学习单元二工程机械用压力传感器

2.4 霍尔式压力计
n 几种补偿电路
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2020/11/16
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2.4 霍尔式压力计
霍尔元件的特性常用灵敏度KH表示，即
此时
可见，霍尔电动势的大小正比于控制电流I和 磁感应强度B的乘积及灵敏度KH。当控制电流
的方向或磁场的方向改变时，输出电动势的 方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方 向时，霍尔电动势并不改变原来的方向。
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2.2 应变式压力计
n 电阻应变片
1、应变丝 2、基底 3、引线 4、金属膜引线
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2.2 应变式压力计
2、半导体应变片
半导体受力时，电阻率发生变化，电阻率随应力变 化的关系称为半导体压阻效应。半导体应变片电阻 的 变化主要是电阻率变化引起的，表示为
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2.1 压力的概念及单位
1、压力的概念: 压力是垂直而均匀地作用在单 位面积上的力。大小由受力面积和垂直作用力 的大小两个因素决定。表达式为：
2、 压力的单位 （1）工程大气压 （3）约定毫米汞柱
（2）标准大气压 （4）约定毫米水柱
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.2.3 压电式压力传感器
n 2.3.1 压电效应
某些电介质物体在某方向受压力或拉力作用产生形 变时，表面会产生电荷。外力撤消后，又回到不带电 状态。这种现象称为压电效应。具有压电效应的物体 称为压电材料，如天然的石英晶体，人造压电陶瓷等。
1、石英晶体的压电效应
图为天然结构的石英晶体外形和石英晶体切片
的泊松系数，经整理可得
n令
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2.2 应变式压力计
n 2.2.2 电阻应变片 1、金属电阻应变片 金属电阻应变片分为金属丝式和箔式，图所 示为金属丝式和金属箔式电阻应变片。
n 常用的电阻应变丝的材料是康铜丝和镍铬合 丝，用薄纸作为基底的应变片称为纸基应变片； 用有机聚合物作为基底的应变片称为胶基应变 片。
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2.3 压电式压力传感器
（2）水溶性压电晶体： 最早发现的是酒石酸钾钠（NaKC4H4O6.4H2O），
它有很大的压电灵敏度和高的介电常数，压电系数
d11=3×10-9C/N。但是酒石酸钾钠易于受潮，它的机械
强度低，电阻率也低，因此，只限于在室温（＜45℃）
和湿度低的环境下应用。
n
由于弹性系数E=σ/ε，
上式又可写为
为提高灵敏度半导体应变片还有制成栅形的。
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2.2 应变式压力计
n 2.2.4 转换电路
n 当 RL=∞时，电桥输出电压为： n Uo =0时，有
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2.2 应变式压力计
单臂电桥输出电压和电压灵敏度为
双臂电桥电路，一般接成差动电桥。其输出电压 为
（3）铌酸锂晶体： 人工提拉法制成了铌酸锂的大晶块，稳定性远比多晶
体的压电陶瓷好。它是一种压电性能良好的电声换能材 料，它的居里温度为1200℃左右，远比石英和压电陶瓷 高，
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2.3 压电式压力传感器
2、压电陶瓷
（1）钛酸钡压电陶瓷 （2）锆钛酸铅系压电陶瓷 （3）铌酸盐系压电陶瓷 （4）铌镁酸铅压电陶瓷
电桥四臂同时接入工作应变片，则构成全桥电路。
其输出电压为
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2.2 应变式压力计
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2.2 应变式压力计
n 2.2.5 应变式压力传感器
1、膜式应变传感器 图是一种简单的平膜压力传感器，应变片贴在膜片的 内表面。膜片感受压力时产生应变，使应变片有一定 的电阻输出。
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2.3 压电式压力传感器
1、电压放大器
n 图示的是压电传感器接到电压放大器的等效电路。
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2.3 压电式压力传感器
2、电荷放大器
n 电荷放大器是有反馈电容的高增益运算放大器，它 的输入信号是压电传感器产生的电荷。当略去泄露电 阻，且放大器输入电阻趋于无穷大时，它的等效电路 如图所示。
2.3 压电式压力传感器
n 2.3.3 测量电路 把压电晶体等效成一个电荷源与电容并联
的等效电路。由于电容器上的电压Ua，电荷量 Q，电容Ca的关系为 Ua=Q/Ca，压电晶体也可 等效为一个电压源和一个电容器的串联电路。
实际压电传感器输出信号很微弱，且内阻 很高，需用前置放大器。
前置放大器有两个作用：一是放大压电传 感器输出的微弱信号，另一个是把高阻抗输出 转换为低阻抗输出。
2.4 霍尔式压力计
n 2.4.2 霍尔式压力计工作原理
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2.4 霍尔式压力计
n 2.4.3 霍尔式压力计的误差及补偿
霍尔式压力计的误差有两部分，一是弹性元件的变换 误差；一是霍尔元件的变换误差。
1、不等位电势及补偿
n 不等位电势的产生有两个原因，如图所示。
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2.4 霍尔式压力计
n 霍尔式压力计是利用霍尔元件测量弹性元件变 形的一种电测压力计，它结构简单，体积小， 频率响应宽，动态范围(输出电动势的变化)大， 可靠性高，易于微型化和集成电路化。但信号 转换效率低，温度影响大，使用于要求转换精 度高的场合必须进行温度补偿。
n 2.4.1 霍尔效应
3、压电半导体
压电半导体如硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌 (ZnO)、硫化镉(CdS)、碲化锌(ZnTe)和砷化镓(CaAs)等。 这些材料的显著特点是：既具有压电特性，又具有半导体 特性，有利于将元件和线路集成于一体，从而研制出新型 的集成压电传感器的测试系统。
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2.3 压电式压力传感器
n 2.3.4 压电压力及力传感器
1、压电式三维测力传感器：一种压电式三维测力
传感器的三组晶体切片的组合情况，可同时测量三个
互相垂直的FX、FY、FZ力分量。
2、压电式单向测力传感器
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2.3 压电式压力传感器
3、压电式测量均匀压力传感器 4、消除振动加速度影响的压电传感器
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2.2 应变式压力计
2、测力式应变传感器 右图为一种带水冷的测力计式压力传感器。 3、扩散硅型压力传感器 图(a)是一个杯型组合式测量元件 图(b)是膜片一个截面示意图
1-应变片；2-外壳；3-垫片；4-冷却水管； 5-密封垫；6-垫片；7-接线柱；
8-电缆；9-压帽；10-定位销；11-垫片； 12-应变筒；13-垫片；14-保护帽
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2.2 应变式压力计
n 2.2.1 电阻应变效应 电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其
电阻值发生变化，称为电阻应变效应。 设有一根长度为L，截面积为S，电阻率为
ρ的电阻丝，未受力时的电阻值为：
受力后：
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2.2 应变式压力计
n 令电阻丝的轴向应变为 ε=△l/l，径向应变为△r/r，由 材料力学可知△r/r = -μ(△l/l) =-με，μ为电阻丝材料
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2.3 压电式压力传感器
n 当切片在沿X轴的方向上受到压力Fx作用时， 晶体切片将产生厚度变形，并在与X轴垂直的 平面上产生电荷Qx，它的大小为：
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2.3 压电式压力传感器
n 电荷的极性见图
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2.3 压电式压力传感器
2、压电效应的物理解释 如图所示。
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2.3 压电式压力传感器
n 2.3.2 压电材料
1、压电晶体
（1）石英晶体： 石英晶体即二氧化硅（SiO2），有天然的和人工培育的
两种。压电系数d11=2.31×10-12C/N，在几百摄氏度的温度
范围内，压电系数几乎不随温度而变。到575℃时，它完全 失去了压电性质，这就是它的居里点。石英的熔点为 1750℃，密度为2.65×103kg/m3，有很大的机械强度和稳 定的机械性质，可承受高达6.8×107～9.8×107Pa的应 力，在冲击力作用下漂移较小。