1、第三章第三章 压力压力及 力力 检测 压力及力的压力及力的测量测量压力的概念和单位应变式压力计压电式、压磁式、电容式、霍尔式应变效应应变片应变片温度补偿与粘贴应变式力与压力传感器转换电路1、压力的表示2、应变片测力的原理3、各种类型的应变片及其特点4、应变片的温度误差及其补偿5、应变片的应用电路1.什么是压力 垂直作用在单位面积上的力称垂直作用在单位面积上的力称压力压力。在国际单位制（在国际单位制（SI）和我国法定计量单位）和我国法定计量单位中，压力的单位是中，压力的单位是“帕斯卡帕斯卡”，简称，简称“帕帕”，符号为，符号为“Pa”。即即1N的力垂直均匀作用在的力垂直均匀作用在1m2的面积上所
2、的面积上所形成的压力值为形成的压力值为1Pa。2122 2kgm1Pa1N/m11kgm sm s其他压力单位其他压力单位：“工程大气压力工程大气压力”（kgf/cm2）、）、“毫米汞柱毫米汞柱”（mmHg）、）、“毫米水柱毫米水柱”（mmH2O）、）、“标准标准大 气 压大 气 压”（a t m）、）、“巴巴”（b a r）、）、“PSI”）、）、“PSI”（“磅力每平方英寸磅力每平方英寸）1 kgf/cm2=0.9807105Pa1mmH2O=0.980710Pa1 mmHg=1.332102Pa1atm=1.01325105Pa1bar=105Pa 1 PSI=6.89103Pau绝对压
3、力绝对压力PJu大气压力大气压力PDu表压力表压力PB PB=PJ PDu真空度真空度PZ（负压）（负压）PZ PD PJ表压大气压力线负压绝对压力真空度10绝对压力绝对压力的零线12、压力的表示二、应变式传感器二、应变式传感器我们可以做这样一个较简单的实验：取一根细电阻丝，两端接上一台3 1/2位数字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初始阻值（图中为10.01）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（增加到为10.05）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。电阻应变片的工作原理是基于应变效应应变效应,即在导体产生机械变形时,它的电阻值相应发生变化。一根金属电
4、阻丝,在其未受力时,原始电阻值为 R=式中:电阻丝的电阻率;L电阻丝的长度;S电阻丝的截面积。SL.（3-1）应变效应应变效应 2、电阻应变片的种类电阻应变片的种类 电阻应变片品种繁多,形式多样。但常用的应变片可分为两类:金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成,如图 所示。敏感栅是应变片的核心部分,它粘贴在绝缘的基片上,其上再粘贴起保护作用的覆盖层,两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、丝式、箔式和薄膜式箔式和薄膜式三种。应变片的分类金属应变片丝式应变片箔式应变片薄膜应变片半导体应变片 丝式应变片 丝式电阻片是用0.003mm-0.01mm
5、的合金丝绕成栅状制成的；箔式应变片 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅,其厚度一般在0.0030.01mm。其优点是散热条件好,允许通过的电流较大,可制成各种所需的形状,便于批量生产。薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1m以下的金属电阻薄膜的敏感栅,最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大,允许电流密度大,工作范围广。半导体应变片是用半导体材料制成的,其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时,其电阻率发生变化的现象。半导体应变片的灵敏度特别高，但是对温度敏感.3、应变片的温度误差及补偿应变片
6、的温度误差及补偿 a.应变片的温度误差应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有:应变片温度误差电阻温度系数的影响材料与应变片膨胀系数不同1)电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：Rt=R0（1+0t）式中:Rt温度为 t 时的电阻值;R0温度为t0时的电阻值;0金属丝的电阻温度系数;t温度变化值,t=t-t0。当温度变化t时,电阻丝电阻的变化值为 Rt=Rt-R0=R00t 2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时,不论环境温度
7、如何变化,电阻丝的变形仍和自由状态一样,不会产生附加变形。当试件和电阻丝膨胀系数不同时,由于环境温度的变化,电阻丝会产生附加变形,从而产生附加电阻。2.电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。1)线路补偿法 在应变片工作过程中,保证R3=R4。R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数,膨胀系数,应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样,两者线膨胀系数相同。两应变片应处于同一温度场。若实现完全补偿,上述分析过程必须满足四个条件:2)应变片自补偿，巧妙的安装应变片被拉伸被压
8、缩应变片试件 由于机械应变一般都很小,要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来,同时要把电阻相对变化R/R转换为电压或电流的变化。因此,需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路,通常采用直流电桥和交流电桥试件试件F 1.柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器被压缩2 环式力传感器环式力传感器2、应变式压力传感器应变式压力传感器 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力。如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力变化,枪管及炮管内部的压力、内燃机管道压力等。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。练习：BACDF1、应变片测量力的原理是什么？、应变片
9、测量力的原理是什么？2、应变片有哪几种类型？、应变片有哪几种类型？3、单臂、半桥和全桥电路的灵、单臂、半桥和全桥电路的灵敏度有怎样的倍数关系？谁的敏度有怎样的倍数关系？谁的灵敏度最大？灵敏度最大？4、如图是一个圆柱体弹性元件，、如图是一个圆柱体弹性元件，A、B、C、D是四个应变片，观是四个应变片，观察他们粘贴的位置后判断四个察他们粘贴的位置后判断四个应变片在电桥中应怎样连接？应变片在电桥中应怎样连接？可以画出电桥电路来说明，也可以画出电桥电路来说明，也可以用文字描述。可以用文字描述。任务任务：自制电子秤 用现有的试验器件测出某一物体的质量，比如：手机，硬币，一串钥匙等等。步骤：1.连接一个全桥
10、电路，4V供电，输出接毫伏表。这是，如果对弹性悬臂施加一定的力，毫伏表的数值应有相应的变化。2.在标准砝码的辅助下，得到被侧物体的质量。某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能电荷极性也随之改变。这种
11、机械能转化为电能的现象称为的现象称为“正压电效应正压电效应”或或“顺压电效应顺压电效应”。反之，当在某些物质的极化方向上施加电反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为械能的现象称为“逆压电效应逆压电效应”或或“电致电致伸缩效应伸缩效应”。压电单晶体有石英压电单晶体有石英(包括天然石英和人造包括天然石英和人造石英石英)、水溶性压电晶体、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、包括酒
12、石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等)；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。镁酸铅压电陶瓷等。如图所示为天如图所示为天然石英晶体，然石英晶体，其结构形状为其结构形状为一个六角形晶一个六角形晶柱，两端为一柱，两端为一对称棱锥。对称棱锥。如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X轴线。通常把沿电轴轴线。通常把沿电轴(X(X轴轴)方向的方向的作用力产生的压电效应称为作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”，把沿机把沿机械轴械轴(Y(Y轴轴)方向的作用力产生的压电效应称为方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电横向压电效应效应”，沿光轴沿光轴(Z(Z轴轴)方向的作用力不产生压电效应。沿方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生相对两棱加力时，则产生切向效应切向效应。压电式传感器主要。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。是利用纵向压电效应。
