第三章 压力传感器

第3章压力检测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。本章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、电容式压力传感器和霍尔式压力计等的测量原理及测压方法。3.1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常用的几种压力单位与帕斯卡的换算关系见表3.1.1所示。3.1压力的概念及单位3、压力的分类(1).绝对压力(2).环境大气压力(3).表压力(4).真空度(5).差压上述各种压力的相互关系见图。3.2应变式压力计3.2.1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ρ的电阻丝，未受力时的电阻值为：受力后：3.2应变式压力计令电阻丝的轴向应变为ε=△l/l，径向应变为△r/r，由材料力学可知△r/r=-μ(△l/l)=-με，μ为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得令21RR/21/RRKKRR3.2应变式压力计3.2.2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。3.2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3.2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=σ/ε，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。3.2应变式压力计3.2.3电阻应变片的粘贴及温度补偿1、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。2、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。（2）温度补偿电桥补偿法如图。3.2应变式压力计3.2.4转换电路当RL=∞时，电桥输出电压为：Uo=0时，有03241RRRRRRRR43213.2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3.2应变式压力计3.2应变式压力计3.2.5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。3.2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3.3薄膜应变片薄膜应变片是用溅射或蒸发的方法将半导体或金属敏感材料镀在弹性基片上的。优点：1、稳定性好2、使用寿命长3、灵敏度高4、温度系数小5、工作温度范围宽6、量程大7、成本低。3.3薄膜应变片3.3.1薄膜应变片原理电阻为：设其应变为ε，电阻相对变化为：对于半导体材料，上式可写为：3.3薄膜应变片3.3.2薄膜应变片的制作及应用1、溅射薄膜应变片主要成膜工艺有真空溅射和真空蒸镀。真空溅射工艺大致流程为：基片预处理、溅射介质层、溅射敏感层、蒸发Au、光刻电极、形成电桥、完成全部电连接、沉积钝化膜。2、蒸发薄膜应变片用真空蒸发工艺制作的薄膜应变片其结构同溅射应变片基本相同。3.4压电式压力传感器3.4.1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3.4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：3.4压电式压力传感器电荷的极性见图3.4压电式压力传感器2、压电效应的物理解释如图所示。3.4压电式压力传感器3.4.2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d11=2.31×10-12C/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2.65×103kg/m3，有很大的机械强度和稳定的机械性质，可承受高达6.8×107～9.8×107Pa的应力，在冲击力作用下漂移较小。3.4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d11=3×10-9C/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，3.4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。3.4压电式压力传感器3.4.3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。3.4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。icamimCCCdFU3.4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。AUACCCCQAUificao1foCQU3.4压电式压力传感器3.4.4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FX、FY、FZ力分量。2、压电式单向测力传感器3.4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3.5电容式压力传感器电容式压力及力传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量的变化的一种传感器。实际上，它本身就是一个可变电容器。目前，从工业生产过程自动化应用来说，有压力、差压、绝对压力、带开方的差压（用于测流量）等品种及高差压、微差压、高静压等规格。3.5电容式压力传感器3.5.1电容式传感器的工作原理电容式传感器有三种基本类型：变极距型、变面积型、变介电常数型。1、变极距型电容传感器3.5电容式压力传感器2、变面积型电容传感器3、变介电常数型电容传感器12/ln2rrlC3.5电容式压力传感器3.5.2差动电容传感器在实际压力测量中，常使用差动点电容传感器，不但提高了灵敏度，也改善了非线性。200012dxdxCxddCxddCCllCrrllrrllC012122/ln2/ln23.5电容式压力传感器3.5.3测量电路电桥电路、调频电路、脉冲调宽电路和运算放大器式电路等。1、桥式电路空载电压为：3.5电容式压力传感器2、紧耦合电桥电路紧耦合电桥理论可得此状态下输出电压在两L0非耦合情况下，输出电压为：12402020CLCLUCCU1202020CLCLUCCU3.5电容式压力传感器3、差分脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路属脉冲调制电路。它利用对传感器电容充放电使输出脉冲的宽度随电容量的变化而变化，再经低通滤波器可得对应被测量变化的直流信号。输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。121210UCCCCU12121UTTTTUUUBAO3.5电容式压力传感器差动脉冲调宽电路各点电压波形图如示3.5电容式压力传感器4、调频电路将电容式传感器接入高频振荡器的LC回路中，当被测量使电容变化时，振荡频率也相应变化，故称为调频电路。图所示为调频电路原理图CCCCLLCf021(21213.5电容式压力传感器5、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Cx=εS/d代入，可得：上式表明，输出电压与d是线性关系。UCCUCjCjUXX)/(1)/(10dSUCU03.5电容式压力传感器3.5.4电容式压力传感器1、电容式差压传感器将左右对称的不锈钢基座2和3的外侧加工成环状波纹沟槽，并焊上波纹隔离膜片1和4。基座内侧有玻璃层5，基座和玻璃层中央都有孔。玻璃内表面磨成凹球面，球面除边缘部分外镀以金属膜6，此金属膜层为电容的定极板并有导线通往外部。左右对称的上述结构中央夹入并焊接弹性平膜片，即测量膜片7，为电容的中央动极板。测量膜片左右空间被分隔成两个室，故有两室之称。3.5电容式压力传感器2、变面积式压力传感器测压力作用在金属膜片1上，通过中心柱2、支撑簧片3使可动电极4随膜片中心位移而动作。3.6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。3.6.1霍尔效应dIBRUHH3.6霍尔式压力计霍尔元件的特性常用灵敏度KH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KH。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。dRKHHIBKUHH3.6霍尔式压力计3.6.2霍尔式压力计工作原理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。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。3.6霍尔式压力计几种补偿电路3.6霍尔式压力计2、霍尔电势的温度系数主要是温差电势和灵敏度系数随温度变化两种情况。3、温度对内阻的影响3.6霍尔式压力计4、温度补偿霍尔元件输入电阻和霍尔电势的温度系数均为正的效果较好的补偿电路图。实际测量中，要求较高时，常采用恒温方法。LiHRRUI0HLiLLLURRRIRU0LiHLitHttRtRtURRUI11LiHLtLLtRtRtURIRU113.6霍尔式压力计3.6.4霍尔式压力计由两部分组成：一部分是弹