第3章 压力检测

1、第第3章章 压力检测压力检测n压力的概念及单位压力的概念及单位n应变式压力计应变式压力计n压电式压力传感器压电式压力传感器n电容式压力传感器电容式压力传感器n霍尔式压力计霍尔式压力计n数字式压力计数字式压力计第第3章章 压力检测压力检测 工程领域所谓工程领域所谓压力压力即物理学中的即物理学中的压强压强。是很。是很多生产过程重要的多生产过程重要的工艺参数工艺参数之一，是很多生产过之一，是很多生产过程自动化（过程控制）常见的程自动化（过程控制）常见的测控对象测控对象之一。之一。 本章简要介绍压力的概念及单位，重点讲解本章简要介绍压力的概念及单位，重点讲解应变式压力计、压电式压力传感器、电容式压力应

2、变式压力计、压电式压力传感器、电容式压力传感器、霍尔式压力计等的结构、原理及应用。传感器、霍尔式压力计等的结构、原理及应用。 3.1 压力的概念及单位压力的概念及单位n 一、压力的概念一、压力的概念: :压力是垂直而均匀地作用在单位面压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力。大小由受力面积的大小和垂直作用力的大积上的力。大小由受力面积的大小和垂直作用力的大小决定。表达式为：小决定。表达式为：n 二、压力的单位二、压力的单位 SI单位：帕斯卡（单位：帕斯卡（Pa）。）。 工程领域常用单位：工程领域常用单位： 工程大气压（工程大气压（at）；）； 标准标准大气压（大气压（atm）；）； 约定毫米汞柱

3、（约定毫米汞柱（mmHg）；约约定毫米水柱（定毫米水柱（mmH2O）。）。n常用单位与帕斯卡的换算关系常用单位与帕斯卡的换算关系（2p.189）。SFP 3.1 压力的概念及单位压力的概念及单位n三、压力的分类三、压力的分类 绝对压力绝对压力 大气压力大气压力 表压力表压力 差压差压 真空度真空度 上述各种压力的相互关系上述各种压力的相互关系 （真空度）（真空度） 压力检测常用弹性元件：压力检测常用弹性元件：弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。不同时，所用的弹性元件也不一样。 弹簧管式；弹簧管式； 式；

4、式； 波纹波纹（波登）管式（波登）管式3.2 应变式压力计应变式压力计 n3.2.1 金属应变片金属应变片 n金属应变片的金属应变片的工作原理工作原理是基于是基于金属的应变效应金属的应变效应。n金属丝的电阻值随外力作用发生机械形变（拉伸或压金属丝的电阻值随外力作用发生机械形变（拉伸或压缩）而相应改变，称为金属材料的缩）而相应改变，称为金属材料的电阻应变效应电阻应变效应。 n一段长度一段长度为为L，截面积为，截面积为S，电阻率为，电阻率为的的金属丝，受金属丝，受力前后的电阻值的变化：力前后的电阻值的变化： SLRSSLLRR3.2 应变式压力计应变式压力计n（轴向）（轴向）应变应变n径向应变径向

5、应变LLrrrLLrrKRR)21 ()21(泊松系数泊松系数E弹性模量弹性模量（Kg/mm2）应力应力fPRR)(3.2 应变式压力计应变式压力计n金属应变片分为金属应变片分为丝式应变片、箔式应变片丝式应变片、箔式应变片和和薄薄膜应变片膜应变片三类，结构与特点见三类，结构与特点见1p.34-35。n常用的应变丝的材料是常用的应变丝的材料是康铜丝康铜丝和和镍铬合金丝镍铬合金丝。n丝式丝式应变片和应变片和箔式箔式应变片的结构如图示。应变片的结构如图示。n用薄纸作为基底的应变片称为用薄纸作为基底的应变片称为纸基应变片纸基应变片；用；用有机聚合物作为基底的应变片称为有机聚合物作为基底的应变片称为胶基

6、应变片胶基应变片。 3.2 应变式压力计应变式压力计金属应变片的结构：金属应变片的结构：1- -敏感栅敏感栅2- -基底（基底（厚厚0.020.04mm）3- -引线引线4- -金属膜引线金属膜引线厚厚0.0010.01mm直径直径0.020.04mm3.2 应变式压力计应变式压力计n3.2.2 半导体应变片（压阻式传感器）半导体应变片（压阻式传感器） 半导体应变片（压阻式传感器）半导体应变片（压阻式传感器）的的工作原理工作原理是基于是基于半半导体的压阻效应导体的压阻效应。单晶半导体材料在沿某一轴向受外单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，电阻率发生力作用时，电阻率发生显著显著变化，称为变化

7、，称为半导体的压阻半导体的压阻效应效应。半导体应变片电阻的变化。半导体应变片电阻的变化主要主要是电阻率变化引是电阻率变化引起的，即起的，即 又又 ，故，故半导体压阻半导体压阻系数系数lRR)21 (EKERRll半导体应变片主要有半导体应变片主要有体体型型（如图）和（如图）和扩散型扩散型（见扩散型压阻式压力（见扩散型压阻式压力传感器）两类。传感器）两类。3.2 应变式压力计应变式压力计n与金属应变片与金属应变片相比相比，半导体应变片的，半导体应变片的主要优点主要优点是灵敏度高（是灵敏度高（12个个量级）；量级）；主要缺点主要缺点是温度是温度误差大，误差大，必须必须有补偿措施。有补偿措施。n“温

8、度误差及其补偿温度误差及其补偿”见后。见后。3.2 应变式压力计应变式压力计商品应变片商品应变片R：60、120、350、600、1000。箔式箔式应变片和应变片和薄膜薄膜应变片常制作成应变片常制作成应变花应变花3.2 应变式压力计应变式压力计n3.2.3 应变片的粘贴及温度补偿应变片的粘贴及温度补偿 n一、应变片的粘贴一、应变片的粘贴 粘贴工艺包括被测试件表面处理、贴片、质量检查、粘贴工艺包括被测试件表面处理、贴片、质量检查、焊接引线、防护与屏蔽等。（参考焊接引线、防护与屏蔽等。（参考传感器技术手册传感器技术手册）n二、温度误差及其补偿二、温度误差及其补偿 n1. .温度误差温度误差 温度误

9、差是指环境温度变化引起应变片电阻变化。原温度误差是指环境温度变化引起应变片电阻变化。原因有两方面：因有两方面：一方面一方面是应变片电阻丝的温度系数，是应变片电阻丝的温度系数，另另一方面一方面是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。n2. . 温度补偿温度补偿 电桥补偿法如图。电桥补偿法如图。一工作片一工作片, ,一补偿片；一补偿片；两个均两个均为工作片为工作片( (条件条件? ?优点优点? ?) ) 。3.2 应变式压力计应变式压力计R1RBFR1RBF3.2 应变式压力计应变式压力计n3.2.4 测量电路测量电路n1. 直流电桥直流电桥)()()(44

10、33221133224411ORRRRRRRRRRRRRRRRUUURRRRRRRRU)(43213241O时（电压跟随器？）当LR一般采用等臂电桥，即一般采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。有。有)2)(2()(432132414321ORRRRRRRRRRRRRRRUU当当 时，略去高阶小量，有时，略去高阶小量，有 RRRRRRRRUU4321O44321O4UKU电桥输出电桥输出与与应变应变近似成线性关系。近似成线性关系。)4 , 3 , 2 , 1(iiRR 电桥单臂工作：电桥单臂工作：设设R1为工作片（为工作片（补偿片补偿片接相邻桥臂），有接相邻桥臂），有RRUU4O温

11、度补偿？温度补偿？为提高灵敏度、改善非线性及得到温度补偿，实践为提高灵敏度、改善非线性及得到温度补偿，实践中常用中常用半桥差动电路半桥差动电路或或全桥差动电路全桥差动电路。3.2 应变式压力计应变式压力计 半桥差动电路：半桥差动电路：全桥差动电路：全桥差动电路：RRUU2ORRUUO温度补偿？温度补偿？温度补偿？温度补偿？UU n2. 交流电桥交流电桥为克服直流放大器的为克服直流放大器的零漂零漂问题，应变电桥常采用问题，应变电桥常采用交流电交流电桥桥（调幅？调幅？）。）。图示为图示为交流电桥交流电桥和和半桥差动应变交流电桥半桥差动应变交流电桥的一般形式。的一般形式。应变片的引线应变片的引线分布

12、电容分布电容（交流电源！）使得两桥臂应变（交流电源！）使得两桥臂应变片呈复阻抗特性，即相当于应变片并联了一个电容。片呈复阻抗特性，即相当于应变片并联了一个电容。 交流电桥交流电桥输出：输出：交流电桥平衡条件：交流电桥平衡条件： 半桥差动应变交流电桥半桥差动应变交流电桥桥臂阻抗：桥臂阻抗：取取整理可得整理可得即平衡条件：即平衡条件：4433222111j1/j1/RZRZCRZCRZUZZZZZZZZU)(43213241O3241ZZZZ4321ZZZZ24241313jjCRRRCRRR,3412RRRR。2112CCRR交流电桥交流电桥平衡调节平衡调节交流电容交流电容电桥平衡电桥平衡调节，

13、需调节，需同时有电同时有电阻可调和阻可调和电容可调。电容可调。被测应力变化引起被测应力变化引起电桥输出为电桥输出为 UZZU0O21 )Z0(0201002020101ZZZZZZZZZZZZ时令被测应力为单臂应变交流电桥输出？单臂应变交流电桥输出？全桥差动应变交流电桥输出？全桥差动应变交流电桥输出？3.2 应变式压力计应变式压力计n直流电桥的直流电桥的调零调零用电位器即可。用电位器即可。n直流电桥直流电桥的供电和调零都较简单。但是，输出信号需的供电和调零都较简单。但是，输出信号需要放大时，用直接耦合放大器（很多被测量是静态的要放大时，用直接耦合放大器（很多被测量是静态的或缓变的），有或缓变的

14、），有漂移漂移问题。问题。n为解决漂移等问题，常用为解决漂移等问题，常用交流电桥交流电桥。但是，供电（稳。但是，供电（稳频和稳幅）和调零（电位器和电容）都较复杂；输出频和稳幅）和调零（电位器和电容）都较复杂；输出为为调幅调幅信号。通常需要信号。通常需要检波检波电路。常用电路。常用相敏检波电路相敏检波电路（已集成化）。（已集成化）。n近年来，由于近年来，由于低漂移集成运放低漂移集成运放的发展，直流电桥得到的发展，直流电桥得到了了广泛应用广泛应用。n在测控实践中，为了能将传感器输出信号（一般很微在测控实践中，为了能将传感器输出信号（一般很微弱）从各种噪声中分离出来，将传感器输出信号弱）从各种噪声中

15、分离出来，将传感器输出信号调制调制（赋以一定特征），是一种（赋以一定特征），是一种常见常见做法。很多情形中，做法。很多情形中，调制是通过传感器测量电路实现的（如调制是通过传感器测量电路实现的（如交流电桥交流电桥）。）。3.2 应变式压力计应变式压力计n圆柱式力传感器（荷重传感器）圆柱式力传感器（荷重传感器） 柱形柱形筒形筒形圆柱面展开图圆柱面展开图桥路连接图桥路连接图3.2 应变式压力计应变式压力计n梁式力传感器（荷重传感器）梁式力传感器（荷重传感器） 3.2 应变式压力计应变式压力计n扭矩传感器扭矩传感器 n应变片应用实例应变片应用实例3.2.5 扩散型压阻式压力传感器扩散型压阻式压力传感器

16、采用采用N型单晶硅为传感器的型单晶硅为传感器的弹性元件弹性元件，在它上面直接蒸，在它上面直接蒸镀镀半导体应变薄膜半导体应变薄膜（敏感栅敏感栅） ，制成，制成扩散型半导体应扩散型半导体应变片变片（压阻式传感器压阻式传感器）。四个阻值相等的）。四个阻值相等的扩散型半导体扩散型半导体应变片（图示）构成应变片（图示）构成平衡电桥平衡电桥。3.2 应变式压力计应变式压力计工作原理：工作原理：膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。四个电阻在应力作用下，阻值膜片上各点产生应力。四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，发生变化，电桥电桥失去平衡，输出相应的电压

17、，电压与失去平衡，输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。膜片两边的压力差成正比。 四个电阻的配置位置：四个电阻的配置位置：按膜片上径向应力按膜片上径向应力r和切向应和切向应力力t的分布情况确定。的分布情况确定。 )31 ()1(83)3()1(832202t2202rrrhPrrhP设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。 n扩散型压阻式压力传感器特点：扩散型压阻式压力传感器特点：n优点优点: : 体积小，结构比较简单，动态体积小，结构比较简单，动态响应好，灵敏度高，能测出十几帕的响应好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞

18、后和蠕变小，微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。频率响应高，便于生产，成本低。n测量准确度受到非线性和温度的影响。测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。对非线性和温度进行补偿。 扩散硅压力变送器扩散硅压力变送器3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器 n3.4.1 压电效应压电效应 某些物质在某方向受压力或拉力作用产生形变时，表某些物质在某方向受压力或拉力作用产生形变时，表面会产生电荷。外力撤消后，又回到不带电状态。这面会产生电荷。外力撤消后，又回到不带电状态。这种现象称为（正）种现

19、象称为（正）压电效应压电效应。具有压电效应的物质称。具有压电效应的物质称为为压电材料压电材料，如天然的石英晶体，人造的压电陶瓷等。，如天然的石英晶体，人造的压电陶瓷等。 逆压电效应（电致伸缩效应）？逆压电效应（电致伸缩效应）？ n一、石英晶体的压电效应一、石英晶体的压电效应 下图为天然结构的石英晶体外形和石英晶体切片。下图为天然结构的石英晶体外形和石英晶体切片。 天然石英晶体外形天然石英晶体外形石英晶体切片石英晶体切片双面镀银并封装双面镀银并封装石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振）3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器X轴：电轴或轴：电轴或1轴轴Y轴：机械轴或轴：机械轴或2轴轴Z轴：

20、光轴或轴：光轴或3轴轴 纵向压电效应纵向压电效应：沿电轴（：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生轴）方向的力作用下产生电荷。电荷。横向压电效应横向压电效应：沿机械轴（：沿机械轴（Y轴）方向的力作轴）方向的力作用下产生电荷。用下产生电荷。沿光轴（沿光轴（Z轴）方向轴）方向的力作用下的力作用下不产不产生压电效应。生压电效应。石英晶体的压电效应：石英晶体的压电效应：3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器n当切片在沿当切片在沿X轴的方向上受到压轴的方向上受到压力力Fx作用时，晶体切作用时，晶体切片将产生厚度变形，并在与片将产生厚度变形，并在与X轴垂直的平面上产生电轴垂直的平面上产生电荷荷Qx，它的大小为

21、：，它的大小为： X11XFdQ压电系数压电系数石英：石英：C/N1031. 21211d3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器n电荷的极性电荷的极性 3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器n二、压电效应的物理解释二、压电效应的物理解释 3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器n3.4.2 压电材料压电材料 n一、压电晶体一、压电晶体 石英晶体石英晶体 水溶性压电晶体水溶性压电晶体 铌酸锂晶体铌酸锂晶体 n二、压电陶瓷二、压电陶瓷 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 锆钛酸铅系压电陶瓷锆钛酸铅系压电陶瓷 铌酸盐系压电陶瓷铌酸盐系压电陶瓷 铌镁酸铅压电陶瓷铌镁酸铅压电陶瓷 n三、压电半导体三、压电

22、半导体 C/N10)900800(1233d与石英比较？与石英比较？在压电式传感器中，常将两片或多片压电片叠压在一起在压电式传感器中，常将两片或多片压电片叠压在一起后后并联并联或或串联串联使用。使用。并联并联输出电荷大，电容大，时间常数大。适于测量慢变输出电荷大，电容大，时间常数大。适于测量慢变信号并且以电荷为输出量。信号并且以电荷为输出量。串联串联输出电压大，电容小。适于以电压为输出量，且测输出电压大，电容小。适于以电压为输出量，且测量电路输入阻抗很高。量电路输入阻抗很高。000,nCCuunQQ并联：nCCnuuQQ/,000串联：3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器n3.4.3 测量

23、电路测量电路n等效电路等效电路 n压电传感器输出信号微弱，且内阻很高（压电传感器输出信号微弱，且内阻很高（Ra1010），需用），需用前置放大器前置放大器。 n前置放大器前置放大器作用作用：放大压电传感器输出的微弱信号；放大压电传感器输出的微弱信号；是是阻抗变换。阻抗变换。3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器n一、电压放大器一、电压放大器n压电传感器接到电压放大器的等效电路如图示。压电传感器接到电压放大器的等效电路如图示。 uiuiuououu3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器tUtCFutFFmammsinsindsinmicammmicamaUCCCFRFRFUCCCRRFUCC

24、RRFudd)(1d)(1d)(j1jd020im222imi1),(0icaCCCR) 3(10(幅值幅值)3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器n不能用于静态测量。不能用于静态测量。n高频响应好。高频响应好。nUi与与Cc有关。改变电缆长度，需重新校准。有关。改变电缆长度，需重新校准。n电缆不能太长。电缆长，电缆不能太长。电缆长，Cc大，传感器的电压灵敏度大，传感器的电压灵敏度低。低。n与与电荷放大器电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠。工作可靠。n解决电缆问题的办法是将放大器与传感器装在一起解决电缆问题的办法是将放大器与传感器装在一起（

25、电缆极短，（电缆极短， Cc趋于零），组成趋于零），组成一体化传感器一体化传感器。3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器n如果如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的测量回路的时间常数时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就了扩大传感器的低频响应范围，就必须必须尽量提高回路尽量提高回路的时间常数。的时间常数。n但这但这不能不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的因为传感器的电压灵敏度电压灵敏度与电容成反比的，与电容成反比的，切实可

26、行切实可行的办法的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，缘电阻一般都很大，所以所以，测量回路的电阻主要取决，测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。越好。3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器n二、电荷放大器二、电荷放大器 n电荷放大器是有反馈电容的高增益运算放大器，它的输入信电荷放大器是有反馈电容的高增益运算放大器，它的输入信号是压电传感器产生的电荷。当号是

27、压电传感器产生的电荷。当略去泄漏电阻略去泄漏电阻，且，且放大器输放大器输入电阻趋于无穷大入电阻趋于无穷大时，它的等效电路如图所示。时，它的等效电路如图所示。 Q3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器QCQKCCCCQKuFFicao) 1(1K放大器的开环增益优点：优点：uo与与Cc无关，且正比于无关，且正比于Q。Rf（1081010）提供直流负反馈通路，以减小）提供直流负反馈通路，以减小零漂，使放大器工作稳定。零漂，使放大器工作稳定。3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器 电荷放大器电荷放大器 商品化的电荷放大器？商品化的电荷放大器？3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器n3.4.4

28、压电式压力及力传感器压电式压力及力传感器 压电式压力传感器可测压力压电式压力传感器可测压力104108Pa，频率几，频率几Hz几几十十kHz（甚至上百（甚至上百kHz）。）。 三维（轴、向）三维（轴、向）压电式单向测力传感器压电式单向测力传感器3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器 压电式压力传感器压电式压力传感器消除振动加速度影响的压电式消除振动加速度影响的压电式压力传感器压力传感器压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析跑台压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析压电式纵跳训练分析压电传感器测量双腿跳压电传感器测量双腿跳的动态力的动态力煤

29、气灶电子点火装置煤气灶电子点火装置n图示为煤气灶电子点火图示为煤气灶电子点火装置，由高压跳火来点装置，由高压跳火来点燃煤气。将开关往里压，燃煤气。将开关往里压，气阀打开；开关旋转，气阀打开；开关旋转，弹簧往左压。此时，弹弹簧往左压。此时，弹簧有一很大的力撞击压簧有一很大的力撞击压电晶体，高压放电，燃电晶体，高压放电，燃烧盘点火。烧盘点火。n打火机？打火机？压电引信压电引信( (引爆引爆) )n压电引信结构图如图压电引信结构图如图(a)所示。早期的所示。早期的40火箭筒引信如图火箭筒引信如图(b)所所示，平时内外电极开路，当火箭筒撞击时，内外电极短路引示，平时内外电极开路，当火箭筒撞击时，内外电

30、极短路引爆。改进的压电引信原理如图爆。改进的压电引信原理如图(c)所示，当火箭筒撞击时，压所示，当火箭筒撞击时，压电晶体产生电荷，使电发火管打火，从而引爆。电晶体产生电荷，使电发火管打火，从而引爆。 集成压电式传感器简介集成压电式传感器简介: : 是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击

31、能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。典型应用：典型应用：脉搏计数探测；按键键盘，触摸键盘；振脉搏计数探测；按键键盘，触摸键盘；振动、冲击、碰撞报警；振动加速度测量；管道压力波动、冲击、碰撞报警；振动加速度测量；管道压力波动；机电转换、动态力检测等。动；机电转换、动态力检测等。 高分子压电薄膜和电缆高分子压电薄膜和电缆 电缆电缆压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器 玻璃打碎报警器玻璃打碎报警器 将高分子压电薄膜制作的玻璃打碎报警传感器

32、贴将高分子压电薄膜制作的玻璃打碎报警传感器贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。将电压信号传送给集中报警系统。 粘贴位置粘贴位置高分子压电薄膜制作的压电扬声器（逆压电效应）高分子压电薄膜制作的压电扬声器（逆压电效应）高分子压电电缆用于交通监测高分子压电电缆用于交通监测将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据收费站地磅、

33、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。信息采集（道路监控）及机场滑行道等。演示演示将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。3.5 电容式压力传感器电容式压力传感器 3.5.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理n电容式传感器有三种基本类型：电容式传感器有三种基本类型：变极距型变极距型、变面积变面积型型、变

34、介电常数型变介电常数型。 一、变极距型电容传感器一、变极距型电容传感器 边缘效应边缘效应? ?dSC3.5 电容式压力传感器电容式压力传感器 二、变面积型电容传感器二、变面积型电容传感器 三、变介电常数型电容传感器三、变介电常数型电容传感器3.5 电容式压力传感器电容式压力传感器 电容压力电容压力/ /差压变送器差压变送器3.5 电容式压力传感器电容式压力传感器 3.5.2 差动电容传感器差动电容传感器 通常，通常，变极距型变极距型变面积型变面积型0dd 实践中，常用实践中，常用差动电容传感器差动电容传感器，既，既提高提高了灵敏度，了灵敏度，又又改善改善了非线性。了非线性。n非差动：非差动：d

35、ddCddCddddddCddddCdSddSCCC 00003020000000002121)()()11(、0dd 00dSC灵敏度及非线性的证明（以变极距型为例）：灵敏度及非线性的证明（以变极距型为例）：初始电容为初始电容为取取 ，非线性误差，非线性误差( (一般取最大项一般取最大项) )为为( (25)%)%。 2 . 01 . 0/0dd非线性项为非线性项为2次项次项k3.5 电容式压力传感器电容式压力传感器n差动：差动：dddCddCddddddCCCC00005030002122)()(2非线性项为非线性项为3次项次项故故：灵敏度为：灵敏度为2倍；非线性显著改善。倍；非线性显著改

36、善。k3.5 电容式压力传感器电容式压力传感器 n3.5.3 测量电路测量电路n一、交流电桥一、交流电桥（调幅？）（调幅？） 专用集成测量电路，专用集成测量电路，如如MS3110，31p.583.5 电容式压力传感器电容式压力传感器 电容电容变化变化交流交流电压电压变化变化初始初始电电桥桥平平衡衡交流交流电压电压放大放大检出检出直流直流电压电压滤掉滤掉交流交流分量分量直流直流电电压压输输出出交流电桥测量电路：交流电桥测量电路：3.5 电容式压力传感器电容式压力传感器 n二、差动脉冲调宽电路二、差动脉冲调宽电路 n差动脉冲调宽电路属差动脉冲调宽电路属脉冲调制电路脉冲调制电路。它利用对。它利用对传

37、感器电容充放电使输出脉冲的宽度随电容量传感器电容充放电使输出脉冲的宽度随电容量的变化而变化，再经的变化而变化，再经低通滤波器低通滤波器可得对应被测可得对应被测量变化的量变化的直流信号直流信号。n输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。 UCCCCU212103.5 电容式压力传感器电容式压力传感器差动脉冲调宽电路原理图差动脉冲调宽电路原理图3.5 电容式压力传感器电容式压力传感器n差动脉冲调宽电路各点差动脉冲调宽电路各点电压波形电压波形n差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路优点优点3.5 电容式压力传感器电容式压力传感器正半周时正半周时 C1充电充电;负半周

38、时负半周时C1通过通过RL放电（放电（iL1）。另一）。另一半类似。半类似。C1=C2iL1=iL2UL=0。C1C2iL1iL2UL0。UL（ C1-C2 ）。）。三、二极管双三、二极管双T交流电桥交流电桥高频方波高频方波)()()2()(212LLL21LLLCCTuRRRRRRIIRRRRUCC3.5 电容式压力传感器电容式压力传感器n四、调频电路四、调频电路 将电容式传感器接入高频振荡器的将电容式传感器接入高频振荡器的LC回路中，回路中，当被测量使电容变化时，振荡频率也相应变化，当被测量使电容变化时，振荡频率也相应变化，故称为故称为调频电路调频电路。 ffCCCCLLCf00i1)(2

39、1213.5 电容式压力传感器电容式压力传感器 优缺点优缺点? ?C2=C3C电压跟随器电压跟随器？ 调频电路原理图：调频电路原理图：Ci为为寄生电容寄生电容3.5 电容式压力传感器电容式压力传感器 调频电路框图：调频电路框图：限幅器限幅器调频调频放大器放大器3.5 电容式压力传感器电容式压力传感器n五、运算放大器五、运算放大器 n将电容式传感器接入运算放大器中，作为电路将电容式传感器接入运算放大器中，作为电路的反馈元件构成的测量电路如图所示。的反馈元件构成的测量电路如图所示。n 以以Cx=S/d 代入，得：代入，得：n上式表明，输出电压与上式表明，输出电压与d是是线性关系线性关系。 UCCU

40、CCUXXO)/(j1)/(j1dSCUUO 消除边缘效应消除边缘效应: : 边边缘缘电电 场场均均 匀匀 电电 场场3321带有等位环的平板电容传感器原理带有等位环的平板电容传感器原理1、2 极板极板 3等位环（保护环）等位环（保护环）3.5 电容式压力传感器电容式压力传感器3.5.4 电容式压力传感器电容式压力传感器n一、电容式差压传感器一、电容式差压传感器 1隔离膜片隔离膜片2、7固定电极（金属镀膜）固定电极（金属镀膜）3硅油硅油4测量膜片（动电极）测量膜片（动电极）5玻璃层玻璃层6底座底座8引线引线特点：特点：灵敏度高，线性好，灵敏度高，线性好，减小了介电常数受温度影响减小了介电常数受

41、温度影响引起的不稳定性。引起的不稳定性。3.5 电容式压力传感器电容式压力传感器n二、变面积式压力传感器二、变面积式压力传感器p电容式压力传感器电容式压力传感器3.5 电容式压力传感器电容式压力传感器n三、荷重传感器三、荷重传感器习题：习题： 1. 请证明差动变极距式电容传感器的请证明差动变极距式电容传感器的 灵敏度是非差动灵敏度是非差动式的式的2倍（设倍（设 ），且非线性也显著改善。），且非线性也显著改善。0dd 讨论题：讨论题：1. 用电容传感器检测水果质量（无损检测）？自动分级？用电容传感器检测水果质量（无损检测）？自动分级？2. 用电容传感器设计老人跌倒自动报警器？用电容传感器设计老人

42、跌倒自动报警器？3. 用用电容传感器设计触摸开关或接近开关？电容传感器设计触摸开关或接近开关？3.6 霍尔式压力计霍尔式压力计 3.6.1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件n霍尔效应（霍尔效应（N型半导体）型半导体）n霍尔元件的特性常用霍尔元件的特性常用 灵敏灵敏度度KH表表示，示， IBKUHHdRKHHdIBRnedIBUHH电子浓度电子浓度霍尔系数霍尔系数420.1mm3测量原理测量原理？控制电极控制电极霍尔电极霍尔电极3.6 霍尔式压力计霍尔式压力计n因建立霍尔效应的时间极短（因建立霍尔效应的时间极短（10-1210-14s），故控制），故控制电流用电流用直流直流或或交流交流都可以

43、，交流都可以，交流频率可达几频率可达几GHz。若若控制电流是交流，控制电流是交流， ，则霍尔电势也是交，则霍尔电势也是交流，流， 。 I和和UH 都是都是有效值有效值。n霍尔元件有几种霍尔元件有几种副效应副效应，会带来测量误差。测量精度，会带来测量误差。测量精度要求高时，可通过适当的测量方法和数据处理方法来要求高时，可通过适当的测量方法和数据处理方法来消除或减小副效应的影响。消除或减小副效应的影响。n控制电流用交流，可减小部分副效应的影响，必要时控制电流用交流，可减小部分副效应的影响，必要时还可实现还可实现调制调制（作用？）。实践中（作用？）。实践中控制电流也常用交控制电流也常用交流。流。tI

44、Isin0tBIKIBKUsin0HHH3.6 霍尔式压力计霍尔式压力计nB0.5T时，线性较好。时，线性较好。n霍尔元件封装形式：霍尔元件封装形式： 直插式（电极引直插式（电极引线在一边）；线在一边）；贴片式。（外形有多种）贴片式。（外形有多种）n霍尔集成电路（内含霍尔元件、运放等电霍尔集成电路（内含霍尔元件、运放等电路）：路）：线性线性霍尔集成电路（精度霍尔集成电路（精度高，高， ）；）；开关型开关型霍尔集成电路霍尔集成电路（磁控开关，有单稳和双稳，无触点）。（磁控开关，有单稳和双稳，无触点）。n常见应用：磁场（如常见应用：磁场（如高斯计高斯计）、位移、转）、位移、转速、功率、磁性物体探测、磁控开关、汽速、功率、磁性物体探测、磁控开关、汽油机点火器、无刷直流电动机等。油机点火器、无刷直流电动机等。iBUH开关型霍耳开关型霍耳集成电路集成电路3.6 霍尔式压力计霍尔式压力计n为了获得较大的霍尔电势输出，可为了获得较大的霍尔电势输出，可输出叠加输出叠加。n霍尔元件可霍尔元件可直流直流供电或供电或交流交流供电供电 。3.6 霍尔式压力计霍尔式压力计n霍尔元件可霍尔元件可恒流恒流供电或供电或恒压恒压供电。供电。