负压传感器

2021/3/6
5.1.1 压力传感器种类与原理
1 应变式传感器
一、电阻应变效应
当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生 变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。
L
2r 2(r-dr)
F
F
R l
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s
L+dL
ρ:电阻系数 l:金属导线长度 S:金属导线截面积
dRRddl ldSS
（2） 基底和盖片
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既 保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的 全长称为基底长，其宽度称为基底宽。
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（3） 引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材
料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性 能好、易于焊接。 （4） 粘结剂
5.5 负压传感器
（1）矿井的风压是矿井通风的一个重要参数， 通过对风压的连续监测，可为矿井的通风管理、风 量的调配等通风安全工作及时提供必要的数据。
（2）在矿井均压灭火技术中，密闭空间内外的 压力是灭火工作中最主要的一个参数，它的连续监 测对防灭火工作是十分必要的。
（3）煤矿中还需监测瓦斯抽放泵的工作压力、 井下主要风门两端的压力等，这时均需使用负压传 感器。
43
b
2
l
栅宽
栅长
1
电阻应变片结构示意图
（1） 敏感栅 由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、
200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片栅长大小关系到所 测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所 在面积内的平均轴向应变量。
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对敏感栅的材料的要求： ①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； ②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； ③电阻温度系数要小； ④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； ⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； ⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； ⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。
KS由两部分组成： 前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一 般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；
/
后一部分为 l / l ，电阻率随应变而引起的（称“压 阻效应”）。
对金属材料，以前者为主，则KS≈ 1+2μ； 对半导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定。 实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与 轴向应变成正比。通常KS在1.8～3.6范围内。
构件受弯 曲应力
R1 F R2
梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉， 下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻 臂后，可使输出电压变化。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值 变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目 的。
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2 电容传感器
一、工作原理
• 电容式传感器的工作原理可以用平板电容器来 说明。平板电容器是由两个金属极板、中间夹 一层电介质构成。当忽略边缘效应时，其电容 器的电容量为
Cr0AA
dd
• 电容传感器分为三种类型：变极距型、变面积 型、变介电常数型。
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二、结构形式
• 1. 变极距型电容传感器 • 2. 变面积型传感器
εr= –με—μ为泊松比
d R R d d l(1 l 2 )d (1 2 )
将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，则
R R(1 2 l//l) llK S
金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关 系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。
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物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。
dR ——电阻的相对变化； R
d ——电阻率的相对变化；
dl ——金属丝长度相对变化，用ε表示，
l
ε=
dl 称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变； l
dS ——截面积的相对变化。 S
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S=π r 2
dS /S=2·dr/r
dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。
由材料力学知
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• 3. 变介电常数型传感器
•
如果在电容器两极板间插入不同介质，电容器的电容量
就会不同，利用这种原理制作的电容传感器称为变介电常数型
电容传感器，常被用来测量液体的液位和材料的厚度。
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3 压电式传感器
一、两个物理概念
• 顺压电效应：一些电介质，在受到一定方向的外力作用而变 形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外 力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的 现象，称为顺压电效应，又称为压电效应。
用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴 在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基 底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力 后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。
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测量原理
测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，
图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿 块上，图中R2，称为补偿应变片。
二、 压阻效应
半导体晶体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化， 这种现象被称为“压阻效应”。
电阻相对变化量 对金属材料 对半导体材料
dRRd12
dR12
R d
式中 σ——应力； ε——应变。
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三、应变片的结构与材料
由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些 部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使 用条件和要求合理地加以选择。
• 逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一 定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电能转 换成机械能的现象称“逆压电效应”,又称为电致伸缩效应。
在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于
R1与R2接入电桥相邻臂上，造成ΔR1t与ΔR2t相同，根据电桥理 论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，
电桥将产生相应输出电压。
R1
R2
R2 R1
USC
R3
R4
补偿应变片粘贴示意图
2021/受应变的情况，可以不另加专门的补偿块， 而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又 能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。