第三章-壓力傳感器ppt課件.ppt
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1、 第第3章章 壓力檢測壓力檢測 在測量上所稱的壓力就是物理學(xué)中的壓強,它是反映物質(zhì)狀態(tài)的一個參數(shù);在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中是重要工藝參數(shù)之一。本章簡單介紹壓力的概念及單位,重點講解應(yīng)變式壓力計、壓電式壓力傳感器、電容式壓力傳感器和霍爾式壓力計等的測量原理及測壓方法。經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.1 壓力的概念及單位壓力的概念及單位1 1、壓力的概念、壓力的概念:壓力是垂直而均勻地作用在單壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力。大小由受力面積和垂直作用力位面積上的力。大小由受力面積和垂直作用力的
2、大小兩個因素決定。表達式為:的大小兩個因素決定。表達式為:2 2、壓力的單位壓力的單位 (1 1)工程大氣壓)工程大氣壓 (2 2)標準大氣壓)標準大氣壓 (3 3)約定毫米汞柱)約定毫米汞柱 (4)約定毫米水柱約定毫米水柱n常用的幾種壓力單位與帕斯卡的換算關(guān)系見常用的幾種壓力單位與帕斯卡的換算關(guān)系見表表3.1.1所示。所示。經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.1 壓力的概念及單位壓力的概念及單位3 3、壓力的分類、壓力的分類 (1).(1).絕對壓力絕對壓力 (2).(2).環(huán)境大氣壓力環(huán)境大氣
3、壓力 (3).(3).表壓力表壓力 (4).(4).真空度真空度 (5).(5).差差 壓壓 n上述各種壓力的相互關(guān)系見圖。上述各種壓力的相互關(guān)系見圖。經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計 n3.2.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng) 電阻絲在外力作用下發(fā)生機械形變時,其電阻值發(fā)生變化,稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。設(shè)有一根長度為L,截面積為S,電阻率為的電阻絲,未受力時的電阻值為:受力后:經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費
4、者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計n令電阻絲的軸向應(yīng)變?yōu)?l/l,徑向應(yīng)變?yōu)閞/r,由材料力學(xué)可知r/r=-(l/l)=-,為電阻絲材料的泊松系數(shù),經(jīng)整理可得n令經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計n3.2.2 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片 1 1、金屬電阻應(yīng)變片、金屬電阻應(yīng)變片 金屬電阻應(yīng)變片分為金屬絲式和箔式,圖所示為金屬絲式和金屬箔式電阻應(yīng)變片。n 常用的電阻應(yīng)變絲的材料是康銅絲和鎳鉻合絲,用薄紙作為基底的應(yīng)變片稱為紙基應(yīng)變片;用 有機聚合物
5、作為基底的應(yīng)變片稱為膠基應(yīng)變片。經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計n電阻應(yīng)變片1、應(yīng)變絲2、基底3、引線4、金屬膜引線經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計2、半導(dǎo)體應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體受力時,電阻率發(fā)生變化,電阻率隨應(yīng)力變化半導(dǎo)體受力時,電阻率發(fā)生變化,電阻率隨應(yīng)力變化的關(guān)系稱為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻的關(guān)系稱為半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)。
6、半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻 的變的變化主要是電阻率變化引起的,表示為化主要是電阻率變化引起的,表示為 n 由于彈性系數(shù)由于彈性系數(shù)E=/E=/,上式又可寫為上式又可寫為 為提高靈敏度半導(dǎo)體應(yīng)變片還有制成柵形的。為提高靈敏度半導(dǎo)體應(yīng)變片還有制成柵形的。經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計n3.2.3 電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補償電阻應(yīng)變片的粘貼及溫度補償 1 1、應(yīng)變片的粘貼、應(yīng)變片的粘貼:粘貼工藝包括被測試件表面處理,貼片,質(zhì)量檢查,焊接引線以及防護與屏蔽等。2 2、溫度誤差及其補
7、償、溫度誤差及其補償 (1)溫度誤差:溫度誤差是指環(huán)境溫度變化引起應(yīng)變片電阻變化。原因有兩方面:一方面是應(yīng)變片電阻絲的溫度系數(shù),另一方面是電阻絲材料與試件材料的線膨脹系數(shù)不同。(2)溫度補償 電橋補償法如圖。經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計n3.2.4 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路n當 RL=時,電橋輸出電壓為:nUo=0時,有經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)
8、變式壓力計單臂電橋輸出電壓和電壓靈敏度為 雙臂電橋電路,一般接成差動電橋。其輸出電壓為電橋四臂同時接入工作應(yīng)變片,則構(gòu)成全橋電路。其輸出電壓為 經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計n3.2.5 應(yīng)變式壓力傳感器 1、膜式應(yīng)變傳感器 圖是一種簡單的平膜壓力傳感器,應(yīng)變片貼在膜片的內(nèi)表面。膜片感受壓力時產(chǎn)生應(yīng)變,使
9、應(yīng)變片有一定的電阻輸出。經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.2 應(yīng)變式壓力計應(yīng)變式壓力計2、測力式應(yīng)變傳感器 右圖為一種帶水冷的測力計式壓力傳感器。3、擴散硅型壓力傳感器 圖(a)是一個杯型組合式測量元件 圖(b)是膜片一個截面示意圖 1-應(yīng)變片;2-外殼;3-墊片;4-冷卻水管;5-密封墊;6-墊片;7-接線柱;8-電纜;9-壓帽;10-定位銷;11-墊片;12-應(yīng)變筒;13-墊片;14-保護帽經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購
10、買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.3 薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片 薄膜應(yīng)變片是用濺射或蒸發(fā)的方法將半導(dǎo)體或金屬敏感材料鍍在彈性基片上的。優(yōu)點:1、穩(wěn)定性好 2、使用壽命長 3、靈敏度高 4、溫度系數(shù)小 5、工作溫度范圍寬 6、量程大 7、成本低。經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.3 薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片n3.3.1 薄膜應(yīng)變片原理 電阻為:n 設(shè)其應(yīng)變?yōu)?,電阻相對變化為:n對于半導(dǎo)體材料,上式可寫為:經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買
11、商品的價款或接受服務(wù)的費用3.3 薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片 n3.3.2 薄膜應(yīng)變片的制作及應(yīng)用1、濺射薄膜應(yīng)變片 主要成膜工藝有真空 濺射和真空蒸鍍。真空濺射工藝大致流程為:基片預(yù)處理、濺射 介質(zhì)層、濺射敏感層、蒸發(fā)Au、光刻電極、形成電 橋、完成全部電連接、沉積鈍化膜。2、蒸發(fā)薄膜應(yīng)變片 用真空蒸發(fā)工藝制作的薄膜應(yīng)變片其結(jié)構(gòu)同濺射應(yīng)變片基本相同。經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 n3.4.1 壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)物體在某方向受壓力或拉力作用產(chǎn)生形變時,表面會
12、產(chǎn)生電荷。外力撤消后,又回到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物體稱為壓電材料,如天然的石英晶體,人造壓電陶瓷等。1、石英晶體的壓電效應(yīng) 圖為天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形和石英晶體切片 經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n當切片在沿X軸的方向上受到壓力Fx作用時,晶體切片將產(chǎn)生厚度變形,并在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qx,它的大小為:經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受
13、服務(wù)的費用3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n電荷的極性見圖 經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器2、壓電效應(yīng)的物理解釋 如圖所示。經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n3.4.2 壓電材料 1、壓電晶體 (1)石英晶體:石英晶體即二氧化硅(SiO2),有天然的和人工培育的兩種。壓電系數(shù)d11=2.3110-12C/N,在幾
14、百攝氏度的溫度范圍內(nèi),壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變。到575時,它完全失去了壓電性質(zhì),這就是它的居里點。石英的熔點為1750,密度為2.65103kg/m3,有很大的機械強度和穩(wěn)定的機械性質(zhì),可承受高達6.81079.8107Pa的應(yīng)力,在沖擊力作用下漂移較小。經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器(2)水溶性壓電晶體:最早發(fā)現(xiàn)的是酒石酸鉀鈉(NaKC4H4O6.4H2O),它有很大的壓電靈敏度和高的介電常數(shù),壓電系數(shù)d11=310-9C/N。但是酒石酸鉀鈉易于受潮,
15、它的機械強度低,電阻率也低,因此,只限于在室溫(45)和濕度低的環(huán)境下應(yīng)用。(3)鈮酸鋰晶體:人工提拉法制成了鈮酸鋰的大晶塊,穩(wěn)定性遠比多晶體的壓電陶瓷好。它是一種壓電性能良好的電聲換能材料,它的居里溫度為1200左右,遠比石英和壓電陶瓷高,經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器2、壓電陶瓷 (1)鈦酸鋇壓電陶瓷 (2)鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(3)鈮酸鹽系壓電陶瓷 (4)鈮鎂酸鉛壓電陶瓷 3、壓電半導(dǎo)體 壓電半導(dǎo)體如硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)、氧化鋅(ZnO
16、)、硫化鎘(CdS)、碲化鋅(ZnTe)和砷化鎵(CaAs)等。這些材料的顯著特點是:既具有壓電特性,又具有半導(dǎo)體特性,有利于將元件和線路集成于一體,從而研制出新型的集成壓電傳感器的測試系統(tǒng)。經(jīng)營者提供商品或者服務(wù)有欺詐行為的,應(yīng)當按照消費者的要求增加賠償其受到的損失,增加賠償?shù)慕痤~為消費者購買商品的價款或接受服務(wù)的費用3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n3.4.3 測量電路測量電路 把壓電晶體等效成一個電荷源與電容并聯(lián)的等效電路。由于電容器上的電壓Ua,電荷量Q,電容Ca的關(guān)系為 Ua=Q/Ca,壓電晶體也可等效為一個電壓源和一個電容器的串聯(lián)電路。實際壓電傳感器輸出信號很微弱,且內(nèi)阻很
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