第3章 压力检测.ppt

,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,*,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：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（,mmH,2,O,）。,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/mm,2,）,应力,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,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,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,=,R,。有,当,R,i,C,电压跟随器,？,调频电路原理图：,C,i,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,C,x,=,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,C,1,充电,;,负半周时,C,1,通过,R,L,放电（,i,L1,）。另一半类似。,C,1,=,C,2,i,L1,=,i,L2,U,L,=0,。,C,1,C,2,i,L1,i,L2,U,L,0,。,U,L,（,C,1,-,C,2,）。,六、二极管双,T,交流电桥,高频方波,消除边缘效应,:,边,缘,电,场,均,匀,电,场,3,3,2,1,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,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,d,d,0,），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,K,H,表,示，,电子浓度,霍尔系数,+,-,42,0.1,mm,3,控制电极,霍尔电极,测量原理,？,3.6,霍尔式压力计,B,0.5T,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,-12,10,-14,s,）。,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：,1.,请设计一个用霍耳传感器测量磁场的装置（如,高斯计,）。要求：画出原理图；简要说明,定量,测量的原理。,2.,请设计一个用霍耳传感器测量转速的装置。要求：画出原理框图；简要说明,定量,测量的原理。,3.,请根据霍耳效应设计一个测量,P,型,半导体材料中,空穴,浓度的测量线路。要求：画出原理图；简要说明,定量,测量的原理。,3.7,电子称,3.7.1,电子称的原理,电子称的核心部件是称重传感器。称重传感器把机械力转换为电信号，经放大处理后，或显示，或输入数据处理系统。,图是一个比较简单称重系统框图。,3.7,电子称,3.7.2,称重传感器原理,图是,振弦式称重传感器,的工作原理图。,（弦的振动频率与弦长、弦密度和张力的关系）,3.8,光纤压力传感器,3.8.1,马赫泽德光纤压力传感器,一、马赫,泽德光纤压力传感器的结构,包括激光器、扩散束、分束器、两个显微镜、两根单膜光纤、光探测器等。,二、马赫,泽德传压力感器工作原理,3.8.2,偏振型光纤压力传感器,一、单光纤偏振干涉型压力传感器,二、消除温度敏感的单光纤压力传感,3.9,集成压敏传感器,集成压敏传感器按敏感元件不同可分为,两类,；硅电容式和扩散硅集成压敏传感器。,3.9.1,硅电容式集成传感器,硅电容式大体上由硅压力敏感电容器、转换电路和辅助电路三部分构成。,一、硅敏感电容器的工作原理 二、硅敏感电容器的测量电路,3.9.2,扩散硅压敏传感器,扩散硅压敏传感器将补偿电路与硅压敏元件构成的全桥电路集成在一起，温度补偿效果很好。,3.9,集成压敏传感器,扩散硅压力变送器,