《壓力傳感器》PPT課件

1、第三章壓力測量是測量的壓力是物理學(xué)的壓力，是反映物質(zhì)狀態(tài)的參數(shù)，是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中重要的工藝參數(shù)之一。 本章簡要介紹了壓力的概念和單位，重點(diǎn)解說了應(yīng)變式壓力計(jì)、壓電式壓力傳感器、電容式壓力傳感器和霍爾式壓力計(jì)等的測量原理和加載方法。3.1壓力的概念和單位，1、壓力的概念：壓力是與單位面積垂直且均勻地作用的力。 大小由受力面積和垂直力大小兩個(gè)因素決定。 公式2、壓力單位(1)工程大氣壓(2)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(3)約束毫米汞柱(4)約束毫米水柱中常用的一些壓力單位與帕斯卡的換算關(guān)系如表3.1.1所示。 3.1壓力的概念和單位、3、壓力的分類1 .絕對(duì)壓力2 .環(huán)境大氣壓力3 .表壓力4 .真空度5

2、.差壓上述各壓力的相互關(guān)系如圖所示。 3.2應(yīng)變式壓力計(jì)，3.2.1電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻線因外力而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。 設(shè)有長度l、截面積s、電阻率的電阻線，未受力時(shí)的電阻值，受力后為：3.2應(yīng)變片，3.2.2應(yīng)變片金屬電阻規(guī)分為金屬式和箔式，圖中顯示了金屬式和金屬箔式電阻規(guī)。 常用的電阻應(yīng)變線材料是康銅線和鎳鉻合金線，以薄紙為基礎(chǔ)的應(yīng)變片稱為紙基礎(chǔ)應(yīng)變片，以有機(jī)聚合物為基礎(chǔ)的應(yīng)變儀稱為凝膠應(yīng)變儀。 3.2應(yīng)變計(jì)、電阻應(yīng)變計(jì)、1、應(yīng)變線2、基座3、引線4、金屬膜引線、3.2應(yīng)變計(jì)、2、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)半導(dǎo)體受力時(shí)電阻率變化，電阻率根據(jù)應(yīng)力而變化的關(guān)系稱為半導(dǎo)體壓電電阻效

3、應(yīng)。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻的變化主要是由電阻率的變化引起的，彈性系數(shù)E=/，上式為了提高靈敏度可以寫為半導(dǎo)體應(yīng)變片。3.2應(yīng)變式壓力計(jì)，3.2.3電阻應(yīng)變片的粘貼和溫度補(bǔ)償1，應(yīng)變片的粘貼：粘貼技術(shù)包括被試驗(yàn)片的表面處理、薄片、質(zhì)量檢查、焊接引線及防護(hù)和屏蔽等。 2、溫度誤差及其補(bǔ)償(1)溫度誤差：溫度誤差是環(huán)境溫度變化引起的應(yīng)變計(jì)電阻變化。 原因是應(yīng)變片電阻線的溫度系數(shù)，另一方面，電阻線材料和試料材料的線膨脹系數(shù)不同。 (2)溫度補(bǔ)償橋接補(bǔ)償法如圖所示。 3.2應(yīng)變式壓力表、3.2.4轉(zhuǎn)換電路RL=時(shí)，橋輸出電壓為單臂橋輸出電壓和電壓靈敏度為雙臂橋電路，一般連接到差動(dòng)橋。 如果其輸出電壓橋的4

4、個(gè)臂同時(shí)進(jìn)入動(dòng)作應(yīng)變片，則構(gòu)成全橋電路。 其輸出電壓為，3.2應(yīng)變式壓力計(jì)，3.2.5應(yīng)變式壓力傳感器1，膜式應(yīng)變傳感器圖用簡單的平膜壓力傳感器，應(yīng)變計(jì)被粘貼在膜片的內(nèi)面。 當(dāng)膜片感受到壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，使應(yīng)變片具有一定的電阻輸出。 3.2應(yīng)變式壓力表，2，負(fù)載式應(yīng)變傳感器右圖為帶水冷的負(fù)載傳感器式壓力傳感器。 3 .擴(kuò)散硅型壓力傳感器圖(a )是杯型的組合式測量元件圖(b )是隔膜的截面示意圖，3.3薄膜應(yīng)變片是通過濺射或蒸發(fā)的方法在彈性基板上鍍復(fù)了半導(dǎo)體或金屬敏感材料。 3.3.1薄膜應(yīng)變片的原理電阻，應(yīng)變?yōu)?，電阻相?duì)變化：對(duì)于半導(dǎo)體材料，上式為、3.3薄膜應(yīng)變片，3.3.2薄膜應(yīng)變片的制

5、作和應(yīng)用1，濺射薄膜應(yīng)變片的主要成膜工藝有真空濺射和真空蒸鍍。 真空濺射技術(shù)的大致流程是，基板預(yù)處理、濺射介質(zhì)層、濺射敏感層、蒸鍍Au、光刻電極、橋形成、電連接全部完成，堆積鈍化膜。2 .蒸發(fā)薄膜應(yīng)變片與真空蒸發(fā)技術(shù)制作的薄膜應(yīng)變片結(jié)構(gòu)基本相同。 3.4壓電式壓力傳感器，3.4.1具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)物體向某個(gè)方向受到壓力或拉伸力而變形時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生電荷。 外力被消除后，再次回到不帶電的狀態(tài)。 這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 具有壓電效應(yīng)的物體被稱為壓電材料，例如天然水晶結(jié)晶、人工壓電陶瓷等。 1、水晶結(jié)晶的壓電效應(yīng)圖是天然結(jié)構(gòu)的水晶結(jié)晶外形和水晶結(jié)晶切片，3.4壓電式壓力傳感器，切片在沿x軸的方向受

6、到壓力Fx的作用時(shí)，水晶切片產(chǎn)生厚度變形，在垂直于x軸的平面上產(chǎn)生電荷Qx，其大小為：3.4壓電式壓力傳感器，電荷的極性參照圖，3 3.4壓電式壓力傳感器、3.4.2壓電材料1、壓電晶體(1)水晶晶體(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)鈮酸鹽系壓鈮酸鎂酸鉛壓電陶瓷3、壓電半導(dǎo)體、3.4壓電式壓力傳感器、3.4.3測量電路等效于將壓電結(jié)晶與一個(gè)電荷源并聯(lián)電容的等效電路。 電容器上的電壓Ua、電荷量q、電容器Ca的關(guān)系為Ua=Q/Ca，因此壓電結(jié)晶也與電壓源和電容器的串聯(lián)電路等價(jià)。 實(shí)際的壓電傳感器輸出信號(hào)微弱，內(nèi)部電阻高，所以需要前置

7、放大器。 前置放大器有兩個(gè)作用。 一個(gè)是放大壓電傳感器輸出的微弱信號(hào)，另一個(gè)是阻抗變換。 3.4壓電式壓力傳感器、1、電壓放大器圖示了壓電傳感器與電壓放大器連接的等效電路。3.4壓電式壓力傳感器、2、電荷放大器的電荷放大器是具有反饋電容的高增益運(yùn)算放大器，其輸入信號(hào)是壓電傳感器產(chǎn)生的電荷。 省略泄漏電阻，放大器的輸入電阻為無限大時(shí)的等效電路如圖所示。3.4壓電式壓力傳感器，3.4.4壓電壓力和力傳感器1，壓電式三維力傳感器2，壓電式單向力傳感器，3.4壓電式壓力傳感器，3，壓電式均勻壓力傳感器4，消除振動(dòng)加速度影響的壓電傳感器，3.5靜電電容式壓力傳感器，3.5 1、變極距離型靜電電容傳感器，

8、3.5靜電電容式壓力傳感器，2，變面積型靜電電容傳感器3，變介電常數(shù)型靜電電容傳感器，3.5靜電電容式壓力傳感器，3.5.2差動(dòng)電容傳感器在實(shí)際的壓力測量中經(jīng)常使用差動(dòng)點(diǎn)靜電電容傳感器，不僅提高了靈敏度，還改善了非線性。 3.5靜電電容式壓力傳感器、3.5.3測量電路橋式電路、頻率調(diào)制電路、脈沖寬度調(diào)制電路、運(yùn)算放大器式電路等。 1、橋電路的無負(fù)載電壓為：3.5電容式壓力傳感器，2，耦合橋電路的耦合橋理論是在該狀態(tài)下輸出電壓為兩L0非耦合時(shí)，輸出電壓為：3.5電容式壓力傳感器，3，差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路。 利用對(duì)傳感器電容的充放電，可以使輸出脈沖的寬度根據(jù)電容的變化而變化，并

9、且可以獲得與通過低通濾波器測定的變化對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)。 輸出的直流電壓與傳感器的兩個(gè)電容之差成比例。 如果表示3.5靜電電容式壓力傳感器、差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路的各點(diǎn)的電壓波形圖，則3.5靜電電容式壓力傳感器、4、頻率調(diào)制電路將靜電電容式傳感器與高頻振蕩器的LC電路連接，當(dāng)測定到的電容變化時(shí)，振蕩頻率也變化，因此被稱為頻率調(diào)制電路。 圖為頻率調(diào)制電路的電路圖，3.5靜電容量式壓力傳感器，5，運(yùn)算放大器將靜電容量式傳感器與運(yùn)算放大器連接，電路的反饋元件構(gòu)成的測定電路如圖所示。在用Cx=S/d代入時(shí)，上式表示輸出電壓和d為線性關(guān)系。 3.5靜電電容式壓力傳感器，3.5.4靜電電容式壓力傳感器1，靜電電

10、容式壓力傳感器2，變面積式壓力傳感器3，負(fù)荷傳感器，3.6霍爾式壓力計(jì)，3.6霍爾效應(yīng)霍爾元件的特性常用靈敏度KH為，3.6霍爾式壓力計(jì)，3.6.2霍爾式壓力計(jì)3.6霍爾式壓力計(jì)的特性常用靈敏度KH，3.6霍爾式壓力計(jì)、3.6.3霍爾式壓力計(jì)的誤差和補(bǔ)償霍爾式壓力計(jì)的誤差分為兩部分，一個(gè)是彈性元件的轉(zhuǎn)換誤差，一個(gè)是霍爾元件的轉(zhuǎn)換誤差。 1、不均勻電位和補(bǔ)償不均勻電位的產(chǎn)生有兩個(gè)原因。 3.6霍爾式壓力計(jì)，幾個(gè)補(bǔ)償電路，3.6霍爾式壓力計(jì)，2，霍爾電位的溫度系數(shù)主要是溫差電位和靈敏度系數(shù)隨溫度變化的兩種情況。 3 .溫度對(duì)內(nèi)部電阻的影響4、溫度補(bǔ)償霍爾元件的輸入電阻和霍爾電位的溫度系數(shù)都為正的效果高的補(bǔ)償電路圖。 在實(shí)際測量中，要求高時(shí)，多采用恒溫法。 3.6孔式壓力表、3.6.4孔式壓力表、3.7電子稱、3.7.1電子稱的原理電子稱的核心部件是測力傳感器。 測力計(jì)將機(jī)械力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理后顯示，或輸入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。 圖是相對(duì)簡單的稱量系統(tǒng)的框圖。 3.7電子是3.7.2測力傳感器的原理圖是振弦式測力傳感器的工作原理圖。 3.7電子稱、3.7.3電子稱的應(yīng)用ICS-XXX-T系列電子帶原料名，3.8集成壓力傳感器，3.8.1硅電容式集成傳感器1，硅電容式電容器的工作