项目二压力检测讲义

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1、传感器与检测技术 项目二 压力检测 项目二 压力检测 第二学习周 检测技术基础知识 知识目标：知识目标： p 了解压力测量的基本方法和力传感器类型； p 理解压阻式传感器的工作原理和类型 p 掌握电阻应变式传感器的工作原理、基本特性和结构类型 p 掌握压电式传感器的工作原理，等效电路和常用结构形式 p 掌握压电材料的类型、特性和应用主要特性参数 u 能够根据需要选择合适的压力传感器进行压力测量电路设计 u 学会压力测量系统的制作与调试 技能目标：技能目标： 学习目标 项目二 压力检测 项目背景 v 压力在工业自动化生产过程中是重要的工艺参数之一，因此，正 确地测量和控制压力是保证生产过程良好地

2、运行，达到优质高产、低 消耗和安全生产的重要环节。 v 工业上压力的检测方法主要有液柱测压法、弹性变形法和电测压 力法。其中应用较多的是电测压力法，利用转换元件（如某些机械和 电气元件）直接把被测压力变换为电信号来进行测量的。根据转换元 件不同，主要有两类： v 1. 弹性元件附加一些变换装置，使弹性元件自由端的位移量转 换成相应的电信号，如电阻式、电感式、电容式、霍尔片式、应变式 、振弦式等； v 2. 非弹性元件组成的快速测压元件，主要利用某些物体的某一 物理性质与压力有关，如压电式、压阻式、压磁式等。 v 本项目中重点介绍利用电阻应变式传感器、压阻式传感器、压电 式传感器的工作原理和应用

3、。 项目二 压力检测 任务2.1 重量检测 知识分布网络 重量检测 任务实施 知识拓展 相关知识 电阻应变片的原理及类 型 应变片的主要特性 应变式传感器测量电路 传感器选型 测量电路设计 模拟调试 电阻应变式的温度误差及补偿方法 电阻应变式传感器的典型应用 项目二 压力检测 【任务描述】 随着技术的进步，由电阻应变式称重传感器制作的电子衡器已广泛地应 用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出 现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中 的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤 、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料

4、的配料系统、生产工艺中的自动 检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器。本任务要求利用电阻应 变片设计称重仪，技术要求:量程02kg，精度0.001kg。 任务2.1重量检测 项目二 压力检测 v 2.1.1 电阻应变片的原理及类型 1应变效应 任务2.1 重量检测 【相关知识 】 电阻应变片的工作原理是基于应变效应, 即在金属导体产生机械变 形时, 它的电阻值相应发生变化。 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为： 式中金属丝的电阻率，单位m； L金属丝的长度，单位m； S金属丝的截面积，单位m2。 项目二 压力检测 任务2.1重量检测 图2-1 金属电阻丝的应变效应 项目二 压力检

5、测 如图2-1所示，当金属丝受到拉力F作用时，将伸长L，横截面积 相应减小S，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变，故引起 电阻值相对变化量为： 式中L/L是长度相对变化量，用应变表示； S/S为圆形金属丝的截面积相对变化量； /为圆形金属丝的电阻率相对变化量。 任务2.1重量检测 项目二 压力检测 由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为： 式中：金属丝材料的泊松比，负号表示与轴向应变方向相反。 任务2.1重量检测 项目二 压力检测 可得： 通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属丝的灵敏度系数Ks。其 物理意义是单位应变所引

6、起的电阻相对变化量，其表达式为： 任务2.1重量检测 项目二 压力检测 由上式可知，因应变导致金属丝电阻值的变化，由两项组成：第 一项（1+2）表示由于几何尺寸改变引起的电阻变化；另一项 (/)/表示单位轴向应变引起电阻率的变化。 对于大多数金属材料电阻丝而言： 因此，有 表明：加载后，金属丝的电阻值随着其轴向几何尺寸变化（伸长 或缩短）而发生相应的变化。 任务2.1重量检测 项目二 压力检测 常用的应变片可分为两类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。 图2-2 金属电阻丝的应变效应 1引线 2覆盖片 3基底 4 敏感栅 金属应变片由引线、覆盖片、基底和 敏感栅等部分组成，如图2-2 所示。图

7、中 ，l为应变片的标距或工作基长，b为应变 片的工作宽度，bl为应变片的规格。（ 应变片规格一般以使用面积或电阻值来 表示） 任务2.1重量检测 2.应变片的结构类型 项目二 压力检测 金属丝式应变片是将=0.010.05mm金属丝弯曲绕成栅状后， 用粘合剂贴在基底上而成。 （1）金属丝式应变片 箔式应变片中的箔栅是由厚度为0.0010.01mm的金属箔片通过光 刻、腐蚀等工艺制成的各种图形的敏感栅，如图2-3所示。 （2）金属箔式应变片 图2-3 金属箔式应变片 任务2.1 重量检测 （3）薄膜式应变片 薄膜应变片是采用真空溅射或 真空蒸镀等方法在薄的绝缘基片上 形成0.1m以下的金属电阻薄

8、膜的 敏感栅，最后再加上保护层。 项目二 压力检测 v 如图2-4所示，敏感栅在纵向的长度l，称为应变片的标距，也称 栅长；敏感栅在横向的宽度b，称为应变片的栅宽；栅长与栅宽的乘 积bl，称为应变片的工作面积。 任务2.1 重量检测 v2.1.2 应变片的主要特性 1应变片几何尺寸 图2-4 敏感栅的几何尺寸 项目二 压力检测 2.应变片电阻值（R0） 应变片在未粘贴及未受外力作用的情况下，于室温条件下测定的 电阻值（原始电阻值），称为应变片的电阻值，目前已标准化，常用 电阻应变片的电阻值主要有60、120、350、500和1000等 多种规格，其中以120最为常用。 任务2.1 重量检测 项

9、目二 压力检测 3.灵敏度系数 应变片一般制成丝栅状后，其应变效应与单丝是不同的，即电阻 应变片灵敏系数K和金属丝灵敏系数Ks是不相同的。一般认为，K不等 于Ks且恒小于Ks。因此电阻应变片灵敏系数K须通过抽样重新实验测定 ，取平均K值标注在应变片的包装袋上，故又称标称灵敏系数。 实验证明，在一定的应变范围内，应变片灵敏系数K是常数。 任务2.1 重量检测 项目二 压力检测 4.横向效应 沿应变片轴向的应变必然引起应变片电阻的相应变化，而沿 垂直于应变片轴向的横向应变，也会引起其电阻的相应变化，从而使 应变片灵敏系数K降低的现象称为横向效应。 图2-5 应变片横向效应 任务2.1 重量检测 项

10、目二 压力检测 5.机械滞后，零漂及蠕变 应变片粘贴在被测试件上，当温 度恒定时，其加载特性曲线（正程） 和卸载特性曲线（逆程）不重合，即 为机械滞后。 图2-6 机械滞后 任务2.1 重量检测 对于已粘贴好的应变片，在温度保 持恒定时，不承受应变作用时，应变片 的电阻值随时间增加而变化的特性，这 种现象称为应变片的零点漂移，简称为 零漂。 如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时 间增加而变化的特性称为蠕变。 项目二 压力检测 任务2.1 重量检测 6.温度效应 由温度变化引起的应变片电阻变化，从而产生虚假应变的现象 ，称为应变片的温度效应。 项目二 压力检测 任务2.1

11、重量检测 常见电阻应变式传感器： 项目二 压力检测 v 2.1.3 应变式传感器测量电路 任务2.1 重量检测 在压力、力、加速度等非电量的检测中，由其产生的机械应变所引 起的应变片的电阻变化范围很小，难以直接用电测仪器作精确测量，通 常采用电桥电路将电阻变化转换成电压或电流后放大测量。 在应变式传感器中，最常用的是桥式电路，有关电桥电路在前面任 务1.3中已详细介绍。在三种电桥电路中，全桥四臂工作方式的灵敏度 最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低，采用四臂全桥（或双臂半 桥）还能实现温度自补偿。 项目二 压力检测 v 1. 传感器选型 任务2.1 重量检测 【任务实施 】 v 电阻应变片是

12、称重仪的关键部件，由于电阻应变片的种类和型号较 多，因此，应根据电路的具体要求来选择适合的电阻应变片。本设计中 选用E350-2AA箔式电阻应变片，其常态阻值为350。将应变片采用合理 的粘贴方法粘贴在称重仪的桥臂中央位置，如图2-7所示，使应变片的变 形与桥臂变形一致，提高测量的准确性。 项目二 压力检测 图2-7 电阻应变式称重仪结构图 任务2.1 重量检测 项目二 压力检测 v 2. 测量电路设计 任务2.1 重量检测 电阻应变式称重仪电路原理如图2-8所示。 图2-8 电阻应变式称重仪电路原理图 项目二 压力检测 v 3. 模拟调试 任务2.1 重量检测 在调试过程中，应准备1kg及2

13、kg标准法码各一。其过程如下： （1）按照电路图，将各元件焊接到实验板上，并检查正确性； （2）首先在称重托盘无负载时调整RP1，使显示器准确显示零； （3）再调整RP2，使托盘承担满量程重量(本电路选满量程为2kg)时 显示满量程值； （4）然后在托盘上放置1kg的标准法码，观察显示器是否显示 1.000，如有偏差，可调整RP3值，使之准确显示1.000； （5）重新进行（2）、（4）步骤，使之均满足要求为止； （6）最后准确测量RP2、RP3的电阻值，并用固定精密电阻予以代替 。RP1可引出表外调整。测量前先调整RP1，使显示器回零。 项目二 压力检测 v 1. 电阻应变式传感器的温度误差

14、及补偿方法 正如前面的分析，金属电阻丝应变片均对温度变化十分敏感，因 而温度变化将引起电桥测量误差，为消除温度误差，可采取如下温度 补偿措施： v 1）单丝自补偿 这种方法是通过精心选配敏感栅材料电阻温度系数及线膨胀系 数s，试件材料线膨胀系数g参数来实现热输出补偿。 若要使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使 任务2.1 重量检测 【知识拓展】 项目二 压力检测 v 2）双丝自补偿 采用这种补偿方法的应变片，其敏感栅是由两种不同温度系数（ 一种为正值，一种为负值）的金属电阻丝串接而成的，电路原理图如 图29c所示。利用两种具有不同符号的电阻温度系数进行补偿的应 变片结构如图2-9 a所

15、示，它是将两种具有不同温度系数的电阻丝串 联绕制成敏感栅。 任务2.1 重量检测 （a）丝绕式 （b) 短接式 （C）电路图 图2-9 双丝自补偿应变片 项目二 压力检测 这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅， 随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即R1t=R2t 。 双丝组合式自补偿应变片的另一种形式是用两种同符号温度系数 的合金丝串接成敏感栅，在两段电阻丝栅R1和R2的串接处焊出引线并 接入电桥，如图2-9 b所示。适当调节R1与R2的长度比和外接电阻RB的 值，使两臂由于温度变化而引起的电阻变化相等或接近，使之满足条 件 任务2.1 重量检测 项目二 压力检测

16、 v3）桥路补偿 常用的桥路补偿法是利用电桥电路的和差原理 来进行温度误差补偿，如图2-10。 任务2.1 重量检测 图2-10 桥路补偿 项目二 压力检测 v 2. 电阻应变式传感器的典型应用 电阻应变式传感器还可用来测量应变以外的物理量，例如力、扭 矩、加速度和压力等。把应变片帖贴到弹性敏感元件上，使弹性敏感 元件的应变与被测量成比例关系。 任务2.1 重量检测 1）应变式力传感器 v （1）柱式力传感器 项目二 压力检测 v （2）环式力传感器 任务2.1 重量检测 （a)环式力传感器结构图 （b)环式力传感器应力分布图 图2-12 环式力传感器结构图及应力分布图 项目二 压力检测 v （3）悬臂梁式力传感器 任务2.1 重量检测 （a)等强度梁结构图 （b)等截面梁结构图 图2-13 悬臂粱式力传感器 项目二 压力检测 v 2）应变式压力传感器 任务2.1 重量检测 （a) 应