压力传感器论文19892.ppt
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1、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
2、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 =l/l,径向应变为r/r,由材料力学可知r/r = -(l/l) =-,为电阻丝材料的泊松系数,经整理可得 令,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
3、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=/, 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
4、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,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
5、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
6、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,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
7、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=2.3110-12C/N,在
8、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2.65103kg/m3,有很大的机械强度和稳 定的机械性质,可承受高达6.81079.8107Pa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=310-9C/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
9、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
10、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。,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。,3.4 压
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