传感器原理及工程应用(第三版)第15章传感器在工程检测.pptx

图15-36 弹性元件示意图 c——弹簧的刚度系数； A——活塞的有效面积图15-37 弹性元件测压原理图 图15-37为利用弹性形变测压原理图。活塞缸的活塞底部加有柱状螺旋弹簧，弹簧一端固定，当通入被测压力p时，弹簧被压缩并产生一弹性力与被测压力平衡，在弹性形变的限度内， 弹簧被压缩后产生的弹性位移量Δx与被测压力p的关系符合胡克定律，表示为 （15-32） 式中: c——弹簧的刚度系数；  A——活塞的有效面积。 当c、A为定值时，测量压力就变为测量弹性元件的位移量Δx。  金属弹性元件都具有不完全弹性，即在所加作用力去除后， 弹性元件会表现残余变形、弹性后效和弹性滞后等现象，这将会造成测量误差。弹性元件特性与选用的材料和负载的最大值有关。若要减小这方面的误差，则应注意选用合适的材料，加工成形后进行适当的热处理，使用时应选择合适的测量范围等。 2. 弹簧管压力表 弹簧管压力表在弹性式压力表中更是历史悠久，应用广泛。 弹簧管压力表中压力敏感元件是弹簧管。弹簧管的横截面呈非圆形（椭圆形或扁形），弯成圆弧形的空心管子，如图15-38所示。 管子的一端为封闭，作为位移输出端，另一端为开口，为被测压力输入端。当开口端通入被测压力后，非圆横截面在压力p作用下将趋向圆形，并使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端由B移至B′而产生位移，弹簧管的中心角减小Δθ，如图15-38中虚线所示。中心角的相对变化量Δθ/θ与被测压力p有如下的函数关系：（15-26） 图15-38 单圈弹簧管结构管壁厚度式中: θ——弹簧管中心角的初始角； Δθ——受压后中心角的改变量； R——弹簧管弯曲圆弧的外半径； h——管壁厚度； a, b——弹簧管椭圆形截面的长、 短半轴；k——几何常数（k=Rh/a2）； α、β——与比值a/b有关的参数； μ——弹簧管材料的泊松系数； E——弹性模数。 由式可知，如果a=b，则Δθ=0，这说明具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能用作测压敏感元件。对于单圈弹簧管， 中心角变化量Δθ比较小，要提高Δθ，可采用多圈弹簧管。? 弹簧管压力表结构如图15-39所示。被测压力由接头9通入， 迫使弹簧管1的自由端产生位移，通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转，于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转，在面板6的刻度标尺上显示出被测压力的数值。游丝7是用来克服扇形齿轮和中心齿轮所产生的仪表变差。改变调节螺钉8的位置（即改变机械传动的放大倍数），可以实现压力表量程的调整。图15-39 弹簧管压力表 3. 压阻式压力传感器 压阻式压力传感器的压力敏感元件是压阻元件，它是基于压阻效应工作的。所谓压阻元件实际上就是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作时需依附于弹性元件，常用的是单晶硅膜片。  图15-40是压阻式压力传感器的结构示意图。压阻芯片采用周边固定的硅杯结构，封装在外壳内。。 低压腔，接参考压力高压腔，连被测压力图15-40 压阻式压力传感器的结构示意图(a) 内部结构； (b) 硅膜片示意图 在一块圆形的单晶硅膜片上，布置四个扩散电阻，两片位于受压应力区，另外两片位于受拉应力区，它们组成一个全桥测量电路。 硅膜片用一个圆形硅杯固定，两边有两个压力腔，一个和被测压力相连接的高压腔， 另一个是低压腔，接参考压力，通常和大气相通。当存在压差时，膜片产生变形，使两对电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，其输出电压反映膜片两边承受的压差大小 压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕斯卡的微压，它是一种比较理想，目前发展较为迅速和应用较为广泛的一种压力传感器。 这种传感器测量准确度受到非线性和温度的影响， 从而影响压阻系数的大小。现在出现的智能压阻压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿，它利用大规模集成电路技术，将传感器与微处理器集成在同一块硅片上，兼有信号检测、处理、记忆等功能，从而大大提高了传感器的稳定性和测量准确度。 4. 压力传感器的选用与安装 （1） 压力传感器的选用 在工业生产中，对压力传感器进行选型，确定检测点与安装等是非常重要的，传感器选用的基本原则是依据实际工艺生产过程对压力测量所要求的工艺指标、 测压范围、允许误差、介质特性及生产安全等因素，要经济合理，使用方便。  对弹性式压力传感器要保证弹性元件在弹性变形的安全范围内可靠的工作，在选择传感器量程时必须留有足够的余地。 一般在被测压力较稳定的情况下，最大压力值应不超过满量程的3/4；在被测压力波动较大的情况下，最大压力值应不超过满量程的2/3。为了保证测量精度，被测压力最小值应不低于全量