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應(yīng)變片壓力傳感器檢測(cè)原理及結(jié)構(gòu)匯總
時(shí)間: 2024-06-29 10:29:16 瀏覽次數(shù)：
壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)，下面就簡(jiǎn)單介紹一些常用傳感器原理及其應(yīng)用。
力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。
在了解壓阻式力傳感器時(shí)，我們首先認(rèn)識(shí)一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過(guò)后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路(通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU)顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
一、應(yīng)變式壓力傳感器
1、應(yīng)變管式
又稱應(yīng)變筒式。它的彈性敏感元件為一端封閉的薄壁圓筒，其另一端帶有法蘭與被測(cè)系統(tǒng)連接。在筒壁上貼有2片或4片應(yīng)變片，其中一半貼在實(shí)心部分作為溫度補(bǔ)償片,另一半作為測(cè)量應(yīng)變片。當(dāng)沒(méi)有壓力時(shí)4片應(yīng)變片組成平衡的全橋式電路;當(dāng)壓力作用于內(nèi)腔時(shí),圓筒變形成“腰鼓形”,使電橋失去平衡,輸出與壓力成一定關(guān)系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到應(yīng)變筒上或通過(guò)垂鏈形狀的膜片傳遞被測(cè)壓力。應(yīng)變管式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、適用性強(qiáng)，在火箭彈、炮彈和火炮的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量方面有廣泛應(yīng)用。
2、膜片式
它的彈性敏感元件為周邊固定圓形金屬平膜片。膜片受壓力變形時(shí)，中心處徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變均達(dá)到正的最大值，而邊緣處徑向應(yīng)變達(dá)到負(fù)的最大值，切向應(yīng)變?yōu)榱恪Ｒ虼顺０褍蓚€(gè)應(yīng)變片分別貼在正負(fù)最大應(yīng)變處，并接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補(bǔ)償作用。采用圓形箔式應(yīng)變計(jì)(見(jiàn)電阻應(yīng)變計(jì))則能最大限度地利用膜片的應(yīng)變效果。這種傳感器的非線性較顯著。膜片式壓力傳感器的最新產(chǎn)品是將彈性敏感元件和應(yīng)變片的作用集于單晶硅膜片一身，即采用集成電路工藝在單晶硅膜片上擴(kuò)散制作電阻條，并采用周邊固定結(jié)構(gòu)制成的固態(tài)壓力傳感器（見(jiàn)壓阻式傳感器）。
3、應(yīng)變梁式
測(cè)量較小壓力時(shí)，可采用固定梁或等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)。一種方法是用膜片把壓力轉(zhuǎn)換為力再通過(guò)傳力桿傳遞給應(yīng)變梁。圖3中兩端固定梁的最大應(yīng)變處在梁的兩端和中點(diǎn)，應(yīng)變片就貼在這些地方。這種結(jié)構(gòu)還有其他形式，例如可采用懸梁與膜片或波紋管構(gòu)成。
4、組合式
在組合式應(yīng)變壓力傳感器中，彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應(yīng)變?cè)?。感受元件把壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到彈性應(yīng)變?cè)?yīng)變最敏感的部位，而應(yīng)變片則貼在彈性應(yīng)變?cè)淖畲髴?yīng)變處。實(shí)際上較復(fù)雜的應(yīng)變管式和應(yīng)變梁式都屬于這種型式。感受元件有膜片、膜盒、波紋管、波登管等，彈性應(yīng)變?cè)袘冶哿?、固定梁?Pi;形梁、環(huán)形梁、薄壁筒等。它們之間可根據(jù)不同需要組合成多種型式。應(yīng)變式壓力傳感器主要用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力，例如動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道壓力等等。
二、應(yīng)變式壓力傳感器的原理和機(jī)構(gòu)
1、金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
電阻應(yīng)變片由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過(guò)高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過(guò)于復(fù)雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。
如上圖所示‚是電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖‚它由基體材料‚金屬應(yīng)變或應(yīng)變片‚絕緣片和引出線等部分組成。根據(jù)用途不同‚電阻應(yīng)變計(jì)電阻可以設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)師‚但電阻值范圍應(yīng)注意：阻值太小‚需要驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大‚同時(shí)應(yīng)變計(jì)‚散發(fā)出的熱量使自己高熱‚在不同的環(huán)境中使用‚使應(yīng)變片阻值變化太大‚輸出零漂移明顯‚調(diào)零電路太復(fù)雜。但阻力太大‚阻抗太高‚抗外界電磁干擾的能力較差。一般為幾十歐姆到幾十kiloohms約。
2、電阻應(yīng)變計(jì)的工作原理
金屬電阻應(yīng)變計(jì)的工作原理是吸附應(yīng)變電阻的阻值變化的現(xiàn)象‚在基體材料‚隨著機(jī)械變形‚命名為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體電阻值可以使用類型指示‚
式中：盧-金屬導(dǎo)體電阻率（歐米茄平方厘米/米）
-導(dǎo)體截面積（平方厘米）
我指揮的長(zhǎng)度（米）
我們用金屬箔應(yīng)變電阻為例‚當(dāng)浮華外力過(guò)程‚它的長(zhǎng)度和橫截面積可以改變‚可以很容易的在公式看‚其電阻值即可以有變化‚如金屬絲細(xì)長(zhǎng)的外生過(guò)程的時(shí)間‚其長(zhǎng)度增加‚但橫截面積減少‚電阻值可增加。當(dāng)液體壓縮外力過(guò)程‚長(zhǎng)度減少而增加部分‚電阻值降低。只要確定了（通常是調(diào)查性開(kāi)始和結(jié)束的電阻變化的電壓）‚進(jìn)而得出應(yīng)變金屬絲緊張情緒
3、電阻應(yīng)變片的工作原理
金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：
式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率(Ω·cm2/m)
S——導(dǎo)體的截面積(cm2)
L——導(dǎo)體的長(zhǎng)度(m)
我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會(huì)發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。只要測(cè)出加在電阻的變化(通常是測(cè)量電阻兩端的電壓)，即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。
力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。
在了解壓阻式力傳感器時(shí)，我們首先認(rèn)識(shí)一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過(guò)后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路(通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU)顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
一、應(yīng)變式壓力傳感器
1、應(yīng)變管式
又稱應(yīng)變筒式。它的彈性敏感元件為一端封閉的薄壁圓筒，其另一端帶有法蘭與被測(cè)系統(tǒng)連接。在筒壁上貼有2片或4片應(yīng)變片，其中一半貼在實(shí)心部分作為溫度補(bǔ)償片,另一半作為測(cè)量應(yīng)變片。當(dāng)沒(méi)有壓力時(shí)4片應(yīng)變片組成平衡的全橋式電路;當(dāng)壓力作用于內(nèi)腔時(shí),圓筒變形成“腰鼓形”,使電橋失去平衡,輸出與壓力成一定關(guān)系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到應(yīng)變筒上或通過(guò)垂鏈形狀的膜片傳遞被測(cè)壓力。應(yīng)變管式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、適用性強(qiáng)，在火箭彈、炮彈和火炮的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量方面有廣泛應(yīng)用。
2、膜片式
它的彈性敏感元件為周邊固定圓形金屬平膜片。膜片受壓力變形時(shí)，中心處徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變均達(dá)到正的最大值，而邊緣處徑向應(yīng)變達(dá)到負(fù)的最大值，切向應(yīng)變?yōu)榱恪Ｒ虼顺０褍蓚€(gè)應(yīng)變片分別貼在正負(fù)最大應(yīng)變處，并接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補(bǔ)償作用。采用圓形箔式應(yīng)變計(jì)(見(jiàn)電阻應(yīng)變計(jì))則能最大限度地利用膜片的應(yīng)變效果。這種傳感器的非線性較顯著。膜片式壓力傳感器的最新產(chǎn)品是將彈性敏感元件和應(yīng)變片的作用集于單晶硅膜片一身，即采用集成電路工藝在單晶硅膜片上擴(kuò)散制作電阻條，并采用周邊固定結(jié)構(gòu)制成的固態(tài)壓力傳感器（見(jiàn)壓阻式傳感器）。
3、應(yīng)變梁式
測(cè)量較小壓力時(shí)，可采用固定梁或等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)。一種方法是用膜片把壓力轉(zhuǎn)換為力再通過(guò)傳力桿傳遞給應(yīng)變梁。圖3中兩端固定梁的最大應(yīng)變處在梁的兩端和中點(diǎn)，應(yīng)變片就貼在這些地方。這種結(jié)構(gòu)還有其他形式，例如可采用懸梁與膜片或波紋管構(gòu)成。
4、組合式
在組合式應(yīng)變壓力傳感器中，彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應(yīng)變?cè)?。感受元件把壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到彈性應(yīng)變?cè)?yīng)變最敏感的部位，而應(yīng)變片則貼在彈性應(yīng)變?cè)淖畲髴?yīng)變處。實(shí)際上較復(fù)雜的應(yīng)變管式和應(yīng)變梁式都屬于這種型式。感受元件有膜片、膜盒、波紋管、波登管等，彈性應(yīng)變?cè)袘冶哿?、固定梁?Pi;形梁、環(huán)形梁、薄壁筒等。它們之間可根據(jù)不同需要組合成多種型式。應(yīng)變式壓力傳感器主要用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力，例如動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道壓力等等。
二、應(yīng)變式壓力傳感器的原理和機(jī)構(gòu)
1、金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
電阻應(yīng)變片由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過(guò)高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過(guò)于復(fù)雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。
如上圖所示‚是電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖‚它由基體材料‚金屬應(yīng)變或應(yīng)變片‚絕緣片和引出線等部分組成。根據(jù)用途不同‚電阻應(yīng)變計(jì)電阻可以設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)師‚但電阻值范圍應(yīng)注意：阻值太小‚需要驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大‚同時(shí)應(yīng)變計(jì)‚散發(fā)出的熱量使自己高熱‚在不同的環(huán)境中使用‚使應(yīng)變片阻值變化太大‚輸出零漂移明顯‚調(diào)零電路太復(fù)雜。但阻力太大‚阻抗太高‚抗外界電磁干擾的能力較差。一般為幾十歐姆到幾十kiloohms約。
2、電阻應(yīng)變計(jì)的工作原理
金屬電阻應(yīng)變計(jì)的工作原理是吸附應(yīng)變電阻的阻值變化的現(xiàn)象‚在基體材料‚隨著機(jī)械變形‚命名為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體電阻值可以使用類型指示‚
式中：盧-金屬導(dǎo)體電阻率（歐米茄平方厘米/米）
-導(dǎo)體截面積（平方厘米）
我指揮的長(zhǎng)度（米）
我們用金屬箔應(yīng)變電阻為例‚當(dāng)浮華外力過(guò)程‚它的長(zhǎng)度和橫截面積可以改變‚可以很容易的在公式看‚其電阻值即可以有變化‚如金屬絲細(xì)長(zhǎng)的外生過(guò)程的時(shí)間‚其長(zhǎng)度增加‚但橫截面積減少‚電阻值可增加。當(dāng)液體壓縮外力過(guò)程‚長(zhǎng)度減少而增加部分‚電阻值降低。只要確定了（通常是調(diào)查性開(kāi)始和結(jié)束的電阻變化的電壓）‚進(jìn)而得出應(yīng)變金屬絲緊張情緒
3、電阻應(yīng)變片的工作原理
金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：
式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率(Ω·cm2/m)
S——導(dǎo)體的截面積(cm2)
L——導(dǎo)體的長(zhǎng)度(m)
我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會(huì)發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。只要測(cè)出加在電阻的變化(通常是測(cè)量電阻兩端的電壓)，即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。
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