《压力的测量》PPT课件.ppt

本章学习各种压力传感器的原理、应用。,2023/7/11,1,第四章 压力的测量,一、压力和差压 压力：垂直均匀作用在单位面积上的力（压强）,2023/7/11,2,常用压力形式：绝对压力大气压力相对压力差压,第一节 压力的基本概念,二、压力的单位 国际单位为“帕斯卡”（牛顿/米2 N/m2），简称“帕”（Pa）。除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如“工程大气压”、“标准大气压”、“毫米汞柱”，气象学中还用“巴”（bar）和“托”为压力单位。,2023/7/11,3,第一节 压力的基本概念,压力单位转换对照表,2023/7/11,4,一、液柱式压力计 基于流体静力学原理，适用于低压、负压或差压的测量。,2023/7/11,5,第二节 传统压力测量法,一般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行压力测量的，其结构形式如图所示。,(1)U形管压力计(2)单管压力计(3)斜管压力计,二、弹性式压力表 当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形(即机械位移)。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。弹性压力计的组成环节如图4-3所示:弹性元件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和设计；变换放大机构，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；指示机构(如指针与刻度标尺)用于给出压力示值；调整机构用于调整零点和量程。,图4-3 弹性压力计组成框图,(1)弹性元件 同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等，如表4-2所示。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压或真空度的测量。,表4-2 弹性元件的结构和特性,弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适用于不同的测压范围和被测介质。通过各种传动放大机构直接指示被测压力值。这类直读式测压仪表有弹簧管压力计、波纹管差压计、膜盒式压力计等。,(2)弹簧管压力计 弹簧管式压力计是工业生产上应用很广泛的一种直读式测压仪表，以单圈弹簧管结构应用最多。其一般结构如图4-4所示。被测压力由接口引入，使弹簧管自由端产生位移，通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，并带动啮合的中心齿轮转动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转，并在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。,图4-4 弹簧管压力计结构1-弹簧管；2-连杆；3-扇形齿轮；4-底座；5-中心齿轮；6-游丝；7-表盘；8-指针；9-接头；10-横断面；11-灵敏度调整槽,通过调整螺钉可以改变拉杆与扇形齿轮的接合点位置，从而改变放大比，调整仪表的量程。转动轴上装有游丝，用以消除两个齿轮啮合的间隙，减小仪表的变差。直接改变指针套在转动轴上的角度，就可以调整仪表的机械零点。弹簧管压力计结构简单,使用方便，价格低廉，测压范围宽，应用十分广泛。一般弹簧管压力计的测压范围为-105109Pa；精确度最高可达0.1。,三、差动变压器 1.原理：将压力引起的位移变化转换成电感的变化。,螺管型差动变压器结构图,两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路。,2.基本特性 根据差动变压器等效电路。当次级开路时,根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式分别为,由于次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则由以上关系可得,上式说明，当激磁电压的幅值U和角频率、初级绕组的直流电阻r1及电感L1为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。只要求出互感M1和M2对活动衔铁位移x的关系式，可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。,输出电压的有效值为,分析,活动衔铁处于中间位置时,M1=M2=M,故,Uo=0,活动衔铁向上移动时,M1=M+M，M2=M-M,故,活动衔铁向下移动时,M1=M-M，M2=M+M,故,3.差动变压器式传感器测量电路 问题：（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向);（2）测量值中将包含零点残余电压。,衔铁位移x与电桥输出电压Uo有效值的关系曲线，如右图所示。虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为零点残余电压，并用e0表示。,零残电压过大带来的影响：灵敏度下降、非线性误差增大测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。,产生的原因：两电感线圈的等效参数不对称,减小零点残余电动势的方法：1.从制造工艺上减小残余电动势。2.选择利于消除残余电动势的测量电路。3.采用补偿电路,调整元件参数,消除残余电动势。,减小残余电动势的补偿电路,为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。(1)差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。,从图（c）电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容C1的电流方向总是从2到4，流经电容C2的电流方向总是从6到8，故整流电路的输出电压为,(2)相敏检波电路 既能检出调幅波包络的大小，又能判别包络极性的检波电路称为相敏检波电路。相敏检波电路不仅能判别位移、具有较好的线性度，而且还能消除零点残余电压，故应用较为广泛。,2023/7/11,31,二极管全波相敏检波电路,图 电感式微压力变送器结构1-接头 2-膜盒 3-底座 4-线路板 5-差动变压器 6-衔铁 7-罩盒 8-插头 9-通孔,外部检测压力P由接头送入膜盒，在无压力时，膜盒处于初始状态，输出电压为零。当P加入时，膜盒产生位移变形，带动衔铁在差动变压器线圈中移动，产生正比于压力的电压。,2023/7/11,33,电阻应变式压电式电容式扩散硅压阻式,第三节 压力传感器,2023/7/11,34,一、电阻应变片式传感器应变片结构金属丝式应变片金属箔式应变片测量电路应变式传感器应用,第三节 压力传感器,2023/7/11,35,2,3,4,1,电阻应变片结构示意图,b,l,（一）应变片的结构与材料 由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。,（1）敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60、120、200等多种规格，以120最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。,栅长,栅宽,2023/7/11,36,对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接，对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。,（2）基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。,2023/7/11,37,（3）引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。,（4）粘结剂 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。,优点：精度高，测量范围广 频率响应特性较好 结构简单，尺寸小，重量轻 可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作 易于实现小型化、固态化 价格低廉，品种多样，便于选择,一、金属应变片式传感器 金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。,缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。,各种电子秤,广泛应用于,2023/7/11,42,(二)应变片原理1、应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝，其电阻R为 两边取对数，得等式两边取微分，得 电阻的相对变化；电阻率的相对变化；长度相对变化，用表示，=称为长度方向上的应变或轴向应变；截面积的相对变化。,2023/7/11,43,dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。,S=r 2,dS/S=2dr/r,r=,由材料力学知,将微分dR、d改写成增量R、，则,应变丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数Ks称为应变灵敏系数。,2023/7/11,44,物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。Ks由两部分组成：前一部分是（1+2），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此（1+2）1.6；后一部分为，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。对金属材料，以结构尺寸变化为主，则Ks 1+2；对半导体，Ks值主要由电阻率相对变化所决定。实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常Ks在1.83.6范围内。,2023/7/11,45,（三）主要特性1.灵敏度系数金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数Ks表示。当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。即K为金属应变片的灵敏系数。注意，K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数Ks。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。,2023/7/11,46,丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分,b,O,l,r,r,dl,d,0,2.横向效应 金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。,图为 应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应变为，沿横向应变为r。,2023/7/11,47,若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变作用下，全部纵栅的变形视为L1半圆弧横栅同时受到和r的作用，在任一微小段长度d l=r d上的应变可由材料力学公式求得 每个圆弧形横栅的变形量l为纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为,L1=n l,2023/7/11,48,应变片敏感栅的总变形为敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为令 则 可见，敏感栅电阻的相对变化分别是和r作用的结果。,2023/7/11,49,当r=0时，可得轴向灵敏度系数同样，当=0时，可得横向灵敏度系数横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。即 由上式可见，r愈小，l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。,2023/7/11,50,3.机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。,机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。,2023/7/11,51,4.零点漂移和蠕变 对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，零漂是蠕变的一个特例。,2023/7/11,52,5.应变极限在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变。,主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。,2023/7/11,53,6.动态特性 当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。设一频率为 f 的正弦应变波在构件中以速度 v 沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时 t，应变量沿构件分布如图所示。,应变片对应变波的动态响应,0,应变片,1,l,x1,x,2023/7/11,54,设应变波波长为，则有=v/f。应变片栅长为L，瞬时t时应变波沿构件分布为 应变片中点的应变为 xt为t瞬时应变片中点的坐标。应变片测得的应变为栅长 l 范围内的平均应变m，其数值等于 l 范围内应变波曲线下的面积除以 l，即,2023/7/11,55,平均应变m与中点应变t相对误差为,由上式可见，相对误差e的大小只决定于 的比值，表中给出了为1/10和1/20时e的数值。,2023/7/11,56,由表可知，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差愈小。当选中的应变片栅长为应变波长的（1/101/20）时，将小于2%。因为式中 应变波在试件中的传播速度；f应变片的可测频率。取，则若已知应变波在某材料内传播速度，由上式可计算出栅长为L的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。,2023/7/11,57,（四）温度误差及其补偿1.温度误差 用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。,2023/7/11,58,设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t，则应变片产生的电阻相对变化为 由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t 存在时，引起应变片的附加应变，其值为 e试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。,相应的电阻相对变化为K应变片灵敏系数。,2023/7/11,59,温度变化形成的总电阻相对变化：相应的虚假应变为上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化t 时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称之为热输出。可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(t,g)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(e)有关。,2023/7/11,60,2.温度补偿（自补偿法和线路补偿法）单丝自补偿应变片由前式知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使即 每一种材料的被测试件，其线膨胀系数 都为确定值，可以在有关的材料手册中查到。在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数 和线膨胀系数 满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。,单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。,2023/7/11,61,双丝组合式自补偿应变片是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即,(Ra)t=(Rb)t,补偿效果可达0.45。,2023/7/11,62,E,USC,R2,R4,R1,R3,桥路补偿法,当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。,电路补偿法 如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为 式中A由桥臂电阻和电源电压E决定的常数。,2023/7/11,63,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。,2023/7/11,64,当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即,=,2023/7/11,65,若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。故由前式可得输出电压为,由上式可知，电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。为达到完全补偿，需满足下列三个条件：R1和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同；用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；两应变片处于同一温度环境中。,此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是三个条件不易满足，尤其是条件。在某些测试条件下，温度场梯度较大，R1和R2很难处于相同温度点。,2023/7/11,66,R1,R2,F,F,R1,R2,（b）,（a）,F,根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。,图(a)为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。(b)图是受单向应力的构件，将工作应变片R2的轴线顺着应变方向，补偿应变片R1的轴线和应变方向垂直，R1和R2接入电桥相邻臂，其输出为,构件受弯曲应力,构件受单向应力,2023/7/11,67,另外也可以采用热敏电阻进行补偿。如图所示，热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电压温度升高而增加，从而提高电桥输出电压。选择分流电阻R5的值，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。,USC,R2,R4,R1,R3,E,Rt,R5,（二）金属箔式应变片 箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。金属箔的厚度般为(0.0030.010)mm，它的基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为(0.030.05)mm。,2023/7/11,69,金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下特点。金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用范围。便于成批生产。缺点：电阻值分散性大，有的相差几十，故需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量；此外价格较贵。,（三）测量电路电阻应变片的测量线路根据采用的电源不同，分为交流电桥和直流电桥两种。直流电桥比较简单，因此以直流电桥为例分析说明，如图所示。图中E为电桥供电电源，R1、R2、R3、R4为四个桥臂电阻，当电桥的负载电阻Rg为无穷大时，电桥的输出电压Ug为,当Ug=0时，直流电桥处于平衡状态，则有,R1R4=R2R3,该式说明，电桥平衡时，其相对两臂电阻的乘积相等或相邻两臂电阻的比值相等。,右图为单臂工作电桥，R1为工作应变片，R2、R3、R4为固定电阻，E为电桥供电电源，Ug为电桥的输出电压，负载电阻为无穷大，应变片电阻R1有一增量R1时，电桥的输出电压为,设桥臂比n=R2/R1，根据直流电桥平衡条件R1R4=R2R3，忽略分母中的R1，整理后可得,则直流电桥电压灵敏度为,当n=1，且R1/R2=R3/R4时，单臂工作电桥的输出电压为,可见，当单臂工作电桥的供电电源不变，负载电阻无穷大时，在应变片承受应变引起的电阻变化量R1相对R1R2的值可忽略的情况下，电桥输出电压Ug与应变片电阻相对变化呈线性关系，即单臂直流电桥电压灵敏度为常数。,如果在电桥的相临两个桥臂同时接入性能和指标完全相同的工作应变片，一片受拉，另一片受压；或相对两个桥臂同时受拉或受压，则,如果电桥的四个桥臂都接入性能和指标完全相同的工作应变片，如图，称为全桥电路，全桥电路的输出电压为,可见，全桥电路的电压灵敏度比单臂工作电桥提高4倍。全桥电路和相邻臂工作的半臂电路不仅灵敏度高，而且当负载电阻无穷大时，没有非线性误差，同时还起到温度补偿作用。,例1 某应变片的电阻R=350,K=2.05,用作应变为800m/m的传感元件。求R/R和R；若电桥供电电源电压为E=3V，计算惠斯登全桥电路的输出电压U0。,解：R/R=K8002.050.00164则 R=KR0.001643500.574,2023/7/11,75,（四）应变式传感器应用 金属应变片，除了测定试件应力、应变外，还制造成多种应变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力等其它物理量。应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是应变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。,柱力式传感器梁力式传感器应变式压力传感器应变式加速度传感器,2023/7/11,76,1、柱式力传感器 圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。,在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的方向，其应变为：,1沿轴向的应变；弹性元件的泊松比。,当=0时,当=90时,E：弹性元件的杨氏模量,2023/7/11,77,2、梁式力传感器 等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。,L,R1,R3,R2,R4,x,F,h,b,等强度梁弹性元件,b0,R4,力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。横截面梁双空梁S形弹性元件,各种平行双孔梁,2023/7/11,79,（b）,（a）,应变式压力传感器,3、应变式压力传感器 测量气体或液体压力的薄板式传感器，如图所示。当气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。,圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（a）或与传感器外壳作成一体，如图(b)。,应变片,4、应变式加速度传感器,基本结构由悬臂梁、应变片、质量块、机座外壳组成。悬臂梁（等强度梁）自由端固定质量块，壳体内充满硅油，产生必要的阻尼。当壳体与被测物体一起作加速度运动时，悬臂梁在质量块的惯性作用下作反方向运动，使梁体发生形变，粘贴在梁上的应变片阻值发生变化。通过测量阻值的变化求出待测物体的加速度。,质量块,二、压电式压力传感器 压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。,2023/7/11,81,1.压电效应,天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。还有一些人造的材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。,2023/7/11,82,石英晶体的压电效应演示,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。,2023/7/11,83,2.压电材料的分类及特性,压电元件材料一般有三类：压电晶体（如上述的石英晶体）；经过极化处理的 压电陶瓷；高分子压电材料。,2023/7/11,84,a.石英晶体,2023/7/11,85,天然形成的石英晶体外形,天然形成的石英晶体外形（续）,2023/7/11,86,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,2023/7/11,87,双面镀银并封装,石英晶体振荡器（晶振）,石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。,2023/7/11,88,晶振,b.压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。,2023/7/11,89,压电陶瓷外形,2023/7/11,90,无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）,2023/7/11,91,c.高分子压电材料,典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。,2023/7/11,92,高分子压电薄膜及拉制,2023/7/11,93,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,2023/7/11,94,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,2023/7/11,95,压电式脚踏报警器,2023/7/11,96,高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）,2023/7/11,97,3、等效电路,压电元件的等效电路,(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路(b)等效成一个电源U=Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路,压电传感器的等效电路,两个压电片的联结方式,（a）“并联”，Q=2Q，U=U，C=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，（b）“串联”Q=Q，U=2U，C=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。,4.压电式传感器的信号调节电路,压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。,（1）电压放大器,Ca：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻Ci：放大器的输入电容,前置放大器输入电压,压电元件的力 F=Fmsint压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q=d11F。,输入电压的幅值,输入电压与作用力之间的相位差为,令=R(Ca+Cc+Ci)，为测量回路的时间常数，并令0=1/，则可得,据传感器电压灵敏度Ku,因为R1，故上式可以近似为,结论:1)当输入信号频率=0时,电压放大器输入信号为零,即Ui=0,所以压电传感器不能测量静态物理量.2)电压放大器的主频响应好,动态性好,这是电压放大器的突出优点.3)从式Ku=d/(Ca+Cc+Ci)可见,连接电缆的分布电容Cc影响传感器灵敏度,仪器使用时只要更换电缆就要重新标定,测量系统对电缆长度变化很敏感.,（2）电荷放大器,能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10101012，输出阻抗小于100。电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电路如图。若放大器的开环增益K足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路Cf与Rf。,压电传感器与电荷放大器连接等效电路,理想情况下,放大器的输入电阻和反馈电阻都等于无穷大,因此可忽略,电荷放大器电压近似为反馈电容上电压,即,充电电压接近等于放大器的输出电压,几点结论：1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成 线形关系的输出电压。3、反馈电容Cf小，输出就大，4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。5、输出电压与电缆电容无关条件：（1+K）Cf（Ca+Cc+Ci）,四通道电荷放大器外形,.,2023/7/11,109,上图所示的四通道电荷放大器指标（参考东方振动和噪声技术研究所资料）,灵 敏 度：0.11000mV/pC频率范围：0.3100KHz 噪声(最大增益)：折合至输入端小于5V准 确 度：1%最大输出：10V/10mA电源：220V/50Hz 控制方式：计算机或手动,2023/7/11,110,焊接式 电荷放大器,超小型电荷放大器模块,主要指标:灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档)频率范围：0.3100KHz(上、下限可选)噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV归 一 化：外接电阻调整线性误差：1%最大输出：5V或10V电源：6V15V 特点：可组成经济的多点测试系统,2023/7/11,111,其他电荷放大器外形,2023/7/11,112,面板式电荷放大器,其他电荷放大器外形（续）,2023/7/11,113,2023/7/11,114,1.玻璃打碎报警装置 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,压电传感器的应用,高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器,质量块,2023/7/11,115,将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,2压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）,将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行,对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。,2023/7/11,116,3.交通监测,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。,2023/7/11,117,高分子压电电缆的应用演示,将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。,2023/7/11,118,压电式动态力传感器以及在 车床中用于动态切削力的测量,2023/7/11,119,压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用,2023/7/11,120,压电式步态分析跑台,压电式纵跳 训练分析装置,压电传感器测量双腿跳的动态力,三 电容式传感器,优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。,电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。,各种电容式传感器,（一）工作原理与类型工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为 S极板相对覆盖面积；极板间距离；r相对介电常数；0 真空介电常数，0 8.85pF/m；电容极板间介质的介电常数。、S和r中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C0、或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；r的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。,类型,变极距型传感器,变面积型传感器,变介质型传感器,1、变极距式电容传感器,当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。,2023/7/11,125,a）结构示意图 b）电容量与极板距离的关系1定极板 2动极板,显然，时，于是,2、变面积式电容传感器,图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。图c是一个角位移式的结构。极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。,2023/7/11,127,电容：,电容增量：,测量灵敏度：,变面积式电容传感器的特性,变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。,2023/7/11,129,3、变介质型电容传感器,因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。,2023/7/11,130,几种介质的相对介