电子课件-《传感器及应用(第二版)》-B02-1472-模块三-力的测量.ppt

1、课题一课题一 电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器课题二课题二 称重传感器称重传感器课题三课题三 应变式压力传感器应变式压力传感器课题四课题四 压阻式压力传感器压阻式压力传感器课题五课题五 压力变送器压力变送器了解力传感器的分类和功能特点。了解力传感器的分类和功能特点。了解电阻应变式力传感器的工作原理。了解电阻应变式力传感器的工作原理。能正确使用电阻应变式力传感器。能正确使用电阻应变式力传感器。能正确完成应变片的粘贴。能正确完成应变片的粘贴。学习目标学习目标课题一电阻应变式力传感器课题一电阻应变式力传感器知识引入知识引入在起重机钢丝绳上或吊钩上安装测力传感器来检测钢丝绳受力情况，测量起吊质量，

2、以便及时进行超载报警，防止事故的发生。钢丝绳测力传感器外形钢丝绳测力传感器外形钢丝绳测力传感器结构示意图钢丝绳测力传感器结构示意图知识讲解知识讲解一、力传感器的基本知识一、力传感器的基本知识力传感器根据制造原理不同可分为电阻应变式、电容式、振弦式、压电式等。在测量静态力（力的大小与方向不随时间变化而变化或随时间缓慢变化）时，最常用的是电阻应变式力传感器。电阻应变式力传感器的核心是电阻应变片，如图所示。电阻应变式力传感器的工作过程如图所示。电阻应变片的外形电阻应变片的外形电阻应变式力传感器工作原理电阻应变式力传感器工作原理二、电阻应变式力传感器工作原理二、电阻应变式力传感器工作原理导体或半导体材

3、料在外力作用下伸长或缩短时，它的电阻值会相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。将应变片贴在被测物体上，应变片里面的材料就随着被测物体所受的外力产生应变，伸长或缩短，其阻值也会相应地变化，应变片就是利用该效应，通过测量电阻的变化测量使物体产生应变的力。在力传感器中大多使用的是金属电阻应变片，其结构如图所示。金属电阻应变片结构示意图金属电阻应变片结构示意图基底基底电阻丝电阻丝粘贴胶粘贴胶 引出线引出线覆盖层覆盖层三、电阻应变式力传感器的使用方法三、电阻应变式力传感器的使用方法根据测量环境、测量对象不同，电阻应变片也有多种形式，如图所示，可依据不同使用情况选择不同类型的应变片。电阻应变式力传

4、感器的使用方法有两种。第一种是将应变片直接粘贴在被测构件上，用来测定构件的应变或应力。第二种是将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式力传感器。各种类型的应变片各种类型的应变片）单轴应变片）单轴应变片）单轴、带双线导线应变片）单轴、带双线导线应变片）单轴细线用应变片单轴细线用应变片）单轴、剪切应力用应变片）单轴、剪切应力用应变片）双轴、扭矩用应变片双轴、扭矩用应变片）双轴双轴 90应变片应变片）带温度传感器的应变片）带温度传感器的应变片）测量塑料用应变片测量塑料用应变片四、电阻应变式力传感器的测量电路四、电阻应变式力传感器的测量电路电阻应变式力传感器应变电阻的变化是极其微弱的，电阻相对

5、变化率仅为 0.2 左右。通常采用惠斯通电桥电路进行测量，将电阻相对变化 R R 转换为电压或电流的变化，再用测量仪表或电阻应变式力传感器专用测量电路便可以方便地进行测量。五、应变片的粘贴五、应变片的粘贴应变片的粘贴是应变式力传感器测量技术的关键环节之一，将直接影响胶的粘接质量及测量精度。应变片的粘贴工艺步骤应变片的粘贴工艺步骤 应变片的选择与检查应变片的选择与检查应变片的种类较多，首先要根据被测物体及环境选择应变片。试件的表面处理试件的表面处理对试件表面进行处理，清除试件表面杂质、油污、油漆、锈迹及疏松层等。做粘贴标记做粘贴标记在需要测量应变的位置沿着应变的方向做好记号。底层处理底层处理为了

6、表面的彻底清洁，可用化学清洗剂如氯化碳、丙酮、甲苯等进行反复清洗。点胶点胶将应变片反面用清洁剂清洗干净，再将胶水滴在应变片的反面。贴片贴片 用拇指紧紧按住应变片 3min，注意用力不能过大。固化固化在固化过程中，要掌握好温度、时间和循环周期。粘贴质量检查粘贴质量检查首先是从外观上检查粘贴位置是否正确，粘贴层是否有气泡、漏粘、破损等。然后检测应变片是否有断路或短路现象并测量应变片的绝缘电阻。了解称重传感器的功能特点和基本工作原理。了解称重传感器的功能特点和基本工作原理。能正确选用称重传感器。能正确选用称重传感器。学习目标学习目标课题二称重传感器知识引入知识引入为了实现对物料的快速、准确的称量，提

7、高工业生产过程自动化程度，采用了称重传感器进行载荷测量，最后由计算机控制各阀门工作。电子秤的核心部件就是称重传感器。知识讲解知识讲解一、一、称重传感器的基本知识称重传感器的基本知识 应变式称重传感器的工作原理应变式称重传感器的工作原理电阻应变式称重传感器由弹性元件、应变片和外壳所组成，如图中所示，其弹性元件是应变梁。称重传感器称重传感器 应变式称重传感器种类应变式称重传感器种类根据传感器弹性元件的结构不同，应变式称重传感器分为柱式、悬臂梁式、环式、轮辐式等。常用称重传感器外形如图所示。称重传感器称重传感器（）柱式称重传感器柱式称重传感器典型结构如图所示，敏感元件为圆柱体，在细的部位粘贴 4 片

8、或 8 片应变片，用其组成惠斯登电桥。柱式称重传感器柱式称重传感器（）柱环式称重传感器柱环式称重传感器典型结构如图所示。柱环式称重传感器柱环式称重传感器（）悬臂梁式称重传感器如图所示称重传感器的弹性元件为双孔平行梁式弹性元件，由于弹性体成平行四边形，因此其输出不受力作用点位置变动的影响。悬臂梁式称重传感器悬臂梁式称重传感器悬臂梁式称重传感器悬臂梁式称重传感器（）环式称重传感器环式称重传感器的典型结构如图所示。环式称重传感器环式称重传感器（）轮辐式称重传感器轮辐式称重传感器结构如图所示，主要由五个部分组成，轮轱、轮圈、轮辐条、受拉和受压应变片。轮辐式称重传感器轮辐式称重传感器二、称重传感器选择方

9、法二、称重传感器选择方法 环境因素环境因素因为这关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，甚至是整个测量系统的可靠性和安全性。传感器数量和量程的选择传感器数量和量程的选择传感器数量的选择是根据电子秤的用途、秤体需要支撑的点数而定的。各种类型称重传感器的适用范围各种类型称重传感器的适用范围传感器类型的选择主要取决于称量范围，如柱环式称重传感器适用于大、中量程，悬臂梁式称重传感器适用于小量程。称重传感器精度称重传感器精度称重传感器的精度包括传感器的非线形、迟滞、重复性、灵敏度等技术指标。三、称重传感器使用方法及注意事项三、称重传感器使用方法及注意事项将传感器安装在测量系统中时，如果使用单个称

10、重传感器，则应使物体受力方向或物体重心通过传感器的中心线，以防止测量中产生侧向分力，影响测量精度；如果使用多个称重传感器，则要求传感器承载点在同一水平面上，传感器在平面内对称分布，无偏载现象。测量时将传感器的输出引线根据使用说明书与变送器相连。在使用称重传感器时，应注意以下事项：传感器、变送器应定期进行静态标定，以保证使用传感器、变送器应定期进行静态标定，以保证使用精度。精度。传感器的最大载荷力不应超过满量程的传感器的最大载荷力不应超过满量程的 120。传感器应避免与较高的非工作热辐射接触。传感器应避免与较高的非工作热辐射接触。安装传感器时，要选择与量程相应强度的紧固螺钉。安装传感器时，要选择

11、与量程相应强度的紧固螺钉。变送器增益调节有两种，一种是放大倍数的调节，变送器增益调节有两种，一种是放大倍数的调节，可以根据需要调节；可以根据需要调节；一种是微调，用于静态标定时使用，一种是微调，用于静态标定时使用，在无标定设备监视下不能任意调节。在无标定设备监视下不能任意调节。了解压力的基本概念。了解压力的基本概念。了解压力传感器的主要类型。了解压力传感器的主要类型。掌握应变式压力传感器的结构、原理和功能特点。掌握应变式压力传感器的结构、原理和功能特点。能正确选择、安装、校验压力传感器。能正确选择、安装、校验压力传感器。学习目标学习目标课题三应变式压力传感器知识引入知识引入压力是工业自动化生产

12、过程中的重要参数。化工厂的干燥、造粒装置化工厂的干燥、造粒装置一、压力的基本概念一、压力的基本概念检测领域和工业中所指的“压力”，通常就是物理学中的“压强”（本课题接下来所提到的“压力”，即为物理学中的“压强”，用 P 表示，等于垂直作用在单位面积上的力。它的大小由两个因素决定，即受力面积和垂直作用力，其表达式为：P=F/S。压力的法定计量单位为“帕斯卡”，简称“帕(Pa)”，它表示 1 牛顿(N)力垂直而均匀地作用于1 m2面积上的压力。由于 Pa 这个单位太小，因此工程上常用其倍数单位兆帕(MPa)来表示，1 MPa=106 Pa。压力的表示法有绝对压力、相对压力和差压。绝对压力是以绝对真

13、空作为基准所表示的压力；相对压力是以当地环境的大气压力作为基准所表示的压力，也称表压。差压是指两个压力的差。绝对压力与相对压力的换算关系为：绝对压力 相对压力 大气压力二、压力传感器的种类二、压力传感器的种类 绝对压力传感器绝对压力传感器绝对压力传感器所测得的压力数值是以真空为起点的压力，如图所示，将 P2 端抽为真空并密封时，传感器内部的参考压力腔为真空状态（相当于零点）此时即构成绝对压力传感器。平常所说的环境大气压就是指绝对压力。相对真空度 大气压 绝对压力。压力传感器结构示意图压力传感器结构示意图 相对压力传感器相对压力传感器相对压力传感器也称表压传感器。表压传感器所测得的压力数值是以环

14、境大气压为参考基准的压力。一般普通压力表的指示值都是相对压力，在工业生产和日常生活中所提到的压力绝大多数指的也是表压。差压传感器差压传感器如图所示，差压是指两个压力P1 和 P2 之差，又称为压力差。差压传感器在使用时，不允许在一侧仍保持很高压力的情况下，将另一侧的压力降低到零，这样会使两面的压力差剧增，造成过载。三、应变式压力传感器三、应变式压力传感器应变式压力传感器的典型结构如图所示。应变式压力传感器的弹性元件是一个圆形的金属膜片，圆形应变片粘贴在金属膜片上。金属膜片的周边被固定，当膜片一面受压力作用时，膜片的另一面产生径向应变 r 和切向应变 t。如图所示，根据应力分布，金属膜片上粘贴有

15、四个应变片，两个贴在正的最大区域（R2、R3），两个贴在负的最大区域（R1、R4）。四个应变片组成全桥电桥电路，这样通过测量输出电压，来测量被测压力，既可提高传感器的灵敏度，又能起到温度补偿的作用。应变式压力传感器的结构应变式压力传感器的结构 弹性元件应变片分布图弹性元件应变片分布图目前高精度应变式压力传感器均采用薄膜式应变片。薄膜式应变片采用溅射、蒸镀等真空镀膜技术在金属弹性膜片上直接生成隔离绝缘膜和金属电阻膜，然后再通过半导体光刻技术，制作四个应变电阻，组成全桥电桥电路，如图所示。薄膜式应变片薄膜式应变片四、压力传感器的安装四、压力传感器的安装 压力传感器与所测压力管道或压力容器的密封连接

16、压力传感器与所测压力管道或压力容器的密封连接压力传感器密封连接方法很多，一般根据传感器的量程、结构、密封等要求的不同，连接方法也不尽相同。压力传感器的不同压力接嘴压力传感器的不同压力接嘴）倒刺状压力接嘴）倒刺状压力接嘴）、）、）平底螺纹状压力接嘴平底螺纹状压力接嘴）球头状压力接嘴球头状压力接嘴压力传感器的不同密封方法压力传感器的不同密封方法）用用 形圈密封）形圈密封）用密封垫密封用密封垫密封常见压力接嘴形式常见压力接嘴形式常用压力接头常用压力接头在很多压力测量场所不便直接安装压力传感器，需将压力引出，一般采用铜管或金属软管将压力转接出来，如图所示。引压管引压管）铜管）铜管）金属软管金属软管 取

17、压口位置的选择取压口位置的选择 一般选择原则是：（）取压口不得取在管道的弯曲、分叉的地方。（）当管道内有突出物体时，取压口应选在突出物体的前面。（）如果取在阀门附近，则距阀门的距离应大于 2D（D 为管道直径），取压口若在阀门后，与阀门的距离应大于 3D。（）取压口应处于流速平稳、无涡流流动的区域。其他需考虑因素其他需考虑因素（）压力传感器要安装在能满足仪表使用环境条件和易观察、易检修的地方。压力传感器安装示意图压力传感器安装示意图（）安装地点应尽量避免振动和高温影响。（）测量有腐蚀性、黏度较大、易结晶、有沉淀物的介质时，应选取带隔离膜片的压力传感器。（）仪表必须垂直安装。若装在室外，还应加装

18、保护箱。（）当测量小压力信号时，压力传感器应与取压口在同一高度，否则就需要修正因高度差所引起的测量误差。五、压力传感器的校验五、压力传感器的校验对于大压力传感器，校验压力传感器的设备主要是砝码压力计，如图所示。校验方法是：在常态工作条件下，将压力传感器接在压力计表头的压力接嘴处，按图所示连接电路和油路，加不同的砝码，可获得不同的压力源，精度可达 0.15 级，该方法适用于测量相对压力传感器。砝码压力计砝码压力计）YS 600（满量程满量程 60MPa）YS 60（满量程满量程 6 MPa）液压传感器电路与油路液压传感器电路与油路六、压力传感器的选择原则六、压力传感器的选择原则 根据测量对象要求

19、选用合适的传感器类型根据测量对象要求选用合适的传感器类型相对压力（表压）传感器适用于开口罐、开口管道等压力的测量以及大压力信号的测量等。差压传感器适用于测量两容器或两管道的压力差，也常用于测量液位。绝对压力传感器适用于相对真空的介质压力值以及小压力的测量。根据测量对象的环境选择与之相兼容的传感器根据测量对象的环境选择与之相兼容的传感器传感器一般应安装于通风、干燥、无蚀、阴凉处，但如果需要安装在露天环境中，则应装防护罩，避免阳光照射和雨淋。根据测量对象选择适当量程的压力传感器根据测量对象选择适当量程的压力传感器压力传感器量程的选用一般以使被测量参数经常处在整个量程的 80 90 为最好，且最大工

20、作状态点不能超过满量程。了解压阻式压力敏感元件的特点和工作原理。了解压阻式压力敏感元件的特点和工作原理。了解压阻式压力传感器的工作原理。了解压阻式压力传感器的工作原理。掌握压阻式压力传感器的功能特点。掌握压阻式压力传感器的功能特点。能正确安装、使用、校验压阻式压力传感器。能正确安装、使用、校验压阻式压力传感器。学习目标学习目标 课题四压阻式压力传感器知识引入知识引入在航空工业上，常常需要测量机翼气流压力分布、发动机进气口处的动压畸变；在生物医学上，将 10 m 厚的硅膜片注射到生物体内时，需要进行体内压力的测量；在军事工业上，常需要测量爆炸压力和冲击波以及枪炮腔内的压力；恒压供水系统中，需要监

21、测水管出口的压力。这些场合，常常都会选用压阻式压力传感器。知识讲解知识讲解一、压阻式压力敏感元件一、压阻式压力敏感元件压阻式压力传感器的敏感元件是压阻元件，它主要由外壳、硅杯和引出线等组成（见图）。硅杯是压阻元件的核心部分，是一块带有应变电阻的硅膜片。压阻元件的膜片和应变电阻经精细加工成一体结构，没有可动部分，因此也称为固态传感器。压阻式压力敏感元件的压力测量原理与金属膜片式应变压力传感器的工作原理基本相同，只是使用的材料和工艺不同。压阻式压力敏感元件的结构压阻式压力敏感元件的结构）硅压阻元件）硅压阻元件）带封装的硅压阻元件带封装的硅压阻元件 常见压阻元件的外形常见压阻元件的外形）普通压阻元件

22、）普通压阻元件）带隔离膜片的压阻元件带隔离膜片的压阻元件）带隔离膜片的压差压阻元件带隔离膜片的压差压阻元件二、压阻式压力传感器的工作原理二、压阻式压力传感器的工作原理对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，该材料的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。这是因为半导体电阻率的大小取决于有限载流子（即自由电子、空穴）的迁移率，加在单晶材料某一轴向上的外应力，会使载流子迁移率发生较大的变化。半导体材料的电阻率发生变化时，其电阻值相应也会变化。半导体材料电阻变化率远大于金属应变片的电阻变化率。将压阻式压力敏感元件紧密地安装到带压力接嘴的壳体中，就构成了压阻式压力传感器，如图

23、所示。压阻式压力传感器压阻式压力传感器）结构图）结构图）外形图外形图 测量绝对压力测量绝对压力绝对压力敏感元件在膜片的一侧有一个密封的近似真空的参考压力腔，也就是说在未施加外界压力时，单晶硅膜片上已作用了一个大气压的压力。如图所示，硅杯与玻璃基座封接后组成真空腔，此时测到的压力即为绝对压力。绝对压力敏感元件绝对压力敏感元件 测量相对压力测量相对压力（表压）（表压）如图所示，硅杯的一侧与大气相通，P1 为大气压。此时测出的压力即为相对压力。相对压力敏感元件相对压力敏感元件 测量差压测量差压测量差压时，在硅膜片的两侧设有两个进压口，一个进口压力为 P1，另一个进口压力为 P2，如图所示，此时作用在

24、硅膜片上的压力为两个压力之差(差压)，即所测的压力为P=P1-P2。相对压力敏感元件相对压力敏感元件 测量电路测量电路压阻式压力传感器的测量电路是由恒流源、放大电路及调整电路组成的，如图所示。压阻式压力传感器测量电路压阻式压力传感器测量电路三、压阻式压力传感器的特点三、压阻式压力传感器的特点压阻式压力传感器的弹性元件是单晶硅膜片，可将压阻式压力传感器、稳压电源或稳流电源、补偿电路及电阻、A D或 DA电路做在一个芯片上。压阻式压力传感器的硅杯与玻璃基底采用的是在真空中静电封接的方法，因此特别适合作绝压式压力传感器。压阻式压力传感器不仅能检测静态压力，还可检测频率为几十千赫的脉动压力。压阻式压力

25、传感器的灵敏度高，适用于小压力测量。压阻式压力传感器有许多突出的优点，但其缺点也同样突出，那就是它的温度特性差，需要温度补偿，工艺复杂。四、压阻式压力传感器的安装、使用与校验方法四、压阻式压力传感器的安装、使用与校验方法压阻式压力传感器的安装与使用方法和应变式压力传感器基本相同。连接时密封即可，不能用力过度，以避免器件受损，影响产品性能。压阻式压力传感器的连接方式有多种，包括锥形管（见图，为防止脱落，通常用管夹紧固）与橡皮管的连接、锥螺纹的连接、加密封垫圈的连接、喇叭口与球头的连接等。锥形管连接锥形管连接五、压阻式压力传感器的使用注意事项五、压阻式压力传感器的使用注意事项在使用压阻式压力传感器

26、时，关键要注意压力传感器密封连接和预防压力传感器过载的问题。压阻式压力传感器常用于气体的测量或小压力的测量，密封问题常被忽视。超量程过载是常见的故障问题。在对压阻式压力传感器通电前，要确认接线是否正确，电气连接是否严格按照接线说明进行，错误接线会造成电路的损坏，甚至严重损坏产品。了解压力变送器的基本结构和工作原理。了解压力变送器的基本结构和工作原理。掌握使用电容式压力变送器测量液位的原理和方法。掌握使用电容式压力变送器测量液位的原理和方法。能正确使用压力变送器。能正确使用压力变送器。能正确排除压力变送器的常见故障。能正确排除压力变送器的常见故障。学习目标学习目标课题五压力变送器知识引入知识引入

27、一般情况下，通过测量油罐的液位可以计算油量的实际数量（即吨数），同时还可以防止储油罐溢满，因此在油库管理系统中，储油罐的液位测量十分重要。油罐的液位可以采用压力变送器测量。知识讲解知识讲解一、压力变送器的基本知识一、压力变送器的基本知识压力变送器由压力传感器、信号转换电路、壳体及各种连接件组成。压力传感器将来自现场的液体或气体等介质的压力参数转换成微小的电流或电压信号，然后通过标准的转换电路转换成 DC420 mA 或 DC15 V 的工业标准信号，送至显示仪、记录仪、计算机或控制器等设备。在工业中，压力变送器常被称为现场仪表或一次仪表，其外形如图所示。各种压力变送器外形各种压力变送器外形变面

28、积式电容传感器变面积式电容传感器）平板电容式传感器）平板电容式传感器）直线位移型电容式传感器直线位移型电容式传感器）角位移型电容式传感器角位移型电容式传感器）锯齿板型电容式传感器）锯齿板型电容式传感器）同心圆筒型电容式传感器同心圆筒型电容式传感器三、典型电容式压力变送器的结构三、典型电容式压力变送器的结构1151 系列电容式压力变送器是引进美国罗斯蒙特公司技术制造的产品，在国内外市场上享有很高的声誉，其外形如图所示。1151系列电容式压力变送器外形图系列电容式压力变送器外形图 1151 系列电容式压力变送器的结构系列电容式压力变送器的结构电容式压力变送器的装配示意图电容式压力变送器的装配示意图

29、四、电容式压力变送器测量液位的原理四、电容式压力变送器测量液位的原理电容式压力变送器的两个压力接口，一个接在油罐底部，一个接在油罐顶部，如图所示。所测压力差与液面高度成正比，即 P=gh。温度变化时，虽然油品的体积会膨胀或缩小，但液体密度 与高度 h 成反比，因此所检测到的压力始终是保持不变的，即罐内油量的实际重量不受温度影响，保持不变。电容式压力变送器测量液位电容式压力变送器测量液位六、压力变送器使用时的常见故障分析与处理六、压力变送器使用时的常见故障分析与处理 压力变送器的引压管堵塞压力变送器的引压管堵塞在生产过程中，常会发现被测介质内含有固体悬浮颗粒或粉末，时间久了，这些物质还会固化，导

30、致引压管堵塞，使测量无法正常进行。在这种情况下，就不能再使用普通的引压管，而要用隔膜式压力表或法兰式变送器。电容式压力变送器高低压导管接反电容式压力变送器高低压导管接反处理高低压导压管接反的问题，对于气动变送器和某些电动变送器来说是比较困难的，需要重新安装，工作量较大。电容式压力变送器输出值长时间不变电容式压力变送器输出值长时间不变电容式压力变送器显示表的输出值若长时间无变化，则应对变送器正压侧进行排污检查，对引压管做疏通处理。电容式压力变送器指示持续波动电容式压力变送器指示持续波动出现此问题时，首先应对变送器的阻尼进行调整，如经调整后仍然波动，就应该对变送器重新校验，看其膜片是否损坏。如果经校验发现一切正常，就应重点检查周围环境有无电磁干扰等。