第3章 压力检测

1、第3章 压力检测,压力的概念及单位 应变式压力计 薄膜应变片 压电式压力传感器 电容式压力传感器 霍尔式压力计 电子称 光纤压力传感器 集成压敏传感器,第3章 压力检测,工程领域所谓压力即物理学中的压强。是很多生产过程重要的工艺参数之一，是很多生产过程自动化（过程控制）常见的测控对象之一。 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、电容式压力传感器和霍尔式压力计的测量原理及测压方法。,3.1 压力的概念及单位,一、压力的概念: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小决定。表达式为： 二、压力的单位 （p.82-83） SI单位：

2、帕斯卡（Pa）。 工程领域常用单位： 工程大气压（at）； 标准大气压（atm）； 约定毫米汞柱（mmHg）；约定毫米水柱（mmH2O）。 常用单位与帕斯卡的换算关系见表3.1.1。,3.1 压力的概念及单位,三、压力的分类 绝对压力 环境大气压力 表压力 真空度 差 压 上述各种压力的相互关系见上图。,3.2 应变式压力计,3.2.1 金属应变片 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，称为金属材料的电阻应变效应。 一段长度为l，截面积为S，电阻率为的金属丝，受力前后的电阻值的变化：,3.2 应变式压力计,（轴向）应变 径向应变,泊松系数,弹性模量（Kg/mm2）,应力

3、,3.2 应变式压力计,金属电阻应变片分为金属丝式和箔式，下图所示为金属丝式和金属箔式电阻应变片。 常用的电阻应变丝的材料是康铜丝和镍铬合金丝，用薄纸作为基底的应变片称为纸基应变片；用有机聚合物作为基底的应变片称为胶基应变片。,3.2 应变式压力计,电阻应变片的结构： 1-敏感栅 2-基底（厚0.020.04mm） 3-引线 4-金属膜引线,厚0.0010.01mm,直径0.020.04mm,3.2 应变式压力计,商品应变片R： 60、120、350、600、1000。,应变花？,3.2 应变式压力计,3.2.2 半导体应变片(p.87) 单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，电阻率发生显著

4、变化，称为半导体的压阻效应。半导体应变片电阻的变化主要是电阻率变化引起的，表示为 由于 ， 上式又可写为 为提高灵敏度，半导体应变片还有制成栅形的。应变花?,半导体压阻系数,3.2 应变式压力计,与金属应变片相比，半导体应变片的主要优点是灵敏度高（12个量级）；主要缺点是温度误差大，必须有补偿措施。 “温度误差及其补偿”见后。,3.2 应变式压力计,3.2.3 应变片的粘贴及温度补偿 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，焊接引线以及防护与屏蔽等。(p.88) 二、温度误差及其补偿 1.温度误差 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：一方面是应变片

5、电阻丝的温度系数，另一方面是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。,3.2 应变式压力计,2.温度补偿 电桥补偿法如图。一工作片,一补偿片；两工作片(条件?优点?) 。,补偿块,3.2 应变式压力计,3.2.4 测量电路 常用直流电桥，如图示。,一般采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。有,当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去高阶小量，有,电桥输出与应变近似成线性关系。,电桥单臂工作： 设R1为工作片（补偿片接相邻桥臂），有,温度补偿？ 为提高灵敏度、改善非线性及得到温度补偿，实践中常用半桥差动电路或全桥差动电路。,3.2 应变式压力计,半桥差动电路：,全桥差动电路：,温

6、度补偿？,温度补偿？,3.2 应变式压力计,直流电桥的调零用电位器即可。 直流电桥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或缓变的），有漂移问题。 为解决漂移等问题，常用交流电桥。但是，供电（稳频和稳幅）和调零（电位器和电容）都较复杂；输出为调幅信号。通常需要解调电路（如相敏检波器）。 近年来，由于低漂移集成运放的发展，直流电桥得到了广泛应用。 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，将传感器输出信号调制（赋以一定特征），是一种常见做法。很多情形中，调制是通过传感器测量电路实现的（如交流电桥）。,3.2 应变式压力计,

7、3.2.5 应变式压力传感器 一、膜式应变传感器（p.91） 下图是一种简单的平膜压力传感器，应变片贴在膜片的内表面。膜片感受压力时产生应变，使应变片有一定的电阻输出。特点？（p.93）,3.2 应变式压力计,二、测力计式应变传感器（p.93） 右图为一种带水冷的测力计式应变压力传感器。 水冷，传感器可在高温环境工作。,3.2 应变式压力计,三、扩散硅型压力传感器 （p.95） 图(a)是一个杯型组合式测量元件。 图(b)是膜片一个截面示意图。,3.3 薄膜应变片,传统应变片的缺点？（p.95） 薄膜应变片是用溅射或蒸发的方法将半导体或金属敏感材料镀在弹性基片上的。 薄膜应变片的优点？（p.9

8、5-96）,3.3 薄膜应变片,3.3.1 薄膜应变片原理 电阻为： 设其应变为，电阻相对变化为： 对于半导体材料，上式可写为：,3.3 应变式压力计,3.3.2 薄膜应变片的制作及应用一、溅射薄膜应变片 主要成膜工艺有真空溅射和真空蒸镀。真空溅射工艺大致流程为：基片预处理、溅射介质层、溅射敏感层、蒸发Au、光刻电极、形成电桥、完成全部电连接、沉积钝化膜。 二、蒸发薄膜应变片 用真空蒸发工艺制作的薄膜应变片其结构与溅射应变片基本相同。,3.4 压电式压力传感器,3.4.1 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）压电

9、效应。具有压电效应的物质称为压电材料，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）？ 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。,3.4 压电式压力传感器,X轴：电轴或1轴 Y轴：机械轴或2轴 Z轴：光轴或3轴,纵向压电效应：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷。横向压电效应：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷。沿光轴（Z轴）方向的力作用下不产生压电效应。,石英晶体的压电效应：,3.4 压电式压力传感器,当切片在沿X轴的方向上受到压力Fx作用时，晶体切片将产生厚度变形，并在与X轴垂直的平面上产生电荷Qx，它的大小为：,压电系数,石英：,3.4

10、压电式压力传感器,电荷的极性见图,3.4 压电式压力传感器,二、压电效应的物理解释 如图所示。,3.4 压电式压力传感器,3.4.2 压电材料 一、压电晶体 石英晶体 水溶性压电晶体 铌酸锂晶体 二、压电陶瓷 钛酸钡压电陶瓷 锆钛酸铅系压电陶瓷 铌酸盐系压电陶瓷 铌镁酸铅压电陶瓷 三、压电半导体,与石英比较？,3.4 压电式压力传感器,压电式力传感器:,压电式加速度传感器:,3.4 压电式压力传感器,3.4.3 测量电路 压电晶体可以等效成一个电荷源与电容并联的等效电路。由于电容器上的电压Ua，电荷量Q，电容Ca的关系为 Ua=Q/Ca，也可等效为一个电压源和一个电容器的串联电路。 压电传感器

11、输出信号微弱，且内阻很高（Ra1010），需用前置放大器。 前置放大器有两个作用：一是放大压电传感器输出的微弱信号，另一个是阻抗变换。,3.4 压电式压力传感器,一、电压放大器 压电传感器接到电压放大器的等效电路如图示。,A,A,3.4 压电式压力传感器,3.4 压电式压力传感器,不能用于静态测量。 高频响应好。 Ui与Cc有关，故改变电缆长度，需重新校准。 电缆不能太长。电缆长，Cc大，传感器的电压灵敏度降低。 与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠。,3.4 压电式压力传感器,如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大

12、传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。 但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法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，所以，测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。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越好。,3.4 压电式压力传感器,二、电荷放大器 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。当略去泄漏电阻，且放大器输入电阻趋于无穷大时，它的等效电路如图所示。,-A,3.4 压电式压力传感器,优点：Uo与Cc无关，且正比于Q。 并R

13、f（1081010）提供直流负反馈通路，以减小零漂，使放大器工作稳定。,3.4 压电式压力传感器,电荷放大器,商品化的电荷放大器？,3.4 压电式压力传感器,3.4.4 压电传感器及其特点（p.107-108） 一、压电式三维测力传感器 二、压电式单向测力传感器 三、压电式测量均匀压力传感器 四、消除振动加速度影响的压电传感器 压电式压力传感器可测压力104108Pa，频率几Hz几十KHz（甚至上百KHz）。,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。该传感器具有灵敏度高，抗过

14、载及冲击能力强，抗干扰性好，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。典型应用：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；机电转换、动态力检测等。,3.5 电容式压力传感器,电容差压变送器,3.5 电容式压力传感器,3.5.1 电容式传感器的工作原理 电容式传感器有三种基本类型：变极距型、变面积型、变介电常数型。 一、变极距型电容传感器,边缘效应?,3.5 电容式压力传感器,二、变面积型电容传感器,三、变介电常数型电容传感器,3.5 电容式压力传感器,3.5.2 差动电容传感器 实践中，常用差动电容传感器

15、，既提高了灵敏度，又改善了非线性。,通常，,变极距型,变面积型,非差动：,灵敏度及非线性的证明（以变极距型为例）：,初始电容为,取 ，非线性误差(一般取最大项)为(25)%。,3.5 电容式压力传感器,差动：,3.5 电容式压力传感器,故：灵敏度为2倍；非线性显著改善。,3.5 电容式压力传感器,3.5.3 测量电路 一、桥式电路,变压器起隔离作用，防止电桥影响振荡器输出正弦波幅值和频率的稳定性。,3.5 电容式压力传感器,二、紧耦合电桥电路（p.113） 紧耦合电桥理论可得此状态下输出电压 在两L0非耦合情况下， 输出电压为：,一般用紧耦合电桥,因其灵敏度可为恒值,3.5 电容式压力传感器,

16、三、差动脉冲调宽电路（p.114-115） 差动脉冲调宽电路属脉冲调制电路。它利用对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，再经低通滤波器可得对应被测量变化的直流信号。 输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。,3.5 电容式压力传感器,差动脉冲调宽电路原理图,3.5 电容式压力传感器,差动脉冲调宽电路各点电压波形 差动脉冲调宽电路优点（p.115）,3.5 电容式压力传感器,四、调频电路 将电容式传感器接入高频振荡器的LC 回路中，当被测量使电容变化时，振荡频率也相应变化，故称为调频电路。,3.5 电容式压力传感器,优缺点?（p.115-116）,C2=C3C,电压跟随器？,调

17、频电路原理图：,Ci为寄生电容,3.5 电容式压力传感器,五、运算放大器 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。 以Cx=S/d 代入，得： 上式表明，输出电压与d是线性关系。,3.5 电容式压力传感器,正半周时 C1充电;负半周时C1通过RL放电（iL1）。另一半类似。C1=C2iL1=iL2UL=0。C1C2iL1iL2UL0。 UL（ C1-C2 ）。,六、二极管双T交流电桥,高频方波,消除边缘效应:,带有等位环的平板电容传感器原理 1、2 极板 3等位环（保护环）,3.5 电容式压力传感器,3.5.4 电容式压力传感器 一、电容式差压传感器,3.5

18、电容式压力传感器,二、变面积式压力传感器,3.5 电容式压力传感器,三、荷重传感器,习题：,1. 请证明差动变极距式电容传感器的 灵敏度是非差动式的2倍（设dd0），且非线性也显著改善。,3.6 霍尔式压力计,3.6.1 霍尔效应与霍尔元件 霍尔效应（N型半导体） 霍尔元件的特性常用 灵敏度KH表示，,电子浓度,霍尔系数,+,-,420.1mm3,控制电极 霍尔电极,测量原理？,3.6 霍尔式压力计,B0.5T时，线性较好。 控制电流也常用交流（调制？作用？），频率可达几GHz（建立霍尔效应的时间极短，10-1210-14s）。 霍尔元件的封装形式： 直插式（电极引线在一边）；贴片式。（外形有

19、多种） 霍尔集成电路（内含霍尔元件、运放等电路）：线性霍尔集成电路（精度高， ）；开关型霍尔集成电路（磁控开关，有单稳和双稳，无触点）。 霍尔元件应用：磁场（如高斯计）、位移、转速、功率、磁性物体探测、磁控开关、汽油机点火器等。,开关型霍耳集成电路,3.6 霍尔式压力计,3.6.2 霍尔式压力计工作原理（p.120）,P,3.6 霍尔式压力计,3.6.3 霍尔式压力计的误差及补偿 霍尔式压力计的误差有两部分，一是弹性元件的变换误差；一是霍尔元件的变换误差。 一、不等位电势及补偿 不等位电势的产生有两个原因，如图示。,3.6 霍尔式压力计,几种补偿电路,3.6 霍尔式压力计,二、霍尔电势的温度系数 主要是灵敏度和温差电势随温度变化。 三、温度对输出内阻的影响 四、温度补偿（p.123） 减小输入电阻受温度影响， 可用恒流供电。 霍尔电势和输出内阻的温 度系数均为正，故可用图示 的补偿方法。 要求较高时，可用恒温方法。,R,输入电阻（控制电极），输出电阻（霍尔电极），标称（ B=0，205）。,3.6 霍尔式压力计,3.6.4 霍尔式压力计,习题：,