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1、传感器综述压力检测 姓 名：雷 杨 学 号：0810190126任课老师：胡戍方 传感器综述 压力检测 在当今信息化的社会里，从工业生产到日常生活处处都需要用到检测，而检测必须通过传感器感知外界的变化，将非电参量转化成电量的测量。与传统的借助比较简单的测量工具相比，传感器检测测量的范围更广，测量精度更高，并且可以实现非接触测量。借助电力电子技术的发展传感器技术的发展迅猛，在工程上占有非常重要的地位和作用。 传感器在压力测量上的应用非常广泛，在测量上所称的压力就是物理学中的压强，压力是垂直地作用在单位面积上的力，它的大小由受力面积和垂直作用力的大小两个因素共同决定，表达式：。传感器可以通过感受压
2、力的变化，转化为相应的电量的变化从而进行定量的测量。测量压力的传感器根据传感器的工作原理可以分为应变式压力传感器、压电式压力传感器、电容式压力传感器、霍尔式压力传感器、光纤式压力传感器等。(一)应变式传感器应变式传感器是将应变片粘贴于被测元件的表面上，当弹性元件内部应力发生变形，从而使应变片的电阻产生变化，根据所测电阻的变化来测量被测量的变化。1.在测量压力上的应用膜式应变传感器 图是一种简单的平膜压力传感器，应变片贴在膜片的内表面。膜片感受压力时产生应变，使应变片有一定的电阻输出。对于边缘固定的圆形膜片，在受到均匀分布的压力p后，膜片中的一方面要产生径向应力，同时还有切向应力，由此引起的径向
3、应变r和切向应变分别为r=3p8h2E（1-2）（R2-3x2）X10-4=3p8h2E（1-2）（R2-x2）X10-4式中，R、h平膜片工作部分半径和厚度； E、膜片的弹性模量和材料的泊松比； x 任意点离圆心的径向距离。由上式可知，在x=0，r和 均达到正的最大值。在x=R，r=0, 达到最小值；在x=R3 处，=0。 为充分利用膜片的工作压限，可以把两片应变片中的一片贴在正应变最大区（即膜片中心位置），另一片贴在负应变最大区（靠近边缘附近），这是可得到最大差分灵敏度，并且有温度补偿特性。2.特点（1） 应变传感器的基本构成可分为两部分：弹性敏感元件及应变片。弹性元件在被测物理量额的作用
4、下产生一个与物理量成正比的应变，然后用应变片作为传感元件转换为电阻的变化，再通过电桥测量电路测出对应的电压量的变化。因此，应变式传感器的结构简单，尺寸小，变换电路简单。（2）输出特性的线性好；测量范围广，应变式压力传感器可以测10-2 到107 Pa的压力。（3）测量精度高，高精度的传感器的精度可达0.01%；性能稳定可靠，寿命长；频率特性好；只要进行适当的构造设计及选用合适的材料，能在高温，高压，震动强烈，强磁场等恶劣条件下工作。（4）易于实现测试过程自动化和多点同步测量，远距离测量和遥测，因此，它在航空航天、机械、电力、化工、建筑、医学、汽车工业等多种领域有很广泛的应用。3.补偿（1）电桥
5、非线性补偿差动电桥 在电桥的相邻两臂同时接入两工作应变片，是一边受拉，一边受压，形成差动电桥消除非线性误差。恒流源电桥 恒流源电桥法是使电桥工作臂支路中的电流不随R1的变化而变化，或者尽量变化小些，从而减小非线性误差。（2）温度补偿在全桥和半桥测量电路中，粘贴于测试件上的应变片的特性相同或相近，又感受相同的，因此可得到温度补偿的作用，减小温度附加误差。(二)压电式传感器1.测量压力压电式传感器以某些电介质的压电效应为基础，在外力的作用下，电介质的表面上产生电荷，从而实现对压力电测的目的。压电式传感器的输出信号可以是电压也可以是电荷，因此对输出信号的放大的前置放大器可以有两种形式：一种是电压放大
6、器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。图示的是电压放大器和电荷放大器的等效电路。 电压放大器等效电路电荷放大器等效电路压电元件设计：压电元件可以根据不同的压力范围、工作温度、环境条件的要求进行设计，选择不同的尺寸和形状。按极性连接方式可以采用串联、并联，为了提高灵敏度，通常采用双晶片的串并联组合方式。如为了保证传感器具有良好的长时间稳定性和线性度，而且能够在较高的工作环境下正常工作，压电元件采用两片xy（X0o）切型的石英晶片。这两种晶片采用并联连接。2.特点（1）压电式传感器频带宽，灵敏度高，线性度好，动态误差小，特别适用于测量动
7、态力。可以测量发动机内部的燃烧压力、真空度等动态和均布压力。缺点是不适于测量长时间作用的静态力。（2）压电传感器具有体积小，重量轻，结构简单，工作可靠和信噪比高，随着电力技术的发展在各种动态力、机械冲击与震动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面得到广泛的应用。微型化、集成化和智能化等新型的压电传感器被开发。3.加速度补偿当传感器在震动环境中测压时，由于加速度的作用，压电元件上将受到与总质量成正比的惯性力的作用而产生电荷的输出，结果在输出的压力信号中混入震动引起的误差信号，造成测量误差。为了保证测量精度应考虑加速度补偿，补偿方法如下:(1) 尽量减少敏感元件、传力块等的质量，以减少传感器对加
8、速度的敏感性。(2) 在测压的石英晶片组上面，安装一附加质量块和一组（两片）输出极性相反补偿石英片。(3)将石英晶片置于两片预加载的膜片之间，有振动时，两加载膜片在石英晶片上作用相反的力，振动就不会引起电荷输出。但压力灵敏度仅为单膜片传感器的一半。(三)电容式传感器将被测量（尺寸、压力等）的变化转换成电容量的变化的一种传感器。以平板电容器说明，其电容量C为C=Ad 当被测量的变化式中的d、A或任一参数发生变化，电容量C也随之发生变化。因此电容式传感器有三种基本类型，即变极距式、变面积式、变介电常数式。1.在压力测量上的应用（1）电容式差压传感器（如下图）（2）变面积电容式压力传感器（如下图）2
9、.特点优点：结构简单，灵敏度高，分辨率高，无反作用力，需要的动作能量小，动态响应好，小功率，高阻抗和小的静电引力，本身的发热对其测量精度影响小，可实现无接触测量，能在恶劣的环境下工作。缺点：输出特性非线性，受分布电容的影响大，同时降低了传感器的灵敏度和精度，但是随着新工艺、新材料问世，特别是电子技术发展，使干扰和寄生电容等问题不断得到解决，因此电容式传感器广泛应用于各种测量中。3.稳定性（1） 温度影响 温度变化引起电容式传感器各组成零件几何尺寸的变化，从而导致电容极板间隙或面积发生改变，产生附加电容变化。而引起尺寸变化与零件的线膨胀系数有关，因此尽量减少热膨胀尺寸链的组成环节数目及其尺寸，选
10、用膨胀系数小，几何尺寸稳定的材料可以减少温度对传感器各组成零件几何尺寸的影响。 温度变化引起电容极板间介质介电常数的变化，使传感器电容改变，带来温度误差。对于以空气或云母片为介质的传感器来说，这项误差很小，可以不予考虑。（2） 寄生电容的影响寄生电容使传感器电容量改变，由于传感器本身的电容量很小，加上寄生电容又极不稳定，这会导致传感器特性极不稳定，从而对电感器产生严重干扰。可以将传感器放在金属壳体内，并将壳体接地，从而可消除传感器与壳体外部物体之间的不稳定寄生电容联系。(四)霍尔式传感器1.在压力测量上的应用霍尔式压力计是利用霍尔元件测量弹性元件变形的一种电测压力计。如下图：霍尔式压力计2.特
11、点优点：结构简单，体积小，频率响应宽，动态范围（输出电势的变化）大，可靠性高，易于微型化和集成电路化。缺点：信号转换率低，温度影响大，使用于要求转换精度高的场合必须进行温度补偿。3.补偿（1）温度补偿：温度的变化主要引起霍尔片输入电阻Ri(t）、输出电阻Ro(t）和霍尔电动势UH(t)的变化，为了减少温度对测量的影响需要对其进行补偿，可选用的补偿方法如下： 恒温 将霍尔元件置于恒温容器内恒流源供电 Ri(t）随温度t变化，引起电流I变化，若采用恒流源供电，可消除t的影响。热电阻补偿 多数霍尔元件的Ri(t）为正的电阻温度系数，在Ri(t）支路中串接负的温度系数的热敏电阻Rt，保证了电流I不随温
12、度变化。霍尔元件工作于小电流状态或安装散热器，减小元件自身的温升，也能取得一定的补偿效果。（2）不等位电动势补偿不等电位补偿如下图，调整电位器RP，使电桥重新平衡即可消除不等位电动势的影响。(五)光纤传感器光纤式传感器是把被测信息调制加载到传输光波上，这种承载了被测信息的调制光再由光探测系统解调，变可以测量所要检测的信息。常用的光调制有强度调制、相位调制、频率调制和偏振调制等几种，可以根据被测量的特点选用合适的调制方式。1.在压力测量上的应用(1)光纤压力传感器（结构如下图）在被测压力作用下，膜片向下挠曲变形，改变了棱镜斜面与光吸收层之间的间隙，从而引起棱镜界面内全反射局部破坏，使部分光离开上
13、界面而进入膜片的光吸收层并被吸收，因此到达桥式光接收器的光强度减弱，实现了光强度调制。光强度调制与其他类型的光纤传感器相比，具有成本低、结构简单、设计灵活等特点，但光强度调制有一个致命的缺点，由于它采用光强作为信息的载体，不可避免地要受光源功率波动、光纤传输损耗的变化等因素的影响，而光源的功率波动是导致测量精度降低的主要原因。（2）光纤布拉格光栅的准分布式压力传感器光纤布拉格光栅（FBG）的反射光是光栅周期T和光纤芯折射率nco的函数B=2ncoT并随着应力作用而变化，因此对光纤光栅进行一定的封装，并根据可测性的光栅反射光的波长B及其变化量B即可求解出光栅周围压力的大小。2.光纤传感器的特点（
14、1）与其他压力传感器相比，具有不受电磁干扰，响应速度快，可测量动态压力，尺寸小，重量轻，耐热等优点，特别适合易燃易爆。（2）灵敏度好，耐腐蚀，电绝缘性好，可以柔性绕屈，适于远距离传输，便于与计算机联接以及与光纤传输系统组成遥控，遥测等。测量压力的传感器种类非常多，每种传感器都有各自的优点和缺点，在工程上要选用某种传感器测量压力时，要根据测量的环境和各自传感器的特点，选用合适的传感器。传感器当前是一个热门的发展领域，它的发展空间还很大，未来的传感器向着高精度、高可靠性、微型化和智能化方向发展。参考引用文献(在文章中标注):余成波.传感器与自动检测技术M.北京：高等教育出版社，2009. 宋文绪，等.传感器与检测技术M.北京：高等教育出版社，2009.田裕鹏，等.传感器原理M.北京：科学出版社，2007.廖延彪，等.光纤传感技术与应用M.北京：清华大学出版社.赵勇.光纤传感原理与应用技术M.北京：清华大学出版社.
