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    应变片压力传感器原理与应用

    来源:http://735529.com发布时间:2015-09-06 17:39:41浏览次数:关键词: 压力传感器

    应变片压力传感器原理与应用

    压力传感器(qi)是工业(ye)实践中(zhong)最为常(chang)(chang)用(yong)的(de)一(yi)种传感器(qi),其(qi)广泛应用(yong)于各种工业(ye)自(zi)控环(huan)境,涉及水(shui)利水(shui)电(dian)、铁路交通、智能建筑、生产自(zi)控、航空航天、军工、石化、油(you)井、电(dian)力、船舶、机床、管道等众多行业(ye),下面就简(jian)单介绍一(yi)些(xie)常(chang)(chang)用(yong)传感器(qi)原理及其(qi)应用(yong)。

    力(li)(li)学传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)的种类繁多,如(ru)电(dian)(dian)阻(zu)应变片压(ya)(ya)力(li)(li)传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)、半导体应变片压(ya)(ya)力(li)(li)传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)、压(ya)(ya)阻(zu)式(shi)压(ya)(ya)力(li)(li)传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)、电(dian)(dian)感(gan)(gan)式(shi)压(ya)(ya)力(li)(li)传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)、电(dian)(dian)容式(shi)压(ya)(ya)力(li)(li)传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)、谐振式(shi)压(ya)(ya)力(li)(li)传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)及电(dian)(dian)容式(shi)加(jia)速度传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)等。但应用最为广泛的是压(ya)(ya)阻(zu)式(shi)压(ya)(ya)力(li)(li)传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi),它(ta)具(ju)有极低(di)的价格和较(jiao)高的精(jing)度以及较(jiao)好的线性特性。下面我们主要介绍这(zhei)类传(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)。

    在了解压阻(zu)式力传感器时,我们首先(xian)认(ren)识一(yi)下电(dian)阻(zu)应变片这(zhei)种(zhong)元件。电(dian)阻(zu)应变片是一(yi)种(zhong)将被测件上的(de)应变变化转(zhuan)换成为一(yi)种(zhong)电(dian)信号(hao)的(de)敏感器件。

    金属电阻应变片的内部结构

    电(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)应(ying)变(bian)(bian)(bian)片(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)结(jie)构(gou)示意(yi)图,它由(you)基(ji)体(ti)材料、金属应(ying)变(bian)(bian)(bian)丝或(huo)应(ying)变(bian)(bian)(bian)箔(bo)、绝缘(yuan) 保护片(pian)(pian)和引出(chu)线(xian)等部(bu)分(fen)组成(cheng)。根据不(bu)同的(de)(de)(de)(de)用途(tu),电(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)应(ying)变(bian)(bian)(bian)片(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)阻(zu)(zu)(zu)值(zhi)(zhi)可以由(you)设计(ji)者(zhe)设计(ji),但(dan)电(dian)(dian) 阻(zu)(zu)(zu)的(de)(de)(de)(de)取(qu)值(zhi)(zhi)范围应(ying)注意(yi):阻(zu)(zu)(zu)值(zhi)(zhi)太小,所(suo)需的(de)(de)(de)(de)驱动电(dian)(dian)流太大(da),同时应(ying)变(bian)(bian)(bian)片(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)发热(re)致使(shi)本身(shen)过高,不(bu)同的(de)(de)(de)(de)环境中使(shi)用,使(shi)应(ying)变(bian)(bian)(bian)片(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)阻(zu)(zu)(zu)值(zhi)(zhi)变(bian)(bian)(bian)化太大(da),输(shu)出(chu)零(ling)点漂移明(ming)显,调零(ling)电(dian)(dian)路过于复 杂。而电(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)太大(da),阻(zu)(zu)(zu)抗(kang)太高,抗(kang)外界的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)磁(ci)干(gan)扰能力(li)较差。一般均为几(ji)(ji)十欧(ou)(ou)至几(ji)(ji)十千(qian)欧(ou)(ou)左(zuo)右。

    电阻应变片的工作原理

    我(wo)们知(zhi)道,晶(jing)(jing)(jing)体是各向异性(xing)的(de)(de)(de),非晶(jing)(jing)(jing)体是各向同性(xing)的(de)(de)(de)。某些晶(jing)(jing)(jing)体介质,当沿着一(yi)(yi)定方向受到机械力作用(yong)(yong)发生(sheng)变(bian)形(xing)时,就(jiu)(jiu)产生(sheng)了极(ji)化(hua)(hua)效应(ying)(ying)(ying);当机械力撤掉(diao)之(zhi)(zhi)后,又会重(zhong)新回到不带电(dian)(dian)的(de)(de)(de)状态,也就(jiu)(jiu)是受到压(ya)(ya)力的(de)(de)(de)时候,某些晶(jing)(jing)(jing)体可能产生(sheng)出电(dian)(dian)的(de)(de)(de)效应(ying)(ying)(ying),这(zhei)就(jiu)(jiu)是所(suo)谓的(de)(de)(de)极(ji)化(hua)(hua)效应(ying)(ying)(ying)。科学家就(jiu)(jiu)是根据这(zhei)个(ge)(ge)效应(ying)(ying)(ying)研制出了压(ya)(ya)力传感(gan)器(qi)。   压(ya)(ya)电(dian)(dian)传感(gan)器(qi)中(zhong)主要(yao)使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)压(ya)(ya)电(dian)(dian)材料包(bao)括(kuo)有(you)石(shi)(shi)(shi)英(ying)、酒石(shi)(shi)(shi)酸(suan)钾钠(na)和(he)磷酸(suan)二(er)(er)氢胺。其中(zhong)石(shi)(shi)(shi)英(ying)(二(er)(er)氧化(hua)(hua)硅)是一(yi)(yi)种天然晶(jing)(jing)(jing)体,压(ya)(ya)电(dian)(dian)效应(ying)(ying)(ying)就(jiu)(jiu)是在(zai)(zai)这(zhei)种晶(jing)(jing)(jing)体中(zhong)发现(xian)的(de)(de)(de),在(zai)(zai)一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)温度范(fan)围之(zhi)(zhi)内,压(ya)(ya)电(dian)(dian)性(xing)质一(yi)(yi)直(zhi)存在(zai)(zai),但(dan)温度超过这(zhei)个(ge)(ge)范(fan)围之(zhi)(zhi)后,压(ya)(ya)电(dian)(dian)性(xing)质完全消失(这(zhei)个(ge)(ge)高温就(jiu)(jiu)是所(suo)谓的(de)(de)(de)“居里(li)点”)。由于随(sui)着应(ying)(ying)(ying)力的(de)(de)(de)变(bian)化(hua)(hua)电(dian)(dian)场变(bian)化(hua)(hua)微(wei)小(也就(jiu)(jiu)说压(ya)(ya)电(dian)(dian)系数比较低(di)),所(suo)以石(shi)(shi)(shi)英(ying)逐渐被其他(ta)的(de)(de)(de)压(ya)(ya)电(dian)(dian)晶(jing)(jing)(jing)体所(suo)替代。而酒石(shi)(shi)(shi)酸(suan)钾钠(na)具(ju)有(you)很大的(de)(de)(de)压(ya)(ya)电(dian)(dian)灵敏度和(he)压(ya)(ya)电(dian)(dian)系数,但(dan)是它只能在(zai)(zai)室温和(he)湿(shi)度比较低(di)的(de)(de)(de)环(huan)境下才(cai)能够应(ying)(ying)(ying)用(yong)(yong)。磷酸(suan)二(er)(er)氢胺属于人(ren)造晶(jing)(jing)(jing)体,能够承受高温和(he)相当高的(de)(de)(de)湿(shi)度,所(suo)以已经(jing)得到了广泛(fan)的(de)(de)(de)应(ying)(ying)(ying)用(yong)(yong)。

    金属(shu)电(dian)阻(zu)(zu)应变片的(de)(de)工作原理是吸(xi)附在基体(ti)材(cai)料上应变电(dian)阻(zu)(zu)随机械形变而产(chan)生阻(zu)(zu)值变化的(de)(de)现象,俗称为电(dian)阻(zu)(zu)应变效应。金属(shu)导体(ti)的(de)(de)电(dian)阻(zu)(zu)值可用下(xia)式表(biao)示:

    式中:ρ--金属导体的电阻率(Ω。cm2/m )
    S --导体的截面积(cm2 )
    L --导体的长度(m )

    我们以金(jin)属(shu)(shu)丝应变(bian)(bian)电(dian)阻(zu)为(wei)例(li),当(dang)金(jin)属(shu)(shu)丝受外力作用时,其(qi)长度和截面(mian)积(ji)都会发(fa)生变(bian)(bian)化(hua), 从上式中可很容(rong)易看出(chu)(chu),其(qi)电(dian)阻(zu)值(zhi)即(ji)会发(fa)生改变(bian)(bian),假如金(jin)属(shu)(shu)丝受外力作用而伸长时,其(qi)长度增(zeng)(zeng)加,而截面(mian)积(ji)减少,电(dian)阻(zu)值(zhi)便会增(zeng)(zeng)大。当(dang)金(jin)属(shu)(shu)丝受外力作用而压(ya)缩(suo)时,长度减小(xiao)(xiao)而截面(mian)增(zeng)(zeng) 加,电(dian)阻(zu)值(zhi)则(ze)会减小(xiao)(xiao)。只(zhi)要测出(chu)(chu)加在电(dian)阻(zu)的(de)变(bian)(bian)化(hua)(通常是测量(liang)电(dian)阻(zu)两端的(de)电(dian)压(ya)),即(ji)可获得 应变(bian)(bian)金(jin)属(shu)(shu)丝的(de)应变(bian)(bian)情

    2 、陶瓷压力传感器原理及应用

    抗腐蚀的(de)(de)陶瓷(ci)压(ya)力(li)(li)传(chuan)(chuan)感(gan)器没有液体的(de)(de)传(chuan)(chuan)递(di),压(ya)力(li)(li)直接作用在(zai)陶瓷(ci)膜(mo)片(pian)的(de)(de)前表面,使(shi)(shi)膜(mo)片(pian)产生微小(xiao)的(de)(de)形变(bian),厚膜(mo)电阻印刷在(zai)陶瓷(ci)膜(mo)片(pian)的(de)(de)背面,连接成(cheng)一(yi)个惠斯(si)通电桥(qiao)(闭桥(qiao)),由于 压(ya)敏电阻的(de)(de)压(ya)阻效应,使(shi)(shi)电桥(qiao)产生一(yi)个与压(ya)力(li)(li)成(cheng)正(zheng)比的(de)(de)高(gao)度线(xian)性、与激励电压(ya)也成(cheng)正(zheng)比的(de)(de)电 压(ya)信(xin)号,标准的(de)(de)信(xin)号根(gen)据压(ya)力(li)(li)量程(cheng)的(de)(de)不同(tong)标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等(deng),可以和应变(bian)式传(chuan)(chuan)感(gan)器相兼容。

    陶瓷是(shi)一种公(gong)认(ren)的高(gao)弹性、抗(kang)(kang)腐蚀(shi)、抗(kang)(kang)磨损、抗(kang)(kang)冲击和振动的材料。

    3 、扩散硅压力传感器原理及应用

    工作(zuo)(zuo)原理被测介质的(de)(de)压力直(zhi)接作(zuo)(zuo)用于传(chuan)感器的(de)(de)膜(mo)片(pian)上(不(bu)锈钢或陶瓷(ci)),使(shi)膜(mo)片(pian)产生与介质压力成正比的(de)(de)微位移,使(shi)传(chuan)感器的(de)(de)电阻(zu)值发生变化(hua),和用电子线路(lu)检测这一变化(hua),并转换(huan)输出(chu)一个对应于这一压力的(de)(de)标准(zhun)测量信号。

    4 、蓝宝石压力传感器原理与应用

    利用应变电阻式工作原理,采用硅- 蓝宝石作为半导(dao)体敏(min)感元件,具有(you)无与(yu)伦比(bi)的计(ji)量特性。

    蓝(lan)宝石(shi)(shi)系由单晶(jing)体绝(jue)缘体元(yuan)素组成,不(bu)(bu)会发生滞后、疲(pi)劳和(he)蠕变(bian)现(xian)象(xiang);蓝(lan)宝石(shi)(shi)比硅(gui)要(yao)坚(jian)固(gu),硬度更(geng)高(gao),不(bu)(bu)怕形(xing)变(bian);蓝(lan)宝石(shi)(shi)有(you)着非常(chang)好的(de)弹性(xing)和(he)绝(jue)缘特性(xing)(1000 OC 以内),因此,利用硅(gui)- 蓝(lan)宝石(shi)(shi)制造(zao)的(de)半导体敏感(gan)(gan)元(yuan)件,对温度变(bian)化不(bu)(bu)敏感(gan)(gan),即使在高(gao)温条件下(xia),也有(you)着很好的(de)工作(zuo)特性(xing);蓝(lan)宝石(shi)(shi)的(de)抗辐射特性(xing)极(ji)强;另外,硅(gui)- 蓝(lan)宝石(shi)(shi)半导体敏感(gan)(gan)元(yuan)件,无(wu)p-n 漂移,被焊接(jie)在钛合(he)金测(ce)量膜片(pian)(pian)上(shang)。被测(ce)压力(li)传送到接(jie) 收(shou)膜片(pian)(pian)上(shang)(接(jie)收(shou)膜片(pian)(pian)与(yu)测(ce)量膜片(pian)(pian)之间(jian)用拉杆坚(jian)固(gu)的(de)连接(jie)在一起(qi))。在压力(li)的(de)作(zuo)用下(xia),钛合(he)金接(jie)收(shou)膜片(pian)(pian)产生形(xing)变(bian),该形(xing)变(bian)被硅(gui)- 蓝(lan)宝石(shi)(shi)敏感(gan)(gan)元(yuan)件感(gan)(gan)知后,其电桥输(shu)出会发生变(bian)化,变(bian)化的(de)幅(fu)度与(yu)被测(ce)压力(li)成正比。

    传感器的(de)(de)电(dian)(dian)路能够保证应(ying)(ying)变(bian)电(dian)(dian)桥电(dian)(dian)路的(de)(de)供电(dian)(dian),并将(jiang)应(ying)(ying)变(bian)电(dian)(dian)桥的(de)(de)失衡信号转(zhuan)换为(wei)(wei)统(tong)一(yi)的(de)(de)电(dian)(dian)信号输(shu)出(0-5 ,4-20mA或0-5V)。在(zai)绝压(ya)(ya)压(ya)(ya)力传感器和(he)变(bian)送器中,蓝宝(bao)石薄片,与陶瓷基极玻璃焊料连(lian)接在(zai)一(yi)起,起到了弹性元件的(de)(de)作用(yong),将(jiang)被测压(ya)(ya)力转(zhuan)换为(wei)(wei)应(ying)(ying)变(bian)片形变(bian),从而(er)达到压(ya)(ya)力测量(liang)的(de)(de)目的(de)(de)。

    5 、压电压力传感器原理与应用

    压(ya)(ya)电(dian)传感器中主要使用的(de)(de)压(ya)(ya)电(dian)材料包括有石英(ying)、酒(jiu)石酸钾钠(na)和(he)磷(lin)酸二(er)氢胺(an)。其中石英(ying)(二(er)氧(yang)化硅(gui))是一种天(tian)然晶体(ti),压(ya)(ya)电(dian)效应(ying)就是在(zai)这(zhei)种晶体(ti)中发现的(de)(de),在(zai)一定的(de)(de)温度(du)(du)范(fan)(fan)围(wei)(wei)之内(nei),压(ya)(ya)电(dian)性(xing)质一直存在(zai),但(dan)温度(du)(du)超过(guo)这(zhei)个范(fan)(fan)围(wei)(wei)之后,压(ya)(ya)电(dian)性(xing)质完全消失(这(zhei)个高(gao)温就是所谓的(de)(de)“居里点(dian)”)。而酒(jiu)石酸钾钠(na)具有很大的(de)(de)压(ya)(ya)电(dian)灵敏度(du)(du)和(he)压(ya)(ya)电(dian)系数,但(dan)是它(ta)只(zhi)能在(zai)室温和(he)湿度(du)(du)比(bi)较低(di)的(de)(de)环境下才能够应(ying)用。磷(lin)酸二(er)氢胺(an)能够承受(shou)高(gao)温和(he)相当高(gao)的(de)(de)湿度(du)(du),所以已(yi)经得(de)到了广泛的(de)(de)应(ying)用。

    现(xian)(xian)在压电(dian)(dian)效(xiao)应(ying)也应(ying)用(yong)在多晶体上(shang),比如现(xian)(xian)在的(de)压电(dian)(dian)陶瓷(ci),包括钛(tai)酸钡压电(dian)(dian)陶瓷(ci)、PZT 、铌酸盐系压电(dian)(dian)陶瓷(ci)、铌镁酸铅(qian)压电(dian)(dian)陶瓷(ci)等等。压电(dian)(dian)效(xiao)应(ying)是压电(dian)(dian)传感器的(de)主要(yao)工(gong)作原(yuan)理,压电(dian)(dian)传感器不能用(yong)于静态测(ce)量(liang),因为经(jing)过外(wai)力(li)作用(yong)后(hou)的(de)电(dian)(dian)荷(he),只(zhi)(zhi)有(you)在回路具有(you)无限(xian)大的(de)输入阻抗(kang)时才得到保存。所以这决定了压电(dian)(dian)传感器只(zhi)(zhi)能够测(ce)量(liang)动态的(de)应(ying)力(li)。

    压(ya)电(dian)传(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)主要(yao)应用(yong)在加速度、压(ya)力(li)(li)和(he)力(li)(li)等的(de)测(ce)量中。压(ya)电(dian)式加速度传(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)是一种常用(yong)的(de)加速度计。它(ta)具(ju)有结构(gou)简(jian)单、体积小、重量轻、使用(yong)寿(shou)命(ming)长(zhang)等优异(yi)的(de)特(te)(te)(te)点(dian)。压(ya)电(dian)式加速度传(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)在飞机、汽(qi)车、船舶、桥梁和(he)建筑的(de)振动和(he)冲击(ji)测(ce)量中已经得到了广泛(fan)的(de)应用(yong),特(te)(te)(te)别是航(hang)空和(he)宇(yu)航(hang)领域中更有它(ta)的(de)特(te)(te)(te)殊地位。它(ta)既可(ke)以用(yong)来测(ce)量大的(de)压(ya)力(li)(li),也可(ke)以用(yong)来测(ce)量微小压(ya)力(li)(li)。

    压(ya)电(dian)(dian)式(shi)传感(gan)器(qi)也广泛应(ying)用在生物医学测量中,比如(ru)说心室导管式(shi)微音器(qi)就是由压(ya)电(dian)(dian)传感(gan)器(qi)制成的(de),因为测量动态压(ya)力是如(ru)此普(pu)遍,所以压(ya)电(dian)(dian)传感(gan)器(qi)的(de)应(ying)用就非常广泛。