第3章 壓力檢測

1、第第3章章 壓力檢測壓力檢測n壓力的概念及單位壓力的概念及單位n應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì)n壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器n霍爾式壓力計(jì)霍爾式壓力計(jì)n數(shù)字式壓力計(jì)數(shù)字式壓力計(jì)第第3章章 壓力檢測壓力檢測 工程領(lǐng)域所謂工程領(lǐng)域所謂壓力壓力即物理學(xué)中的即物理學(xué)中的壓強(qiáng)壓強(qiáng)。是很。是很多生產(chǎn)過程重要的多生產(chǎn)過程重要的工藝參數(shù)工藝參數(shù)之一，是很多生產(chǎn)過之一，是很多生產(chǎn)過程自動化（過程控制）常見的程自動化（過程控制）常見的測控對象測控對象之一。之一。 本章簡要介紹壓力的概念及單位，重點(diǎn)講解本章簡要介紹壓力的概念及單位，重點(diǎn)講解應(yīng)變式壓力計(jì)、壓電式壓力傳感器、電容式壓力應(yīng)

2、變式壓力計(jì)、壓電式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、霍爾式壓力計(jì)等的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用。傳感器、霍爾式壓力計(jì)等的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用。 3.1 壓力的概念及單位壓力的概念及單位n 一、壓力的概念一、壓力的概念: :壓力是垂直而均勻地作用在單位面壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力。大小由受力面積的大小和垂直作用力的大積上的力。大小由受力面積的大小和垂直作用力的大小決定。表達(dá)式為：小決定。表達(dá)式為：n 二、壓力的單位二、壓力的單位 SI單位：帕斯卡（單位：帕斯卡（Pa）。）。 工程領(lǐng)域常用單位：工程領(lǐng)域常用單位： 工程大氣壓（工程大氣壓（at）；）； 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（大氣壓（atm）；）； 約定毫米汞柱

3、（約定毫米汞柱（mmHg）；約約定毫米水柱（定毫米水柱（mmH2O）。）。n常用單位與帕斯卡的換算關(guān)系常用單位與帕斯卡的換算關(guān)系（2p.189）。SFP 3.1 壓力的概念及單位壓力的概念及單位n三、壓力的分類三、壓力的分類 絕對壓力絕對壓力 大氣壓力大氣壓力 表壓力表壓力 差壓差壓 真空度真空度 上述各種壓力的相互關(guān)系上述各種壓力的相互關(guān)系 （真空度）（真空度） 壓力檢測常用彈性元件：壓力檢測常用彈性元件：彈性元件是一種簡易可靠的測壓敏感元件。當(dāng)測壓范圍彈性元件是一種簡易可靠的測壓敏感元件。當(dāng)測壓范圍不同時，所用的彈性元件也不一樣。不同時，所用的彈性元件也不一樣。 彈簧管式；彈簧管式； 式；

4、式； 波紋波紋（波登）管式（波登）管式3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì) n3.2.1 金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)變片 n金屬應(yīng)變片的金屬應(yīng)變片的工作原理工作原理是基于是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)金屬的應(yīng)變效應(yīng)。n金屬絲的電阻值隨外力作用發(fā)生機(jī)械形變（拉伸或壓金屬絲的電阻值隨外力作用發(fā)生機(jī)械形變（拉伸或壓縮）而相應(yīng)改變，稱為金屬材料的縮）而相應(yīng)改變，稱為金屬材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)。 n一段長度一段長度為為L，截面積為，截面積為S，電阻率為，電阻率為的的金屬絲，受金屬絲，受力前后的電阻值的變化：力前后的電阻值的變化： SLRSSLLRR3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì)n（軸向）（軸向）應(yīng)變應(yīng)變n徑向應(yīng)變徑向

5、應(yīng)變LLrrrLLrrKRR)21 ()21(泊松系數(shù)泊松系數(shù)E彈性模量彈性模量（Kg/mm2）應(yīng)力應(yīng)力fPRR)(3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì)n金屬應(yīng)變片分為金屬應(yīng)變片分為絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片和和薄薄膜應(yīng)變片膜應(yīng)變片三類，結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)見三類，結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)見1p.34-35。n常用的應(yīng)變絲的材料是常用的應(yīng)變絲的材料是康銅絲康銅絲和和鎳鉻合金絲鎳鉻合金絲。n絲式絲式應(yīng)變片和應(yīng)變片和箔式箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖示。應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖示。n用薄紙作為基底的應(yīng)變片稱為用薄紙作為基底的應(yīng)變片稱為紙基應(yīng)變片紙基應(yīng)變片；用；用有機(jī)聚合物作為基底的應(yīng)變片稱為有機(jī)聚合物作為基底的應(yīng)變片稱為膠基

6、應(yīng)變片膠基應(yīng)變片。 3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì)金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：1- -敏感柵敏感柵2- -基底（基底（厚厚0.020.04mm）3- -引線引線4- -金屬膜引線金屬膜引線厚厚0.0010.01mm直徑直徑0.020.04mm3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì)n3.2.2 半導(dǎo)體應(yīng)變片（壓阻式傳感器）半導(dǎo)體應(yīng)變片（壓阻式傳感器） 半導(dǎo)體應(yīng)變片（壓阻式傳感器）半導(dǎo)體應(yīng)變片（壓阻式傳感器）的的工作原理工作原理是基于是基于半半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受外單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受外力作用時，電阻率發(fā)生力作用時，電阻率發(fā)生顯著顯著變化，稱為變化

7、，稱為半導(dǎo)體的壓阻半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻的變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻的變化主要主要是電阻率變化引是電阻率變化引起的，即起的，即 又又 ，故，故半導(dǎo)體壓阻半導(dǎo)體壓阻系數(shù)系數(shù)lRR)21 (EKERRll半導(dǎo)體應(yīng)變片主要有半導(dǎo)體應(yīng)變片主要有體體型型（如圖）和（如圖）和擴(kuò)散型擴(kuò)散型（見擴(kuò)散型壓阻式壓力（見擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器）兩類。傳感器）兩類。3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì)n與金屬應(yīng)變片與金屬應(yīng)變片相比相比，半導(dǎo)體應(yīng)變片的，半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要優(yōu)點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高（是靈敏度高（12個個量級）；量級）；主要缺點(diǎn)主要缺點(diǎn)是溫度是溫度誤差大，誤差大，必須必須有補(bǔ)償措施。有補(bǔ)償措施。n“溫

8、度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差及其補(bǔ)償”見后。見后。3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì)商品應(yīng)變片商品應(yīng)變片R：60、120、350、600、1000。箔式箔式應(yīng)變片和應(yīng)變片和薄膜薄膜應(yīng)變片常制作成應(yīng)變片常制作成應(yīng)變花應(yīng)變花3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì)n3.2.3 應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償應(yīng)變片的粘貼及溫度補(bǔ)償 n一、應(yīng)變片的粘貼一、應(yīng)變片的粘貼 粘貼工藝包括被測試件表面處理、貼片、質(zhì)量檢查、粘貼工藝包括被測試件表面處理、貼片、質(zhì)量檢查、焊接引線、防護(hù)與屏蔽等。（參考焊接引線、防護(hù)與屏蔽等。（參考傳感器技術(shù)手冊傳感器技術(shù)手冊）n二、溫度誤差及其補(bǔ)償二、溫度誤差及其補(bǔ)償 n1. .溫度誤差溫度誤差 溫度誤

9、差是指環(huán)境溫度變化引起應(yīng)變片電阻變化。原溫度誤差是指環(huán)境溫度變化引起應(yīng)變片電阻變化。原因有兩方面：因有兩方面：一方面一方面是應(yīng)變片電阻絲的溫度系數(shù)，是應(yīng)變片電阻絲的溫度系數(shù)，另另一方面一方面是電阻絲材料與試件材料的線膨脹系數(shù)不同。是電阻絲材料與試件材料的線膨脹系數(shù)不同。n2. . 溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償 電橋補(bǔ)償法如圖。電橋補(bǔ)償法如圖。一工作片一工作片, ,一補(bǔ)償片；一補(bǔ)償片；兩個均兩個均為工作片為工作片( (條件條件? ?優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)? ?) ) 。3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì)R1RBFR1RBF3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì)n3.2.4 測量電路測量電路n1. 直流電橋直流電橋)()()(44

10、33221133224411ORRRRRRRRRRRRRRRRUUURRRRRRRRU)(43213241O時（電壓跟隨器？）當(dāng)LR一般采用等臂電橋，即一般采用等臂電橋，即R1= R2= R3=R4=R 。有。有)2)(2()(432132414321ORRRRRRRRRRRRRRRUU當(dāng)當(dāng) 時，略去高階小量，有時，略去高階小量，有 RRRRRRRRUU4321O44321O4UKU電橋輸出電橋輸出與與應(yīng)變應(yīng)變近似成線性關(guān)系。近似成線性關(guān)系。)4 , 3 , 2 , 1(iiRR 電橋單臂工作：電橋單臂工作：設(shè)設(shè)R1為工作片（為工作片（補(bǔ)償片補(bǔ)償片接相鄰橋臂），有接相鄰橋臂），有RRUU4O溫

11、度補(bǔ)償？溫度補(bǔ)償？為提高靈敏度、改善非線性及得到溫度補(bǔ)償，實(shí)踐為提高靈敏度、改善非線性及得到溫度補(bǔ)償，實(shí)踐中常用中常用半橋差動電路半橋差動電路或或全橋差動電路全橋差動電路。3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì) 半橋差動電路：半橋差動電路：全橋差動電路：全橋差動電路：RRUU2ORRUUO溫度補(bǔ)償？溫度補(bǔ)償？溫度補(bǔ)償？溫度補(bǔ)償？UU n2. 交流電橋交流電橋?yàn)榭朔绷鞣糯笃鞯臑榭朔绷鞣糯笃鞯牧闫闫瘑栴}，應(yīng)變電橋常采用問題，應(yīng)變電橋常采用交流電交流電橋橋（調(diào)幅？調(diào)幅？）。）。圖示為圖示為交流電橋交流電橋和和半橋差動應(yīng)變交流電橋半橋差動應(yīng)變交流電橋的一般形式。的一般形式。應(yīng)變片的引線應(yīng)變片的引線分布

12、電容分布電容（交流電源！）使得兩橋臂應(yīng)變（交流電源?。┦沟脙蓸虮蹜?yīng)變片呈復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于應(yīng)變片并聯(lián)了一個電容。片呈復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于應(yīng)變片并聯(lián)了一個電容。 交流電橋交流電橋輸出：輸出：交流電橋平衡條件：交流電橋平衡條件： 半橋差動應(yīng)變交流電橋半橋差動應(yīng)變交流電橋橋臂阻抗：橋臂阻抗：取取整理可得整理可得即平衡條件：即平衡條件：4433222111j1/j1/RZRZCRZCRZUZZZZZZZZU)(43213241O3241ZZZZ4321ZZZZ24241313jjCRRRCRRR,3412RRRR。2112CCRR交流電橋交流電橋平衡調(diào)節(jié)平衡調(diào)節(jié)交流電容交流電容電橋平衡電橋平衡調(diào)節(jié)，

13、需調(diào)節(jié)，需同時有電同時有電阻可調(diào)和阻可調(diào)和電容可調(diào)。電容可調(diào)。被測應(yīng)力變化引起被測應(yīng)力變化引起電橋輸出為電橋輸出為 UZZU0O21 )Z0(0201002020101ZZZZZZZZZZZZ時令被測應(yīng)力為單臂應(yīng)變交流電橋輸出？單臂應(yīng)變交流電橋輸出？全橋差動應(yīng)變交流電橋輸出？全橋差動應(yīng)變交流電橋輸出？3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì)n直流電橋的直流電橋的調(diào)零調(diào)零用電位器即可。用電位器即可。n直流電橋直流電橋的供電和調(diào)零都較簡單。但是，輸出信號需的供電和調(diào)零都較簡單。但是，輸出信號需要放大時，用直接耦合放大器（很多被測量是靜態(tài)的要放大時，用直接耦合放大器（很多被測量是靜態(tài)的或緩變的），有或緩變的

14、），有漂移漂移問題。問題。n為解決漂移等問題，常用為解決漂移等問題，常用交流電橋交流電橋。但是，供電（穩(wěn)。但是，供電（穩(wěn)頻和穩(wěn)幅）和調(diào)零（電位器和電容）都較復(fù)雜；輸出頻和穩(wěn)幅）和調(diào)零（電位器和電容）都較復(fù)雜；輸出為為調(diào)幅調(diào)幅信號。通常需要信號。通常需要檢波檢波電路。常用電路。常用相敏檢波電路相敏檢波電路（已集成化）。（已集成化）。n近年來，由于近年來，由于低漂移集成運(yùn)放低漂移集成運(yùn)放的發(fā)展，直流電橋得到的發(fā)展，直流電橋得到了了廣泛應(yīng)用廣泛應(yīng)用。n在測控實(shí)踐中，為了能將傳感器輸出信號（一般很微在測控實(shí)踐中，為了能將傳感器輸出信號（一般很微弱）從各種噪聲中分離出來，將傳感器輸出信號弱）從各種噪聲中

15、分離出來，將傳感器輸出信號調(diào)制調(diào)制（賦以一定特征），是一種（賦以一定特征），是一種常見常見做法。很多情形中，做法。很多情形中，調(diào)制是通過傳感器測量電路實(shí)現(xiàn)的（如調(diào)制是通過傳感器測量電路實(shí)現(xiàn)的（如交流電橋交流電橋）。）。3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì)n圓柱式力傳感器（荷重傳感器）圓柱式力傳感器（荷重傳感器） 柱形柱形筒形筒形圓柱面展開圖圓柱面展開圖橋路連接圖橋路連接圖3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì)n梁式力傳感器（荷重傳感器）梁式力傳感器（荷重傳感器） 3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì)n扭矩傳感器扭矩傳感器 n應(yīng)變片應(yīng)用實(shí)例應(yīng)變片應(yīng)用實(shí)例3.2.5 擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器

16、采用采用N型單晶硅為傳感器的型單晶硅為傳感器的彈性元件彈性元件，在它上面直接蒸，在它上面直接蒸鍍鍍半導(dǎo)體應(yīng)變薄膜半導(dǎo)體應(yīng)變薄膜（敏感柵敏感柵） ，制成，制成擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片變片（壓阻式傳感器壓阻式傳感器）。四個阻值相等的）。四個阻值相等的擴(kuò)散型半導(dǎo)體擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片（圖示）構(gòu)成應(yīng)變片（圖示）構(gòu)成平衡電橋平衡電橋。3.2 應(yīng)變式壓力計(jì)應(yīng)變式壓力計(jì)工作原理：工作原理：膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。四個電阻在應(yīng)力作用下，阻值膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。四個電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，發(fā)生變化，電橋電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓

17、，電壓與失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。膜片兩邊的壓力差成正比。 四個電阻的配置位置：四個電阻的配置位置：按膜片上徑向應(yīng)力按膜片上徑向應(yīng)力r和切向應(yīng)和切向應(yīng)力力t的分布情況確定。的分布情況確定。 )31 ()1(83)3()1(832202t2202rrrhPrrhP設(shè)計(jì)時，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動電橋。設(shè)計(jì)時，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動電橋。 n擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器特點(diǎn)：擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器特點(diǎn)：n優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): : 體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，能測出十幾帕的響應(yīng)好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯

18、后和蠕變小，微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。n測量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響。測量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。對非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。 擴(kuò)散硅壓力變送器擴(kuò)散硅壓力變送器3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 n3.4.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)在某方向受壓力或拉力作用產(chǎn)生形變時，表某些物質(zhì)在某方向受壓力或拉力作用產(chǎn)生形變時，表面會產(chǎn)生電荷。外力撤消后，又回到不帶電狀態(tài)。這面會產(chǎn)生電荷。外力撤消后，又回到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為（正）種現(xiàn)

19、象稱為（正）壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為為壓電材料壓電材料，如天然的石英晶體，人造的壓電陶瓷等。，如天然的石英晶體，人造的壓電陶瓷等。 逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）？逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）？ n一、石英晶體的壓電效應(yīng)一、石英晶體的壓電效應(yīng) 下圖為天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形和石英晶體切片。下圖為天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形和石英晶體切片。 天然石英晶體外形天然石英晶體外形石英晶體切片石英晶體切片雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體振蕩器（晶振）3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器X軸：電軸或軸：電軸或1軸軸Y軸：機(jī)械軸或軸：機(jī)械軸或2軸軸Z軸：

20、光軸或軸：光軸或3軸軸 縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)：沿電軸（：沿電軸（X軸）方向的力作用下產(chǎn)生軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷。電荷。橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)：沿機(jī)械軸（：沿機(jī)械軸（Y軸）方向的力作軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷。用下產(chǎn)生電荷。沿光軸（沿光軸（Z軸）方向軸）方向的力作用下的力作用下不產(chǎn)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。生壓電效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)：石英晶體的壓電效應(yīng)：3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n當(dāng)切片在沿當(dāng)切片在沿X軸的方向上受到壓軸的方向上受到壓力力Fx作用時，晶體切作用時，晶體切片將產(chǎn)生厚度變形，并在與片將產(chǎn)生厚度變形，并在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷荷Qx，它的大小為

21、：，它的大小為： X11XFdQ壓電系數(shù)壓電系數(shù)石英：石英：C/N1031. 21211d3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n電荷的極性電荷的極性 3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n二、壓電效應(yīng)的物理解釋二、壓電效應(yīng)的物理解釋 3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n3.4.2 壓電材料壓電材料 n一、壓電晶體一、壓電晶體 石英晶體石英晶體 水溶性壓電晶體水溶性壓電晶體 鈮酸鋰晶體鈮酸鋰晶體 n二、壓電陶瓷二、壓電陶瓷 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷 鈮酸鹽系壓電陶瓷鈮酸鹽系壓電陶瓷 鈮鎂酸鉛壓電陶瓷鈮鎂酸鉛壓電陶瓷 n三、壓電半導(dǎo)體三、壓電

22、半導(dǎo)體 C/N10)900800(1233d與石英比較？與石英比較？在壓電式傳感器中，常將兩片或多片壓電片疊壓在一起在壓電式傳感器中，常將兩片或多片壓電片疊壓在一起后后并聯(lián)并聯(lián)或或串聯(lián)串聯(lián)使用。使用。并聯(lián)并聯(lián)輸出電荷大，電容大，時間常數(shù)大。適于測量慢變輸出電荷大，電容大，時間常數(shù)大。適于測量慢變信號并且以電荷為輸出量。信號并且以電荷為輸出量。串聯(lián)串聯(lián)輸出電壓大，電容小。適于以電壓為輸出量，且測輸出電壓大，電容小。適于以電壓為輸出量，且測量電路輸入阻抗很高。量電路輸入阻抗很高。000,nCCuunQQ并聯(lián)：nCCnuuQQ/,000串聯(lián)：3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n3.4.3 測量

23、電路測量電路n等效電路等效電路 n壓電傳感器輸出信號微弱，且內(nèi)阻很高（壓電傳感器輸出信號微弱，且內(nèi)阻很高（Ra1010），需用），需用前置放大器前置放大器。 n前置放大器前置放大器作用作用：放大壓電傳感器輸出的微弱信號；放大壓電傳感器輸出的微弱信號；是是阻抗變換。阻抗變換。3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n一、電壓放大器一、電壓放大器n壓電傳感器接到電壓放大器的等效電路如圖示。壓電傳感器接到電壓放大器的等效電路如圖示。 uiuiuououu3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器tUtCFutFFmammsinsindsinmicammmicamaUCCCFRFRFUCCCRRFUCC

24、RRFudd)(1d)(1d)(j1jd020im222imi1),(0icaCCCR) 3(10(幅值幅值)3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n不能用于靜態(tài)測量。不能用于靜態(tài)測量。n高頻響應(yīng)好。高頻響應(yīng)好。nUi與與Cc有關(guān)。改變電纜長度，需重新校準(zhǔn)。有關(guān)。改變電纜長度，需重新校準(zhǔn)。n電纜不能太長。電纜長，電纜不能太長。電纜長，Cc大，傳感器的電壓靈敏度大，傳感器的電壓靈敏度低。低。n與與電荷放大器電荷放大器相比，電路簡單，元件少，價格便宜，相比，電路簡單，元件少，價格便宜，工作可靠。工作可靠。n解決電纜問題的辦法是將放大器與傳感器裝在一起解決電纜問題的辦法是將放大器與傳感器裝在一起（

25、電纜極短，（電纜極短， Cc趨于零），組成趨于零），組成一體化傳感器一體化傳感器。3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n如果如果被測物理量是緩慢變化的動態(tài)量，而被測物理量是緩慢變化的動態(tài)量，而測量回路的測量回路的時間常數(shù)時間常數(shù)又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此為又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此為了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍，就了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍，就必須必須盡量提高回路盡量提高回路的時間常數(shù)。的時間常數(shù)。n但這但這不能不能靠增加測量回路的電容量來提高時間常數(shù)，靠增加測量回路的電容量來提高時間常數(shù)，因?yàn)閭鞲衅鞯囊驗(yàn)閭鞲衅鞯碾妷红`敏度電壓靈敏度與電容成反比的，與電容成反比的，切實(shí)可

26、行切實(shí)可行的辦法的辦法是提高測量回路的電阻。由于傳感器本身的絕是提高測量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，緣電阻一般都很大，所以所以，測量回路的電阻主要取決，測量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，放大器的輸入電阻越大，測量回路的時間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就測量回路的時間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。越好。3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n二、電荷放大器二、電荷放大器 n電荷放大器是有反饋電容的高增益運(yùn)算放大器，它的輸入信電荷放大器是有反饋電容的高增益運(yùn)算放大器，它的輸入信號是壓電傳感器產(chǎn)生的電荷。當(dāng)號是

27、壓電傳感器產(chǎn)生的電荷。當(dāng)略去泄漏電阻略去泄漏電阻，且，且放大器輸放大器輸入電阻趨于無窮大入電阻趨于無窮大時，它的等效電路如圖所示。時，它的等效電路如圖所示。 Q3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器QCQKCCCCQKuFFicao) 1(1K放大器的開環(huán)增益優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：uo與與Cc無關(guān)，且正比于無關(guān)，且正比于Q。Rf（1081010）提供直流負(fù)反饋通路，以減小）提供直流負(fù)反饋通路，以減小零漂，使放大器工作穩(wěn)定。零漂，使放大器工作穩(wěn)定。3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 電荷放大器電荷放大器 商品化的電荷放大器？商品化的電荷放大器？3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n3.4.4

28、壓電式壓力及力傳感器壓電式壓力及力傳感器 壓電式壓力傳感器可測壓力壓電式壓力傳感器可測壓力104108Pa，頻率幾，頻率幾Hz幾幾十十kHz（甚至上百（甚至上百kHz）。）。 三維（軸、向）三維（軸、向）壓電式單向測力傳感器壓電式單向測力傳感器3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器消除振動加速度影響的壓電式消除振動加速度影響的壓電式壓力傳感器壓力傳感器壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應(yīng)用壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺壓電式步態(tài)分析跑臺壓電式縱跳訓(xùn)練分析壓電式縱跳訓(xùn)練分析壓電傳感器測量雙腿跳壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力的動態(tài)力煤

29、氣灶電子點(diǎn)火裝置煤氣灶電子點(diǎn)火裝置n圖示為煤氣灶電子點(diǎn)火圖示為煤氣灶電子點(diǎn)火裝置，由高壓跳火來點(diǎn)裝置，由高壓跳火來點(diǎn)燃煤氣。將開關(guān)往里壓，燃煤氣。將開關(guān)往里壓，氣閥打開；開關(guān)旋轉(zhuǎn)，氣閥打開；開關(guān)旋轉(zhuǎn)，彈簧往左壓。此時，彈彈簧往左壓。此時，彈簧有一很大的力撞擊壓簧有一很大的力撞擊壓電晶體，高壓放電，燃電晶體，高壓放電，燃燒盤點(diǎn)火。燒盤點(diǎn)火。n打火機(jī)？打火機(jī)？壓電引信壓電引信( (引爆引爆) )n壓電引信結(jié)構(gòu)圖如圖壓電引信結(jié)構(gòu)圖如圖(a)所示。早期的所示。早期的40火箭筒引信如圖火箭筒引信如圖(b)所所示，平時內(nèi)外電極開路，當(dāng)火箭筒撞擊時，內(nèi)外電極短路引示，平時內(nèi)外電極開路，當(dāng)火箭筒撞擊時，內(nèi)外電

30、極短路引爆。改進(jìn)的壓電引信原理如圖爆。改進(jìn)的壓電引信原理如圖(c)所示，當(dāng)火箭筒撞擊時，壓所示，當(dāng)火箭筒撞擊時，壓電晶體產(chǎn)生電荷，使電發(fā)火管打火，從而引爆。電晶體產(chǎn)生電荷，使電發(fā)火管打火，從而引爆。 集成壓電式傳感器簡介集成壓電式傳感器簡介: : 是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強(qiáng)，抗干該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊

31、能力強(qiáng)，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。典型應(yīng)用：典型應(yīng)用：脈搏計(jì)數(shù)探測；按鍵鍵盤，觸摸鍵盤；振脈搏計(jì)數(shù)探測；按鍵鍵盤，觸摸鍵盤；振動、沖擊、碰撞報(bào)警；振動加速度測量；管道壓力波動、沖擊、碰撞報(bào)警；振動加速度測量；管道壓力波動；機(jī)電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等。動；機(jī)電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等。 高分子壓電薄膜和電纜高分子壓電薄膜和電纜 電纜電纜壓電式腳踏報(bào)警器壓電式腳踏報(bào)警器 玻璃打碎報(bào)警器玻璃打碎報(bào)警器 將高分子壓電薄膜制作的玻璃打碎報(bào)警傳感器

32、貼將高分子壓電薄膜制作的玻璃打碎報(bào)警傳感器貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。將電壓信號傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。 粘貼位置粘貼位置高分子壓電薄膜制作的壓電揚(yáng)聲器（逆壓電效應(yīng)）高分子壓電薄膜制作的壓電揚(yáng)聲器（逆壓電效應(yīng)）高分子壓電電纜用于交通監(jiān)測高分子壓電電纜用于交通監(jiān)測將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)收費(fèi)站地磅、

33、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場滑行道等。信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場滑行道等。演示演示將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。并根據(jù)存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 3.5.1 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理n電容式傳感器有三種基本類型：電容式傳感器有三種基本類型：變極距型變極距型、變面積變面積型型、變

34、介電常數(shù)型變介電常數(shù)型。 一、變極距型電容傳感器一、變極距型電容傳感器 邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)? ?dSC3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 二、變面積型電容傳感器二、變面積型電容傳感器 三、變介電常數(shù)型電容傳感器三、變介電常數(shù)型電容傳感器3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 電容壓力電容壓力/ /差壓變送器差壓變送器3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 3.5.2 差動電容傳感器差動電容傳感器 通常，通常，變極距型變極距型變面積型變面積型0dd 實(shí)踐中，常用實(shí)踐中，常用差動電容傳感器差動電容傳感器，既，既提高提高了靈敏度，了靈敏度，又又改善改善了非線性。了非線性。n非差動：非差動：d

35、ddCddCddddddCddddCdSddSCCC 00003020000000002121)()()11(、0dd 00dSC靈敏度及非線性的證明（以變極距型為例）：靈敏度及非線性的證明（以變極距型為例）：初始電容為初始電容為取取 ，非線性誤差，非線性誤差( (一般取最大項(xiàng)一般取最大項(xiàng)) )為為( (25)%)%。 2 . 01 . 0/0dd非線性項(xiàng)為非線性項(xiàng)為2次項(xiàng)次項(xiàng)k3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器n差動：差動：dddCddCddddddCCCC00005030002122)()(2非線性項(xiàng)為非線性項(xiàng)為3次項(xiàng)次項(xiàng)故故：靈敏度為：靈敏度為2倍；非線性顯著改善。倍；非線性顯著改

36、善。k3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 n3.5.3 測量電路測量電路n一、交流電橋一、交流電橋（調(diào)幅？）（調(diào)幅？） 專用集成測量電路，專用集成測量電路，如如MS3110，31p.583.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 電容電容變化變化交流交流電壓電壓變化變化初始初始電電橋橋平平衡衡交流交流電壓電壓放大放大檢出檢出直流直流電壓電壓濾掉濾掉交流交流分量分量直流直流電電壓壓輸輸出出交流電橋測量電路：交流電橋測量電路：3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 n二、差動脈沖調(diào)寬電路二、差動脈沖調(diào)寬電路 n差動脈沖調(diào)寬電路屬差動脈沖調(diào)寬電路屬脈沖調(diào)制電路脈沖調(diào)制電路。它利用對。它利用對傳

37、感器電容充放電使輸出脈沖的寬度隨電容量傳感器電容充放電使輸出脈沖的寬度隨電容量的變化而變化，再經(jīng)的變化而變化，再經(jīng)低通濾波器低通濾波器可得對應(yīng)被測可得對應(yīng)被測量變化的量變化的直流信號直流信號。n輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。 UCCCCU212103.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器差動脈沖調(diào)寬電路原理圖差動脈沖調(diào)寬電路原理圖3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器n差動脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)差動脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形電壓波形n差動脈沖調(diào)寬電路差動脈沖調(diào)寬電路優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器正半周時正半周時 C1充電充電;負(fù)半周

38、時負(fù)半周時C1通過通過RL放電（放電（iL1）。另一）。另一半類似。半類似。C1=C2iL1=iL2UL=0。C1C2iL1iL2UL0。UL（ C1-C2 ）。）。三、二極管雙三、二極管雙T交流電橋交流電橋高頻方波高頻方波)()()2()(212LLL21LLLCCTuRRRRRRIIRRRRUCC3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器n四、調(diào)頻電路四、調(diào)頻電路 將電容式傳感器接入高頻振蕩器的將電容式傳感器接入高頻振蕩器的LC回路中，回路中，當(dāng)被測量使電容變化時，振蕩頻率也相應(yīng)變化，當(dāng)被測量使電容變化時，振蕩頻率也相應(yīng)變化，故稱為故稱為調(diào)頻電路調(diào)頻電路。 ffCCCCLLCf00i1)(2

39、1213.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)? ?C2=C3C電壓跟隨器電壓跟隨器？ 調(diào)頻電路原理圖：調(diào)頻電路原理圖：Ci為為寄生電容寄生電容3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 調(diào)頻電路框圖：調(diào)頻電路框圖：限幅器限幅器調(diào)頻調(diào)頻放大器放大器3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器n五、運(yùn)算放大器五、運(yùn)算放大器 n將電容式傳感器接入運(yùn)算放大器中，作為電路將電容式傳感器接入運(yùn)算放大器中，作為電路的反饋元件構(gòu)成的測量電路如圖所示。的反饋元件構(gòu)成的測量電路如圖所示。n 以以Cx=S/d 代入，得：代入，得：n上式表明，輸出電壓與上式表明，輸出電壓與d是是線性關(guān)系線性關(guān)系。 UCCU

40、CCUXXO)/(j1)/(j1dSCUUO 消除邊緣效應(yīng)消除邊緣效應(yīng): : 邊邊緣緣電電 場場均均 勻勻 電電 場場3321帶有等位環(huán)的平板電容傳感器原理帶有等位環(huán)的平板電容傳感器原理1、2 極板極板 3等位環(huán)（保護(hù)環(huán)）等位環(huán)（保護(hù)環(huán)）3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器3.5.4 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器n一、電容式差壓傳感器一、電容式差壓傳感器 1隔離膜片隔離膜片2、7固定電極（金屬鍍膜）固定電極（金屬鍍膜）3硅油硅油4測量膜片（動電極）測量膜片（動電極）5玻璃層玻璃層6底座底座8引線引線特點(diǎn)：特點(diǎn)：靈敏度高，線性好，靈敏度高，線性好，減小了介電常數(shù)受溫度影響減小了介電常數(shù)受

41、溫度影響引起的不穩(wěn)定性。引起的不穩(wěn)定性。3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器n二、變面積式壓力傳感器二、變面積式壓力傳感器p電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器3.5 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器n三、荷重傳感器三、荷重傳感器習(xí)題：習(xí)題： 1. 請證明差動變極距式電容傳感器的請證明差動變極距式電容傳感器的 靈敏度是非差動靈敏度是非差動式的式的2倍（設(shè)倍（設(shè) ），且非線性也顯著改善。），且非線性也顯著改善。0dd 討論題：討論題：1. 用電容傳感器檢測水果質(zhì)量（無損檢測）？自動分級？用電容傳感器檢測水果質(zhì)量（無損檢測）？自動分級？2. 用電容傳感器設(shè)計(jì)老人跌倒自動報(bào)警器？用電容傳感器設(shè)計(jì)老人

42、跌倒自動報(bào)警器？3. 用用電容傳感器設(shè)計(jì)觸摸開關(guān)或接近開關(guān)？電容傳感器設(shè)計(jì)觸摸開關(guān)或接近開關(guān)？3.6 霍爾式壓力計(jì)霍爾式壓力計(jì) 3.6.1 霍爾效應(yīng)與霍爾元件霍爾效應(yīng)與霍爾元件n霍爾效應(yīng)（霍爾效應(yīng)（N型半導(dǎo)體）型半導(dǎo)體）n霍爾元件的特性常用霍爾元件的特性常用 靈敏靈敏度度KH表表示，示， IBKUHHdRKHHdIBRnedIBUHH電子濃度電子濃度霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)420.1mm3測量原理測量原理？控制電極控制電極霍爾電極霍爾電極3.6 霍爾式壓力計(jì)霍爾式壓力計(jì)n因建立霍爾效應(yīng)的時間極短（因建立霍爾效應(yīng)的時間極短（10-1210-14s），故控制），故控制電流用電流用直流直流或或交流交流都可以

43、，交流都可以，交流頻率可達(dá)幾頻率可達(dá)幾GHz。若若控制電流是交流，控制電流是交流， ，則霍爾電勢也是交，則霍爾電勢也是交流，流， 。 I和和UH 都是都是有效值有效值。n霍爾元件有幾種霍爾元件有幾種副效應(yīng)副效應(yīng)，會帶來測量誤差。測量精度，會帶來測量誤差。測量精度要求高時，可通過適當(dāng)?shù)臏y量方法和數(shù)據(jù)處理方法來要求高時，可通過適當(dāng)?shù)臏y量方法和數(shù)據(jù)處理方法來消除或減小副效應(yīng)的影響。消除或減小副效應(yīng)的影響。n控制電流用交流，可減小部分副效應(yīng)的影響，必要時控制電流用交流，可減小部分副效應(yīng)的影響，必要時還可實(shí)現(xiàn)還可實(shí)現(xiàn)調(diào)制調(diào)制（作用？）。實(shí)踐中（作用？）。實(shí)踐中控制電流也常用交控制電流也常用交流。流。tI

44、Isin0tBIKIBKUsin0HHH3.6 霍爾式壓力計(jì)霍爾式壓力計(jì)nB0.5T時，線性較好。時，線性較好。n霍爾元件封裝形式：霍爾元件封裝形式： 直插式（電極引直插式（電極引線在一邊）；線在一邊）；貼片式。（外形有多種）貼片式。（外形有多種）n霍爾集成電路（內(nèi)含霍爾元件、運(yùn)放等電霍爾集成電路（內(nèi)含霍爾元件、運(yùn)放等電路）：路）：線性線性霍爾集成電路（精度霍爾集成電路（精度高，高， ）；）；開關(guān)型開關(guān)型霍爾集成電路霍爾集成電路（磁控開關(guān)，有單穩(wěn)和雙穩(wěn)，無觸點(diǎn)）。（磁控開關(guān)，有單穩(wěn)和雙穩(wěn)，無觸點(diǎn)）。n常見應(yīng)用：磁場（如常見應(yīng)用：磁場（如高斯計(jì)高斯計(jì)）、位移、轉(zhuǎn)）、位移、轉(zhuǎn)速、功率、磁性物體探測、磁控開關(guān)、汽速、功率、磁性物體探測、磁控開關(guān)、汽油機(jī)點(diǎn)火器、無刷直流電動機(jī)等。油機(jī)點(diǎn)火器、無刷直流電動機(jī)等。iBUH開關(guān)型霍耳開關(guān)型霍耳集成電路集成電路3.6 霍爾式壓力計(jì)霍爾式壓力計(jì)n為了獲得較大的霍爾電勢輸出，可為了獲得較大的霍爾電勢輸出，可輸出疊加輸出疊加。n霍爾元件可霍爾元件可直流直流供電或供電或交流交流供電供電 。3.6 霍爾式壓力計(jì)霍爾式壓力計(jì)n霍爾元件可霍爾元件可恒流恒流供電或供電或恒壓恒壓供電。供電。