傳感器和檢測技術(shù)第5章 壓力傳感器ppt課件

1、第第5 5章章 壓力檢測技術(shù)壓力檢測技術(shù) 5.1 5.1 概述概述 5.2 5.2 彈性壓力檢測技術(shù)彈性壓力檢測技術(shù) 5.3 5.3 電阻式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用電阻式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用 5.4 5.4 電容式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用電容式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用 5.5 5.5 壓電式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用壓電式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用 5.6 5.6 電感式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用電感式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用 5.7 5.7 其它壓力傳感器的應(yīng)用其它壓力傳感器的應(yīng)用 5.8 5.8 壓力檢測儀表的使用與校準(zhǔn)壓力檢測儀表的使用與校準(zhǔn)內(nèi)容提要 在本章

2、中，通過對(duì)壓力檢測方法的分析，引出彈性壓力檢測技術(shù)，介紹了彈性元件的結(jié)構(gòu)、外形和測壓原理，為重點(diǎn)介紹壓力的電測技術(shù)奠定基礎(chǔ)。通過本章學(xué)習(xí)，掌握電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器和壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)特性和工作原理，學(xué)會(huì)它們?cè)趬毫z測中的應(yīng)用。5.1 概述概述5.1.1 5.1.1 壓力的概念及單位壓力的概念及單位壓力：是指一定介質(zhì)垂直作用于單位面積上的力。壓力：是指一定介質(zhì)垂直作用于單位面積上的力。壓力的表示方法：絕對(duì)壓力、表壓力、負(fù)壓力或真空壓力的表示方法：絕對(duì)壓力、表壓力、負(fù)壓力或真空度。度。絕對(duì)壓力：是指被測介質(zhì)作用在單位面積上的全部壓絕對(duì)壓力：是指被測介質(zhì)作用在單位面積上的全部壓力

3、，用力，用PAPA表示。表示。用來測量絕對(duì)壓力的儀表稱為絕對(duì)壓力表。用來測量絕對(duì)壓力的儀表稱為絕對(duì)壓力表。大氣壓力：地面上的空氣柱所產(chǎn)生的平均壓力，用大氣壓力：地面上的空氣柱所產(chǎn)生的平均壓力，用P0P0表示。表示。用來測量大氣壓力的儀表叫氣壓表。用來測量大氣壓力的儀表叫氣壓表。絕對(duì)壓力與大氣壓力之差稱為表壓力，用絕對(duì)壓力與大氣壓力之差稱為表壓力，用PIPI表示。即表示。即 PI PIPAP0 PAP0 （5-15-1）當(dāng)絕對(duì)壓力值PA小于大氣壓力值P0時(shí)，表壓力為負(fù)值，所測值稱為負(fù)壓力或稱真空壓，它的絕對(duì)值稱為真空度。圖5-1 各種壓力之間的關(guān)系壓力的單位壓力的單位壓力在國際單位制中的單位是牛

4、頓/平方米N/m2），通常稱為帕斯卡或簡稱帕Pa）。工業(yè)上一般采用千帕kPa或兆帕MPa作為壓力的單位。多種壓力單位換算關(guān)系如下：1帕Pa）1牛頓/平方米N/m2）1巴bar）1達(dá)因/平方厘米dyn/cm2）105Pa1工程大氣壓1干克力/平方厘米kgf/cm2）98kPa 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓760毫米水銀柱101325Pa 1毫米水銀柱133.322Pa 1毫米水柱9.80665Pa真空度測量中常以“托”（Torr為單位，1托Torr）l毫米水銀柱。 5.1.2 壓力檢測的方法壓力檢測的方法根據(jù)不同工作原理分為如下幾種：（1重力平衡方法利用一定高度的工作液體產(chǎn)生的重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡的

5、原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度或平衡砝碼的重量來測量。例如液柱式壓力計(jì)和活塞式壓力計(jì)。（2彈性力平衡方法 利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性變形而產(chǎn)生的彈性力與被測壓力相平衡的原理，將壓力轉(zhuǎn)換成位移，通過測量彈性元件位移變形的大小測出被測壓力。5.1.2 壓力檢測的方法壓力檢測的方法（3 3機(jī)械力平衡方法機(jī)械力平衡方法是將被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)集中力，是將被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)集中力，用外力與之平衡，通過測量平衡時(shí)的外力測知用外力與之平衡，通過測量平衡時(shí)的外力測知被測壓力。力平衡式儀表可以達(dá)到較高精度，被測壓力。力平衡式儀表可以達(dá)到較高精度，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。（4 4物性測量

6、方法物性測量方法利用敏感元件在壓力的作用下，其某些物理特利用敏感元件在壓力的作用下，其某些物理特性發(fā)生與壓力成確定關(guān)系變化的原理，將被測性發(fā)生與壓力成確定關(guān)系變化的原理，將被測壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來測量。壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來測量。如應(yīng)變式、壓電式、電容式壓力傳感器等等。如應(yīng)變式、壓電式、電容式壓力傳感器等等。5.1.3 常用壓力檢測儀表常用壓力檢測儀表1. 1. 液柱式壓力計(jì)液柱式壓力計(jì)以流體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)。以流體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)。一般采用充有水或水銀等液體的玻璃一般采用充有水或水銀等液體的玻璃U U形管、單管或斜管進(jìn)形管、單管或斜管進(jìn)行壓力測量行壓力測量圖圖5-2 5-2 液柱式壓力

7、計(jì)液柱式壓力計(jì)ghAApAp21ghppghppp21212. 2. 彈性壓力計(jì)彈性壓力計(jì)圖5-3 彈性壓力計(jì)組成框圖5.2 5.2 彈性壓力檢測技術(shù)彈性壓力檢測技術(shù)5.2.1 5.2.1 彈性敏感器彈性敏感器5.2.2 5.2.2 機(jī)械式彈簧管壓力表機(jī)械式彈簧管壓力表5.2.1 彈性壓力敏感器彈性壓力敏感器1. 1. 彈性壓力敏感器彈性壓力敏感器彈性壓力傳感器：壓力變化彈性壓力傳感器：壓力變化位移變化位移變化電量電量變化變化常見的彈性壓力敏感器有：彈簧管常見的彈性壓力敏感器有：彈簧管 波紋管波紋管 膜片膜片彈簧管式波紋管式單圈彈簧管多圈彈簧管波紋管測量范圍0981MPa測量范圍098.1MP

8、a測量范圍00.981MPa薄膜式平薄膜波紋膜撓性膜測量范圍098.1MPa測量范圍00.981MPa測量范圍00.0981MPa2. 彈性元件的外形與測壓原理彈性元件的外形與測壓原理（1 1彈簧管彈簧管 壓力壓力 彈簧管自由端角位移彈簧管自由端角位移 （aC型彈簧管結(jié)構(gòu) （b彈簧管的截面形狀 圖5-4 C型彈簧管 在一定壓力范圍內(nèi)，彈簧管自由端產(chǎn)生位移量d與壓力P成正比，即 Pkd（2波紋管波紋管波紋管是一種帶同心環(huán)狀波形皺紋的薄壁圓管，一端開口，另一端封閉，將開口端固定，封閉端處于自由狀態(tài)，如圖5-5所示。圖5-5 波紋管 Pky在通入一定壓力的流體后，波紋管將伸長，在一定壓力范圍內(nèi)伸長量

9、即自由端位移y與壓力P成正比，即（3膜片與膜盒膜片與膜盒膜片是用金屬或非金屬制成的圓形薄片。 （b） （a） （c） （d） （a）：斷面是平的，稱為平膜片； （b）：斷面呈波紋狀，稱為波紋膜片；（c）：兩個(gè)膜片邊緣對(duì)焊起來，構(gòu)成膜盒； （d）：幾個(gè)膜盒連接起來，組成膜盒組。Pk 5.2.2 5.2.2 機(jī)械式彈簧管壓力表機(jī)械式彈簧管壓力表1. 1. 機(jī)械式彈簧管壓力機(jī)械式彈簧管壓力 圖5-7 彈簧管壓力表1彈簧管；2拉桿；3扇形齒輪；4中心齒輪；5指針6面板；7游絲；8調(diào)整螺釘或滑銷）；9接頭2. 2. 彈簧管材料及壓力表色標(biāo)彈簧管材料及壓力表色標(biāo)彈簧管的材料是根據(jù)被測介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和被測壓

10、力的高低來決定的。當(dāng)壓力P20MPa時(shí)采用磷青銅材料，當(dāng)壓力P20MPa時(shí)采用不銹鋼或合金鋼材料。當(dāng)測量氨氣壓力時(shí)，必須采用能夠耐腐蝕的不銹鋼彈簧管；測量乙炔壓力時(shí)，不得用銅質(zhì)材料彈簧管；測量氧氣壓力時(shí)，則嚴(yán)禁沾有油脂的工藝管道設(shè)備，否則將有爆炸危險(xiǎn)。壓力表的外殼一般均涂有不同的色標(biāo)，來表示該表所適用的介質(zhì)類型。 5.3 電阻式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用電阻式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用5.3.1 電阻應(yīng)變式傳感器及其在壓力檢電阻應(yīng)變式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用測中的應(yīng)用5.3.2 壓阻式傳感器及其在壓力檢測中壓阻式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用的應(yīng)用5.3.1 電阻應(yīng)變式傳感器及其在壓力檢

11、測中的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。設(shè)有一根金屬絲，其電阻率為，長度為l，截面積為S在未受力時(shí)電阻值為：SlR金屬絲在沿軸線方向的拉力作用下：將伸長l，橫截面積相應(yīng)減小S，電阻率因材料也相應(yīng)發(fā)生改變了，從而引起電阻值變化量為 ：dSdSldlRdR電阻相對(duì)變化量：SSllRR令：金屬絲的軸向應(yīng)變ldlx金屬絲的徑向應(yīng)變r(jià)dry dS/S圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dS=2r dr，那么 rdrSdS2材料力學(xué)：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)

12、，沿軸向伸長， 沿徑向縮短， 軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為 xy為電阻絲材料的泊松比dRdRX)21 (XXdRdRK)21 (定義：電阻絲的靈敏系數(shù)XKRdR（2應(yīng)變片的材料及結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的材料及結(jié)構(gòu)1 1應(yīng)變片的材料應(yīng)變片的材料金屬絲材料：金屬絲材料：適用于適用于300300以下靜態(tài)測量用的康銅、銅鎳合以下靜態(tài)測量用的康銅、銅鎳合金；金；適用于適用于450450以下的靜態(tài)測量或以下的靜態(tài)測量或800800以下的動(dòng)以下的動(dòng)態(tài)測量用的鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金等。態(tài)測量用的鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金等。電阻值一般為電阻值一般為120120、200200或或300300。半導(dǎo)體應(yīng)變片的材料：有硅、鍺、銻化

13、銦、磷半導(dǎo)體應(yīng)變片的材料：有硅、鍺、銻化銦、磷化鎵、砷化鎵等，其中硅和鍺的壓阻效應(yīng)顯著，化鎵、砷化鎵等，其中硅和鍺的壓阻效應(yīng)顯著，因此使用較多。因此使用較多。2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) （a應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 常用應(yīng)變片的形式常用應(yīng)變片的形式(續(xù)) 圖5-8 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)與形式1金屬絲；2金屬箔；3半導(dǎo)體；4基底（3電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路一般常采用橋式測量電路 R1R2R4R3ACBEDIoRLUo9半橋差動(dòng)電路R1+R1R2-R29全橋差動(dòng)電路R1+R1R2-R2R4+R4R3-R32. 電阻應(yīng)變式壓力傳感器電阻應(yīng)變式壓力傳感器（a圓膜片 （b梁型 （c應(yīng)變筒式 （d測

14、量電路圖5-11 應(yīng)變式壓力傳感器的外形、結(jié)構(gòu)及電橋式測量電路示意圖（1柱式柱式2、環(huán)式結(jié)構(gòu)、環(huán)式結(jié)構(gòu)208. 1EbhFr 圖 懸臂梁(a)等截面梁; (b)等強(qiáng)度梁 R1R4l0lFbhblR4R1Fh(a)(b)（3梁式梁式EbhFl206各種懸臂梁 電子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離顯示顯示電子天平電子天平的精度電子天平的精度可達(dá)十萬分之一可達(dá)十萬分之一2146352143應(yīng)變式加速度傳感器5.3.2 壓阻式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用壓阻式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)1. 壓阻效應(yīng)單晶硅材料在受到力的作用后，其電阻率將隨作用力而變化

15、，這種物理現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料電阻的變化率RR主要由引起，即取決于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，所以可以用下式表示LRR式中，L壓阻系數(shù)；應(yīng)力； 半導(dǎo)體材料的電阻率。 2. 壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器圖5-12 壓阻式壓力傳感器 小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進(jìn)氣口高壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口絕對(duì)壓力傳感器絕對(duì)壓力傳感器5.4 電容式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用電容式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用5.4.1 電容式傳感器電容式傳感器5.4.2 電容式傳感器在壓力檢測中的應(yīng)電容式傳感器在壓力檢測中的應(yīng)用用4.1 電容式傳感器1. 電容式傳感器的工作機(jī)理電容式傳感器的工作機(jī)理由絕緣介質(zhì)分開的兩

16、個(gè)平行金屬板組成的平板由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器。電容器。如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為 （5-9）式中，式中，S為兩平行極板所覆蓋的面積；為兩平行極板所覆蓋的面積；d為兩平為兩平行極板之間距離；行極板之間距離；為電容極板間的介電常數(shù)。為電容極板間的介電常數(shù)。dSC圖5-13 平板電容器D0D1La圓柱形電容式線位移傳感器圓柱形電容式線位移傳感器變面積型電容傳感器原理圖 bxadxS(1)變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器dxabCx)(xdbC0dsC)1 (0電容式角位移傳感器原理圖 00CC 變介質(zhì)型電容式傳感器 L0Ld0r1r2(2

17、) 變介質(zhì)型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器 001200000000021)()()(2121dLbCdLLLbdLbdLLbcccrrrrrr電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖 DdHh1rRhrRHln)(2ln2010rRhHrRhcln)(2ln201rRhCln)(2010電容的增量正比于被測液位高度，可測量一種流體的液位高度khC 0（3變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器Ard圖 變極距型電容式傳感器 0ccc00dsdds)111(00ddds0001ddddC10000011ddddddddCc00ddCc利用級(jí)數(shù)展開得利用級(jí)數(shù)展開得ddsCCC0010dds電容量與極距關(guān)系電容量

18、與極距關(guān)系2. 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路圖5-14 雙T橋電路 210CCUfKUE212210)(2CCTURRRRRRIIRRRRUELLLLLcbICiUiIcxICxoUA運(yùn)算放大器式電路原理圖（2運(yùn)算放大器式測量電路運(yùn)算放大器式測量電路x0iOCCuu（3脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 121210UCCCCUR2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A2A1tuAuAuBuBu ABu ABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路

19、各點(diǎn)電壓波形圖U0（4） 調(diào)頻電路調(diào)頻電路LCCf)(21010圖5-17 調(diào)頻-鑒頻電原理圖 21010LCCCfffLCf2101CCC三、影響電容式傳感器精度的因素分析三、影響電容式傳感器精度的因素分析1.溫度的影響2.邊緣效應(yīng)3.寄生參數(shù)的影響+-CBRR0C1C2C1L2La)a)測振幅測振幅b)b)測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測物振動(dòng)電容式傳感器被測軸電容式傳感器濕度測量濕度測量當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。HM1500濕度傳感器5.5 壓電式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用壓電式傳感器及其在壓力

20、檢測中的應(yīng)用5.5.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)5.5.2 壓電式壓力傳感器的應(yīng)用壓電式壓力傳感器的應(yīng)用壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng):當(dāng)某些物質(zhì)沿某一方向施加壓力或拉力時(shí),會(huì)產(chǎn)生變形,此時(shí)這種物質(zhì)的兩個(gè)表面將產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷.當(dāng)外力去掉后,它又重新回到不帶電狀態(tài).順壓電效應(yīng):Q=dF Q：壓電材料某表面的電荷量 d:壓電系數(shù) F：外力 逆壓電效應(yīng):5.5.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)圖5-21 壓電式壓力傳感器5.6 電感式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用電感式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用5.6.1 電感式傳感器的工作機(jī)理電感式傳感器的工作機(jī)理5.6.2 電感式傳感器在彈性壓力檢測中電感式傳感器在彈性壓力檢測中的應(yīng)

21、用的應(yīng)用5.6 電感式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用電感式傳感器及其在壓力檢測中的應(yīng)用5.6.1 電感式傳感器的工作機(jī)理電感式傳感器的工作機(jī)理5.6.2 電感式傳感器在彈性壓力檢測中的應(yīng)電感式傳感器在彈性壓力檢測中的應(yīng)用用5.6.1 電感式傳感器的工作機(jī)理電感式傳感器的工作機(jī)理1. 自感式電感傳感器自感式電感傳感器（1工作原理工作原理（a變間隙型變間隙型 （b變面積型變面積型圖圖5-22 自感傳感器原理自感傳感器原理20022SWRWLm根據(jù)對(duì)電感的定義，線圈中電感量可由下式確定： IWIL式中：線圈總磁鏈； I通過線圈的電流； W線圈的匝數(shù)； 穿過線圈的磁通。 由磁路歐姆定律， 得 ：mRIW

22、式中, Rm為磁路總磁阻。 對(duì)于變隙式傳感器， 因?yàn)闅庀逗苄?，所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的。 若忽略磁路磁損， 則磁路總磁阻為 002221112SSlSlRm式中： 1鐵芯材料的導(dǎo)磁率； 2銜鐵材料的導(dǎo)磁率； l1磁通通過鐵芯的長度； l2磁通通過銜鐵的長度； S1鐵芯的截面積； S2銜鐵的截面積； 0空氣的導(dǎo)磁率； S0氣隙的截面積； 氣隙的厚度。 通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻， 即 222001110022SlSSlS002SRm20022SWRWLm總結(jié)：總結(jié)：如果S不變，則L ，變間隙式100000201)(2LSWLLLL 0 0oL0L0 LL0 L00LL 假設(shè) 不變

23、，則L S ，變面積式1差動(dòng)變間隙式電感傳感器差動(dòng)變間隙式電感傳感器（2自感式電感傳感器的測量電路自感式電感傳感器的測量電路（a雙臂采用純電阻 （b雙臂采用變壓器的二次側(cè)繞組c雙臂采用緊耦合電感線圈圖5-23 交流電橋的幾種常用形式（2自感式電感傳感器的測量電路自感式電感傳感器的測量電路（b雙臂采用變壓器的二次側(cè)繞組圖5-23 交流電橋的幾種常用形式2. 互感式傳感器差動(dòng)變壓器）互感式傳感器差動(dòng)變壓器）將被測量的變化轉(zhuǎn)換為互感系數(shù)M變化的傳感器稱為互感傳感器。由于互感傳感器的本質(zhì)是一個(gè)變壓器，又常常做成差動(dòng)形式，所以又把互感傳感器稱為差動(dòng)變壓器。（1差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)類型（a銜鐵平板式 （b螺管式 （c轉(zhuǎn)角式圖5-24 互感傳感器結(jié)構(gòu)（2差動(dòng)變壓器的工作原理差動(dòng)變壓器的工作原理212121)()(LrUMMUo22210PPiLRUMMU當(dāng)次級(jí)開路時(shí)，初級(jí)繞組的交流電流為：當(dāng)次級(jí)開路時(shí)，初級(jí)繞組的交流電流為：PP.iP.LjRUI次級(jí)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢為：次級(jí)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢為：.P.IMjU11.P.IMjU22由于次級(jí)繞組反向串接，故差動(dòng)變壓器輸出電壓為由于次級(jí)繞組反向串接，故差動(dòng)變壓器輸出電壓為 .210PPiLjRUMMjU其有效值為其有效值為22210PPiLRUMMU 鐵芯處于中間位置時(shí)，鐵芯處