学习单元二工程机械用压力传感器.ppt

学习单元二学习单元二.工程机械用压力传感器工程机械用压力传感器 在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参数；在工业自动化生产过程中是重要工艺参数之一。本学习单元简单介绍压力的概念及单位，重点讲解应变式压力计、压电式压力传感器和霍尔式压力计等的测量原理及测压方法。2.1 压力的概念及单位压力的概念及单位1 1、压力的概念、压力的概念:压力是垂直而均匀地作用在单压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力。大小由受力面积和垂直作用力位面积上的力。大小由受力面积和垂直作用力的大小两个因素决定。表达式为：的大小两个因素决定。表达式为：2 2、压力的单位压力的单位 （1 1）工程大气压）工程大气压 （2 2）标准大气压）标准大气压 （3 3）约定毫米汞柱）约定毫米汞柱 （4）约定毫米水柱约定毫米水柱2.2 应变式压力计应变式压力计 n2.2.1 电阻应变效应电阻应变效应 电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，称为电阻应变效应。设有一根长度为L，截面积为S，电阻率为的电阻丝，未受力时的电阻值为：受力后：2.2 应变式压力计应变式压力计n令电阻丝的轴向应变为=l/l，径向应变为r/r，由材料力学可知r/r=-(l/l)=-，为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得n令2.2 应变式压力计应变式压力计n2.2.2 电阻应变片电阻应变片 1 1、金属电阻应变片、金属电阻应变片 金属电阻应变片分为金属丝式和箔式，图所示为金属丝式和金属箔式电阻应变片。n 常用的电阻应变丝的材料是康铜丝和镍铬合丝，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。2.2 应变式压力计应变式压力计n电阻应变片1、应变丝2、基底3、引线4、金属膜引线2.2 应变式压力计应变式压力计2、半导体应变片、半导体应变片 半导体受力时，电阻率发生变化，电阻率随应力变化半导体受力时，电阻率发生变化，电阻率随应力变化的关系称为半导体压阻效应。半导体应变片电阻的关系称为半导体压阻效应。半导体应变片电阻 的变的变化主要是电阻率变化引起的，表示为化主要是电阻率变化引起的，表示为 n 由于弹性系数由于弹性系数E=/E=/，上式又可写为上式又可写为 为提高灵敏度半导体应变片还有制成栅形的。为提高灵敏度半导体应变片还有制成栅形的。2.2 应变式压力计应变式压力计n2.2.4 转换电路转换电路n当 RL=时，电桥输出电压为：nUo=0时，有2.2 应变式压力计应变式压力计单臂电桥输出电压和电压灵敏度为 双臂电桥电路，一般接成差动电桥。其输出电压为电桥四臂同时接入工作应变片，则构成全桥电路。其输出电压为 2.2 应变式压力计应变式压力计2.2 应变式压力计应变式压力计n2.2.5 应变式压力传感器 1、膜式应变传感器 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。2.2 应变式压力计应变式压力计2、测力式应变传感器 右图为一种带水冷的测力计式压力传感器。3、扩散硅型压力传感器 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 1-应变片；2-外壳；3-垫片；4-冷却水管；5-密封垫；6-垫片；7-接线柱；8-电缆；9-压帽；10-定位销；11-垫片；12-应变筒；13-垫片；14-保护帽.2.3 压电式压力传感器压电式压力传感器 n2.3.1 压电效应 某些电介质物体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。这种现象称为压电效应。具有压电效应的物体称为压电材料，如天然的石英晶体，人造压电陶瓷等。1、石英晶体的压电效应 图为天然结构的石英晶体外形和石英晶体切片 2.3 压电式压力传感器压电式压力传感器n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：2.3 压电式压力传感器压电式压力传感器n电荷的极性见图 2.3 压电式压力传感器压电式压力传感器2、压电效应的物理解释 如图所示。2.3 压电式压力传感器压电式压力传感器n2.3.2 压电材料 1、压电晶体 （1）石英晶体：石英晶体即二氧化硅（SiO2），有天然的和人工培育的两种。压电系数d11=2.3110-12C/N，在几百摄氏度的温度范围内，压电系数几乎不随温度而变。到575时，它完全失去了压电性质，这就是它的居里点。石英的熔点为1750，密度为2.65103kg/m3，有很大的机械强度和稳定的机械性质，可承受高达6.81079.8107Pa的应力，在冲击力作用下漂移较小。2.3 压电式压力传感器压电式压力传感器（2）水溶性压电晶体：最早发现的是酒石酸钾钠（NaKC4H4O6.4H2O），它有很大的压电灵敏度和高的介电常数，压电系数d11=310-9C/N。但是酒石酸钾钠易于受潮，它的机械强度低，电阻率也低，因此，只限于在室温（45）和湿度低的环境下应用。（3）铌酸锂晶体：人工提拉法制成了铌酸锂的大晶块，稳定性远比多晶体的压电陶瓷好。它是一种压电性能良好的电声换能材料，它的居里温度为1200左右，远比石英和压电陶瓷高，2.3 压电式压力传感器压电式压力传感器2、压电陶瓷 （1）钛酸钡压电陶瓷 （2）锆钛酸铅系压电陶瓷（3）铌酸盐系压电陶瓷 （4）铌镁酸铅压电陶瓷 3、压电半导体 压电半导体如硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)、碲化锌(ZnTe)和砷化镓(CaAs)等。这些材料的显著特点是：既具有压电特性，又具有半导体特性，有利于将元件和线路集成于一体，从而研制出新型的集成压电传感器的测试系统。2.3 压电式压力传感器压电式压力传感器n2.3.3 测量电路测量电路 把压电晶体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，压电晶体也可等效为一个电压源和一个电容器的串联电路。实际压电传感器输出信号很微弱，且内阻很高，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，另一个是把高阻抗输出转换为低阻抗输出。2.3 压电式压力传感器压电式压力传感器1、电压放大器n 图示的是压电传感器接到电压放大器的等效电路。2.3 压电式压力传感器压电式压力传感器2、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，它的输入信号是压电传感器产生的电荷。当略去泄露电阻，且放大器输入电阻趋于无穷大时，它的等效电路如图所示。2.3 压电式压力传感器压电式压力传感器n2.3.4 压电压力及力传感器 1、压电式三维测力传感器：一种压电式三维测力传感器的三组晶体切片的组合情况，可同时测量三个互相垂直的FX、FY、FZ力分量。2、压电式单向测力传感器 2.3 压电式压力传感器压电式压力传感器3、压电式测量均匀压力传感器 4、消除振动加速度影响的压电传感器2.4 霍尔式压力计霍尔式压力计 n霍尔式压力计是利用霍尔元件测量弹性元件变形的一种电测压力计，它结构简单，体积小，频率响应宽，动态范围(输出电动势的变化)大，可靠性高，易于微型化和集成电路化。但信号转换效率低，温度影响大，使用于要求转换精度高的场合必须进行温度补偿。n2.4.1 霍尔效应2.4 霍尔式压力计霍尔式压力计n霍尔元件的特性常用灵敏度K KH H表示，即n此时 n可见，霍尔电动势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B的乘积及灵敏度KH。当控制电流的方向或磁场的方向改变时，输出电动势的方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电动势并不改变原来的方向。2.4 霍尔式压力计霍尔式压力计n2.4.2 霍尔式压力计工作原理 2.4 霍尔式压力计霍尔式压力计n2.4.3 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。1、不等位电势及补偿 n不等位电势的产生有两个原因，如图所示。2.4 霍尔式压力计霍尔式压力计n几种补偿电路 2.4 霍尔式压力计霍尔式压力计n2.4.4 霍尔式压力计霍尔式压力计 由两部分组成：一部分是弹性元件，用它来感受压力，并把压力转换成位移量；另一部分是霍尔元件与磁系统。