1、MCU 1压力传感器压力传感器信息科学与技术部信息科学与技术部1311实验室实验室贾永恒，李萌，李丽丽贾永恒，李萌，李丽丽MCU 2目录目录 1 压力传感器压力传感器 2 压力的测量方法压力的测量方法 3 电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器 4 电感式压力传感器电感式压力传感器 5 电容式压力传感器电容式压力传感器 6 压电式压力传感器压电式压力传感器MCU 31.1压力压力 压力是工业生产过程中重要的工艺参数之压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一，正确地测量和控制压力是保证工业生一，正确地测量和控制压力是保证工业生产过程良好地运行，达到高产优质低耗及产过程良好地运行，达到高产优质低耗
2、及安全生产的重要环节。安全生产的重要环节。MCU 41.2压力的定义压力的定义SFp 压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常称的压强。，即物理学中常称的压强。工程上，习惯把压强工程上，习惯把压强称为压力。称为压力。由此定义，压力可表示为由此定义，压力可表示为:MCU 52.压力的测量方法压力的测量方法 重力与被测压力平衡的测量法重力与被测压力平衡的测量法 液柱式压力计液柱式压力计 弹性力与被测压力平衡的测量法弹性力与被测压力平衡的测量法 敏感元件受压力作用产生弹性形变，进而由转换元件转换敏感元件受压力作用产生弹性形变，进而由转换元件转换成电信
3、号进行测量的一类方法成电信号进行测量的一类方法 各种弹簧管、弹性膜、波纹管等敏感元件各种弹簧管、弹性膜、波纹管等敏感元件 物性测量方法物性测量方法 敏感元件受压力作用进行产生物理特性变化，进而由转换敏感元件受压力作用进行产生物理特性变化，进而由转换元件转换成电信号进行测量的一类方法元件转换成电信号进行测量的一类方法 压阻式、压电式压力传感器压阻式、压电式压力传感器MCU 62.1重力与被测压力平衡的测量法重力与被测压力平衡的测量法MCU 72.2弹性力与被测压力平衡的测量法弹性力与被测压力平衡的测量法 当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹
4、性变形相应的弹性变形(即机械位移即机械位移)。 根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。MCU 8 弹性元件弹性元件是核心部是核心部分，其作用是感受压分，其作用是感受压力并产生弹性变形，力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形弹性元件采用何种形式要根据测量要求选式要根据测量要求选择和设计；择和设计； 弹簧管：弹簧管：MCU 9波纹管波纹管弹性膜片弹性膜片 波登管波登管或或弹簧管弹簧管MCU 10 悬梁弹性体悬梁弹性体 柱筒弹性体柱筒弹性体 轮辐弹性体轮辐弹性体 MCU 11 在弹性元件与指示机构之间是在弹性元件与指示机构之间是变换变换放大机构放大机构，其作
5、用是将弹性元件的变形，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；进行变换和放大； 指示机构指示机构(如指针与刻度标尺如指针与刻度标尺)用于用于给出压力示值；给出压力示值； 调整机构调整机构用于调整零点和量程。用于调整零点和量程。MCU 122.3物性测量方法物性测量方法 当被测压力作用于压电晶体时，压电晶体当被测压力作用于压电晶体时，压电晶体会产生电势差，利用这个电势差可以进行会产生电势差，利用这个电势差可以进行压力大小的测量压力大小的测量MCU 13传感器的定义传感器的定义 能感受规定的被测量并按照一定的规律转能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感换成可用信号
6、的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成元件和转换元件组成。MCU 14传感器传感器 传感器是一种检测装置，能感受到被测量传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。自动检测和自动控制的首要环节。MCU 15压力传感器压力传感器 将压力转换为电信号输出的传感器叫做压将压力转换为电信号输出
7、的传感器叫做压力传感器。通常把压力测量仪表中的电测力传感器。通常把压力测量仪表中的电测式仪表称为压力传感器。式仪表称为压力传感器。 压力传感器一般由压力传感器一般由弹性敏感元件弹性敏感元件和和位移敏位移敏感元件（或应变计感元件（或应变计）组成）组成。MCU 16弹性、位移敏感元件弹性、位移敏感元件 弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件的功定关系的电信号。有时把这两种元件的功能集于一体，
8、如压阻式传感器中的固态压能集于一体，如压阻式传感器中的固态压力传感器。力传感器。MCU 17压力传感器分类压力传感器分类常用压力传感器有常用压力传感器有： 电容式压力传感器、变磁阻式压力传感器电容式压力传感器、变磁阻式压力传感器（变磁阻式传感器、差动变压器式压力传（变磁阻式传感器、差动变压器式压力传感器）、霍耳式压力传感器、光纤式压力感器）、霍耳式压力传感器、光纤式压力传感器（见光纤传感器）、谐振式压力传传感器（见光纤传感器）、谐振式压力传感器等。感器等。MCU 18压力传感器压力传感器MCU 19压力传感器的选型压力传感器的选型1、品牌误区：进口的不一定是最好的，国产、品牌误区：进口的不一定
9、是最好的，国产的也不是都比进口的差，比如：皓鹰的也不是都比进口的差，比如：皓鹰2、精度误区：从某个角度来说：稳定性比产、精度误区：从某个角度来说：稳定性比产品的精度更重要，精度选择应该是建立在品的精度更重要，精度选择应该是建立在高稳定性的基础上的。高稳定性的基础上的。3、追求廉价：事实上，高品质的产品就决定、追求廉价：事实上，高品质的产品就决定了它的价格会相对的高一些。了它的价格会相对的高一些。4、选择合适的量程、合适的精度、合适安装、选择合适的量程、合适的精度、合适安装方式、合适的输出方式方式、合适的输出方式。MCU 20压力传感器的使用压力传感器的使用 1、检查安装孔的尺寸、保持安装孔的清
10、洁、检查安装孔的尺寸、保持安装孔的清洁； 2、正确安装、选择恰当的位置；、正确安装、选择恰当的位置； 3、仔细清洁、保持干燥；、仔细清洁、保持干燥； 4、避免高低温干扰、高低频干扰、静电干、避免高低温干扰、高低频干扰、静电干扰；扰； 5、防止压力过载、防止压力过载MCU 21应变式压力传感器应变式压力传感器 应变式压力传感器是应变式压力传感器是压力传感器中应用比压力传感器中应用比较多的一种传感器，较多的一种传感器，它一般用于测量较大它一般用于测量较大的压力，广泛应用于的压力，广泛应用于测量管道内部压力、测量管道内部压力、内燃机燃气的压力、内燃机燃气的压力、压差和喷射压力、发压差和喷射压力、发动
11、机和导弹试验中的动机和导弹试验中的脉动压力，以及各种脉动压力，以及各种领域中的流体压力等领域中的流体压力等。MCU 22应变式压力传感器分类 1.应变管式应变管式 2.膜片式膜片式 3.应变梁式应变梁式 4.组合式组合式MCU 23应变管式应变管式 又称应变筒式。它的弹性敏感元件为一端封又称应变筒式。它的弹性敏感元件为一端封闭的薄壁圆筒，其另一端带有法兰与被测系闭的薄壁圆筒，其另一端带有法兰与被测系统连接。在筒壁上贴有统连接。在筒壁上贴有2片或片或4片应变片，其片应变片，其中一半贴在实心部分作为温度补偿片中一半贴在实心部分作为温度补偿片,另一半另一半作为测量应变片。当没有压力时作为测量应变片。
12、当没有压力时 4片应变片组片应变片组成平衡的全桥式电路成平衡的全桥式电路;当压力作用于内腔时当压力作用于内腔时,圆圆筒变形成筒变形成“腰鼓形腰鼓形”,使电桥失去平衡使电桥失去平衡,输出与输出与压力成一定关系的电压。这种传感器还可以压力成一定关系的电压。这种传感器还可以利用活塞将被测压力转换为力传递到应变筒利用活塞将被测压力转换为力传递到应变筒上或通过垂链形状的膜片传递被测压力。上或通过垂链形状的膜片传递被测压力。MCU 24应变管式压力传感器特点及应用应变管式压力传感器特点及应用 应变管式压力传感器的结构简单、制造方应变管式压力传感器的结构简单、制造方便、适用性强，在火箭弹、炮弹和火炮的便、适
13、用性强，在火箭弹、炮弹和火炮的动态压力测量方面有广泛应用。动态压力测量方面有广泛应用。MCU 25膜片式应变式压力传感器 它的弹性敏感元件为周边固定圆形金属平它的弹性敏感元件为周边固定圆形金属平膜片。膜片受压力变形时，中心处径向应膜片。膜片受压力变形时，中心处径向应变和切向应变均达到正的最大值，而边缘变和切向应变均达到正的最大值，而边缘处径向应变达到负的最大值，切向应变为处径向应变达到负的最大值，切向应变为零。因此常把两个应变片分别贴在正负最零。因此常把两个应变片分别贴在正负最大应变处，并接成相邻桥臂的半桥电路以大应变处，并接成相邻桥臂的半桥电路以获得较大灵敏度和温度补偿作用。获得较大灵敏度和
14、温度补偿作用。MCU 26应变梁式压力传感器 测量较小压力时，可采用固定梁或等强度测量较小压力时，可采用固定梁或等强度梁的结构。一种方法是用膜片把压力转换梁的结构。一种方法是用膜片把压力转换为力再通过传力杆传递给应变梁。图为力再通过传力杆传递给应变梁。图3中两中两端固定梁的最大应变处在梁的两端和中点端固定梁的最大应变处在梁的两端和中点，应变片就贴在这些地方。这种结构还有，应变片就贴在这些地方。这种结构还有其他形式，例如可采用悬梁与膜片或波纹其他形式，例如可采用悬梁与膜片或波纹管构成。管构成。MCU 27组合式压力传感器特点及应用 在组合式应变压力传感器中，弹性敏感在组合式应变压力传感器中，弹性
15、敏感元件可分为感受元件和弹性应变元件。元件可分为感受元件和弹性应变元件。 感受元件把压力转换为力传递到弹性应感受元件把压力转换为力传递到弹性应变元件应变最敏感的部位，而应变片则贴变元件应变最敏感的部位，而应变片则贴在弹性应变元件的最大应变处。在弹性应变元件的最大应变处。 应变式压力传感器主要用来测量流动介应变式压力传感器主要用来测量流动介质动态或静态压力，例如动力管道设备的质动态或静态压力，例如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、内燃机管道压进出口气体或液体的压力、内燃机管道压力等等。力等等。MCU 283. 电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器 3.1、电阻应变片 3.2、测量电路MC
16、U 293.1电阻应变片电阻应变片-工作原理工作原理MCU 30电阻应变片电阻应变片-工作原理工作原理MCU 31电阻应变片电阻应变片-工作原理工作原理定义(dl/l)= 为材料的轴向应变，单位为为材料的轴向应变，单位为 u = 10-6mm/mmMCU 32MCU 33金属和半导体的压阻效应金属和半导体的压阻效应)21 ( CVCdVdEd金属导体：金属导体：半导体： C-由材料及加工方式决定的常数由材料及加工方式决定的常数E -半导体材料的弹性模量半导体材料的弹性模量 -作用于材料的轴向应力作用于材料的轴向应力MCU 34MCU 35电阻应变片电阻应变片-应变片结构应变片结构MCU 36电
17、阻应变片电阻应变片-应变片结构应变片结构MCU 37电阻应变片电阻应变片-测量过程测量过程MCU 38悬梁式电阻应变片压力传感器悬梁式电阻应变片压力传感器MCU 39柱筒式电阻应变片压力传感器柱筒式电阻应变片压力传感器MCU 40轮辐式电阻应变片压力传感器轮辐式电阻应变片压力传感器MCU 41电阻应变片的优点电阻应变片的优点 灵敏度、精度高，性能稳定，误差小于灵敏度、精度高，性能稳定，误差小于1% 尺寸小，重量轻，测量速度快，即可用于尺寸小，重量轻，测量速度快，即可用于静态测量，又可用于动态测量静态测量，又可用于动态测量 测量范围大，变形范围从测量范围大，变形范围从1%-2% 适应性强，可在高
18、温、超低温、高压、水适应性强，可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及辐射等恶劣环境下使用下、强磁场以及辐射等恶劣环境下使用MCU 42电阻应变片电阻应变片-主要特性主要特性MCU 43MCU 443.2测量电路测量电路-直流电桥直流电桥电桥平衡条件：电桥平衡条件：UOUT=A(R1R4 - R2R3)=0R1R4 = R2R3MCU 45假设：假设： ，并考虑到电桥初始平衡条件，并考虑到电桥初始平衡条件 省略去分母中的微量省略去分母中的微量 ，则上式可写成为：，则上式可写成为：优点：采用直流电桥，测量前，经调平，可以使输出信号优点：采用直流电桥，测量前，经调平，可以使输出信号 从零点开始变化
19、。从零点开始变化。缺点：单臂电桥的输入输出特性是非线性，采用较大缺点：单臂电桥的输入输出特性是非线性，采用较大R1值值 可以减小非线性误差，但降低灵敏度。可以减小非线性误差，但降低灵敏度。改进办法：差分双臂电桥、四臂电桥改进办法：差分双臂电桥、四臂电桥MCU 46双臂直流电桥电桥平衡条件：电桥平衡条件：UOUT=A(R1R4 - R2R3)=0R1R4 = R2R321434212434212RRRRRRRRRRRRRRRRRRRUUUUDBCBCDOUTMCU 474. 电感式压力传感器电感式压力传感器 4.1 电感式传感器分类电感式传感器分类 4.2 自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型电涡流
20、型电涡流型 4.3 互感性互感性MCU 484.1电感式传感器分类电感式传感器分类MCU 494.2 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式MCU 50MCU 51MCU 52MCU 53MCU 54MCU 55MCU 564.3 互感型电感传感器互感型电感传感器MCU 57MCU 585 .电容式压力传感器电容式压力传感器 5.1 工作原理及特性工作原理及特性 5.2 测量电路测量电路 5.3 应用应用MCU 595.1 工作原理及特性工作原理及特性MCU 60MCU 61MCU 62MCU 63MCU 645.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用MCU 65MCU 66电容式压力传感器电容
21、式压力传感器MCU 67MCU 68电容式转速传感器电容式转速传感器 电容式转速传感器MCU 696. 压电式压力传感器压电式压力传感器 3.6.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 3.6.2 测量电路测量电路 3.6.3 应用应用MCU 706.1压电效应及压电材料压电效应及压电材料MCU 71MCU 72 压电材料的特性参数压电材料的特性参数 压电常数：衡量材料压电效应强弱的参数压电常数：衡量材料压电效应强弱的参数 弹性常数：即刚度，决定压电器件的固有频率和动态特性弹性常数：即刚度，决定压电器件的固有频率和动态特性 介电常数：影响器件的固有电容，进而影响传感器的频率下介电常数：影响器
22、件的固有电容，进而影响传感器的频率下限限 机电耦合系数：压电效应中，输出能量与收入能量之比的平机电耦合系数：压电效应中，输出能量与收入能量之比的平方根，衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数方根，衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，改善传感器的电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，改善传感器的低频特性低频特性 居里点：压电材料开始丧失压电性的温度居里点：压电材料开始丧失压电性的温度MCU 736.2 测量电路MCU 74Cc传输电缆分布电容，传输电缆分布电容，Ri Ci 放大器输入阻抗、放大器输入阻抗、容抗容抗MCU 756.3 压电传感器
23、应用压电传感器应用MCU 76MCU 77MCU 78MCU 79电子称MCU 80电子称原理图电子称原理图MCU 81MCU 82MCU 83HL-8型传感器受力方式图型传感器受力方式图MCU 84HL-8型称重传感器参数型称重传感器参数MCU 855Kg称重传感器称重传感器 1. 5kg传感器 满量程输出电压=激励电压*灵敏度1.0mv/v 例如：供电电压是5V乘以灵敏1.0mv/v=满量程5mv。相当于有5kg重力产生时候产生5mv的电压。MCU 86HX711模块模块 2. 711模块对产生的5mv电压进行采样。 概述：711模块A通道带有128倍信号增益，可以将5mv的电压放大128倍，然后采样输出24bit AD转换的值，单片机通过制定时序将24bit数据读出。MCU 87
