē)的載重量，可以用來(lái)測(cè)量車(chē)速及汽車(chē)的載重量，并并可以獲取車(chē)型分類(lèi)信息（包括軸數(shù)、軸距等），并根據(jù)可以獲取車(chē)型分類(lèi)信息（包括軸數(shù)、軸距等），并根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車(chē)的車(chē)型。存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車(chē)的車(chē)型。 壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)8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(cè)量方法及應(yīng)用、誤差分析及補(bǔ)償?shù)?。工作原?/p>

5、、測(cè)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。主要參考書(shū)：主要參考書(shū)： 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(cè)壓力檢測(cè)93.1 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。它的大小由兩個(gè)因素它的大小由兩個(gè)因素 所決定，即垂直作用力和受力面積的大小，數(shù)學(xué)式表示為：所決定，即垂直作用力和受力面積的大小，數(shù)學(xué)式表示為：式中

6、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(guó)際單位制中定義壓力的單位國(guó)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(chēng)為稱(chēng)為牛頓牛頓/ /米米2 2（N/mN/m2 2），簡(jiǎn)稱(chēng)），簡(jiǎn)稱(chēng)“帕帕”，符號(hào)，符號(hào)“PaPa” 。一、壓力的概念一、壓力的概念壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)101.工程大氣壓工程大氣壓( kgf/cmkgf/cm2 2 ,符號(hào)符號(hào)atat ) ： 1kg力垂直作用在力垂直作用在1cm2面積上產(chǎn)

7、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(shí)的平均大氣壓力。時(shí)的平均大氣壓力。3.約定毫米汞柱約定毫米汞柱(mmHgmmHg) ： 0時(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(cè)壓力檢測(cè)11二、壓力的幾種表示形式二、壓力的幾種表示形式 壓力通?？杀硎緸閴毫νǔ？杀硎緸榻^對(duì)壓力絕對(duì)壓力、表壓表壓、負(fù)壓負(fù)壓(或真空度或

8、真空度)。 絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力: :相對(duì)于絕對(duì)真空所測(cè)得的相對(duì)于絕對(duì)真空所測(cè)得的壓力。壓力。 表表壓力（表壓）壓力（表壓）: :相對(duì)于大氣壓力的差壓相對(duì)于大氣壓力的差壓, ,絕對(duì)壓力和大氣絕對(duì)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)為表壓力之間的差壓。工業(yè)上所用壓力指示值多數(shù)為表壓。壓。 負(fù)壓負(fù)壓: :低于大氣壓力時(shí)的表壓，簡(jiǎn)稱(chēng)負(fù)壓，又稱(chēng)真空度。低于大氣壓力時(shí)的表壓，簡(jiǎn)稱(chēng)負(fù)壓，又稱(chēng)真空度。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)12三三、電氣電氣式式壓力傳感器的類(lèi)別壓力傳感器的類(lèi)別 應(yīng)變式應(yīng)變式 壓電式壓電式 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(cè)壓力檢測(cè)13 應(yīng)

9、變：應(yīng)變：物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。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)變電阻應(yīng)變片片。 它是將電阻應(yīng)變片粘貼在測(cè)量壓力的彈性元件表面上，當(dāng)它是將電阻應(yīng)變片粘貼在測(cè)量壓力的彈性元件表面上，當(dāng)被測(cè)壓力變化時(shí)，彈性元件內(nèi)部應(yīng)力變化產(chǎn)生變形，這個(gè)被測(cè)壓力變化時(shí)，彈性元件內(nèi)部應(yīng)力變化產(chǎn)生變形，這個(gè)變形應(yīng)力使應(yīng)變片的電阻值產(chǎn)生變化，根據(jù)所測(cè)電阻變化變形應(yīng)力使應(yīng)變片的電阻值產(chǎn)生變化，根據(jù)所測(cè)電阻變化的

10、大小來(lái)測(cè)量未知壓力。的大小來(lái)測(cè)量未知壓力。 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(cè)量。的測(cè)量。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)143.2.1 3.2.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng) 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(shí)，其電阻值發(fā)生的變化，稱(chēng)為電阻應(yīng)變效應(yīng)。械形變時(shí)，其電阻值發(fā)生的變化，稱(chēng)為電阻應(yīng)變效應(yīng)。 原理分析：原理分析： 未受力時(shí)未受力時(shí): :設(shè)有一根長(zhǎng)度為設(shè)有一根長(zhǎng)度為L(zhǎng) 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，電阻值為：電阻絲

11、，電阻值為： 壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)15 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(zhǎng)變形生伸長(zhǎng)變形LL，由于長(zhǎng)度，由于長(zhǎng)度L L變長(zhǎng)，電阻絲截面積變長(zhǎng)，電阻絲截面積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(cè)壓力檢測(cè)16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

12、）、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。應(yīng)變電阻材料應(yīng)滿(mǎn)足要求：應(yīng)變電阻材料應(yīng)滿(mǎn)足要求：壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)173.2.2 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)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。構(gòu)成。分類(lèi)分類(lèi): :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。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)18 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

13、護(hù)片和或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和 引出線(xiàn)等部分組成。引出線(xiàn)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(jiàn)形式：金屬絲式、箔式、薄膜式等。絲式應(yīng)變片是最早常見(jiàn)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(cè)壓力檢測(cè)19二、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片二、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片 1、P型單晶硅條型單晶硅條 2、內(nèi)引線(xiàn)、內(nèi)引線(xiàn)3、焊接電極、焊接電極 4、引線(xiàn)、引線(xiàn) 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(duì)半導(dǎo)體施加壓力時(shí)，其：對(duì)半導(dǎo)體施加壓力時(shí)，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(cè)壓力檢測(cè)20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

14、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(cè)量靜態(tài)應(yīng)變、低頻應(yīng)變等。機(jī)械滯后小，可測(cè)量靜態(tài)應(yīng)變、低頻應(yīng)變等。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 非線(xiàn)性嚴(yán)重。非線(xiàn)性嚴(yán)重。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)213.2.3.2.3 3 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路應(yīng)變片應(yīng)變片R R1 1將被測(cè)試件的應(yīng)變將被測(cè)試件的應(yīng)變 轉(zhuǎn)換成電阻的相對(duì)變化轉(zhuǎn)換成電阻的相對(duì)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(hào)才能用電測(cè)儀表測(cè)量。還需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)才能用電測(cè)儀表測(cè)量。常識(shí)：常識(shí)：電阻應(yīng)變片工作時(shí)電阻應(yīng)變片工作時(shí), , 其電阻變化很微小。其電

15、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(lái)直接不能用來(lái)直接驅(qū)動(dòng)指示儀表驅(qū)動(dòng)指示儀表, , 故需要對(duì)其放大。一般故需要對(duì)其放大。一般放大器的放大器的輸入阻抗要比測(cè)量電橋的內(nèi)阻輸入阻抗要比測(cè)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(kāi)路狀態(tài)。，可認(rèn)為電橋輸出端處于開(kāi)路狀態(tài)。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)22由圖中可知：由圖中可知：142303412()()abR RR RUUURRRR電橋平衡時(shí)電橋平衡時(shí)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(cè)壓力檢測(cè)23 設(shè)設(shè)R1為電橋工作臂為電橋工作臂, R2、R3 、R4均為

16、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(shí)電橋平衡，此時(shí)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(cè)壓力檢測(cè)24 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：12RR3412RRRR11RR0211(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(cè)壓力檢測(cè)2

17、50021111110(1)uUUUnKURRRnRRRKu稱(chēng)為電橋的電壓靈敏度。稱(chēng)為電橋的電壓靈敏度。應(yīng)變片電阻相對(duì)變化率一定時(shí)，應(yīng)變片電阻相對(duì)變化率一定時(shí)， 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(cè)壓力檢測(cè)26當(dāng)當(dāng)n=1n=1時(shí)，電橋電壓靈敏度最高。單臂工作電橋輸出電壓和時(shí)，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(shí)由單臂工作時(shí)由 可知：可

18、知：當(dāng)電源電壓及電阻相對(duì)變化率一定時(shí)，電橋的輸出電壓當(dāng)電源電壓及電阻相對(duì)變化率一定時(shí)，電橋的輸出電壓和和靈敏度與各橋臂阻值的大小無(wú)關(guān)。靈敏度與各橋臂阻值的大小無(wú)關(guān)。1021(1)nRUUnR結(jié)論壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)27由于使用單臂工作時(shí)，系統(tǒng)存在非線(xiàn)性誤差由于使用單臂工作時(shí)，系統(tǒng)存在非線(xiàn)性誤差和和溫度誤差，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(dòng)電路UR1+R1R2-R2 在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉力，一個(gè)受壓力，接入一個(gè)受拉力，一個(gè)受壓力，接入電橋相鄰橋臂，稱(chēng)為半橋電路，電橋相鄰橋臂，稱(chēng)為半橋電路，該電橋輸

19、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(cè)壓力檢測(cè)289U若若R1=R2, R1=R2, R3=R4, R1=R2, R1=R2, R3=R4, 又稱(chēng)為又稱(chēng)為差分電橋差分電橋，輸出電壓輸出電壓和靈敏度為：和靈敏度為：112oRUUR2UUK11RR差分差分電橋電橋U U0 0與與 呈線(xiàn)性關(guān)系，差分電橋沒(méi)有非線(xiàn)性誤差。呈線(xiàn)性關(guān)系，差分電橋沒(méi)有非線(xiàn)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(shí)提高一倍。，比單臂工作時(shí)提高一倍。同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償。同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償。結(jié)論壓力

20、檢測(cè)壓力檢測(cè)293.3.全橋電路全橋電路 在試件上安裝四個(gè)工作應(yīng)變片，兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受在試件上安裝四個(gè)工作應(yīng)變片，兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上，構(gòu)成全橋壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。差動(dòng)電路。9全橋差動(dòng)電路R1+R1R2-R2R4+R4R3-R3U壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)30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(dòng)電路不僅沒(méi)有非線(xiàn)性誤差，且電壓靈敏度是單臂全橋差動(dòng)電路不僅沒(méi)有非線(xiàn)性誤差，且電壓靈

21、敏度是單臂測(cè)量時(shí)的測(cè)量時(shí)的4 4倍。同時(shí)也具有溫度補(bǔ)償作用。倍。同時(shí)也具有溫度補(bǔ)償作用。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)31一、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的粘結(jié)工藝。1.1.對(duì)粘合劑要求對(duì)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

22、有足夠的穩(wěn)定性能。具有足夠的穩(wěn)定性能。 (7) (7) 對(duì)彈性元件和應(yīng)變片不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用。對(duì)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?chǔ)存期。有適當(dāng)?shù)膬?chǔ)存期。 (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)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)32二、溫度誤差及其補(bǔ)償二、溫度誤差及其補(bǔ)償1tRtR 問(wèn)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(xiàn)膨脹系數(shù)不一致，試件材料與應(yīng)變絲材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)不一致，使應(yīng)變絲產(chǎn)生使

23、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(cè)壓力檢測(cè)331. 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(shí)，對(duì)輸出沒(méi)有影響，即輸出電壓與溫度無(wú)關(guān)。等量變化時(shí)，對(duì)輸出沒(méi)有影響，即輸出電壓與溫度無(wú)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(cè)壓力檢測(cè)34工作片、補(bǔ)償片貼在同一試件上，兩者感受的應(yīng)

24、變符號(hào)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(hào)相反。 兩個(gè)電阻變化值相同而符號(hào)相反兩個(gè)電阻變化值相同而符號(hào)相反（2 2）對(duì)稱(chēng)粘貼應(yīng)變片法）對(duì)稱(chēng)粘貼應(yīng)變片法（2）對(duì)稱(chēng)粘貼應(yīng)變片法壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)353.3 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

25、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(cè)壓力檢測(cè)36 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(shí)，加大鎢以上時(shí)，加大鎢絲的加熱電流，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(cè)壓力檢測(cè)37 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

26、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(kāi)靶面，濺射物的原子離開(kāi)靶面，淀積到陽(yáng)極工作臺(tái)上的基淀積到陽(yáng)極工作臺(tái)上的基片上，形成薄膜。片上，形成薄膜。31254761靶靶 2陰極陰極 3直流高壓直流高壓4陽(yáng)極陽(yáng)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(cè)壓力檢測(cè)38 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，

27、從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)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(cè)量。3.4 3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器測(cè)量對(duì)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(cè)量最終能變換為力，能測(cè)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)、石油勘探、聲波測(cè)井、電聲學(xué)等。工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測(cè)井、電聲學(xué)等。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)391.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(cè)壓力檢測(cè)402.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(cè)壓力檢測(cè)41 正壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿著某些電

28、介質(zhì)在沿著一定方向一定方向受到壓力或拉力作用時(shí)發(fā)生形變，并且在受到壓力或拉力作用時(shí)發(fā)生形變，并且在其其一定表面一定表面會(huì)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(huì)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(shí)，電荷極性也隨著改變。的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。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(chǎng)，這些電

29、介質(zhì)就在施加電場(chǎng)，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(chǎng)撤去時(shí)，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(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。分類(lèi)：分類(lèi)：正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)42一、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 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(cè)壓力檢測(cè)43光軸（光軸（Z Z軸）：軸）：縱縱向軸，光沿該方向通

30、過(guò)沒(méi)有雙折射現(xiàn)象。光學(xué)方法確定。向軸，光沿該方向通過(guò)沒(méi)有雙折射現(xiàn)象。光學(xué)方法確定。 沒(méi)有壓電效應(yīng)沒(méi)有壓電效應(yīng)石英晶體的三個(gè)晶軸zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)電軸（電軸（X X軸）：軸）：經(jīng)過(guò)正六面體棱線(xiàn)且垂直于光軸，經(jīng)過(guò)正六面體棱線(xiàn)且垂直于光軸，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)：縱向壓電效應(yīng)：沿電軸沿電軸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)：橫向壓電效應(yīng)：沿機(jī)械軸沿機(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

31、（Y Y軸）：軸）：與與x x軸和軸和z z軸同時(shí)垂直，軸同時(shí)垂直， 在電場(chǎng)作用下，該軸方向的在電場(chǎng)作用下，該軸方向的機(jī)械形變機(jī)械形變最明顯。最明顯。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)441.1. X X軸方向受力軸方向受力 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(shí)，產(chǎn)生的電荷軸方向受力時(shí)，產(chǎn)生的電荷QxQx與作用力與作用力FxFx成正比，符號(hào)由成正比，符號(hào)由FxFx是壓力還是拉力決定，與晶體的尺寸無(wú)關(guān)。是壓力還是拉力決定，與晶體的尺寸無(wú)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）在在X X軸方向施加軸方向施加壓力壓力時(shí)，在時(shí)，在垂直

32、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改為改為拉力拉力，出現(xiàn)出現(xiàn)電荷極性相反，見(jiàn)圖電荷極性相反，見(jiàn)圖( (a a) )、( (b b) )。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)452.2. 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(shí)，產(chǎn)生的電荷軸方向受力時(shí)，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(hào)與與晶體的尺寸有關(guān)。符號(hào)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

33、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(zhǎng)度，厚度晶體切片的長(zhǎng)度，厚度若若在同一晶片上作用力是沿著機(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(jiàn)圖（垂直平面上出現(xiàn)，極性見(jiàn)圖（c c）、（）、（d d）。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)463. 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(cè)壓力

34、檢測(cè)472 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()0yppp123()0zppp壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)483 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(cè)壓力檢測(cè)49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

35、材料壓電材料一、常用壓電材料分類(lèi)一、常用壓電材料分類(lèi) 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(cè)壓力檢測(cè)50二、常用壓電材料特點(diǎn)二、常用壓電材料特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)性能非常穩(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

36、多.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(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化。兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)51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(shí)，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(shí)，根據(jù)

37、不同使用要求正確地選擇石英片的切型。切型。適用場(chǎng)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。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)522. 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(chǎng)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(chǎng)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(cè)壓力檢測(cè)533. 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(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間

38、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(xiàn)路集成利于將元件和線(xiàn)路集成于一體。于一體。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)543.4.3 3.4.3 測(cè)量電路測(cè)量電路 壓電傳感器中的壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，在壓電傳感器中的壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷?？砂褖核膬蓚€(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。可把壓電傳感器看成一個(gè)電傳感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器靜電發(fā)生器，如圖，如圖( (a a) )。也可把它視為兩。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的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(

39、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(cè)壓力檢測(cè)55 因此，壓電傳感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(gè)電容器和一個(gè)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(gè)電容器和一個(gè)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(shí)，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，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(cè)壓力檢測(cè)56測(cè)量電路的等效電路壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗

40、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(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗前置放大器。它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)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(hào)放大傳感器輸出的微弱信號(hào); ;壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)57實(shí)際使用時(shí)還需考慮以下幾個(gè)方面：實(shí)際使用時(shí)還需考慮以下幾個(gè)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

41、i ，其等效電路如圖所示：，其等效電路如圖所示：壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)58因?yàn)閴弘妭鞲衅鞯妮敵隹梢允请妷盒盘?hào)，也可以是電荷信號(hào)，因?yàn)閴弘妭鞲衅鞯妮敵隹梢允请妷盒盘?hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也分為兩種形式：因此前置放大器也分為兩種形式：電壓放大器電壓放大器和和電荷放大器電荷放大器。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(cè)壓力檢測(cè)591. 1. 電壓放大器電壓放大器aiaiRRRRRciCCCaaqUC接電壓放大器的等效電路如下圖所示：接

42、電壓放大器的等效電路如下圖所示：壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)60 若壓電元件受正弦力若壓電元件受正弦力F=FF=Fm m sinsintt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)生的電壓為式中：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)。 sinsinmamaadFQUtUtCC壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)61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：2221mimaci

43、dFRURCCC靈敏度：靈敏度：221()()imUmaciUdKFCCCR壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)62 考慮到考慮到理想情況下，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值與前置放大器輸入電阻電阻R Ri i都為無(wú)限大都為無(wú)限大, ,又因?yàn)橛忠驗(yàn)閙amacidFUCCC結(jié)論2221mimacidFRURCCCimamUmmaciUUdKFFCCC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(cè)量回路時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于變化頻率與測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于1 1時(shí)，前置放大器的時(shí)，前置放大器的 輸入電壓和靈

44、敏度均與輸入電壓和靈敏度均與頻率頻率無(wú)關(guān)。無(wú)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(cè)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(cè)量誤差所以所以 ( (C Ca a+ +C Cc c+ +C Ci i) )R R1 1，可得可得理想情況下輸入電壓幅值理想情況下輸入電壓幅值U Uamam為為壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)63討論：理想狀態(tài)時(shí)討論：理想狀態(tài)時(shí)的的情況：情況：2221mimacidFRURCCCmamacidFUCCC即：即： 滿(mǎn)足什么條件時(shí)滿(mǎn)足什么條件時(shí)可以用可以用 來(lái)代替？來(lái)代替？ 壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)64 若若為測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)，且為測(cè)量回路的時(shí)間常

45、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(cè)壓力檢測(cè)65020/1 (/)imamUU 00901.00.51234Uim/Uam壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)66討論：討論： =0=0（所測(cè)量力為靜態(tài)量）：（所測(cè)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(cè)量靜態(tài)量。所以不能測(cè)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(wú)關(guān)。輸

46、入電壓與作用力頻率無(wú)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(shí)ofQUC 壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)72幾點(diǎn)幾點(diǎn)結(jié)論結(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C Cc c無(wú)關(guān)，且與無(wú)關(guān)，且與Q Q 成正比。成正比。 為得到必要的測(cè)量精度，要求反饋電容為得到必要的測(cè)量精度，要求反饋電容C Cf f的溫度和時(shí)間穩(wěn)的溫度和時(shí)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，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

47、的，范圍一般為100100104pF104pF。 輸出與電纜電容無(wú)關(guān)，電纜可更換并且電纜可長(zhǎng)達(dá)輸出與電纜電容無(wú)關(guān)，電纜可更換并且電纜可長(zhǎng)達(dá)1km1km。 可測(cè)可測(cè)準(zhǔn)靜態(tài)量準(zhǔn)靜態(tài)量：由于：由于=R Rf fC Cf f相當(dāng)大，可測(cè)低頻相當(dāng)大，可測(cè)低頻f=0.5Hzf=0.5Hz(1)ofQUAA C 壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)733.5 3.5 電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳感器：電容式傳感器：將被測(cè)量將被測(cè)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。壓差變送器壓差變送器 接近開(kāi)關(guān)接近開(kāi)關(guān) 三軸加速度傳感器三軸加速度傳感器 液位傳感器液

48、位傳感器 轉(zhuǎn)換元件：轉(zhuǎn)換元件：具有具有可變參數(shù)的電容器可變參數(shù)的電容器。 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：位移位移、振動(dòng)、角度、加速度以及壓力、差壓振動(dòng)、角度、加速度以及壓力、差壓、 液面（料位）、成份含量等方面的測(cè)量液面（料位）、成份含量等方面的測(cè)量。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)743.5.1 3.5.1 工作原理工作原理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(shí)，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(shí)，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(duì)介

49、電常數(shù)。相對(duì)介電常數(shù)。0rssCdd 工作原理：工作原理：改變改變S S、d d、 三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板電容的電三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板電容的電容量容量C C 改變。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類(lèi)型的改變。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類(lèi)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(cè)壓力檢測(cè)75一、變極距型電容傳感器一、變極距型電容傳感器000000C1 C=C11ssCddddddd00SCd初始電容初始電容當(dāng)下極板向上極板移動(dòng)，間距減小當(dāng)下極板向上極板移動(dòng)，間距減小d時(shí)，電容量時(shí)，電容量C為：為：1.板

50、式結(jié)構(gòu)板式結(jié)構(gòu)壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)760dd當(dāng)當(dāng) 10103 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 2020100pF100pF之間之間, , 極極板間板間距在距在2525200um200um范圍內(nèi)，而測(cè)量最大位移應(yīng)小于間范圍內(nèi)，而測(cè)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(cè)量測(cè)量。 d0越小越好？越小越好？思考?jí)毫z測(cè)壓力檢測(cè)792. 2.板式差動(dòng)結(jié)構(gòu)板式差動(dòng)結(jié)構(gòu) 差動(dòng)結(jié)構(gòu)的變間隙型電容傳感器采用兩差動(dòng)結(jié)構(gòu)的

51、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(dòng)極板。塊定極板，在二者之間放一塊動(dòng)極板。01010000C1C11ssCCddddddd02020000C1C11ssCCddddddd假設(shè)動(dòng)極板假設(shè)動(dòng)極板向上向上移動(dòng)了移動(dòng)了d，則有，則有動(dòng)極板動(dòng)極板壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)8001010000C1C11ssCCddddddd02020000C1C11ssCCddddddd電容總的變化量為：241200002C1 dddCCCddd電容的相對(duì)變化量為：002CCdd采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式既提高了靈敏度，又減小了非線(xiàn)性誤差。采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式既提高了靈敏度，又減小了非線(xiàn)性誤差。靈敏度： 0200C2K2Csd

52、dd壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)81二、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板狀板狀筒形筒形 角位移：角位移：極板極板2 2的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移 度度 時(shí)，兩極板的遮蓋面積時(shí)，兩極板的遮蓋面積ss電容量電容量。 板狀線(xiàn)位移：板狀線(xiàn)位移：極板極板2 2可以左右移動(dòng)。極板可以左右移動(dòng)。極板1 1固定不動(dòng)。固定不動(dòng)。 筒形：筒形：外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)821. 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(shí)， 當(dāng)動(dòng)

53、極板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度時(shí)，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(xiàn)性關(guān)系線(xiàn)性關(guān)系 靈敏度為靈敏度為 ：00 K CCSd0 CC 壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)83當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿著長(zhǎng)度方向當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿著長(zhǎng)度方向平移平移x x時(shí)，其電容量為：時(shí)，其電容量為：000b-b1 C1 CCddxxxxCdb CC0C K000axaxxCxC電容量電容量C C與直線(xiàn)位移與直線(xiàn)位移x呈線(xiàn)性關(guān)系，呈線(xiàn)性關(guān)系，其靈敏度為其靈敏度為 ： 2. 2.電容式電容式線(xiàn)位移線(xiàn)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(cè)壓力檢測(cè)84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

54、積型電容傳感器靈敏度為常數(shù)，輸出量與輸入量呈線(xiàn)性關(guān)系，適合于測(cè)量較大的直線(xiàn)位移和角位移。呈線(xiàn)性關(guān)系，適合于測(cè)量較大的直線(xiàn)位移和角位移。結(jié)論壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)851022120 00000000()rrrLLLLLCCCbCCCCCdLL 當(dāng)當(dāng)L=0L=0時(shí)，初始電容時(shí)，初始電容 ：010 000rL bCd 當(dāng)被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間當(dāng)被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間L L長(zhǎng)度后，長(zhǎng)度后，電容變化量與電介質(zhì)移動(dòng)量電容變化量與電介質(zhì)移動(dòng)量L L呈線(xiàn)性關(guān)系呈線(xiàn)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

55、壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)86000000222221111122()22()2()lnlnlnlnlnxxxxhh hhhhCCrrrrrrrrrr 00212lnhCrr初始電容(無(wú)液體時(shí)) :液位高度為hx時(shí)，電容為： 液位傳感器的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(xiàn)性關(guān)系呈線(xiàn)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(cè)壓力檢測(cè)873.5.2 3.5.2 測(cè)量電路測(cè)量電路1. 1.橋式電路橋式電路將將電容量轉(zhuǎn)換成電壓或電流的電路。常用的有電容量轉(zhuǎn)換成電壓或電流的電路。常用的有電橋電路、電橋電路、調(diào)頻電路，脈沖調(diào)

56、寬電路和運(yùn)算放大器式電路等。調(diào)頻電路，脈沖調(diào)寬電路和運(yùn)算放大器式電路等。相敏檢波器：能夠鑒別調(diào)制相敏檢波器：能夠鑒別調(diào)制信號(hào)相位信號(hào)相位 ，從而判別被測(cè)量變化的方向，從而判別被測(cè)量變化的方向，同時(shí)相敏檢波電路還具有選頻的能力，從而提高測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力。同時(shí)相敏檢波電路還具有選頻的能力，從而提高測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力。從電路結(jié)構(gòu)上看，除了所需從電路結(jié)構(gòu)上看，除了所需解調(diào)解調(diào)的的調(diào)幅調(diào)幅信信號(hào)外號(hào)外，還要輸入一個(gè)參考信號(hào)。，還要輸入一個(gè)參考信號(hào)。有了參考信號(hào)就可以用它來(lái)鑒別輸入信號(hào)的相位和頻率。有了參考信號(hào)就可以用它來(lái)鑒別輸入信號(hào)的相位和頻率。 壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)882. 2. 差分脈沖調(diào)寬電路差

57、分脈沖調(diào)寬電路 也稱(chēng)也稱(chēng)脈沖調(diào)制電路，利用對(duì)傳感器電容充、放電使電路脈沖調(diào)制電路，利用對(duì)傳感器電容充、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，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(guò)低通濾波器就能得到對(duì)用被測(cè)量變化的直流信然后通過(guò)低通濾波器就能得到對(duì)用被測(cè)量變化的直流信號(hào)。號(hào)。 其中包括：其中包括： 比較器比較器A A1 1,A,A2 2, , 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器， 晶體二極管晶體二極管D D1 1,D,D2 2, , 基礎(chǔ)電容基礎(chǔ)電容C C1 1（固定不變）（固定不變）, , 傳感器電容傳感器電容C CX X（測(cè)量電容），（測(cè)量電容）， 電阻電阻R

58、R7 7,R,R8 8組成的充放電回路。組成的充放電回路。 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端A,BA,B用作整個(gè)電路的輸出。用作整個(gè)電路的輸出。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)89CX=C11171lnXRUTR CUUCX C1120112ABTTUUUUTT12811lnRUTR CUU1011XXCCUUCC設(shè)設(shè)R R7 7=R=R8 8壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)903. 3. 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高的靈敏度，可以測(cè)量調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高的靈敏度，可以測(cè)量高至高至0.01m0.01m級(jí)位移變化量。信號(hào)的輸出頻率易于用數(shù)字級(jí)位移變化量。信號(hào)的輸出頻率易于用數(shù)字儀器

59、測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，可發(fā)送、儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，可發(fā)送、接收，以達(dá)到遙測(cè)遙控的目的。但頻率受溫度和電纜電接收，以達(dá)到遙測(cè)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。容影響較大，需采取穩(wěn)頻措施。電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量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(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。壓力檢測(cè)壓力檢測(cè)914.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

60、中，作為電路的反饋元件而構(gòu)成測(cè)量電路。元件而構(gòu)成測(cè)量電路。由運(yùn)算放大器工作原理可得由運(yùn)算放大器工作原理可得1/1/xoiixj CCUUUj CC 測(cè)量條件：測(cè)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(cè)壓力檢測(cè)923.5.3 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(cè)量，不但應(yīng)用于壓力、差壓力、液壓、料位、成分含量的測(cè)量，也應(yīng)用于位移、振動(dòng)、加速度、荷重的測(cè)量。也應(yīng)用于位移