学习单元二工程机械用压力传感器

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,学习单元二.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。,1,2.1,压力的概念及单位,1、压力的概念,:压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力。大小由受力面积和垂直作用力的大小两个因素决定。表达式为：,2、压力的单位,（1）工程大气压 （2）标准大气压,（3）约定毫米汞柱,（4）,约定毫米水柱,2,2.2,应变式压力计,2.2.1,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：,3,2.2,应变式压力计,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,令,4,2.2,应变式压力计,2.2.2,电阻应变片,1、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。,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。,5,2.2,应变式压力计,电阻应变片,1、,应变丝,2、基底,3、引线,4、金属膜引线,6,2.2,应变式压力计,2,、半导体应变片,半导体受力时，电阻率发生变化，电阻率随应力变化的关系称为半导体压阻效应。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,由于弹性系数E=/，,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。,7,2.2,应变式压力计,2.2.4,转换电路,当 R,L,=时，电桥输出电压为：,Uo,=0,时，有,8,2.2,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,9,2.2,应变式压力计,10,2.2,应变式压力计,2.2.5,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。,11,2.2,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,12,.2.3,压电式压力传感器,2.3.1,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,13,2.3,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：,14,2.3,压电式压力传感器,电荷的极性见图,15,2.3,压电式压力传感器,2,、压电效应的物理解释,如图所示。,16,2.3,压电式压力传感器,2.3.2,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,d,11=2.3110,-12,C/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。,17,2.3,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,d,11=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，,18,2.3,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。,19,2.3,压电式压力传感器,2.3.3,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。,20,2.3,压电式压力传感器,1、电压放大器,图示的是压电传感器接到电压放大器的等效电路。,21,2.3,压电式压力传感器,2,、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。,22,2.3,压电式压力传感器,2.3.4,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,F,X,、,F,Y,、,F,Z,力分量。,2,、,压电式单向测力传感器,23,2.3,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,24,2.4,霍尔式压力计,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。,2.4.1,霍尔效应,25,2.4,霍尔式压力计,霍尔元件的特性常用灵敏度,K,H,表示，即,此时,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,K,H,。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。,26,2.4,霍尔式压力计,2.4.2,霍尔式压力计工作原理,27,2.4,霍尔式压力计,2.4.3,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,不等位电势的产生有两个原因，如图所示。,28,2.4,霍尔式压力计,几种补偿电路,29,2.4,霍尔式压力计,2.4.4,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。,30,