项目二 压力检测

1、传感器与检测技术传感器与检测技术项目二项目二 压力检测压力检测项目二项目二 压力检测压力检测第二学习周第二学习周 检测技术基础知识检测技术基础知识p 了解压力测量的基本方法和力传感器类型；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掌握压电材料的类型、特性和应用主要特性参数u 能够根

2、据需要选择合适的压力传感器进行压力测量电路设计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学会压力测量系统的制作与调试学习目标学习目标项目二项目二 压力检测压力检测项目背景项目背景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运行，达到优质高产、低确地测量和控制压力是保证生产过程良好地运行，达到优质高产、低消耗和安全生产的重要环节。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工业上压力的检测方法主要有液柱测

3、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：件不同，主要有两类： v 1. 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、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；振弦式等；v 2. 2. 非弹性元件组成

4、的快速测压元件，主要利用某些物体的某一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。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。式传感器的工作原理和应用。项目二项目二 压力检测压力检测任务任务2.1 重量检测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

5、型应用项目二项目二 压力检测压力检测【任务描述任务描述】 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、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

6、控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、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，技术要求片设计称重仪，技术要求: :量程量程0 02kg2kg，精度，精度0.001kg0.001kg。任务任务2.1重量检测重量检测项目二项目二 压力检测压力检测v 2.1.1 电阻应变片的原理及类型电阻应变片的原理及类型 1应变效应应变效应任务任务2.1 重量检测重量检测【相关知识相关知识】 电阻应变片的工作原理是基于应变效应电

7、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即在金属导体产生机械变形时形时, , 它的电阻值相应发生变化。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：一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：SLR式中式中金属丝的电阻率，单位金属丝的电阻率，单位mm； L L金属丝的长度，单位金属丝的长度，单位m m； S S金属丝的截面积，单位金属丝的截面积，单位m m2 2。项目二项目二 压力检测压力检测任务任务2.1重量检测重量检测图图2-1 2-1 金属电阻丝的应变效应金属电阻丝的应变效应项目二项目二 压力检测压力检测 如图如图2-12-1所示，当金属丝受

8、到拉力所示，当金属丝受到拉力F F作用时，将伸长作用时，将伸长LL，横截面积，横截面积相应减小相应减小SS，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变，故引起，故引起电阻值相对变化量为：电阻值相对变化量为：SSLLRR式中式中L/LL/L是长度相对变化量，用应变是长度相对变化量，用应变表示；表示； S/SS/S为圆形金属丝的截面积相对变化量；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。为圆形金属丝的电阻率相对变化量。 任务任务2.1重量检测重量检测项目二项目二 压力检测压力检测 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，由材料

9、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：沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为：LLrrSS2LLrr式中：式中：金属丝材料的泊松比，负号表示与轴向应变方向相反。金属丝材料的泊松比，负号表示与轴向应变方向相反。 任务任务2.1重量检测重量检测项目二项目二 压力检测压力检测可得：可得：)21 (RR 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K Ks s。其。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为：物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表

10、达式为：)21 (sK任务任务2.1重量检测重量检测项目二项目二 压力检测压力检测 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（一项（1+21+2）表示由于几何尺寸改变引起的电阻变化；另一项）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。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：对于大多数金属材料电阻丝而言： 21因此，有因此，有 21S 表明：加载后，金属丝的电阻值随着其轴向几何尺寸变化（伸表明：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

11、）而发生相应的变化长或缩短）而发生相应的变化。 任务任务2.1重量检测重量检测项目二项目二 压力检测压力检测 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。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。 图图2-2 2-2 金属电阻丝的应变效应金属电阻丝的应变效应11引线引线 22覆盖片覆盖片 33基底基底 44敏感栅敏感栅 金属应变片由金属应变片由引线引线、覆盖片覆盖片、基底基底和和敏感栅敏感栅等部分组成，如图等部分组成，如图2-2 2-2 所示。所示。图中，图中，l为应变片的标距或工作基长，为应变片的标距或工作基长，b为为应变片的工作宽度，应变片的工作宽度，bl为应

12、变片的规格。为应变片的规格。（应变片规格一般以使用面积或电阻值（应变片规格一般以使用面积或电阻值来表示）来表示）任务任务2.1重量检测重量检测2.应变片的结构类型应变片的结构类型项目二项目二 压力检测压力检测 金属丝式应变片是将金属丝式应变片是将 =0.01=0.010.05mm0.05mm金属丝弯曲绕成栅状后，金属丝弯曲绕成栅状后，用粘合剂贴在基底上而成。用粘合剂贴在基底上而成。（1 1）金属丝式应变片）金属丝式应变片 箔式应变片中的箔栅是由厚度为箔式应变片中的箔栅是由厚度为0.0010.0010.01mm0.01mm的金属箔片通过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，如图光

13、刻、腐蚀等工艺制成的各种图形的敏感栅，如图2-32-3所示。所示。（2 2）金属箔式应变片）金属箔式应变片图图2-3 2-3 金属箔式应变片金属箔式应变片任务任务2.1 重量检测重量检测（3 3）薄膜式应变片）薄膜式应变片 薄膜应变片是采用真空溅射或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真空蒸镀等方法在薄的绝缘基片上形成形成0.1m0.1m以下的金属电阻薄膜的以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。敏感栅，最后再加上保护层。项目二项目二 压力检测压力检测v 如图如图2-42-4所示，敏感栅在纵向的长度所示，敏感栅在纵向的长度l l，称为应变片的标距，也称，称为应变片的标

14、距，也称栅长；敏感栅在横向的宽度栅长；敏感栅在横向的宽度b b，称为应变片的栅宽；栅长与栅宽的乘，称为应变片的栅宽；栅长与栅宽的乘积积b bl l，称为应变片的工作面积。，称为应变片的工作面积。任务任务2.1 重量检测重量检测v2.1.2 应变片的主要特性应变片的主要特性 1应变片几何尺寸应变片几何尺寸图图2-4 2-4 敏感栅的几何尺寸敏感栅的几何尺寸项目二项目二 压力检测压力检测2.2.应变片电阻值（应变片电阻值（R R0 0） 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

15、化，常的电阻值（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用电阻应变片的电阻值主要有6060、120120、350350、500500和和10001000等多种规格，其中以等多种规格，其中以120120最为常用。最为常用。任务任务2.1 重量检测重量检测项目二项目二 压力检测压力检测3.3.灵敏度系数灵敏度系数 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阻应变片灵敏系数K K和金属丝灵敏系数和金属丝灵敏系数K Ks s是不相同的。一般认为，是不相同的。一般认为，K K不不等于等于

16、K Ks s且恒小于且恒小于K Ks s。因此电阻应变片灵敏系数。因此电阻应变片灵敏系数K K须通过抽样重新实验测须通过抽样重新实验测定，取平均定，取平均K K值标注在应变片的包装袋上，故又称标称灵敏系数。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，应变片灵敏系数实验证明，在一定的应变范围内，应变片灵敏系数K K是常数。是常数。 任务任务2.1 重量检测重量检测项目二项目二 压力检测压力检测4.4.横向效应横向效应 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

17、的相应变化，从而使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应变片灵敏系数K K降低的现象称为横向效应。降低的现象称为横向效应。 图图2-5 2-5 应变片横向效应应变片横向效应任务任务2.1 重量检测重量检测项目二项目二 压力检测压力检测5.5.机械滞后，零漂及蠕变机械滞后，零漂及蠕变 应变片粘贴在被测试件上，当温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）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，即和卸载特性曲线（逆程）不重合，即为为机械滞后机械滞后。 图图2-6 2-6 机械滞后机械滞后任务任务2.1 重量检测重量检测

18、对于已粘贴好的应变片，在温度保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，简称为种现象称为应变片的零点漂移，简称为零漂零漂。 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间增加而变化的特性称为蠕变蠕变。 项目二项目二 压力检测压力检测任务任务2.1 重量检测重量检测6.6.温度效应温度效应 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，由温度变

19、化引起的应变片电阻变化，从而产生虚假应变的现象，称为应变片的称为应变片的温度效应温度效应。 项目二项目二 压力检测压力检测任务任务2.1 重量检测重量检测常见电阻应变式传感器：常见电阻应变式传感器：项目二项目二 压力检测压力检测v 2.1.3 应变式传感器测量电路应变式传感器测量电路 任务任务2.1 重量检测重量检测 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

20、后放大测量。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务1.31.3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。桥）还能实现温度自补偿。项目二项目二 压力检测压力检测v 1. 传感器选型传感器选型任务任务2.1 重量检测重量检测【任务实施任务实施】v 电

21、阻应变片是称重仪的关键部件，由于电阻应变片的种类和型号较电阻应变片是称重仪的关键部件，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。本设计中选用选用E350-2AAE350-2AA箔式电阻应变片，其常态阻值为箔式电阻应变片，其常态阻值为350350。将应变片采用合理。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，如图的粘贴方法粘贴在称重仪的桥臂中央位置，如图2-72-7所示，使应变片的变所示，使应变片的变形与桥臂变形一致，提高测量的准确性。形与桥臂变形一致，提高测量的准确性。项目二项目二

22、压力检测压力检测图图2-7 2-7 电阻应变式称重仪结构图电阻应变式称重仪结构图任务任务2.1 重量检测重量检测项目二项目二 压力检测压力检测v 2. 测量电路设计测量电路设计任务任务2.1 重量检测重量检测 电阻应变式称重仪电路原理如图电阻应变式称重仪电路原理如图2-82-8所示。所示。图图2-8 2-8 电阻应变式称重仪电路原理图电阻应变式称重仪电路原理图 项目二项目二 压力检测压力检测v 3. 模拟调试模拟调试任务任务2.1 重量检测重量检测 在调试过程中，应准备在调试过程中，应准备1kg1kg及及2kg2kg标准法码各一。其过程如下：标准法码各一。其过程如下： （1 1）按照电路图，将

23、各元件焊接到实验板上，并检查正确性；）按照电路图，将各元件焊接到实验板上，并检查正确性； （2 2）首先在称重托盘无负载时调整）首先在称重托盘无负载时调整R RP1P1，使显示器准确显示零；，使显示器准确显示零； （3 3）再调整）再调整R RP2P2，使托盘承担满量程重量，使托盘承担满量程重量( (本电路选满量程为本电路选满量程为2kg)2kg)时显示满量程值；时显示满量程值； （4 4）然后在托盘上放置）然后在托盘上放置1kg1kg的标准法码，观察显示器是否显示的标准法码，观察显示器是否显示1.0001.000，如有偏差，可调整，如有偏差，可调整R RP3P3值，使之准确显示值，使之准确显

24、示1.0001.000； （5 5）重新进行（）重新进行（2 2）、（）、（4 4）步骤，使之均满足要求为止；）步骤，使之均满足要求为止； （6 6）最后准确测量）最后准确测量R RP2P2、R RP3P3的电阻值，并用固定精密电阻予以代替。的电阻值，并用固定精密电阻予以代替。R RP1P1可引出表外调整。测量前先调整可引出表外调整。测量前先调整R RP1P1，使显示器回零。，使显示器回零。项目二项目二 压力检测压力检测v 1. 1. 电阻应变式传感器的温度误差及补偿方法电阻应变式传感器的温度误差及补偿方法 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，因正如前面的分析，金属电阻丝应变

25、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：补偿措施：v 1 1）单丝自补偿）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及线膨胀系数数s s，试件材料线膨胀系数，试件材料线膨胀系数g g参数来实现热输出补偿。参数来实现热输出补偿。 若要使应变片在温度变化若要使应变片在温度变化tt时的热输出值为零，必须使时的热输出值为零，必须使任务任务2.1 重量检测重量检测【知识拓展知识拓展】0)(sgK项目二项目二 压力检测压力检

26、测v 2 2）双丝自补偿）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（一种为正值，一种为负值）的金属电阻丝串接而成的，电路原理图如图如图29c29c所示。利用两种具有不同符号的电阻温度系数进行补偿的所示。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应变片结构如图2-9 a2-9 a所示，它是将两种具有不同温度系数的电阻丝所示，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。串联绕制成敏感栅。 任务任务2.1 重量检测重量检测（a a）丝绕式

27、）丝绕式 （b) b) 短接式短接式 （C C）电路图）电路图图图2-9 2-9 双丝自补偿应变片双丝自补偿应变片项目二项目二 压力检测压力检测 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，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，即随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即RR1t1t= =RR2t2t。 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，在两段电阻丝栅的合金丝串接成敏感栅，在两段电阻丝栅R R1 1和和R R2 2

28、的串接处焊出引线并的串接处焊出引线并接入电桥，如图接入电桥，如图2-9 b2-9 b所示。适当调节所示。适当调节R R1 1与与R R2 2的长度比和外接电阻的长度比和外接电阻R RB B的的值，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，使之满足条件件任务任务2.1 重量检测重量检测BttRRRRR2211项目二项目二 压力检测压力检测v3 3）桥路补偿）桥路补偿 常用的桥路补偿法是利用电桥电路的和差原理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，如图来进行温度误差补偿，如图2-102-10。任务任务2.1 重量检

29、测重量检测图图2-10 2-10 桥路补偿桥路补偿项目二项目二 压力检测压力检测v 2. 2. 电阻应变式传感器的典型应用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。元件的应变与被测量成比例关系。任务任务2.1 重量检测重量检测1 1）应变式力传感器）应变式力传感器v （1 1）柱式力传感器）柱式力传感器项目二项目二 压力检测压力检测v （2 2）环式

30、力传感器）环式力传感器任务任务2.1 重量检测重量检测（a)a)环式力传感器结构图环式力传感器结构图 （b)b)环式力传感器应力分布图环式力传感器应力分布图图图2-12 2-12 环式力传感器结构图及应力分布图环式力传感器结构图及应力分布图项目二项目二 压力检测压力检测v （3 3）悬臂梁式力传感器）悬臂梁式力传感器任务任务2.1 重量检测重量检测（a)a)等强度梁结构图等强度梁结构图 （b)b)等截面梁结构图等截面梁结构图图图2-13 2-13 悬臂粱式力传感器悬臂粱式力传感器 项目二项目二 压力检测压力检测v 2 2）应变式压力传感器）应变式压力传感器任务任务2.1 重量检测重量检测（a)

31、 a) 应变变化图应变变化图 （b) b) 应变片粘贴应变片粘贴图图2-14 2-14 膜片式压力传感器膜片式压力传感器项目二项目二 压力检测压力检测v 3 3）应变式加速度传感器）应变式加速度传感器任务任务2.1 重量检测重量检测 图图2-152-15为应变式加速度传感器为应变式加速度传感器原理图。原理图。 当被测物做水平加速度运动时，当被测物做水平加速度运动时，根据被测加速度根据被测加速度a a的方向，把传感器的方向，把传感器固定在被测部位由于质量块的惯固定在被测部位由于质量块的惯性性: :F F= =mama，悬臂梁弯曲变形，通过应，悬臂梁弯曲变形，通过应变片测出悬臂梁的应变量。当振动频

32、变片测出悬臂梁的应变量。当振动频率小于传感器的固有振动频率时，悬率小于传感器的固有振动频率时，悬臂梁的应变量与加速度成正比。臂梁的应变量与加速度成正比。 图图2-15 2-15 应变式加速度传感器应变式加速度传感器 1-1-应变片应变片 2-2-基座基座 3-3-弹性悬臂梁弹性悬臂梁 4-4-质量块质量块项目二项目二 压力检测压力检测任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测项目二项目二 压力检测压力检测【任务描述任务描述】 汽车的行驶离不开发动机的工作，发动机的工汽车的行驶离不开发动机的工作，发动机的工作是靠爆燃燃油产生的能，而汽油爆燃就需要洁净作是靠爆燃燃油产生的能，而汽

33、油爆燃就需要洁净的空气助燃，发动机进气量的大小决定了汽油爆燃的空气助燃，发动机进气量的大小决定了汽油爆燃的充分性。目前，汽车发动机吸气压力检测是检测的充分性。目前，汽车发动机吸气压力检测是检测汽车发动机进气量大小的最常用检测方法之一，对汽车发动机进气量大小的最常用检测方法之一，对于了解发动机的充气效率、燃油与空气混合比或是于了解发动机的充气效率、燃油与空气混合比或是改善发动机的动力性能、经济性能均需要测定发动改善发动机的动力性能、经济性能均需要测定发动机进气量。机进气量。 本任务主要利用压阻式压力计来完成发动机进本任务主要利用压阻式压力计来完成发动机进气量检测电路的设计和制作。气量检测电路的设

34、计和制作。任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测项目二项目二 压力检测压力检测v2.2.1 半导体材料的压阻效应半导体材料的压阻效应任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测【相关知识相关知识】 对一块半导体沿某一轴向施加一定的应力而产生应变时，它的电对一块半导体沿某一轴向施加一定的应力而产生应变时，它的电阻率会发生一定的变化，这种现象称为阻率会发生一定的变化，这种现象称为半导体的压阻效应半导体的压阻效应。 对于半导体材料而言，由材料几何尺寸变化而引起电阻的变化很对于半导体材料而言，由材料几何尺寸变化而引起电阻的变化很小，可忽略不计，而小，可忽略不计，而

35、/一项很大，也就是说，半导体材料电阻的一项很大，也就是说，半导体材料电阻的变化主要由变化主要由半导体材料电阻率的变化所造成的半导体材料电阻率的变化所造成的，这就是压阻式传感器，这就是压阻式传感器的工作原理。的工作原理。 项目二项目二 压力检测压力检测任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测 压阻式传感器电阻的变化表示为：压阻式传感器电阻的变化表示为：ERRll式中：式中： 半导体晶体纵向体压阻系数；半导体晶体纵向体压阻系数； 应力；应力； 半导体材料弹性模量；半导体材料弹性模量； 应变。应变。lE项目二项目二 压力检测压力检测v 2.2.2 压阻式传感器的结构与特性压阻式传

36、感器的结构与特性 1 1压阻式传感器结构压阻式传感器结构任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测 根据敏感栅形成的方法不同，压阻式传感器主要有三种不同类型：根据敏感栅形成的方法不同，压阻式传感器主要有三种不同类型：体型、薄膜型和扩散型三种。体型、薄膜型和扩散型三种。 图图2-16 2-16 半导体应变片结构半导体应变片结构项目二项目二 压力检测压力检测v 2.2.压阻式传感器特性压阻式传感器特性 1 1） 应变应变- -电阻特性电阻特性 任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测 以硅片以硅片N N型应变片为例，由图型应变片为例，由图2-172-17可知，

37、导体应变片应变电阻特可知，导体应变片应变电阻特性，在数百微应变内呈线性，在较大的应变范围内则出现非线性。性，在数百微应变内呈线性，在较大的应变范围内则出现非线性。图图2-17 2-17 硅片的应变硅片的应变- -电阻特性曲线电阻特性曲线项目二项目二 压力检测压力检测 2 2）电阻）电阻- -温度特性温度特性 任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测 粘贴在试件上的体型半导体应变片也和金属丝电阻应变片一样，粘贴在试件上的体型半导体应变片也和金属丝电阻应变片一样，温度引起的电阻变化为温度引起的电阻变化为tStRRRRRRsgttt)()()()(21式中：式中：敏感栅电阻温度系

38、数；敏感栅电阻温度系数； g g试件材料线膨胀系数；试件材料线膨胀系数； s s敏感栅材料线膨胀系数；敏感栅材料线膨胀系数； S S敏感栅灵敏系数；敏感栅灵敏系数； tt温度变化值。温度变化值。项目二项目二 压力检测压力检测v 2.2.3 2.2.3 压阻式传感器的测量电路压阻式传感器的测量电路 1 1恒流源供电电桥恒流源供电电桥 任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测 恒流源供电的全桥差动电路见图恒流源供电的全桥差动电路见图2-182-18。图图2-18 2-18 恒流源供电的全桥差动电路恒流源供电的全桥差动电路项目二项目二 压力检测压力检测 电桥的输出为：电桥的输出为

39、： 任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测RIRRRIRRRIUUTTBD)(21)(210 可见，电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但可见，电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。与温度无关，因此测量不受温度的影响。 项目二项目二 压力检测压力检测v 2 2零点与灵敏度温度补偿零点与灵敏度温度补偿 由于温度变化，将引起零漂和灵敏度漂移。零漂产生的原因是扩由于温度变化，将引起零漂和灵敏度漂移。零漂产生的原因是扩散电阻的阻值随温度变化而变化。灵敏度漂移是因为压阻系数随温度散电阻的阻值随温度变化而变化。灵敏度

40、漂移是因为压阻系数随温度的变化而变化。的变化而变化。 采用图采用图2-192-19所示的零漂和灵敏度漂移补偿电路，可以有效地解决所示的零漂和灵敏度漂移补偿电路，可以有效地解决零漂和灵敏度漂移问题。零漂和灵敏度漂移问题。任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测图图2-19 2-19 零漂和灵敏度漂移补偿电路零漂和灵敏度漂移补偿电路项目二项目二 压力检测压力检测v 1. 1. 传感器选型传感器选型 压阻式传感器是整个压力计的关键部件，由于压阻式传感器的种压阻式传感器是整个压力计的关键部件，由于压阻式传感器的种类和型号较多，因此，应根据电路的具体要求来选择适合的压阻式传类和型号较

41、多，因此，应根据电路的具体要求来选择适合的压阻式传感器。本任务选用感器。本任务选用MPX2050GPMPX2050GP硅压阻式传感器，其额定压力范围为硅压阻式传感器，其额定压力范围为0 00.5kg/cm20.5kg/cm2或或0 01kg/cm21kg/cm2（过压值为（过压值为2 2倍最大值），外加基准是倍最大值），外加基准是1.5mA1.5mA直流电源，额定输出电压为直流电源，额定输出电压为10010030mV30mV，失调电压为，失调电压为3mV3mV，压阻传感，压阻传感器电桥电阻为器电桥电阻为4700470030%30%。任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测【

42、任务实施任务实施】项目二项目二 压力检测压力检测v 2. 2. 测量电路设计测量电路设计 本任务中采用的压阻式传感器位于进气道（距进气阀座本任务中采用的压阻式传感器位于进气道（距进气阀座230mm230mm处），安装位置如图处），安装位置如图2-202-20所示，其测量电路原理图如图所示，其测量电路原理图如图2-212-21所示。所示。任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测图图2-20 2-20 传感器布置简图传感器布置简图项目二项目二 压力检测压力检测任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测图图2-21 2-21 压阻式传感器测量电路原理图压阻式传感

43、器测量电路原理图项目二项目二 压力检测压力检测v 3. 3. 模拟调试模拟调试 （1 1）按照电路图）按照电路图2-212-21所示，将各元件焊接到实验板上，并检查所示，将各元件焊接到实验板上，并检查正确性（考虑到是实验室模拟测试，可利用电风扇对于力敏传感器的正确性（考虑到是实验室模拟测试，可利用电风扇对于力敏传感器的作用来模拟发动机进气系统进气量的检测）；作用来模拟发动机进气系统进气量的检测）； （2 2）将）将A A3 3运算放大器输出端运算放大器输出端U UOUTOUT与毫伏表连接，接通电源与毫伏表连接，接通电源U UREFREF； （3 3）用电风扇对力敏传感器施加气场压力，因为力敏传

44、感器的核）用电风扇对力敏传感器施加气场压力，因为力敏传感器的核心是在一块圆形膜片上安装着心是在一块圆形膜片上安装着4 4个阻值相等的半导体电阻构成电桥，个阻值相等的半导体电阻构成电桥，此时在电风扇作用下，膜片两侧产生压力差，此时在电风扇作用下，膜片两侧产生压力差，4 4个电阻阻值发生变化，个电阻阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应电压，毫伏表有指示，说明电路正确电桥失去平衡，输出相应电压，毫伏表有指示，说明电路正确任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测项目二项目二 压力检测压力检测v 1.1.压阻式传感器的典型应用压阻式传感器的典型应用 1 1）扩散型压阻式压力传感器）扩

45、散型压阻式压力传感器任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测【知识拓展知识拓展】 图图2-22 2-22 压阻式压力传感器结构简图压阻式压力传感器结构简图1-1-低压腔低压腔 2-2-高压腔高压腔 2-2-硅杯硅杯 4-4-引线引线 5-5-硅膜片硅膜片项目二项目二 压力检测压力检测2 2）压阻式加速度传感器）压阻式加速度传感器 压阻式加速度传感器，它的悬臂梁直接用单晶硅制成，在硅悬梁压阻式加速度传感器，它的悬臂梁直接用单晶硅制成，在硅悬梁的自由端装有敏感质量块，在梁的根部，四个扩散电阻安装在其两面，的自由端装有敏感质量块，在梁的根部，四个扩散电阻安装在其两面，如图如图2-

46、232-23所示。所示。任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测 图图2-23 2-23 压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器1-1-基座基座 2-2-扩散电阻扩散电阻 2-2-质量块质量块 4-4-硅梁硅梁项目二项目二 压力检测压力检测v 2.2.电位器式传感器及其应用电位器式传感器及其应用 1 1）工作原理）工作原理任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测 当被测量发生变化时，通过电刷触点在电阻元件上产生移动，该当被测量发生变化时，通过电刷触点在电阻元件上产生移动，该触点与电阻元件间的电阻值就会发生变化，即可实现位移触点与电阻元件间的电阻值就会发生变

47、化，即可实现位移( (被测量被测量) )与与电阻之间的线性转换。电阻之间的线性转换。对于金属丝式电位器，由对于金属丝式电位器，由sLR 可知，当电阻丝直径与材质一定时，电阻阻值将随导线长度的变可知，当电阻丝直径与材质一定时，电阻阻值将随导线长度的变化而变化。化而变化。项目二项目二 压力检测压力检测v 2 2）结构类型）结构类型 电位器式传感器的种类很多，按输出电位器式传感器的种类很多，按输出输入关系可分为：线性和输入关系可分为：线性和非线性；按结构形式可分为：非线性；按结构形式可分为：线绕式线绕式、薄膜式薄膜式和和光电式光电式等。目前常用等。目前常用的以单圈线绕电位器居多，如图的以单圈线绕电位

48、器居多，如图2-242-24所示。所示。任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测 （a)a)直线位移型直线位移型 （b)b)角位移型角位移型 （c)c)非线性型非线性型图图2-24 2-24 电位器式传感器电位器式传感器项目二项目二 压力检测压力检测v 3 3）电位器式传感器的应用）电位器式传感器的应用 （1 1）电位器式位移传感器）电位器式位移传感器任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测图图2-25 2-25 推杆式位移传感器推杆式位移传感器图图2-262-26替换杆式位移传感器替换杆式位移传感器 1-1-外壳外壳 2-2-电位器电位器 2-2-滑动

49、件滑动件 4-4-销子销子 5-5-替换杆替换杆项目二项目二 压力检测压力检测（2 2）电位器式加速度传感器）电位器式加速度传感器任务任务2.2 汽车发动机吸气压力检测汽车发动机吸气压力检测图图2-27 2-27 替换杆式位移传感器替换杆式位移传感器1-1-惯性质量惯性质量 2-2-片弹簧片弹簧 2-2-电位器电位器 4-4-电刷电刷 5-5-阻尼器阻尼器 6-6-壳体壳体项目二项目二 压力检测压力检测任务任务2.3 大气压检测大气压检测知识分布网络大气压检测任务实施知识拓展相关知识压电传感器工作原理压电材料压电传感器测量电路传感器选型测量电路设计模拟调试玻璃破碎报警装置压电式振动加速度传感器

50、压电式测力传感器项目二项目二 压力检测压力检测 在大气层中的物体，都要受到空气分子撞击产生的压力，这个压在大气层中的物体，都要受到空气分子撞击产生的压力，这个压力称为大气压力。气压是随大气高度而变化的。海拔愈高，大气压力力称为大气压力。气压是随大气高度而变化的。海拔愈高，大气压力愈小；两地的海拔相差愈悬殊，其气压差也愈大。气象科学上的气压，愈小；两地的海拔相差愈悬殊，其气压差也愈大。气象科学上的气压，是指单位面积上所受大气柱的重量是指单位面积上所受大气柱的重量( (大气压强大气压强) )，也就是大气柱在单位，也就是大气柱在单位面积上所施加的压力。天气的变化与大气压力、湿度和温度有关，特面积上所

51、施加的压力。天气的变化与大气压力、湿度和温度有关，特别是与气压的关系更为密切。一般讲，气压升高预示天气变晴，气压别是与气压的关系更为密切。一般讲，气压升高预示天气变晴，气压下降预示天气变阴或有雨，因此我们可以通过对大气压力的监测来预下降预示天气变阴或有雨，因此我们可以通过对大气压力的监测来预报天气。报天气。 本任务利用压电传感器来检测大气压力的变化，从而预没天气变本任务利用压电传感器来检测大气压力的变化，从而预没天气变化趋势，对预报天气等有十分重要的意义。化趋势，对预报天气等有十分重要的意义。任务任务2.3 大气压检测大气压检测【任务描述任务描述】项目二项目二 压力检测压力检测v 2.3.1

52、2.3.1 压电传感器工作原理压电传感器工作原理 1 1压电效应压电效应任务任务2.3 大气压检测大气压检测【相关知识相关知识】 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应压电效应。电能压电元件机械能图图2- 28 2- 28 压电效应可逆性压电效应可逆性项目二项目二 压力检测压力检测2 2压电效应机理压电效应机

53、理 任务任务2.3 大气压检测大气压检测 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，如图天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，如图2-29a2-29a所示。石英晶体化学所示。石英晶体化学式为式为SiOSiO2 2，是单晶体结构，它是一个正六面体。，是单晶体结构，它是一个正六面体。 （a a）晶体外形）晶体外形 （b b）晶体切割）晶体切割 （c c） 石英晶片石英晶片图图2-29 2-29 石英晶体石英晶体项目二项目二 压力检测压力检测 石英晶体的压电效应与其内部结构有关，产生极化现象的机理可石英晶体的压电效应与其内部结构有关，产生极化现象的机理可用图用图2-302-30来说明。石英晶体的化学式为来说明。石英

54、晶体的化学式为SiOSiO2 2，它的每个晶胞中有，它的每个晶胞中有3 3个个硅离子和硅离子和6 6个氧离子，个氧离子，1 1个硅离子和个硅离子和2 2个氧离子交替排列个氧离子交替排列( (氧原子是成对氧原子是成对出现的出现的) )。沿光轴看去，可以等效地认为如图。沿光轴看去，可以等效地认为如图2-30a2-30a的正六边形排列结的正六边形排列结构。构。任务任务2.3 大气压检测大气压检测 （a a）晶体不受力）晶体不受力 （b b）晶体受）晶体受x x向压力（向压力（c c）晶体受）晶体受y y向压力向压力图图2- 29 2- 29 石英晶体压电效应机理石英晶体压电效应机理项目二项目二 压力

55、检测压力检测 石英晶体具有以下结构特性：石英晶体具有以下结构特性： （1 1）沿）沿X X轴、轴、Y Y 轴方向作用力时，可产生压电效应。沿轴方向作用力时，可产生压电效应。沿Z Z 轴方向轴方向施力，无压电效应。施力，无压电效应。 （2 2）不论沿）不论沿X X 轴方向还是轴方向还是Y Y 轴方向作用力，正、负电荷等效中轴方向作用力，正、负电荷等效中心只在心只在X X 轴方向移动，此为极化方向，即电荷只产生在垂直于轴方向移动，此为极化方向，即电荷只产生在垂直于X X轴的轴的两平面上。两平面上。 （3 3）沿）沿Y Y 轴方向作用拉力与沿轴方向作用拉力与沿X X 轴方向作用压力，晶胞结构变轴方向

56、作用压力，晶胞结构变形相同，因而产生的电荷极性相同。形相同，因而产生的电荷极性相同。任务任务2.3 大气压检测大气压检测项目二项目二 压力检测压力检测v 2.3.2 2.3.2 压电材料压电材料 1 1压电材料特性压电材料特性任务任务2.3 大气压检测大气压检测 压电材料的主要特性参数有：压电材料的主要特性参数有： （1 1）压电常数压电常数d d：是衡量材料压电效应强弱的参数：是衡量材料压电效应强弱的参数, , 它直接关系到它直接关系到压电输出的灵敏度。压电输出的灵敏度。 （2 2）居里点居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。

57、（3 3）介电常数介电常数r r：它决定固有电容的大小。：它决定固有电容的大小。 （4 4）电阻率电阻率：绝缘电阻将减少电荷泄漏：绝缘电阻将减少电荷泄漏, , 从而改善压电传感器的低从而改善压电传感器的低频特性。频特性。 （5 5）刚度刚度：刚度大，机械强度高，固有频率高、线性范围宽、动态：刚度大，机械强度高，固有频率高、线性范围宽、动态性能好。性能好。项目二项目二 压力检测压力检测v 2 2常见的压电材料常见的压电材料 1 1）石英晶体）石英晶体任务任务2.3 大气压检测大气压检测 石英晶体的突出石英晶体的突出优点优点是性能非常稳定，是性能非常稳定，它它2020200200的温度范围内，压电

58、常数的变的温度范围内，压电常数的变化率是化率是-0.00016/-0.00016/。石英晶体居里点为。石英晶体居里点为575 575 ，还具有自振频率高、动态响应好、机械，还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。线性范围宽等优点。 其其缺点缺点是灵敏度低、压电常数小是灵敏度低、压电常数小（d d1111=2.31=2.311010-12-12C/NC/N），因此石英晶体大多），因此石英晶体大多只在标准传感器、高精度传感器或使用温度只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中用作压电元件。较高的传感器

59、中用作压电元件。天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形项目二项目二 压力检测压力检测2 2）压电陶瓷）压电陶瓷 压电陶瓷的压电效应机理如图压电陶瓷的压电效应机理如图2-312-31所示，晶粒内有许多自发晶化所示，晶粒内有许多自发晶化的电畴，它有一定的极化方向，但是在极化处理之前，这些电畴杂乱的电畴，它有一定的极化方向，但是在极化处理之前，这些电畴杂乱分布，自发极化效应相互抵消，不具有压电性质，如图分布，自发极化效应相互抵消，不具有压电性质，如图2-31a2-31a所示。所示。 当在陶瓷上施加外加电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于当在陶瓷上施加外加电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于

60、按外电场方向排列，从而使材料得到极化，按外电场方向排列，从而使材料得到极化，如图如图2-31b2-31b所示。所示。任务任务2.3 大气压检测大气压检测 （a a）未极化）未极化 （b b）电极化）电极化图图2-312-31压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化项目二项目二 压力检测压力检测 3 3）压电高分子材料）压电高分子材料 高分子材料属于有机分子半结晶或结高分子材料属于有机分子半结晶或结晶聚合物，其压电效应较复杂，不仅要考晶聚合物，其压电效应较复杂，不仅要考虑晶格中均匀的内应变对压电效应的贡献，虑晶格中均匀的内应变对压电效应的贡献，还要考虑高分子材料中作非均匀内应变所还要考虑高分子材料中作非均匀