传感器原理5.pptx

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1、13.1 3.1 电阻应变计电阻应变计应变片应变片金属应变片金属应变片半导体应变片半导体应变片将将应变应变转换为转换为电阻变化。电阻变化。3.1.1 3.1.1 金属应变计金属应变计 一、金属应变片的基本原理一、金属应变片的基本原理:应变效应：应变效应：受外力受外力F F拉伸时，拉伸时，l l增加，增加，s s减小。减小。2二、金属应变片的结构和分类二、金属应变片的结构和分类 组成四部分：组成四部分：1 1、金属电阻丝；、金属电阻丝；2 2、基底、基底;3;3、覆盖层；、覆盖层；4 4、引出线；、引出线；5 5、粘结剂；、粘结剂；3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计3 分类分类回线式应变片回线

2、式应变片 丝式应变片丝式应变片短接式应变片短接式应变片箔式应变片：箔式应变片：很薄的金属片很薄的金属片(康铜康铜)薄膜应变片：薄膜应变片：薄膜被直接沉积在弹性基底薄膜被直接沉积在弹性基底3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计箔箔 b：金属制成的薄片。如：金箔金属制成的薄片。如：金箔、银箔、铜箔、锡箔。银箔、铜箔、锡箔。铂铂(Pt)b：一种银白色的贵金属元素一种银白色的贵金属元素，用于耐腐蚀的化学仪器等。通用于耐腐蚀的化学仪器等。通称称“白金白金”，铂和铱的合金是制造自来水笔笔尖的材料。，铂和铱的合金是制造自来水笔笔尖的材料。4四、温度和蠕变补偿应变计四、温度和蠕变补偿应变计 1.1.温度自补偿应

3、变计温度自补偿应变计 使电阻的线膨胀系数与弹性体材料的线膨胀系数相匹配。使电阻的线膨胀系数与弹性体材料的线膨胀系数相匹配。2.2.蠕变自补偿应变计蠕变自补偿应变计 使弹性材料使弹性材料(正蠕变正蠕变)与应变计胶粘剂系统与应变计胶粘剂系统(负蠕变负蠕变)相匹配。相匹配。3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计三、金属应变片的参数三、金属应变片的参数 1.1.电阻值电阻值(R(R0 0)；2.2.灵敏系数灵敏系数(K(K0 0)；3.3.机械滞后机械滞后；4.4.蠕变蠕变(t t)；5.5.零漂零漂；6.6.绝缘电阻绝缘电阻；5 ETd=prr式中式中为材料的压阻系数；为材料的压阻系数；T为应力；为应

4、力；E E为弹性模量；为弹性模量；为应变；为应变；K K为应变计因子或材料灵敏系数。为应变计因子或材料灵敏系数。eeprrKEdRdR=3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计3.1.2 3.1.2 半导体应变片半导体应变片 一、压阻效应一、压阻效应 固体都有压阻效应，其中以半导体材料最为显著。固体都有压阻效应，其中以半导体材料最为显著。半导体材料半导体材料受到应力作用时，受到应力作用时，晶格间距晶格间距发生变化，使其发生变化，使其电阻率电阻率发生变化。发生变化。6二、压阻系数二、压阻系数立方体各面的应力示意图立方体各面的应力示意图 单晶材料单晶材料的晶体结构各向异性，的晶体结构各向异性，在不同晶

5、面上的压阻系数不同。在不同晶面上的压阻系数不同。六种外力：六种外力：沿沿x、y、z的轴向应力的轴向应力T1、T2、T3绕绕x、y、z轴转动的剪切力轴转动的剪切力T4、T5、T6；3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计 半导体的压阻系数半导体的压阻系数很大，很大，K K一般在一般在5050100100，比金属的灵敏度高很多。，比金属的灵敏度高很多。7电阻率的相对变化与应力间的关系为：电阻率的相对变化与应力间的关系为：3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计8iiii(i(i为为1 1、2 2、3)3)为为纵向压阻系数纵向压阻系数：沿着晶轴方向的应力对此方向电阻率的影响，立方晶系的沿着晶轴方向的应力对此

6、方向电阻率的影响，立方晶系的x x、y y、z z方向的纵向压阻系数相等。方向的纵向压阻系数相等。ijij (ij(ij；i,ji,j为为1 1、2 2、3)3)为为横向压阻系数横向压阻系数：沿某晶轴方向的应力对沿与其垂直的另一晶轴方向电阻率的影沿某晶轴方向的应力对沿与其垂直的另一晶轴方向电阻率的影响，立方晶系的横向压阻系数都相同。响，立方晶系的横向压阻系数都相同。kkkk （k k为为4 4、5 5、6 6）为）为剪切压阻系数剪切压阻系数：剪切应力对其相应剪切面的电阻率分量的影响，立方晶系的三剪切应力对其相应剪切面的电阻率分量的影响，立方晶系的三个剪切压阻系数相等。个剪切压阻系数相等。3.1

7、 3.1 电阻应变计电阻应变计9n晶向和晶面晶面的法线方向即晶向。法线在，轴的截距分别为r，s，t。r,s,t的倒数为h，k，l。n晶向hkl晶面（hkl）3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计10二、半导体应变片二、半导体应变片 1 1、体型半导体应变计、体型半导体应变计 v 结构组成：结构组成：硅条、内引线（金丝）、硅条、内引线（金丝）、基底（绝缘胶膜）、电极（连接基底（绝缘胶膜）、电极（连接点、康铜箔）、外引线（镀银铜点、康铜箔）、外引线（镀银铜线）。线）。3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计体型半导体应变计体型半导体应变计扩散型半导体应变计扩散型半导体应变计SOISOI外延扩散型半导体应

8、变计外延扩散型半导体应变计 11单晶单晶(a)(a)切片切片(b)(b)研磨研磨(c)(c)切条切条(d)(d)焊引线焊引线(e)(e)粘衬底粘衬底(f)(f)v 工艺流程：工艺流程：P-Si P-Si的（的（111111）轴向压阻系数最大，选此方向为压阻纵向。）轴向压阻系数最大，选此方向为压阻纵向。3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计12 在硅衬底上在硅衬底上扩散相应杂质扩散相应杂质构成应变敏感栅电阻。构成应变敏感栅电阻。扩散型半导体应变计的结构扩散型半导体应变计的结构 2 2、扩散型半导体应变计、扩散型半导体应变计v 特点：特点：灵敏系数灵敏系数高；高；可构成可构成半桥或全桥半桥或全桥结构

9、，结构，使温度特性及稳定性都较好；使温度特性及稳定性都较好；易实现易实现微型化、集成化、微型化、集成化、智能化。智能化。3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计13w直线式折线式v 分类分类直线式直线式折线式折线式胖型胖型瘦型瘦型w瘦型胖型w3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计14直线扩散型电阻的阻值直线扩散型电阻的阻值式中式中 L L 为扩散电阻的为扩散电阻的长度长度；W W 为扩散电阻的为扩散电阻的宽度宽度;R R口口 为扩散层的为扩散层的方块电阻方块电阻，也称为，也称为薄层电阻薄层电阻，与，与杂杂质浓度分布、杂质扩散深度质浓度分布、杂质扩散深度有关。有关。电阻的设计：电阻的设计：3.1 3.

10、1 电阻应变计电阻应变计扩散型半导体应变计的温度局限性扩散型半导体应变计的温度局限性 敏感栅与衬底间由敏感栅与衬底间由PNPN结隔离结隔离，在，在150150以上隔离效果以上隔离效果恶化恶化,使两者之间使两者之间电流泄漏电流泄漏。153 3、SOISOI外延扩散型半导体应变计外延扩散型半导体应变计 SOI SOI工艺工艺，即，即外延生长外延生长半导体半导体SiSi薄膜薄膜、扩散掺杂。扩散掺杂。适用于适用于150150200200左右高温环境左右高温环境。SOI应变计应变计3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计16一、直流电压源一、直流电压源单臂单臂电桥电桥 1.1.平衡条件平衡条件 在不考虑温度

11、下，在不考虑温度下，单臂桥单臂桥的的输出电压输出电压：选选R R2 2的零应变电阻值使电桥达到平的零应变电阻值使电桥达到平衡，即输出电压为零。衡，即输出电压为零。平衡条件为平衡条件为R1R4=R2R3 3.1.3 3.1.3 应变计的测量原理和测量线路应变计的测量原理和测量线路 -R-R1 1、R R3 3和和R R4 4固定固定,R R2 2随应变变化随应变变化。3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计172.2.有应变时有应变时 应变片电阻的变化为应变片电阻的变化为RR2 2，则电桥输出电压，则电桥输出电压U U0 0为：为：设设n n=R=R1 1/R/R2 2，RR2 2RR2 2，分母，

12、分母RR2 2/R/R2 2可忽略，可忽略，上式上式化简为化简为：3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计18二、半桥差动电路二、半桥差动电路 若一个应变片若一个应变片受拉力受拉力，一个，一个受压力受压力，受应变的符号相反，接，受应变的符号相反，接入电桥的相邻臂上，该电桥的输出电压入电桥的相邻臂上，该电桥的输出电压U U0 0为：为：若若RR1 1=R=R2 2，R R1 1=R=R2 2，R R3 3=R=R4 4，则简化为：，则简化为：比单臂应变片电压灵敏度提高了一倍比单臂应变片电压灵敏度提高了一倍。3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计19 若若四臂接入四臂接入四片应变片，四片应变片，两个受拉

13、力两个受拉力，两个受压力两个受压力，变化符号，变化符号相同的接入相对桥臂上。若相同的接入相对桥臂上。若R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4，RR1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4，则输，则输出电压为：出电压为：电压灵敏度比用单片提高了电压灵敏度比用单片提高了4 4倍倍，比半桥，比半桥差动电路提高了差动电路提高了1 1倍倍。三、全桥差动电路三、全桥差动电路 1 1、不考虑温度对电阻的影响、不考虑温度对电阻的影响 3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计202 2、考虑温度的影响、考虑温度的影响各电阻受温度变化同为各电阻受温度变化同为RRT T，则输出电压表示为：，则输

14、出电压表示为：表明了表明了输出结果与温度有关输出结果与温度有关。3.1 3.1 电阻应变计电阻应变计213.2.1 3.2.1 压电式传感器的基本原理压电式传感器的基本原理压电效应压电效应正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应形变产生的极化形变产生的极化电能变成机械能电能变成机械能3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器22正压电效应正压电效应-晶体在外力下发生变形，表面产生电荷的效应；晶体在外力下发生变形，表面产生电荷的效应；逆压电效应逆压电效应-晶体在电场作用下发生应力、应变的现象；晶体在电场作用下发生应力、应变的现象；压电晶体压电晶体-具有压电效应的晶体；具有压电效应的晶体；压电材

15、料压电材料-具有压电效应的电介质材料；具有压电效应的电介质材料；天然压电材料：天然压电材料：石英石英 人工合成压电材料：人工合成压电材料：压电陶瓷和压电薄膜压电陶瓷和压电薄膜材料结构的对称中心：材料结构的对称中心：无对称中心的晶体无对称中心的晶体-将受力前后正负电荷中心不重合的晶体；将受力前后正负电荷中心不重合的晶体；有对称中心的晶体有对称中心的晶体-将受力前后正负电荷中心重合的晶体。将受力前后正负电荷中心重合的晶体。一、基本概念一、基本概念3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器23无对称中心的晶体无对称中心的晶体晶体不受外力时：晶体不受外力时：正负电荷重心重合，单位体积中正负电荷重心重

16、合，单位体积中极化强度为零极化强度为零，对外不呈现极性；，对外不呈现极性；晶体受外力时：晶体受外力时：外力作用下外力作用下晶体形变，正负电荷的重心不再重合，单位体积晶体形变，正负电荷的重心不再重合，单位体积极化强极化强度不等于度不等于，对外表现出极性。，对外表现出极性。3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器24有对称中心的晶体有对称中心的晶体 无论有无外力作用，正负电荷重心总重合，不会出现压电效应。无论有无外力作用，正负电荷重心总重合，不会出现压电效应。晶体结构中晶体结构中无对称中心无对称中心是产生是产生电压效应的电压效应的必要条件必要条件。3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器2

17、53.2.2 典型材料的压电效应 压电效应材料压电效应材料 压电单晶材料压电单晶材料 压电多晶材料压电多晶材料 压电有机材料压电有机材料 一、石英晶体一、石英晶体 性能稳定、应用最广的压电晶体。性能稳定、应用最广的压电晶体。有有天然天然石英和石英和人造人造石英。石英。天然石英性能较人造石英天然石英性能较人造石英更稳定更稳定，介电常数和压电常数介电常数和压电常数的稳定性好，机械强度高，绝缘性好，重复性好，线性的稳定性好，机械强度高，绝缘性好，重复性好，线性范围宽。范围宽。3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器261.1.石英晶体的压电性能石英晶体的压电性能 -石英：石英：石英晶体低于石英晶

18、体低于573573为六角晶系；为六角晶系；(六角形晶柱、六梭锥端部六角形晶柱、六梭锥端部)压电效应很明显压电效应很明显-石英：石英：石英晶体高于石英晶体高于573573为三角晶系。为三角晶系。压电效应可忽略。压电效应可忽略。3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器573573居里温度点居里温度点27-石英的石英的z z轴、轴、x x轴、轴、y y轴轴:z z轴轴(光轴光轴)：与六个平行面平行的方向，光线通过：与六个平行面平行的方向，光线通过z z轴时不发轴时不发生折射；生折射；x x轴轴(电轴电轴)：与与z z轴垂直，且经过六棱柱棱线的轴轴垂直，且经过六棱柱棱线的轴y y轴轴(机械轴机械轴

19、)：垂直于垂直于xzxz平面的轴。平面的轴。3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器28纵向压电效应：纵向压电效应：沿沿x x轴方向施加作用力，在垂直于轴方向施加作用力，在垂直于x x轴晶面上产轴晶面上产生电荷的现象；生电荷的现象；横向压电效应：横向压电效应：沿沿y y轴施加作用力，在垂直于轴施加作用力，在垂直于x x轴晶面上产生电轴晶面上产生电荷的现象；荷的现象；沿沿z z轴施加力轴施加力不产生不产生压电效应压电效应。3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器29 因石英晶体的对称性，只有因石英晶体的对称性，只有d d1111,d,d1414独立独立，d d1212=-d=-d1111

20、，d d2525=-d=-d1414，d d2626=-2d=-2d1111。实验测得：实验测得：d d11112.31102.3110-12-12CNCN-1-1,d d1414=0.7310=0.7310-12-12CNCN-1-1。对于右旋石英晶体对于右旋石英晶体d d1111000。左旋石英晶体符号相反。左旋石英晶体符号相反。压电效应矩阵表达式：压电效应矩阵表达式：3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器30 在不同方向上压电效应强弱不同；在不同方向上压电效应强弱不同；沿不同方位切割不同切型的压电常数、介电常沿不同方位切割不同切型的压电常数、介电常数、电转换效率不同。数、电转换效率

21、不同。3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器31压电效应材料压电效应材料 压电单晶材料压电单晶材料 压电多晶材料压电多晶材料 压电有机材料压电有机材料 天然压电材料：天然压电材料：石英石英人工合成压电材料：人工合成压电材料：压电陶瓷和压电薄膜压电陶瓷和压电薄膜石英石英:三个晶轴三个晶轴:光轴光轴/电轴电轴/机械轴机械轴居里温度点居里温度点纵向压电效应纵向压电效应横向压电效应横向压电效应3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器上节课回顾上节课回顾32 是多晶体是多晶体，晶粒自发极化形成，晶粒自发极化形成电畴电畴；刚烧结的陶瓷内电畴刚烧结的陶瓷内电畴无规则排列无规则排列，电，电畴畴极化效

22、应互相抵消，呈电中性极化效应互相抵消，呈电中性；不具有压电效应不具有压电效应。二、压电陶瓷二、压电陶瓷 1.1.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 v 原始状态：原始状态：极化前极化前3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器33v 电场作用：电场作用：极化处理：极化处理：施加施加强电场强电场(20(203030KV/cmKV/cm的直流的直流电场电场)，2 23 3小时小时。电畴电畴自发极化方向旋转到与外电自发极化方向旋转到与外电场方向一致；两端发现极化电荷。场方向一致；两端发现极化电荷。具有压电效应具有压电效应。极化极化加直流电场加直流电场3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器3

23、4压电陶瓷的压电陶瓷的z z轴、轴、x x轴、轴、y y轴：轴：Z Z轴：轴：极化方向定义为压电陶瓷的极化方向定义为压电陶瓷的z z轴方向。轴方向。X X轴、轴、y y轴：轴：垂直于垂直于z z轴的平面上的任何直线都可以取作轴的平面上的任何直线都可以取作x x轴或轴或y y轴。轴。X X轴和轴和y y轴的压电效应等效。轴的压电效应等效。3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器35v 去除电场：去除电场：形成很强的剩余极化，吸附外形成很强的剩余极化，吸附外界自由电荷。陶瓷界自由电荷。陶瓷对外不显极性对外不显极性。v 外力作用：外力作用：发生形变，电畴偏转，极化发生形变，电畴偏转，极化强度变化

24、，吸附电荷能力变化，强度变化，吸附电荷能力变化，形成放电现象。形成放电现象。极化后极化后剩余剩余极化极化3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器362.2.压电陶瓷材料压电陶瓷材料 按组成的材料成分分类按组成的材料成分分类 压电陶瓷材料压电陶瓷材料 二元系陶瓷二元系陶瓷三元系陶瓷三元系陶瓷高分子压电材料高分子压电材料 v 二元系陶瓷二元系陶瓷(两种化合物固溶形成两种化合物固溶形成)BaTiOBaTiO3 3(钛酸钡钛酸钡)系列系列 Pb(ZrTiO Pb(ZrTiO3 3)锆钛酸铅系列锆钛酸铅系列 铌酸盐系列铌酸盐系列3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器37BaTiOBaTiO3

25、3(钛酸钡钛酸钡)系列系列 压电常数大压电常数大 (是石英晶体的几十倍是石英晶体的几十倍)温度稳定性不好温度稳定性不好 (居里温度点居里温度点115115o oC C，最高使用温度最高使用温度8080o oC)C)机械强度差机械强度差Pb(ZrTiOPb(ZrTiO3 3)锆钛酸铅系列锆钛酸铅系列(PZT)PZT)压电常数较大压电常数较大 温度稳定性好温度稳定性好(250(250o oC)C)是应用最普遍的压电陶瓷材料。是应用最普遍的压电陶瓷材料。铌酸盐系列铌酸盐系列 压电性能比较稳定压电性能比较稳定3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器38v 高分子压电材料高分子压电材料 高分子材料高

26、分子材料高分子与高分子与PZTPZT等陶瓷的复合材料等陶瓷的复合材料灵敏度高灵敏度高(10(10倍以上倍以上)声阻抗小声阻抗小v 三元系陶瓷三元系陶瓷(三种化合物固溶形成三种化合物固溶形成)铌镁酸铅系列铌镁酸铅系列铌锰酸铅系列铌锰酸铅系列镁碲酸铅系列镁碲酸铅系列锑铌酸铅系列锑铌酸铅系列3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器39聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯(PVF2)是一种高分子半晶态聚合物是一种高分子半晶态聚合物 可制成薄膜、厚膜和管状可制成薄膜、厚膜和管状 高电压灵敏度高电压灵敏度(比比PZT大大17倍倍)动态品质非常好动态品质非常好 机械性能好机械性能好 声阻抗小声阻抗小(近似水阻抗近似

27、水阻抗)3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器40一、压电式压力传感器一、压电式压力传感器用于测量动态压力，不用于静态压力测量。用于测量动态压力，不用于静态压力测量。v 组成组成：本体本体(具体结构具体结构)弹性敏感元件（一级敏感、弹性敏感元件（一级敏感、膜片膜片）压电转换元件压电转换元件(二级敏感、二级敏感、石英石英)3.2.4 3.2.4 压电式传感器的应用压电式传感器的应用3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器41v 原理：原理：膜片膜片受压力受压力P P作用；作用；传力块传力块将膜片的压力施加将膜片的压力施加到两片石英上；到两片石英上；石英石英输出总电荷量输出总电荷量 Q=

28、2d Q=2d1111APAP d d1111为压电常数为压电常数 A A为膜片有效面积为膜片有效面积 P P为膜片压力为膜片压力 由由电荷放大器电路电荷放大器电路读出产读出产生的电荷值生的电荷值。膜片式压电压力传感器膜片式压电压力传感器 3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器42v 组成：组成：压电片压电片(双片，电压串联、电荷并联双片，电压串联、电荷并联)质量块质量块(体积质量较大的材料，钨或重合金体积质量较大的材料，钨或重合金)硬弹簧硬弹簧(实现预压紧力实现预压紧力)厚基座厚基座封装壳。封装壳。压电式加速度测量装置压电式加速度测量装置 二、压电式加速度传感器二、压电式加速度传感器

29、3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器43v 组成：组成：压电片、质量块、弹簧、压电片、质量块、弹簧、基座、封装壳。基座、封装壳。v 原理：原理：加速度加速度a a经经质量块质量块M M产生惯性力产生惯性力 F=F=mama 惯性力作用于惯性力作用于石英石英，产生电荷：，产生电荷：Q=d Q=dijijmama 由由电荷放大电路电荷放大电路获得电荷量。获得电荷量。压电式加速度测量装置压电式加速度测量装置 二、压电式加速度传感器二、压电式加速度传感器 3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器44三、压电式力学量传感器的主要性能三、压电式力学量传感器的主要性能 1.1.灵敏度灵敏度v 电

30、荷灵敏度：电荷灵敏度：测量力测量力F F时时 Q为输入电荷；J为输入力学量 n为晶片数目，d11纵向压电常数3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器45测量加速度时：测量加速度时：v 电压灵敏度：电压灵敏度：USC为输出电压，Ca为压电元件的电容。测量加速度时：测量加速度时：m为质量块质量，d11纵向压电常数m为质量块质量，d11纵向压电常数，Ca为压电元件的电容。3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器462.2.频率特性频率特性 相对灵敏度相对灵敏度K K（=Q/a=Q/a）与频率比）与频率比/0 0的关系曲线的关系曲线 压电式加速度传感器的频响特性压电式加速度传感器的频响特性 3

31、.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器47高频响应特性好：高频响应特性好：频率频率很小时，很小时，K K接近常数；接近常数；频率比在频率比在1.01.0附近时，灵敏度有极大值。附近时，灵敏度有极大值。3.2 3.2 压电式力传感器压电式力传感器483.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器3.3.1 3.3.1 电容式压力传感器电容式压力传感器 v 特点：特点：具有更高的温度稳定性；具有更高的温度稳定性；敏感电容器和检测电路集成在一起；敏感电容器和检测电路集成在一起；v 原理：原理：力力/压力压力位移量位移量电容电容v 电容极板的结构形式：电容极板的结构形式：一类：在硅膜上取适当的

32、晶向蚀刻一薄硅片；一类：在硅膜上取适当的晶向蚀刻一薄硅片；喷镀有电极的玻璃板。喷镀有电极的玻璃板。另一类：蚀刻两个硅膜片。另一类：蚀刻两个硅膜片。49电容式压力传感器的结构示意图电容式压力传感器的结构示意图 当硅膜片上下表面存在压力差时，膜片产当硅膜片上下表面存在压力差时，膜片产生形变，电容极板间距发生变化。生形变，电容极板间距发生变化。v 电容式压力传感器在输液器的应用电容式压力传感器在输液器的应用3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器50不同输液状态下的管内压力情况不同输液状态下的管内压力情况 P P0 0为正常时的压力；为正常时的压力；P Pn n为输液管内有气泡或无液体时的

33、压力；为输液管内有气泡或无液体时的压力；P Ph h为输液管阻塞时的压力。为输液管阻塞时的压力。3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器51 测出压力测出压力P P0 0、P Pn n和和 P Ph h，用来，用来报警报警；P P0 0、P Pn n和和 P Ph h的量值大小与的量值大小与输液管的材料、壁厚、输液管的材料、壁厚、内径以及药液浓度等内径以及药液浓度等有关。有关。3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器523.3.2 3.3.2 电感式压力传感器电感式压力传感器 一、工作原理一、工作原理 力力/压力压力位移量位移量电感电感组成：组成：弹性元件、衔铁、铁芯、弹性

34、元件、衔铁、铁芯、线圈组成。线圈组成。衔铁和铁芯间的气隙衔铁和铁芯间的气隙随随着外力着外力F(F(压力压力P)P)的变化。的变化。变间隙式电感压力传感器变间隙式电感压力传感器3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器53线圈的电感线圈的电感L L N N为线圈匝数；为线圈匝数；R Rm m为磁路总磁阻（为磁路总磁阻（1/H1/H）l l为磁路长度（为磁路长度（m m）；）；为导磁体的导磁率（为导磁体的导磁率（H/mH/m）；）；A A为导为导磁体的截面积（磁体的截面积（m m2 2）；）；为气隙量（为气隙量（m m）；）；0 0为空气的导为空气的导磁率（磁率（410410-7-7H/m

35、H/m）。）。3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器54气隙的磁阻比导体的磁阻大得多，磁阻可表示为：气隙的磁阻比导体的磁阻大得多，磁阻可表示为：线圈通以线圈通以交流电源交流电源，则流过线圈电流为：，则流过线圈电流为：力力(压力压力)引起衔铁的位置引起衔铁的位置(气隙气隙)的变化，的变化，线圈的电感量线圈的电感量L L、电电流流I I会发生相应的变化。会发生相应的变化。U U为交流电压（为交流电压（V V），），为交流电源角频率（弧度为交流电源角频率（弧度/秒）秒）3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器55二、电感式压力传感器二、电感式压力传感器 组成：组成：由由膜盒、铁

36、芯、衔铁膜盒、铁芯、衔铁及及线圈线圈等组成，衔铁与膜盒上端连在一等组成，衔铁与膜盒上端连在一起。起。原理：原理：压力压力P P进入膜盒时，膜盒的进入膜盒时，膜盒的顶端产生顶端产生位移位移，衔铁移动衔铁移动使使气隙气隙发生变化，发生变化，磁阻磁阻变化，变化，电流电流表表A A示数变化。示数变化。气隙电感式压力传感器结构图气隙电感式压力传感器结构图 3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器56三、变隙式差动电感压力传感器三、变隙式差动电感压力传感器 电感压力传感器结构图电感压力传感器结构图 3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器57三、变隙式差动电感压力传感器三、变隙式差动电感压力传感器 组成：组成：C C形弹簧管、衔铁、铁芯形弹簧管、衔铁、铁芯和和线圈线圈等组成。等组成。原理：原理：被测压力进入被测压力进入C C型弹簧管型弹簧管，使弹簧管产生，使弹簧管产生变形变形；弹簧管的弹簧管的自由端自由端发生发生位移位移，与自由端固连的，与自由端固连的衔铁衔铁发发生位移，使线圈生位移，使线圈1 1和线圈和线圈2 2的的电感量电感量发生变化。发生变化。电感的变化通过电桥电路转换成电压输出。电感的变化通过电桥电路转换成电压输出。3.3 3.3 其它力其它力/压力传感器压力传感器