1、河北联合大学轻工学院河北联合大学轻工学院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 1第1页，共88页。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 2第2页，共88页。1.1压力压力 压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一，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产过程良正确地测量和控制压力是保证工业生产过程良
2、好地运行，达到高产优质低耗及安全生产的重好地运行，达到高产优质低耗及安全生产的重要环节。要环节。3第3页，共88页。1.2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，即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。物理学中常称的压强。工程上，习惯把压强称为压工程上，习惯把压强称为压力。力。由此定义，压力可表示为由此定义，压力可表示为:4第4页，共88页。2.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，
3、进而由转换元件转换成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号进行测量的一类方法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，进而由转换元件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 5第5页，共88页。2.1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 6第6页，共88页。2.2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
4、量法 当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形应的弹性变形(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。7第7页，共88页。弹性元件弹性元件是核心部分是核心部分，其作用是感受压力并，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据件采用何种形式要根据测量要求选择和设计；测量要求选择和设计；弹簧管：弹簧管：8第8页，共88页。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 9第9页，共88页。悬梁弹性体悬梁弹性体 柱筒弹性体柱筒弹性体
5、 轮辐弹性体轮辐弹性体 10第10页，共88页。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放大变换放大机构机构，其作用是将弹性元件的变形进行变换，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；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)用于给出用于给出压力示值；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。11第11页，共88页。2.3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，压电晶体会产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压力大小的生电势差，利用这个电势差可以进行压力大小的测量测量 12第12页，共8
6、8页。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换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，通常由敏感元件和成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成转换元件组成。13第13页，共88页。传感器传感器 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的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，按一定规律信息，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信息输出，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、存储、显示、记录以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和
7、自动控制和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。的首要环节。14第14页，共88页。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将压力转换为电信号输出的传感器叫做压力叫做压力传感器。通常把压力测量仪表中的电测式仪表传感器。通常把压力测量仪表中的电测式仪表称为压力传感器。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感位移敏感元件（或应变计元件（或应变计）组成）组成。15第15页，共88页。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某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，然后由位移
8、敏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定关系的电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能集于一体，如信号。有时把这两种元件的功能集于一体，如压阻式传感器中的固态压力传感器。压阻式传感器中的固态压力传感器。16第16页，共88页。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（变电容式压力传感器、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感器）、霍磁阻式传感器、差动变压器式压力传感器）、霍耳式压力传感器、光纤式压力传感器（见光纤传耳式压力传感器、光纤式压力传感器（见光纤传
9、感器）、谐振式压力传感器等。感器）、谐振式压力传感器等。17第17页，共88页。压力传感器压力传感器 18第18页，共88页。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，国产的也、品牌误区：进口的不一定是最好的，国产的也不是都比进口的差，比如：皓鹰不是都比进口的差，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高品的精度更重要，精度选择应该是建立在高稳定性的基础上的。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了、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。它的
10、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。19第19页，共88页。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、静电干扰；、避免高低温干扰、高低频干扰、静电干扰；5、防止压力过载、防止压力过载 20第20页，共88页。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压应变式压力传感器是压力传感器
11、中应用比较多力传感器中应用比较多的一种传感器，它一般的一种传感器，它一般用于测量较大的压力，用于测量较大的压力，广泛应用于测量管道内广泛应用于测量管道内部压力、内燃机燃气的部压力、内燃机燃气的压力、压差和喷射压力压力、压差和喷射压力、发动机和导弹试验中、发动机和导弹试验中的脉动压力，以及各种的脉动压力，以及各种领域中的流体压力等。领域中的流体压力等。21第21页，共88页。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 22第22页，共88页。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闭的薄又称应变筒式。它的弹性敏感元件为一端
12、封闭的薄壁圆筒，其另一端带有法兰与被测系统连接。在筒壁圆筒，其另一端带有法兰与被测系统连接。在筒壁上贴有壁上贴有2片或片或4片应变片，其中一半贴在实心部片应变片，其中一半贴在实心部分作为温度补偿片分作为温度补偿片,另一半作为测量应变片。当没另一半作为测量应变片。当没有压力时有压力时 4片应变片组成平衡的全桥式电路片应变片组成平衡的全桥式电路;当压当压力作用于内腔时力作用于内腔时,圆筒变形成圆筒变形成“腰鼓形腰鼓形”,使电桥使电桥失去平衡失去平衡,输出与压力成一定关系的电压。这种输出与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传感器还可以利用活塞将被测压力转换为力传递到应
13、变筒上或通过垂链形状的膜片传递被测递到应变筒上或通过垂链形状的膜片传递被测压力。压力。23第23页，共88页。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、制造方便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、炮弹和火炮的动态压、适用性强，在火箭弹、炮弹和火炮的动态压力测量方面有广泛应用。力测量方面有广泛应用。24第24页，共88页。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膜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，中心处径向应变和切片。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
14、缘处径向应变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，切向应变为零。因此常把两达到负的最大值，切向应变为零。因此常把两个应变片分别贴在正负最大应变处，并接成相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获得较大灵敏度和温度补邻桥臂的半桥电路以获得较大灵敏度和温度补偿作用。偿作用。25第25页，共88页。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梁的测量较小压力时，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为力再通过结构。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。图传力杆传递给应变梁。图3中两端固定梁的最中两端固定梁的最大应变
15、处在梁的两端和中点，应变片就贴在大应变处在梁的两端和中点，应变片就贴在这些地方。这种结构还有其他形式，例如可这些地方。这种结构还有其他形式，例如可采用悬梁与膜片或波纹管构成。采用悬梁与膜片或波纹管构成。26第26页，共88页。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，弹性敏感元在组合式应变压力传感器中，弹性敏感元件可分为感受元件和弹性应变元件。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变元件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，而应变片则贴在弹性应变元应变最敏感的部位，而应变片则贴在弹性应变元件的最大应变处。件的最大应变处。应变式压力传感
16、器主要用来测量流动介质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进出口动态或静态压力，例如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、内燃机管道压力等等。气体或液体的压力、内燃机管道压力等等。27第27页，共88页。3.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 28第28页，共88页。3.1电阻应变片电阻应变片-工作原理工作原理 29第29页，共88页。电阻应变片电阻应变片-工作原理工作原理 30第30页，共88页。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 =10-6
17、mm/mm 31第31页，共88页。32第32页，共88页。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 33第33页，共88页。34第34页，共88页。电阻应变片电阻应变片-应变片结构应变片结构 35第35页，共88页。电阻应变片电阻应变片-应变片结构应变片结构 36第36页，共88页。电阻应变片电阻应变片-测量过程测量过程 37第37页，共88页。悬梁式电阻应变片压力传感器悬梁式电阻应变片压力传
18、感器 38第38页，共88页。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 39第39页，共88页。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 40第40页，共88页。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，即可用于静态尺寸小，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，可在高温、超低温、高压、水下、强适应性强，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磁场以及辐射等恶
19、劣环境下使用 41第41页，共88页。电阻应变片电阻应变片-主要特性主要特性 42第42页，共88页。43第43页，共88页。3.2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=R2R3 44第44页，共88页。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。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
20、：单臂电桥的输入输出特性是非线性，采用较大R1值值 可以可以减小非线性误差，但降低灵敏度。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 45第45页，共88页。双臂直流电桥电桥平衡条件：电桥平衡条件：UOUT=A(R1R4-R2R3)=0R1R4=R2R321434212434212RRRRRRRRRRRRRRRRRRRUUUUDBCBCDOUT 46第46页，共88页。4.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型电涡流型 4.3 互感性互感性 47第47页，
21、共88页。4.1电感式传感器分类电感式传感器分类 48第48页，共88页。4.2 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式 49第49页，共88页。50第50页，共88页。51第51页，共88页。52第52页，共88页。53第53页，共88页。54第54页，共88页。55第55页，共88页。4.3 互感型电感传感器互感型电感传感器 56第56页，共88页。57第57页，共88页。5.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 58第58页，共88页。5.1 工作原理及特性工作原理及特性 59第59页，共88页。60第60页，共8
22、8页。61第61页，共88页。62第62页，共88页。63第63页，共88页。5.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 64第64页，共88页。65第65页，共88页。电容式压力传感器电容式压力传感器 66第66页，共88页。67第67页，共88页。电容式转速传感器电容式转速传感器 电容式转速传感器 68第68页，共88页。6.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 69第69页，共88页。6.1压电效应及压电材料压电效应及压电材料 70第70页，共88页。71第71页，共88页。压电材料的特性
23、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限介电常数：影响器件的固有电容，进而影响传感器的频率下限 机电耦合系数：压电效应中，输出能量与收入能量之比的平方根机电耦合系数：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，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，改善传感器的低电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷
24、泄露，改善传感器的低频特性频特性 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 72第72页，共88页。6.2 测量电路 73第73页，共88页。Cc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、容放大器输入阻抗、容抗抗 74第74页，共88页。6.3 压电传感器应用压电传感器应用 75第75页，共88页。76第76页，共88页。77第77页，共88页。78第78页，共88页。电子称 79第79页，共88页。电子称原理图电子称原理图 80第80页，共88页。81第81页，共88页。82第82页，共88页。HL-8型传感器受力方式图型传感器受力方式图
25、 83第83页，共88页。HL-8型称重传感器参数型称重传感器参数 84第84页，共88页。5Kg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。85第85页，共88页。HX711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。86第86页，共88页。87第87页，共88页。个人观点供参考，欢迎讨论第88页，共88页。
