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第三章 压力传感器 石 春 压力传感器 3.1 压力的定义及单位 3.2 压力的测量方法 3.3 电阻应变式压力传感器 3.4 电感式压力传感器 3.5 电容式压力传感器 3.6 压电式压力传感器 3.1压力的定义及单位 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好地运行，达到高产优质低耗及安全生产的重要环节。 2. 压力的计量单位 压力是力和面积的导出量。在国际单位制中，取力的单位为牛顿，面积单位为米2，则压力单位为牛顿/米2，用符号N/m2表示；压力单位又称为帕斯卡或简称帕，符号为Pa。1Pa＝1N/m2。因帕单位太小，工程上常用kPa(103Pa)和MPa(106Pa)表示。我国已规定帕斯卡为压力的法定单位。 由于历史发展的原因、单位制的不同以及使用场合的差异，压力还有多种不同的单位。目前工程技术部门仍在使用的压力单位有工程大气压、物理大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。 3.2 压力的测量方法 重力与被测压力平衡的测量法 液柱式压力计 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 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 3.2.1重力与被测压力平衡的测量法 3.2.2弹性力与被测压力平衡的测量法 弹性元件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和设计； 弹簧管： 3.2.3物性测量方法 3.3 电阻应变式压力传感器 3.3.1、电阻应变片 3.3.2、测量电路 3.3.1、电阻应变片---工作原理 金属和半导体的压阻效应 电阻应变片---应变片结构 电阻应变片---测量过程 电阻应变片的优点 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，即可用于静态测量，又可用于动态测量 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、强磁场以及辐射等恶劣环境下使用 电阻应变片---主要特性 3.3.2测量电路---直流电桥 3.4 电感式压力传感器 3.4.1 电感式传感器分类 3.4.2 自感型 可变磁阻型 电涡流型 3.4.3 互感性 3.4.1电感式传感器分类 3.4.2 自感型---可变磁阻式 3.4.2 自感型---电涡流式 线圈通以交变电流，产生交变磁场H1，H1导致下部导体产生电涡流，电涡流将产生新的磁场H2，H2与H1方向相反，力图消弱原磁场，从而导致的电感量、阻抗、以及品质因素发生变化。 3.4.3 互感型电感传感器 3.5 电容式压力传感器 3.5.1 工作原理及特性 3.5.2 测量电路 3.5.3 应用 3.5.1 工作原理及特性 3.5.2 测量电路 3.5.3 电容式传感器的应用 电容式压力传感器 电容式转速传感器 电容式静力水准仪 3.6 压电式压力传感器 3.6.1 压电效应及压电材料 3.6.2 测量电路 3.6.3 应用 3.6.1压电效应及压电材料 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 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 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 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 居里点：压电材料开始丧失压电性的温度 1、石英晶体---单晶硅 “切向压电效应” 石英晶体切片 2、压电陶瓷 压电陶瓷 多晶 由无数细微的单晶组成 铁电体 具有类似铁磁材料中“磁畴”的“电畴”结构 每个单晶形成单个电畴 极化具有电滞回线 极化 无数单晶电畴无规则排列，原始压电陶瓷具有各向同性，而不具有压电特性 极化后具有压电特性 3.6.3 压电传感器应用 (a)天然石英晶体；(b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体理想外形?? m—柱面；R—大棱面；r—小棱面；s—棱界面；x—棱角面 光轴上光不会折射 电轴上压电效应最强 机轴上，电场作用下，该轴方向上机械应变最强 2.横向效应及横向效应系数H 电桥平衡条件： UOUT=A(R1·R4 - R2·R3)=0 R1·R4 = R2·R3 假设： ，并考虑到电桥初始平衡条件? 省略去分母中的微量 ，则上式可写成为： 优点：采用直流电桥，测量前，经调