《压力检测》PPT课件

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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

2、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

3、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

4、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：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3.2.5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、

5、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。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

6、。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，人造的压电陶瓷等。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

7、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（2）水溶性压电晶体（3）铌酸锂晶体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

8、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，另一个是阻抗变换。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