传感器技术与应用宋德杰电子课件第3章节压力传感器

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1、3.1 压力测量概述 3.2 应变式压力传感器 3.3 压阻式压力传感器 3.4 压电式压力传感器 3.5 电容式压力传感器 3.6 压力测量与控制系统应用案例,第3章 压力传感器及其应用案例,返回主目录,3.1 压力测量概述,压力是重要的工业参数之一，比如，我们日常生活中使用的汽油、煤油和柴油就是由石油在一定的压力和温度控制下精炼而成。要想把石油较多的提炼成汽油、煤油和柴油，就需要用压力传感器和温度传感器进行精确测量和控制。压力传感器是工业测量中常用的一种传感器，它广泛应用于水利水电、铁路交通、智能建筑、航空航天、石油石化、机床、管道等工业自动化环境中。 工程技术上所称的“压力”实质上就是物

2、理学里的“压强”, 定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力。 其表达式为 式中：P为压力， F为作用力， A为作用面积。,目前，压力有下列几种不同表示方法 (1) 绝对压力 指作用于物体表面积上的全部压力, 其零点以绝对真空为基准, 又称总压力或全压力, 一般用大写符号P表示 (2) 大气压力 指地球表面上的空气柱重量所产生的压力, 以P0表示。 (3)表压力 绝对压力与大气压力之差, 一般用p表示。 测压仪表一般指示的压力都是表压力, 表压力又称相对压力。当绝对压力小于大气压力, 则表压力为负压, 负压又可用真空度表示, 负压的绝对值称为真空度。如测炉膛和烟道气的压力均是负压。 (4)差压任意

3、两个压力之差称为差压。如静压式液位计和差压式流量计就是通过测量差压的大小来测量液位和流量大小的。,国际单位制（SI）中定义: 1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积上, 形成的压力叫1“帕斯卡”, 简称“帕”, 符号为Pa。 过去工程上常采用 “工程大气压”（即kgf/cm2）、 “毫米汞柱”（即mmHg）、 “毫米水柱”（即mmH2O）、物理大气压（即atm）等压力单位，现在均应改为法定计量单位帕, 其换算关系如下: 1 kgf/cm2=0.9807105 Pa 1 mmH2O=0.980710 Pa 1 mmHg=1.333102 Pa 1 atm=1.01325105 Pa 测量压力的传感

4、器很多。下面介绍几种工程上常用的压力测量传感器。,3.2 应变式压力传感器 3.2.1金属电阻应变片 1. 金属材料的应变效应 当金属导体在外界力的作用下产生机械变形时, 它的电阻值相应发生变化的现象，称为金属电阻的应变效应 。 设一根电阻丝长度为L，横截面积为S， 电阻率为 ，在未受力时, 原始电阻R为,当电阻丝受到拉力F作用时(如图 3-1 所示)，由于长度L, 横截面积S, 电阻率都将发生微小变化, 故引起电阻R的变化，其变化量可对（3-1）式求全微分得出，即,用相对变化量表示，得：,设原电阻丝的半径为r， 则S=r2。,由材料力学可知, 在弹性范围内, 电阻丝受拉力时, 其轴向应变dL

5、/L与沿径应变dr/r的关系可用下式表示,式中: 电阻丝材料的泊松比, 负号表示与应变方向相反。,令dL/L=，则 ， 将它们代入下式得,式中：,称为电阻丝的灵敏系数，它的含义是单位应变所引起的电阻值相对变化量。,对于金属丝来说，由于 ， 所以灵敏系数K0主要有(1+2)决定。即,由于大多数金属材料的泊松比 ，所以K0的数值在1.62.0之间。大量实验证明，在金属电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化量与应变成正比，即K0为常数。这就是金属导体应变效应的理论依据。,2. 金属电阻应变片的基本结构 金属电阻应变片主要由敏感栅、基片、覆盖层和引线四部分组成。 如下图3-2所示。,其中，敏感栅是电阻应变片

6、的核心部件，基片和覆盖层起定位和保护作用，并使敏感栅和被测试件之间绝缘。除此之外，基片还要将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，因此它很薄(0.030.06mm)。,其中，bl 称作应变片的使用面积，应变片的规格一般以使用面积和电阻值来表示，如310mm2、120,3. 电阻应变片的种类,电阻应变片,金属电阻应变片 半导体电阻应变片,丝式应变片：直径为0.010.05mm 箔式应变片：厚度为0.0030.01mm,用半导体材料制成, 其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。,压阻效应是指半导体材料在某一轴向受外力作用时, 其电阻率发生变化的现象。,4、横向效应 当图 3 - 3 所示的应变片受到拉

7、力时，纵向方向伸长引起电阻增大, 而在弯曲部分横向缩短引起电阻减少，从而抵消了一部分电阻的增加。使总的敏感栅电阻比直线电阻丝的小，或者说应变片式传感器的灵敏系数K较直线电阻丝的灵敏系数K0小, 这种现象称为应变片式传感器的横向效应。一般来说，弯曲半径越大，横向效应也越大。 为了减少横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。,5. 电阻应变片的主要参数 (1) 电阻值 R 电阻值R是指电阻应变片在没有粘贴、也不受力时，在室温下的电阻值。目前电阻应变片的电阻值已经标准化，现有 60、120、350、600和1000等多种系列。其中最常用的是120。 (2) 最大工作电流 I 最大工作电流

8、I 是指在电阻应变片正常工作时允许通过电阻应变片的最大电流值。工作电流大，应变片输出信号就大，灵敏系数就高。但过大会使应变片本身过热，甚至把应变片烧毁。 通常允许电流值在静态测量时取25mA左右。动态测量时可达75100mA，箔式电阻应变片则可更大些。,(3) 电阻应变片的灵敏系数 理论和实验证明，将电阻应变片做成电阻应变片式传感器后，在一定的应变范围内，R/R与仍成线性关系，即：,或,我们把常数K称作电阻应变片式传感器的灵敏系数。 实验还证明：电阻应变片式传感器的灵敏系数K恒小于其敏感栅直线直线长度的灵敏系数K0,6. 电阻应变片的温度特性及补偿 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加

9、误差, 称为应变片的温度误差。 产生应变片温度误差的主要因素有两个，一是电阻温度系数的影响；二是试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。 当环境温度变化t时，应变片电阻的增量Rt可用下式来示 令 则 式中：R0为0时电阻丝应变片的电阻值（）； 为电阻丝材料的电阻温度系数； K0为电阻丝的灵敏系数； 1为试件材料的膨胀系数； 2为电阻丝材料的膨胀系数； t为电阻丝应变片的电阻温度系数。,为了消除温度影响，通常把应变片制作成具有温度补偿作用的特殊应变片(称作温度自补偿应变片)，下面介绍两种常见的温度自补偿应变片。 (1) 选择式温度自补偿应变片 由式 可知，只要选择试件材料的膨胀系数a1和敏感栅材

10、料的膨胀系数a2满足 就能实现温度的自动补偿作用。利用这种方法制作的应变片，称作选择式温度温度自补偿应变片。,(2) 组合式温度自补偿应变片 图3-4给出了组合式温度自补偿应变片的结构。它是利用某些电阻材料的温度系数有正、有负的特性，使两段电阻丝栅随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反来实现温度自补偿的。,3.2.2 电阻应变片的测量电路,由于机械应变一般都很小, 要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来, 同时要把电阻相对变化R/R 转换为电压或电流的变化。通常采用直流电桥和交流电桥两种方法。,1. 直流电桥 直流电桥如图 3 - 5 所示, E为直流电源, R1、R2、R3及R4为桥臂

11、电阻。,当R1R3=R2R4 时，U0=0，称作电桥平衡。 即相对两臂电阻的乘积相等，电桥平衡。,2. 电压灵敏度 理论可以证明，当外加电压E的大小确定后，在R1=R2=R3=R4=R的平衡条件下，由于某个电阻发生微小变化而引起的电桥不平衡输出电压灵敏度最高。故在工程应用中，通常取R1=R2=R3=R4=R，常用的有三种测量电路，现分别介绍如下。 (1) 单臂直流电桥测量电路 若取R1为电阻应变片，R2, R3, R4为固定电阻，这就构成了单臂直流电桥测量电路。设应变片在不受力时的电阻值为R，受力后电阻值为R+R，取R2=R3=R4=R为固定电阻，由图3-5得,由于RR，则分母中的R/R可忽略

12、，则上式可写成,由上式可见，单臂电桥，结构简单，但存在非线性误差，测量精度低。 (2) 双臂差动直流电桥测量电路（半桥） 在试件上安装两个工作应变片, 一个受拉应变, 一个受压应变, 接入电桥相邻桥臂, 称为半桥差动电路（如图3- 6所示），该电桥输出电压为,若R1=R2，R1=R2，R3=R4， 则得,图 3-6 半桥差动电路,上式表明，输出电压Uo和R/R成线性关系。即半桥差动测量电路无非线性误差，而且输出电压是单臂电桥的2倍。并且还具有一定的温度补偿作用。,(3) 四臂差动直流电桥测量电路（全桥） 若将电桥四臂都换成四个应变片, 如图 3 - 7所示, 即两个受拉应变, 两个受压应变,

13、将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，这种电路称作四臂差动电桥测量电路，又称作全桥差动电路, 若取R1=R2=R3=R4, 且R1=R2=R3=R4, 则,上式表明，全桥差动电路不仅没有非线性误差, 而且电压灵敏度KU=E，是单片的 4 倍，同时仍具有温度补偿作用。是最理想的测量电路。在实际测量中被广泛使用。,图3- 7 四臂差动直流电桥,2. 交流电桥测量电路 由于应变电桥输出电压很小, 一般都要加放大器, 而直流放大器易于产生零漂, 为克服此不足，应变电桥多采用交流电桥。图 3 - 8 所示为交流电桥的一般形式。显然有,图3-8 交流电桥工作原理,由此得交流电桥平衡条件是 Z1 Z4 = Z

14、2 Z3,交流电桥平衡条件的另一种表示是,下面以双臂差动交流电桥为例介绍使用方法。由于采用交流电源供电，应变片的引线分布电容必须考虑，即相当于在两只应变片上各并联了一个电容。为了分析简单，其他两个桥臂仍采用固定电阻，如图3-9所示。这时每一桥臂上的复阻抗分别为,图3-9 双臂差动交流电桥,将上式代入交流电桥的平衡条件, 可得,整理得,令实部、虚部分别相等, 并整理可得交流电桥的平衡条件为:,对这种交流电容电桥, 除要满足电阻平衡条件外, 还必须满足电容平衡条件。若电桥平衡时，取Z1=Z2=Z3=Z4=Z0。当被测应力变化引起Z1= Z0+Z, Z2=Z0-Z 变化时, 则电桥输出为,理论上讲，

15、只要取R1=R2=R3=R4=R，C1=C2，电桥就平衡，但实际上办不到。为此都采用电桥平衡调节电路。如下图所示。,3.2.3 常见应变式(压)力传感器及其应用 1. 薄膜式压力传感器 图3-11(a)为圆平膜片应变式压力传感器的结构及应变示意图，应变片贴在膜片内壁。,图3-11平膜片应变式压力传感器结构及应变示意图,由材料力学可知，在压力p作用下，周边固定的圆平膜片将产生弹性变形，从而引起径向应变r和切向应变t，其表达式分别为,式中：p膜片上均匀分布的压力； R、h膜片的半径和厚度； r离圆心的径向距离； E平膜片材料的弹性模量； 平膜片材料的泊松比。 由应力分布图得，当r=0时，rmax=tmax；当r=R时，t=0，r=2rmax。 根据以上特点，一般圆平膜片在靠近圆心处沿切向粘贴R1、R3两个应变片，在边缘处附近沿径向粘贴R2、R4两个应变片，如图3-11(b)所示。然后将它们接成图3-11(c)所示的全桥测量电路，这种接法将获得最大的灵敏度，同时具有良好的线性度和温度补偿作用。,(2) 柱(筒)式力传感器 在工程应用中，除了对压力测量外还经常需要对力（如荷重、发动机的牵引力及材料的耐拉力等）进行测量。应变式力传感器就是常用的一种力测量器件，图3-13(a)、(b)所示为柱（