第3章 压力检测

1、压力检测压力检测1第第3章章 压力检测压力检测 测量上所称的压力就是物理学中的压强，它是反映物测量上所称的压力就是物理学中的压强，它是反映物质状态的一个重要参数。质状态的一个重要参数。压力检测压力检测2常用的测量压力的仪表按工作原理大致可分为四大类：常用的测量压力的仪表按工作原理大致可分为四大类：1.液柱式压力计液柱式压力计根据流体静力学原理,把被测压力转换成液柱高度。利用这种方法测量压力的仪表有U形管压力计，倒U型压差计，单管压力计和斜管压力计等。2.活塞式压力计活塞式压力计根据液体传递压力的原理,将被测量压力换成活塞面积上所加平衡砝码的重量,活塞式压力计一般被作为标准仪器用来对弹簧管压力计

2、进行校验和刻度。压力检测压力检测33.弹簧式压力计弹簧式压力计根据弹性元件受力变形的原理,将被测压力转换成位移,利用这种方法测量的仪表主要有弹簧管压力计等.4.电气式压力计电气式压力计将被测压力转换成各种电参数，根据电参数的大小而实现压力的间接测量。压力检测压力检测41. 1.电子称电子称原理原理将物品重量通过悬臂梁转将物品重量通过悬臂梁转化为结构变形，再通过应化为结构变形，再通过应变片转化为电量输出。变片转化为电量输出。应用实例压力检测压力检测52. 2.桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量可用来判断桥梁结构安全状况，对重要桥梁通常每年进行一桥梁固有频率测量可用来判断桥梁结构安全

3、状况，对重要桥梁通常每年进行一次测量。当桥梁固有频率发生变化时，说明桥梁结构有变化，应进行仔细的结次测量。当桥梁固有频率发生变化时，说明桥梁结构有变化，应进行仔细的结构安全检查。构安全检查。 应用实例压力检测压力检测63.高分子压电电缆高分子压电电缆应用实例 将高分子压电电缆埋在公路上，用于车速监测、收费站地磅、将高分子压电电缆埋在公路上，用于车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）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。及机场滑行道等。压力检测压力检测7高分子压电电缆的应用演示高分子压电电缆的应用演示 将两根高分子压电电缆相距

4、若干米，平行埋设于柏油公路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的路面下约5cm5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并，可以用来测量车速及汽车的载重量，并可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距等），并根据可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距等），并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。 压力检测压力检测8本章学习要求：本章学习要求： 1.理解压力的概念。理解压力的概念。 2.掌握掌握应变式、压电式、电容式、霍尔式应变式、压电式、电容式、霍尔式压力传感器的压力传感器的 工作原理、测量方法及应用、误差分析及补偿等。工作原

5、理、测量方法及应用、误差分析及补偿等。 3.了解其它压力传感器。了解其它压力传感器。主要参考书：主要参考书： 1.刘笃任刘笃任. 传感器应用技术传感器应用技术M.西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社,2003. 2.王俊峰王俊峰. 现代传感器应用技术现代传感器应用技术M.机械工业出版社机械工业出版社,2006.压力检测压力检测93.1 压力的概念及单位压力的概念及单位压力压力:垂直而均匀地作用在单位面积上的力。垂直而均匀地作用在单位面积上的力。它的大小由两个因素它的大小由两个因素 所决定，即垂直作用力和受力面积的大小，数学式表示为：所决定，即垂直作用力和受力面积的大小，数学式表示为：式

6、中式中: :压力（压力（PaPa） 均匀垂直作用力（均匀垂直作用力（N N） 受力面积（受力面积（m m2 2）SF1Pa = 110-3KPa = 110-6MPa国际单位制中定义压力的单位国际单位制中定义压力的单位: :1N的力的力垂直而均匀地作用在垂直而均匀地作用在1m2面积上所形成的压力面积上所形成的压力，称为称为牛顿牛顿/ /米米2 2（N/mN/m2 2），简称），简称“帕帕”，符号，符号“PaPa” 。一、压力的概念一、压力的概念压力检测压力检测101.工程大气压工程大气压( kgf/cmkgf/cm2 2 ,符号符号atat ) ： 1kg力垂直作用在力垂直作用在1cm2面积上

7、产生的压力。面积上产生的压力。 2.标准大气压标准大气压(atmatm) ： 维度维度450的海平面上的海平面上0时的平均大气压力。时的平均大气压力。3.约定毫米汞柱约定毫米汞柱(mmHgmmHg) ： 0时时1mm高的水银柱在高的水银柱在1cm2底面上产生的压力。底面上产生的压力。 4.约定毫米水柱约定毫米水柱(mmHmmH2 2O O)： 4时时1mm高的水柱在高的水柱在1cm2底面上产生的压力。底面上产生的压力。 其它常用压力单位其它常用压力单位压力检测压力检测11二、压力的几种表示形式二、压力的几种表示形式 压力通常可表示为压力通常可表示为绝对压力绝对压力、表压表压、负压负压(或真空度

8、或真空度)。 绝对压力绝对压力: :相对于绝对真空所测得的压力。相对于绝对真空所测得的压力。 表压力（表压）表压力（表压）: :相对于大气压力的差压相对于大气压力的差压, ,绝对压力和大气绝对压力和大气压力之间的差压。工业上所用压力指示值多数为表压。压力之间的差压。工业上所用压力指示值多数为表压。 负压负压: :低于大气压力时的表压，简称负压，又称真空度。低于大气压力时的表压，简称负压，又称真空度。压力检测压力检测12三三、电气式压力传感器的类别、电气式压力传感器的类别 应变式应变式 压电式压电式 电容式电容式 霍尔式霍尔式 电位器式电位器式 电感式电感式 振弦式等振弦式等压力检测压力检测13

9、 应变：应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。3.2 应变式压力计应变式压力计 应变式压力计：应变式压力计： 应变式压力计是利用应变式压力计是利用电阻应变效应电阻应变效应做成的传感器，它的核做成的传感器，它的核心元件是心元件是电阻应变片电阻应变片。 它是将电阻应变片粘贴在测量压力的弹性元件表面上，当它是将电阻应变片粘贴在测量压力的弹性元件表面上，当被测压力变化时，弹性元件内部应力变化产生变形，这个被测压力变化时，弹性元件内部应力变化产生变形，这个变形应力使应变片的电阻值产生变化，根据所测电阻变化变形应力使应变片的电阻值产生变化，根据所测电阻变

10、化的大小来测量未知压力。的大小来测量未知压力。 应用：应用： 广泛用于压力、力、力矩、加速度、频率、重量等参数广泛用于压力、力、力矩、加速度、频率、重量等参数的测量。的测量。压力检测压力检测143.2.1 3.2.1 电阻应变效应电阻应变效应 lRS 应变效应：应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械形变时，其电阻值发生的变化，称为电阻应变效应。械形变时，其电阻值发生的变化，称为电阻应变效应。 原理分析：原理分析： 未受力时未受力时: :设有一根长度为设有一根长度为L L，截面积为，截面积为S S，电阻率为，电阻率为e e的的电阻丝，电阻值为：电

11、阻丝，电阻值为： 压力检测压力检测15 受力后：受力后：若在拉力作用下，应变电阻栅随弹性元件变化产若在拉力作用下，应变电阻栅随弹性元件变化产生伸长变形生伸长变形LL，由于长度，由于长度L L变长，电阻丝截面积变长，电阻丝截面积S S将缩小。将缩小。上述两种变形将使得电阻栅每段电阻丝的电阻产生变化。上述两种变形将使得电阻栅每段电阻丝的电阻产生变化。FFLL+dL2r2(r-dr)压力检测压力检测16灵敏系数大灵敏系数大; ; 温度系数小温度系数小; ; 电阻率和机械强度高电阻率和机械强度高; ; 工艺性能好工艺性能好。常用的敏感元件材料是康铜（铜镍合金）、镍铬合金、常用的敏感元件材料是康铜（铜镍

12、合金）、镍铬合金、铁铬铝合金、铁铬铝合金、 铁镍铬合金等。铁镍铬合金等。应变电阻材料应满足要求：应变电阻材料应满足要求：压力检测压力检测173.2.2 3.2.2 电阻应变片电阻应变片定义定义: : 能将机械构件上的应变转换为电阻变化的传感元件。能将机械构件上的应变转换为电阻变化的传感元件。结构：结构：应变式压力计由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。应变式压力计由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。分类分类: :材料不同材料不同: : 分为分为金属电阻应变片金属电阻应变片和和半导体电阻应变片半导体电阻应变片。压力检测压力检测18 结构结构: : 由基体材料、金属应变丝由基体材料、金属应变丝 或应变箔、绝

13、缘保护片和或应变箔、绝缘保护片和 引出线等部分组成。引出线等部分组成。一、金属电阻应变片一、金属电阻应变片 常见形式：金属丝式、箔式、薄膜式等。丝式应变片是最早常见形式：金属丝式、箔式、薄膜式等。丝式应变片是最早应应用的品种。用的品种。 压力检测压力检测19二、半导体电阻应变片二、半导体电阻应变片 1、P型单晶硅条型单晶硅条 2、内引线、内引线3、焊接电极、焊接电极 4、引线、引线 5、基底、基底半导体的半导体的压阻效应压阻效应：对半导体施加压力时，其：对半导体施加压力时，其电阻率电阻率随应力随应力发生变化。发生变化。压力检测压力检测20半导体应变片特点半导体应变片特点优点优点: : 灵敏度高

14、。比金属应变片的灵敏度约大灵敏度高。比金属应变片的灵敏度约大5050100100倍。倍。 体积小，耗电省。体积小，耗电省。 机械滞后小，可测量静态应变、低频应变等。机械滞后小，可测量静态应变、低频应变等。缺点：缺点： 非线性严重。非线性严重。压力检测压力检测213.2.3 3.2.3 转换电路转换电路应变片应变片R R1 1将被测试件的应变将被测试件的应变 转换成电阻的相对变化转换成电阻的相对变化 R R1 1/R/R1 1，还需进一步转换成电压或电流信号才能用电测仪表测量。还需进一步转换成电压或电流信号才能用电测仪表测量。常识：常识：电阻应变片工作时电阻应变片工作时, , 其电阻变化很微小。

15、其电阻变化很微小。引起的不平衡电压极小引起的不平衡电压极小, , 不能用来直接不能用来直接驱动指示仪表驱动指示仪表, , 故需要对其放大。一般故需要对其放大。一般放大器的放大器的输入阻抗要比测量电桥的内阻输入阻抗要比测量电桥的内阻高得多高得多，可认为电桥输出端处于开路状态。，可认为电桥输出端处于开路状态。压力检测压力检测22由图中可知：由图中可知：142303412()()abR RR RUUURRRR电桥平衡时电桥平衡时I If f=0,=0,有有311423240RRR RR RRR或 仪表的调零仪表的调零状态状态压力检测压力检测23 设设R1为电桥工作臂为电桥工作臂, R2、R3 、R4

16、均为固定桥臂。均为固定桥臂。 起始状态，起始状态， ,电桥平衡，此时电桥平衡，此时U0=Usc=0。R1 R1R3R4R2bUcda放大器Usc1.单臂工作电单臂工作电桥电路桥电路1324RRRR压力检测压力检测24 设n= ，考虑到起始平衡条件 ，并略去分母中的 项，得输出电压：12RR3412RRRR11RR0211(1)UnURnR4123110124113(1)(1)(1)RRRRRRUURRRRRRR1 R1R3R4R2bUcda放大器Usc 若受力后电阻发生应变若受力后电阻发生应变, 其值阻变化其值阻变化R1， 电桥输出电压为电桥输出电压为：1021(1)nRUUnR压力检测压力检

17、测250021111110(1)uUUUnKURRRnRRRKu称为电桥的电压灵敏度。称为电桥的电压灵敏度。应变片电阻相对变化率一定时，应变片电阻相对变化率一定时， Ku愈大，电桥输出电压愈愈大，电桥输出电压愈大，电桥愈灵敏。大，电桥愈灵敏。提高灵敏度的措施 选择适当的桥臂比选择适当的桥臂比n n。提高电源电压，但它受应变片允许功耗的限制。提高电源电压，但它受应变片允许功耗的限制。灵敏度的确定压力检测压力检测26当当n=1n=1时，电桥电压灵敏度最高。单臂工作电桥输出电压和时，电桥电压灵敏度最高。单臂工作电桥输出电压和灵敏度为：灵敏度为：114oRUURUKu41单臂工作时由单臂工作时由 可知

18、：可知：当电源电压及电阻相对变化率一定时，电桥的输出电压当电源电压及电阻相对变化率一定时，电桥的输出电压和灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。和灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。1021(1)nRUUnR结论压力检测压力检测27由于使用单臂工作时，系统存在非线性误差和温度误差，由于使用单臂工作时，系统存在非线性误差和温度误差，为了消除误差，常采用半桥或全桥电路。为了消除误差，常采用半桥或全桥电路。9半桥差动电路UR1+R1R2-R2 在试件上安装两个工作应变片，在试件上安装两个工作应变片，一个受拉力，一个受压力，接入一个受拉力，一个受压力，接入电桥相邻桥臂，称为半桥电路，电桥相邻桥臂，称为半桥电路，该电

19、桥输出电压为：该电桥输出电压为：224112234()oRRRUURRRRRR 2.半桥半桥（双臂工作电桥）（双臂工作电桥）电路电路压力检测压力检测289U若若R1=R2, R1=R2, R3=R4, R1=R2, R1=R2, R3=R4, 又称为又称为差分电桥差分电桥，输出电压输出电压和灵敏度为：和灵敏度为：112oRUUR2UUK11RR差分差分电桥电桥U U0 0与与 呈线性关系，呈线性关系，差分电桥没有差分电桥没有非线性误差非线性误差。电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度K KU U=U/2=U/2，比单臂工作时提高一倍。，比单臂工作时提高一倍。同时还具有温度补偿。同时还具有温度补偿。结论压

20、力检测压力检测293.3.全桥电路全桥电路 在试件上安装四个工作应变片，两个受拉应变，两个受在试件上安装四个工作应变片，两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。差动电路。9全桥差动电路R1+R1R2-R2R4+R4R3-R3U压力检测压力检测30若若R1=R2=R3=R4R1=R2=R3=R4，且，且R1=R2=R3=R4R1=R2=R3=R4，则输出电压和，则输出电压和灵敏度为：灵敏度为：11oRUURUKU结论全桥差动电路不仅没有非线性误差，且电压灵敏度是单臂全桥差动电路不仅没有非线性误差，且电压

21、灵敏度是单臂测量时的测量时的4 4倍。同时也具有温度补偿作用。倍。同时也具有温度补偿作用。压力检测压力检测31一、应变片的粘贴一、应变片的粘贴 粘合剂的性能及粘合工艺的质量影响应变片的工作特性。粘合剂的性能及粘合工艺的质量影响应变片的工作特性。 要选择合适的粘合剂和正确的粘结工艺。要选择合适的粘合剂和正确的粘结工艺。1.1.对粘合剂要求对粘合剂要求: : (1) (1) 有一定的粘结强度。有一定的粘结强度。 (2) (2) 能准确传递应变。能准确传递应变。 (3) (3) 蠕变小。蠕变小。 (4) (4) 机械滞后小。机械滞后小。 (5) (5) 耐疲劳性能好。耐疲劳性能好。 (6) (6)

22、具有足够的稳定性能。具有足够的稳定性能。 (7) (7) 对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用。对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用。 (8) (8) 有适当的储存期。有适当的储存期。 (9) (9) 应有较大的温度使用范围。应有较大的温度使用范围。3.2.43.2.4 电阻应变片的粘贴及温度补偿电阻应变片的粘贴及温度补偿压力检测压力检测32二、温度误差及其补偿二、温度误差及其补偿1tRtR 问题引出 解决方法电桥补偿法电桥补偿法 敏感栅的金属电阻本身随温度发生变化：敏感栅的金属电阻本身随温度发生变化：试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一致，试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一致，使应变丝产生

23、使应变丝产生附加变形附加变形而造成的电阻变化。而造成的电阻变化。压力检测压力检测331. 1.电桥补偿法电桥补偿法由于由于R R1t1t和和R Rbtbt相同，根据电路理论可知：当相邻桥臂有相同，根据电路理论可知：当相邻桥臂有等量变化时，对输出没有影响，即输出电压与温度无关。等量变化时，对输出没有影响，即输出电压与温度无关。补偿件与试件温度相同，但不承受形变。补偿件与试件温度相同，但不承受形变。注意补偿片补偿片R Rb b与应变片与应变片R R1 1特性相同；特性相同；工作应变片工作应变片试件试件补偿片补偿片补偿件补偿件（1）补偿片法压力检测压力检测34工作片、补偿片贴在同一试件上，两者感受的

24、应变符号相反。工作片、补偿片贴在同一试件上，两者感受的应变符号相反。 两个电阻变化值相同而符号相反两个电阻变化值相同而符号相反（2 2）对称粘贴应变片法）对称粘贴应变片法（2）对称粘贴应变片法压力检测压力检测353.3 薄膜应变片薄膜应变片 薄膜技术薄膜技术 薄膜技术是在一定的基底上，用薄膜技术是在一定的基底上，用真空蒸镀真空蒸镀、溅射溅射等工艺技等工艺技术加工成零点几微米至几微米的金属、半导体或氧化物薄术加工成零点几微米至几微米的金属、半导体或氧化物薄膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、膜等微型弹膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、膜等微型弹性元件，也可加工为转换元件，在传感器的研制

25、中得到了性元件，也可加工为转换元件，在传感器的研制中得到了广泛应用。广泛应用。压力检测压力检测36 真空蒸镀真空蒸镀 在真空室内，将待蒸发的在真空室内，将待蒸发的材料置于钨丝制成的加热材料置于钨丝制成的加热器上加热，当真空度抽到器上加热，当真空度抽到0.0133Pa0.0133Pa以上时，加大钨以上时，加大钨丝的加热电流，使材料融丝的加热电流，使材料融化，继续加大电流使材料化，继续加大电流使材料蒸发，在基底上凝聚成膜。蒸发，在基底上凝聚成膜。12341真空室 2基底3钨丝 4接高真空泵。压力检测压力检测37 溅射溅射 在低真空室中，将待溅射在低真空室中，将待溅射物制成靶置于阴极，用高物制成靶置

26、于阴极，用高压（通常在压（通常在1000V1000V以上）以上）使惰性气体电离形成等离使惰性气体电离形成等离子体，等离子中的正离子子体，等离子中的正离子以高能量轰击靶面，使待以高能量轰击靶面，使待溅射物的原子离开靶面，溅射物的原子离开靶面，淀积到阳极工作台上的基淀积到阳极工作台上的基片上，形成薄膜。片上，形成薄膜。31254761靶靶 2阴极阴极 3直流高压直流高压4阳极阳极 5基片基片6惰性气体入口惰性气体入口 7接真空系统。接真空系统。压力检测压力检测38 压电式传感器压电式传感器:以某些电介质的以某些电介质的压电效应压电效应为基础，在为基础，在外力作用外力作用下，在电介质的表面上产生电荷

27、，从而实现非电量测量。下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。3.4 3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器测量对象应用范围力、压力、加速度等。力、压力、加速度等。（由于是（由于是力敏感元件力敏感元件，能测量最终能变换为力，能测量最终能变换为力 的物理量。）的物理量。）工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等。工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等。压力检测压力检测391.指套式电子血压计指套式电子血压计应用实例压力检测压力检测402.压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器粘贴粘贴位置位置应用实例压力检测压力检测41 正压电效应：正压电效应：某些电介质在沿着某些

28、电介质在沿着一定方向一定方向受到压力或拉力作用时发生形变，并且在受到压力或拉力作用时发生形变，并且在其其一定表面一定表面会产生电荷，若将外力去掉，它们又重新回到不带电状态会产生电荷，若将外力去掉，它们又重新回到不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应3.4.1 3.4.1 压电效应压电效应思考什么是什么是电介质？电介质？什么是什么是导体？导体？二者区别？二者区别？ 逆压电效应（电致伸缩效应）：逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的当在电介质的极化方向极化方向施加电场，

29、这些电介质就在施加电场，这些电介质就在一定方向一定方向上产生机上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。的现象。分类：分类：正压电效应和逆压电效应正压电效应和逆压电效应压力检测压力检测42一、石英晶体的压电效应一、石英晶体的压电效应晶体切片 石英晶体是最常用的压电晶体之一，理想几何形状为正六石英晶体是最常用的压电晶体之一，理想几何形状为正六面体晶柱。面体晶柱。 在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示。在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示。压力检测压力检测43光轴（光轴（Z Z轴）：轴）：纵向轴，光沿该方

30、向通过没有双折射现象。光学方法确定。纵向轴，光沿该方向通过没有双折射现象。光学方法确定。 没有压电效应没有压电效应石英晶体的三个晶轴zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)电轴（电轴（X X轴）：轴）：经过正六面体棱线且垂直于光轴，经过正六面体棱线且垂直于光轴，垂直于该轴的表面上垂直于该轴的表面上 压电效应压电效应最强。最强。 纵向压电效应：纵向压电效应：沿电轴沿电轴X-XX-X方向的力作用下产生的电荷的压电效应。方向的力作用下产生的电荷的压电效应。 横向压电效应：横向压电效应：沿机械轴沿机械轴Y-YY-Y方向的力作用下产生的电荷的压电效应。方向的力作用下产生的电荷的压电效应。机械轴（

31、机械轴（Y Y轴）：轴）：与与x x轴和轴和z z轴同时垂直，轴同时垂直， 在电场作用下，该轴方向的在电场作用下，该轴方向的机械形变机械形变最明显。最明显。压力检测压力检测441.1. X X轴方向受力轴方向受力 纵向压电效应纵向压电效应FXFX+ + + +(a)(b)XXXxXQd FX X轴方向受力时，产生的电荷轴方向受力时，产生的电荷QxQx与作用力与作用力FxFx成正比，符号由成正比，符号由FxFx是压力还是拉力决定，与晶体的尺寸无关。是压力还是拉力决定，与晶体的尺寸无关。结论xdx轴方向上的轴方向上的压电系数（压电系数（C/NC/N）在在X X轴方向施加轴方向施加压力压力时，在时，

32、在垂直于垂直于X X轴的平面上出现电荷轴的平面上出现电荷且且X X轴轴正向带正电；正向带正电；若作用力若作用力F FX X改为改为拉力拉力，出现电荷极性相反，见图，出现电荷极性相反，见图( (a a) )、( (b b) )。压力检测压力检测452.2. Y Y轴方向受力轴方向受力 横横向压电效应向压电效应YyYlQdFh + + + + + + + (c)(d)FYFYXXY Y轴方向受力时，产生的电荷轴方向受力时，产生的电荷QxQx不仅与作用力不仅与作用力FxFx成有关，还成有关，还与晶体的尺寸有关。符号与与晶体的尺寸有关。符号与X X轴方向受力的情况相反。轴方向受力的情况相反。结论ydy

33、轴方向上的轴方向上的压电系数（压电系数（C/NC/N）l, h l, h 晶体切片的长度，厚度晶体切片的长度，厚度若在同一晶片上作用力是沿着机械轴方向，其电荷仍在与若在同一晶片上作用力是沿着机械轴方向，其电荷仍在与X X轴轴垂直平面上出现，极性见图（垂直平面上出现，极性见图（c c）、（）、（d d）。）。压力检测压力检测463. 3.压电效应的物理解释压电效应的物理解释压电效应是由于晶格在机械力的作用下发生的形变压电效应是由于晶格在机械力的作用下发生的形变, ,从而使电从而使电偶极距不平衡所引起。偶极距不平衡所引起。+-XYP1P2P31230ppp1 1）在不受力的情况下）在不受力的情况下

34、压力检测压力检测472 2）受到）受到X X方向的力方向的力纵向压电效应纵向压电效应+-XYP1P2P3123()0 xppp123()0yppp123()0zppp压力检测压力检测483 3）受到）受到Y Y方向的力方向的力横向压电效应横向压电效应+-XYP1P2P3123()0 xppp123()0yppp123()0zppp压力检测压力检测49自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。经研究发现石英晶体、钛酸钡、硫化锌等材料是性能优良的经研究发现石英晶体、钛酸钡、硫化锌等材料是性能优良的压电材料。压电材料。3.4.2 3.

35、4.2 压电材料压电材料一、常用压电材料分类一、常用压电材料分类 1. 1.压电晶体压电晶体 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 2. 2.压电陶瓷压电陶瓷 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 3. 3.压电半导体压电半导体 硫化锌硫化锌 碲化镉碲化镉压力检测压力检测50二、常用压电材料特点二、常用压电材料特点优点性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。缺点价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多价格昂贵，且压电系数比

36、压电陶瓷低得多.1. 1.石英晶体石英晶体 石英（石英（SiOSiO2 2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介介电常数电常数和和压电系数压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化。两个参数几乎不随温度变化。压力检测压力检测51注意石英是一种各向异性晶体，按不同方向切割的晶片，其物理石英是一种各向异性晶体，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。因此在性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。因此在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的设计石英传

37、感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。切型。适用场合一般仅用于一般仅用于标准仪器标准仪器或要求较高的传感器中。或要求较高的传感器中。压力检测压力检测52压电陶瓷压电陶瓷优点：优点：具有很高的介电常数和较大的压电系数。具有很高的介电常数和较大的压电系数。缺点：缺点：居里温度低，温度稳定性和机械强度不如石英晶体。居里温度低，温度稳定性和机械强度不如石英晶体。人制备的压电材料，需经外加电场极化处理后才具有很强的压人制备的压电材料，需经外加电场极化处理后才具有很强的压电效应。电效应。压力检测压力检测53压电半导体材料压电半导体材料具有灵敏度高，响应时间短等优点。具有灵敏度高，响应时间短等优点

38、。既有压电特性既有压电特性, ,又有半导体特性又有半导体特性, ,利于将元件和线路集成利于将元件和线路集成于一体。于一体。压力检测压力检测543.4.3 3.4.3 测量电路测量电路 压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个电传感器看成一个静电发生器静电发生器，如图，如图( (a a) )。也可把它视为两。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器电容器，如图，如图(b)(b

39、)。 qq电极压电晶体Ca(b)(a) 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路压力检测压力检测55 因此，压电传感器可等效为以下两种形式因此，压电传感器可等效为以下两种形式: : 电压源电压源U Ua a和一个电容器和一个电容器C Ca a的的串联串联电路，如图电路，如图( (a a) )； 电荷源电荷源q q和一个电容器和一个电容器C Ca a的的并联并联电路，如图电路，如图( (b b) )。U0Q 当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为其大小为aaqUC压力检测压力检测56测量电路的等效电路压电传感器本身的内阻抗很高，而

40、输出能量较小，因此压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为：其作用为：把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。放大传感器输出的微弱信号放大传感器输出的微弱信号; ;压力检测压力检测57实际使用时还需考虑以下几个方面：实际使用时还需考虑以下几个方面： 压电传感器的泄漏电阻压电传感器的泄漏电阻R Ra, a, 连接电缆的等效电容连接电缆的等效电容C Cc c 放大器的输入电阻放大器的输入电阻R Ri i， 放大器的输入电容放大器的输入电容C Ci i ，其

41、等效电路如图所示：，其等效电路如图所示：压力检测压力检测58因为压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因为压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也分为两种形式：因此前置放大器也分为两种形式：电压放大器电压放大器和和电荷放大器电荷放大器。电压放大器：电压放大器：输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比。输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比。电荷放大器：电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比。输出电压与输入电荷成正比。压力检测压力检测591. 1. 电压放大器电压放大器aiaiRRRRRciCCCaaqUC接电压放大器的等效电路如下图所示：接电压放大

42、器的等效电路如下图所示：压力检测压力检测60 若压电元件受正弦力若压电元件受正弦力F=FF=Fm m sin sintt的作用，则在外力作用下的作用，则在外力作用下其产生的电压为其产生的电压为式中：式中： U Um m压电元件输出电压幅值，压电元件输出电压幅值，U Um m= =dFdFm m/ /C Ca a； d d压电系数。压电系数。 sinsinmamaadFQUtUtCC压力检测压力检测61由此可得放大器输入端电压由此可得放大器输入端电压U Ui i，其复数形式为：其复数形式为：1()iaj RUdFj R CCU Ui i的幅值的幅值U Uimim为：为：2221mimacidFR

43、URCCC灵敏度：灵敏度：221()()imUmaciUdKFCCCR压力检测压力检测62 考虑到考虑到理想情况下，传感器的理想情况下，传感器的R Ra a电阻值与前置放大器输入电阻值与前置放大器输入电阻电阻R Ri i都为无限大都为无限大, ,又因为又因为mamacidFUCCC结论2221mimacidFRURCCCimamUmmaciUUdKFFCCC所以灵敏度所以灵敏度输出电压灵敏度输出电压灵敏度受电缆分布电容受电缆分布电容影响。影响。 作用力的作用力的变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于1 1时，前置放大器的时，前置放大器的 输入电压和灵敏度均

44、与输入电压和灵敏度均与频率频率无关。无关。压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差所以所以 ( (C Ca a+ +C Cc c+ +C Ci i) )RR1 1，可得可得理想情况下输入电压幅值理想情况下输入电压幅值U Uamam为为压力检测压力检测63讨论：理想状态时讨论：理想状态时的的情况：情况：2221mimacidFRURCCCmamacidFUCCC即：即： 满足什么条件时满足什么条件时可以用可以用 来代替？来代替？ 压力检测压力检测64 若若为测量回路的时间常数，且为测量回路的时间常数，且=

45、R(Ca+Cc+Ci)，并令，并令0=1/,则有：则有：2222011mmimacidFRdFRURCCC 0mammacidFUdFRCCC020/1(/)imamUU 为什么考虑它？压力检测压力检测65020/1(/)imamUU 00901.00.51234Uim/Uam压力检测压力检测66讨论：讨论： =0=0（所测量力为静态量）：（所测量力为静态量）： U Uimim=0=0（输入电压为零）（输入电压为零）所以不能测量静态量。所以不能测量静态量。 33（高频情况）：（高频情况）： U Uimim/U/Uamam11，实际接近理想。，实际接近理想。输入电压与作用力频率无关。输入电压与作

46、用力频率无关。若若 一定，一定， 越高，高频响应越好。越高，高频响应越好。 3 1时ofQUC 压力检测压力检测72几点几点结论结论 电荷放大器的输出电压电荷放大器的输出电压UoUo只取决于输入电荷与反馈电容只取决于输入电荷与反馈电容C Cf f，与电缆电容与电缆电容C Cc c无关，且与无关，且与Q Q 成正比。成正比。 为得到必要的测量精度，要求反馈电容为得到必要的测量精度，要求反馈电容C Cf f的温度和时间稳的温度和时间稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，C Cf f的容量做成可选择的，范围一般为的容量做成可选择的，范围

47、一般为100100104pF104pF。 输出与电缆电容无关，电缆可更换并且电缆可长达输出与电缆电容无关，电缆可更换并且电缆可长达1km1km。 可测可测准静态量准静态量：由于：由于=R=Rf fC Cf f相当大，可测低频相当大，可测低频f=0.5Hzf=0.5Hz(1)ofQUAA C 压力检测压力检测733.5 3.5 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器：电容式传感器：将被测量将被测量(如尺寸、压力等如尺寸、压力等)的变化转换成的变化转换成电容量的变化的一种传感器。电容量的变化的一种传感器。压差变送器压差变送器 接近开关接近开关 三轴加速度传感器三轴加速度传感器 液位传感器液位传感器

48、 转换元件：转换元件：具有具有可变参数的电容器可变参数的电容器。 应用范围：应用范围：位移位移、振动、角度、加速度以及压力、差压、振动、角度、加速度以及压力、差压、 液面（料位）、成份含量等方面的测量。液面（料位）、成份含量等方面的测量。压力检测压力检测743.5.1 3.5.1 工作原理工作原理d d S S 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容其电容C C为为: : 电容极板间介质的介电常数；电容极板间介质的介电常数； 0 0真空介电常数，真空介电常数， 0 0 8.85pF/m8.85pF/m； r r 相对介电常

49、数。相对介电常数。0rssCdd 工作原理：工作原理：改变改变S S、d d、 三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量容量C C 改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器：电容传感器：变极距型变极距型、变面积型变面积型和和变介电常数型变介电常数型。压力检测压力检测75一、变极距型电容传感器一、变极距型电容传感器000000C1 C=C11ssCddddddd00SCd初始电容初始电容当下极板向上极板移动，间距减小当下极板向上极板移动，间距减小d时，电容量时，电容量C为：为：1.板式结

50、构板式结构压力检测压力检测760dd当当 10103 3kv/mm)kv/mm)或塑料膜可或塑料膜可改善电容器耐压性能。改善电容器耐压性能。 变极距式电容式传感器的起始电容在变极距式电容式传感器的起始电容在 2020100pF100pF之间之间, , 极极板间板间距在距在2525200um200um范围内，而测量最大位移应小于间范围内，而测量最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移微位移测量测量。 d0越小越好？越小越好？思考压力检测压力检测792. 2.板式差动结构板式差动结构 差动结构的变间隙型电容传感器采用两差动结构的变间

51、隙型电容传感器采用两块定极板，在二者之间放一块动极板。块定极板，在二者之间放一块动极板。01010000C1C11ssCCddddddd02020000C1C11ssCCddddddd假设动极板假设动极板向上向上移动了移动了d，则有，则有动极板动极板压力检测压力检测8001010000C1C11ssCCddddddd02020000C1C11ssCCddddddd电容总的变化量为：241200002C1 dddCCCddd电容的相对变化量为：002CCdd采用差动结构形式既提高了灵敏度，又减小了非线性误差。采用差动结构形式既提高了灵敏度，又减小了非线性误差。灵敏度： 0200C2K2Csddd

52、压力检测压力检测81二、变面积型电容传感器二、变面积型电容传感器角位移角位移板状板状筒形筒形 角位移：角位移：极板极板2 2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度度 时，两极板的遮盖面积时，两极板的遮盖面积ss电容量电容量。 板状线位移：板状线位移：极板极板2 2可以左右移动。极板可以左右移动。极板1 1固定不动。固定不动。 筒形：筒形：外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。压力检测压力检测821. 1.电容式电容式角位移角位移传感器传感器 00sCd0000(1)sCCCCCd初始状态=0时， 当动极板顺

53、时针转动角度时，传感器电容变化量传感器电容变化量C与角位移与角位移呈呈线性关系线性关系 灵敏度为灵敏度为 ：00 K CCSd0 CC 压力检测压力检测83当动极板相对于定极板沿着长度方向当动极板相对于定极板沿着长度方向平移平移x x时，其电容量为：时，其电容量为：000b-b1 C1 CCddxxxxCdb CC0C K000axaxxCxC电容量电容量C C与直线位移与直线位移x呈线性关系，呈线性关系，其灵敏度为其灵敏度为 ： 2. 2.电容式电容式线位移线位移传感器传感器 初始状态下初始状态下，x=0,0Cbad压力检测压力检测84变面积型电容传感器灵敏度为常数，输出量与输入量变面积型电

54、容传感器灵敏度为常数，输出量与输入量呈线性关系，适合于测量较大的直线位移和角位移。呈线性关系，适合于测量较大的直线位移和角位移。结论压力检测压力检测851022120 00000000()rrrLLLLLCCCbCCCCCdLL当当L=0L=0时，初始电容时，初始电容 ：010 000rL bCd 当被测电介质进入极板间当被测电介质进入极板间L L长度长度后，后，电容变化量与电介质移动量电容变化量与电介质移动量L L呈线性关系呈线性关系 灵敏度灵敏度为：为：三、变介电常数型电容传感器三、变介电常数型电容传感器 1. 1.板式结构板式结构20020000(1)rrLLCCCCLLKLLL压力检测

55、压力检测86000000222221111122()22()2()lnlnlnlnlnxxxxhh hhhhCCrrrrrrrrrr 00212lnhCrr初始电容(无液体时) :液位高度为hx时，电容为： 液位传感器的电容变化量液位传感器的电容变化量C与液面高度与液面高度hx呈线性关系呈线性关系 液位传感器h2r12r2hx空气介电常数为 液体介电常数为02.2.圆筒式结构圆筒式结构 压力检测压力检测873.5.2 3.5.2 测量电路测量电路1. 1.桥式电路桥式电路将将电容量转换成电压或电流的电路。常用的有电容量转换成电压或电流的电路。常用的有电桥电路、电桥电路、调频电路，脉冲调宽电路和

56、运算放大器式电路等。调频电路，脉冲调宽电路和运算放大器式电路等。相敏检波器：能够鉴别调制相敏检波器：能够鉴别调制信号相位信号相位 ，从而判别被测量变化的方向，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，除了所需从电路结构上看，除了所需解调解调的的调幅调幅信信号外号外，还要输入一个参考信号。，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。 压力检测压力检测882. 2. 差分脉冲调宽电路差分脉冲调

57、宽电路 也称也称脉冲调制电路，利用对传感器电容充、放电使电路脉冲调制电路，利用对传感器电容充、放电使电路输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而变化，输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而变化，然后通过低通滤波器就能得到对用被测量变化的直流信然后通过低通滤波器就能得到对用被测量变化的直流信号。号。 其中包括：其中包括： 比较器比较器A A1 1,A,A2 2, , 双稳态触发器，双稳态触发器， 晶体二极管晶体二极管D D1 1,D,D2 2, , 基础电容基础电容C C1 1（固定不变）（固定不变）, , 传感器电容传感器电容C CX X（测量电容），（测量电容）， 电阻电阻R R7 7

58、,R,R8 8组成的充放电回路。组成的充放电回路。 双稳态触发器的两个输出端双稳态触发器的两个输出端A,BA,B用作整个电路的输出。用作整个电路的输出。压力检测压力检测89CX=C11171lnXRUTR CUUCX C1120112ABTTUUUUTT12811lnRUTR CUU1011XXCCUUCC设设R R7 7=R=R8 8压力检测压力检测903 3. . 调频电路调频电路 调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至高至0.01m0.01m级位移变化量。信号的输出频率易于用数字级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，

59、并与计算机通讯，抗干扰能力强，可发送、仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可发送、接收，以达到遥测遥控的目的。但频率受温度和电缆电接收，以达到遥测遥控的目的。但频率受温度和电缆电容影响较大，需采取稳频措施。容影响较大，需采取稳频措施。电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。压力检测压力检测914.运算放大器运算放大器cbICiUiIcxICxoUA 将电容式传感器接入运算放大器电路中，作为电路的反馈将电容式传感器接入运算放大器电路中，作

60、为电路的反馈元件而构成测量电路。元件而构成测量电路。由运算放大器工作原理可得由运算放大器工作原理可得1/1/xoiixj CCUUUj CC 测量条件：测量条件： 要求输入阻抗要求输入阻抗Zi及放大倍数及放大倍数A足够大。足够大。 为保证仪器精度，还要求电源电压为保证仪器精度，还要求电源电压Ui的幅值和固定电容的幅值和固定电容C值稳定。值稳定。压力检测压力检测923.5.3 3.5.3 应用实例应用实例电容式压力传感器电容式压力传感器不但应用于压力、差压力、液压、料位、成分含量的测量，不但应用于压力、差压力、液压、料位、成分含量的测量，也应用于位移、振动、加速度、荷重的测量。也应用于位移、振动