壓力傳感器的原理與應用教材

1、第一章第一章 傳感器及其應用傳感器及其應用 壓力傳感器壓力傳感器 一一 壓力傳感器的分類壓力傳感器的分類 壓力是重要的工業(yè)參數(shù)之一，正確測量和控制壓 力對保證生產(chǎn)工藝過程的安全性和經(jīng)濟性有重要意義。 壓力及差壓的測量還廣泛地應用在流量和液位的測量 中。 壓力傳感器用以將壓力傳感器用以將“壓力壓力”轉換轉換“成電量，然后成電量，然后 進行測量。這里的進行測量。這里的”壓力壓力“，可以來自，可以來自流動的氣、液流動的氣、液 體或聲音，也可以是力的作用。體或聲音，也可以是力的作用。 l機械式機械式:成本低、無需電源，被廣泛使成本低、無需電源，被廣泛使 用，但體積較大、靈敏度較低。用，但體積較大、靈敏

2、度較低。 l電氣式：電氣式： （ 體積小、體積小、 靈敏度高）靈敏度高） 二二 電阻應變片傳感器電阻應變片傳感器 1 1 工作原理工作原理 當金屬絲在外力作用下發(fā)當金屬絲在外力作用下發(fā) 生機械變生機械變形形時其電阻值將發(fā)生變化時其電阻值將發(fā)生變化 A l R 長度變化為長度變化為L，面積變化為，面積變化為A，則電阻的變化為：，則電阻的變化為： d A l dA A l dl A dR 2 導體材料在外力作用下產(chǎn)生機械形變時，其電阻值隨導體材料在外力作用下產(chǎn)生機械形變時，其電阻值隨 著發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為著發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為電阻應變效應電阻應變效應。 l l E ll 半導體電阻率半導體電阻率

3、: l為半導體材料的壓阻系數(shù)，它與半導體材料種類及應力方向 與晶軸方向之間的夾角有關； E為半導體材料的彈性模量，與晶向有關。 位移、力、力矩、加速度、壓力 彈性敏 感元件 應變 外力作用 被測對象表面產(chǎn)生微小機械變形 應變片敏感柵隨同變形 電阻值發(fā)生相應變化 應變片 2 電阻應變片的結構與種類電阻應變片的結構與種類 （1）金屬電阻應變片：）金屬電阻應變片：金屬電阻應變片有絲 式、箔式及薄膜式等結構形式。 （2）半導體應變片）半導體應變片：利用半導體材料的利用半導體材料的 壓阻效應壓阻效應而制成的一種純電阻性元件。而制成的一種純電阻性元件。 l體型半導體、薄膜型半導體應變片、擴散型半導體型半導

4、體、薄膜型半導體應變片、擴散型半導 體應變片。體應變片。 *靈敏系數(shù)比金屬電阻應變片靈敏系數(shù)比金屬電阻應變片 的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍 ； *橫向效應和機械滯后極?。粰M向效應和機械滯后極?。?*溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬 電阻應變片差得多。電阻應變片差得多。 應變片測量應變是通過敏感柵的電阻相對變化應變片測量應變是通過敏感柵的電阻相對變化 而得到的。測量電阻的微小相對變化是通過測量電而得到的。測量電阻的微小相對變化是通過測量電 路得到的。路得到的。 測量電路：測量電路：直流電橋直流電橋（供電電源為直流電壓）供電電源為直流電壓）和和 交流電橋交流電橋（供電電源為

5、交流電壓）供電電源為交流電壓） 工作原理：工作原理：應變片受力后阻值發(fā)生變化，而使橋應變片受力后阻值發(fā)生變化，而使橋 路輸出電壓發(fā)生變化，且電壓變化與受力大小成比路輸出電壓發(fā)生變化，且電壓變化與受力大小成比 例。例。 3 電阻應變片的測量電路電阻應變片的測量電路 平衡條件平衡條件 : R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1、R2、R3、R4 可由4個應變片單獨構 成，也可由4個應變片 和4個電阻構成（將應 變片粘貼在電阻上） U RRRR RRRR U )( 4321 3241 0 應變片工作時，其電阻變化應變片工作時，其電阻變化R )( )()( 44332211 33224411

6、 0 RRRRRRRR RRRRRRRR UU R1、R2、R3、R4 可由4個應變片單獨構成，也可由4個應變片和4個電阻 構成（將應變片粘貼在電阻上） 采用等臂電橋，即采用等臂電橋，即R1= R2= R3=R4=R 。此時有：。此時有： )2)(2( )( 4321 32414321 0 RRRRRR RRRRRRRRR UU 設外力作用下應變片的阻值變化為：設外力作用下應變片的阻值變化為： R1= R4=RR; R2=R3=R-R U R R U 0 4 電阻應變片傳感器電阻應變片傳感器 l應變式力傳感器應變式力傳感器 l應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器 l應變式液體重量（或液位）傳感器應

7、變式液體重量（或液位）傳感器 l應變式加速度傳感器應變式加速度傳感器 將應變片粘貼在彈性元件上，進行標定后作為測量力、將應變片粘貼在彈性元件上，進行標定后作為測量力、 壓力、位移等物理量的傳感器。壓力、位移等物理量的傳感器。 2 1 )2/(3 2 Ebh hRF R R 在外力作用下，在外力作用下， 各點的應力差別較大各點的應力差別較大 梁式力傳感器梁式力傳感器 等截面梁 結構簡單，易加工，靈敏度高結構簡單，易加工，靈敏度高 適合于測適合于測5000N以下的載荷以下的載荷 b0 h 等截面懸臂梁 Ebh lF R R 2 6 筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器 BK-2S稱重傳感器稱重傳感器 采用

8、國際流行的雙梁式或剪切S梁結構， 拉、壓輸出對稱性好、 測量精度高、結 構緊湊，安裝方便，廣泛用于機電結合秤 、料斗秤、包裝秤等各種測力、稱重系統(tǒng) 中。 供橋電壓 12VDC 輸入阻抗 38020 輸出阻抗 35010 絕緣電阻 2000M 工作溫度 -10+50 BK4輪輻式傳感器系列輪輻式傳感器系列 采用輪輻式結構，高度低，抗偏采用輪輻式結構，高度低，抗偏 抗側能力強，測量精度高，性能穩(wěn)定抗側能力強，測量精度高，性能穩(wěn)定 可靠安裝方便，是大、中量程精度傳可靠安裝方便，是大、中量程精度傳 感器中的最佳形式，廣泛用于各種電感器中的最佳形式，廣泛用于各種電 子衡器和各種力值測量，如汽車衡、子衡器

9、和各種力值測量，如汽車衡、 軌道衡、吊勾秤、料斗秤。軌道衡、吊勾秤、料斗秤。 技術參數(shù) 量程（t） 1，2，5，10，20，30，50 供橋電壓 12VDC 靈敏度 152mV/V 輸入阻抗 73020 非線性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 輸出阻抗 70010 重復性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 絕緣電阻 2000M 滯后（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 工作溫度 -10+50 允許過負荷 120%FS 熱零點偏移（%FS/10） 壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等 應變片不直接粘貼在壓力感受元件上應變片不

10、直接粘貼在壓力感受元件上 通常用于測量小壓力。 其缺點是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程。 AK-1型應變式脈動壓力傳感器型應變式脈動壓力傳感器 產(chǎn)品產(chǎn)品特點： 采用外殼和膜片為一體的圓膜片結構 尺寸小，安裝方便 頻響高，精度高，性能穩(wěn)定可靠 適用于各種動，靜態(tài)、氣、液體介質(zhì)的壓力測量 容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器 三三 壓力傳感器電路舉例壓力傳感器電路舉例 （1）應變片壓力傳感器電路）應變片壓力傳感器電路 （2） 擴散型半導體壓力傳感器電路擴散型半導體壓力傳感器電路 擴散型半導體壓力傳感器是通過擴散形成的應變電橋構成的擴散型半導體壓力傳感器是通過擴散形成的應變電橋構

11、成的 橋路，可以恒壓方式進行驅動，也可以恒流方式進行驅動。橋路，可以恒壓方式進行驅動，也可以恒流方式進行驅動。 采用采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，型單晶硅為傳感器的彈性元件， 在它上面直接蒸鍍半導體電阻應變薄膜在它上面直接蒸鍍半導體電阻應變薄膜 壓阻式壓力傳感器結構簡圖 r0 R4R3 R2R1 0.635r0 (a)(b) 壓力接管 p 引線端 內(nèi)部引線 擴散電阻 膜片 硅杯 l工作原理：工作原理：膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生 變形，膜片上各點產(chǎn)生應力。四個電阻在應力變形，膜片上各點產(chǎn)生應力。四個電阻在應力 作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡， 輸出輸出 相應的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。相應的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。 l優(yōu)點優(yōu)點: 體積小，