第三章压力检测
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3.4.3 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，另一个是阻抗变换。
第三章压力检测
3.2 应变式压力计
3.2.4 转换电路
当 RL=∞时，电桥输出电压为：
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 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
第三章压力检测
3.2 应变式压力计
3.2.5 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。
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。
第三章压力检测
3.2 应变式压力计
电阻应变片
1、应变丝 2、基底 3、引线 4、金属膜引线
第三章压力检测
3.2 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
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
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
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：
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
电荷的极性见图
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
2、蒸发薄膜应变片
用真空蒸发工艺制作的薄膜应变片其结构同溅 射
应变片基本相同。
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
3.4.1 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，人造的压电陶瓷 等。
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。
第三章压力检测
3.2 应变式压力计
3.2.3 电阻应变片的粘贴及温度补偿
1、应变片的粘贴：粘贴工艺包括被测试件表面处理，贴 片，质量检查，焊接引线以及防护与屏蔽等。
2、温度误差及其补偿 （1）温度误差 ：温度误差是指环境温度变化引起应变 片电阻变化。原因有两方面：一方面是应变片电阻丝的 温度系数，另一方面是电阻丝材料与试件材料的线膨胀 系数不同。 （2）温度补偿 电桥补偿法如图。
U oC aC c C Q iC A fA 第1 三章压U 力i检A 测
Uo
Q Cf
3.4 压电式压力传感器
3.4.4 压电压力及力传感器
1、压电式三维测力传感器 2、压电式单向测力传感器
第三章压力检测
3.4 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
第三章压力检测
设其应变为ε，电阻相对变化为：
对于半导体材料，上式可写为：
第三章压力检测
3.3 薄膜应变片
3.3.2 薄膜应变片的制作及应用 1、溅射薄膜应变片
主要成膜工艺有真空 溅射和真空蒸镀。真空溅射
工艺大致流程为：基片预处理、溅射 介质层、溅射敏
感层、蒸发Au、光刻电极、形成电 桥、完成全部电连
接、沉积钝化膜。
3.5 电容式压力传感器
3.5.1 电容式传感器的工作原理
第三章压力检测
3.2 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
第三章压力检测
3.3 薄膜应变片
薄膜应变片是用溅射或蒸发的方法将半导体
或金属敏感材料镀在弹性基片上的。
3.3.1 薄膜应变片原理 电阻为：
3.2 应变式压力计
3.2.1 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：
第三章压力检测
3.2 应变式压力计
3.2.2 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。
2、 压力的单位
（1）工程大气压
（2）标准大气压
（3）约定毫米汞柱 （4）约定毫米水柱
常用的几种压力单位与帕斯卡的换算关系见表 3.1.1所示。
第三章压力检测
3.1 压力的概念及单位
3、压力的分类 1.绝对压力 2.环境大气压力 3.表压力 4.真空度 5.差 压
上述各种压力的相互关系见图。
第三章压力检测
第3章 压力检测
在测量上所称的压力就是物理学中的压强， 它是反映物质状态的一个参数；在工业自动化生 产过程中是重要工艺参数之一。
本章简单介绍压力的概念及单位，重点讲解 应变式压力计、压电式压力传感器、电容式压力 传感器和霍尔式压力计等的测量原理及测压方法。
第三章压力检测
3.1 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、压电效应的物理解释 如图所示。
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
3.4.2 压电材料 1、压电晶体
（1）石英晶体
（2）水溶性压电晶体
（3）铌酸锂晶体
2、压电陶瓷wk.baidu.com
（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
3、压电半导体
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
1、电压放大器
图示的是压电传感器接到电压放大器的等效电路。
Uim
Ca
dFm Cc Ci
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
2、电荷放大器
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。
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，另一个是阻抗变换。
第三章压力检测
3.2 应变式压力计
3.2.4 转换电路
当 RL=∞时，电桥输出电压为：
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 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
第三章压力检测
3.2 应变式压力计
3.2.5 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。
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。
第三章压力检测
3.2 应变式压力计
电阻应变片
1、应变丝 2、基底 3、引线 4、金属膜引线
第三章压力检测
3.2 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
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
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
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：
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
电荷的极性见图
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
2、蒸发薄膜应变片
用真空蒸发工艺制作的薄膜应变片其结构同溅 射
应变片基本相同。
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
3.4.1 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，人造的压电陶瓷 等。
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。
第三章压力检测
3.2 应变式压力计
3.2.3 电阻应变片的粘贴及温度补偿
1、应变片的粘贴：粘贴工艺包括被测试件表面处理，贴 片，质量检查，焊接引线以及防护与屏蔽等。
2、温度误差及其补偿 （1）温度误差 ：温度误差是指环境温度变化引起应变 片电阻变化。原因有两方面：一方面是应变片电阻丝的 温度系数，另一方面是电阻丝材料与试件材料的线膨胀 系数不同。 （2）温度补偿 电桥补偿法如图。
U oC aC c C Q iC A fA 第1 三章压U 力i检A 测
Uo
Q Cf
3.4 压电式压力传感器
3.4.4 压电压力及力传感器
1、压电式三维测力传感器 2、压电式单向测力传感器
第三章压力检测
3.4 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
第三章压力检测
设其应变为ε，电阻相对变化为：
对于半导体材料，上式可写为：
第三章压力检测
3.3 薄膜应变片
3.3.2 薄膜应变片的制作及应用 1、溅射薄膜应变片
主要成膜工艺有真空 溅射和真空蒸镀。真空溅射
工艺大致流程为：基片预处理、溅射 介质层、溅射敏
感层、蒸发Au、光刻电极、形成电 桥、完成全部电连
接、沉积钝化膜。
3.5 电容式压力传感器
3.5.1 电容式传感器的工作原理
第三章压力检测
3.2 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
第三章压力检测
3.3 薄膜应变片
薄膜应变片是用溅射或蒸发的方法将半导体
或金属敏感材料镀在弹性基片上的。
3.3.1 薄膜应变片原理 电阻为：
3.2 应变式压力计
3.2.1 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：
第三章压力检测
3.2 应变式压力计
3.2.2 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。
2、 压力的单位
（1）工程大气压
（2）标准大气压
（3）约定毫米汞柱 （4）约定毫米水柱
常用的几种压力单位与帕斯卡的换算关系见表 3.1.1所示。
第三章压力检测
3.1 压力的概念及单位
3、压力的分类 1.绝对压力 2.环境大气压力 3.表压力 4.真空度 5.差 压
上述各种压力的相互关系见图。
第三章压力检测
第3章 压力检测
在测量上所称的压力就是物理学中的压强， 它是反映物质状态的一个参数；在工业自动化生 产过程中是重要工艺参数之一。
本章简单介绍压力的概念及单位，重点讲解 应变式压力计、压电式压力传感器、电容式压力 传感器和霍尔式压力计等的测量原理及测压方法。
第三章压力检测
3.1 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、压电效应的物理解释 如图所示。
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
3.4.2 压电材料 1、压电晶体
（1）石英晶体
（2）水溶性压电晶体
（3）铌酸锂晶体
2、压电陶瓷wk.baidu.com
（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
3、压电半导体
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
1、电压放大器
图示的是压电传感器接到电压放大器的等效电路。
Uim
Ca
dFm Cc Ci
第三章压力检测
3.4 压电式压力传感器
2、电荷放大器
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。