續(xù)：壓力傳感器原理及應(yīng)用-稱重技術(shù)（一）

C=εA/d?(3-9)

式中為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A為兩平行板相對面積；d為兩平行板間距。

由上式可知，改變A、d、其中任意一個參數(shù)都可以使電容量發(fā)生變化，在實際測量中，大多采用保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變A或d一個參數(shù)的方法，把參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。因此，電容量的變化與被測參數(shù)的大小成比例。

①差動變極距式電容壓力傳感器

改變電容兩平行板間距d的測量方式有較高的靈敏度，但當(dāng)位移較大時非線性嚴(yán)重。采用差動電容法可以改善非線性、提高靈敏度、并可減小因ε受溫度影響引起的不穩(wěn)定性。?

圖3-12是一種電容式差壓傳感器示意圖。左右對稱的不銹鋼基座內(nèi)有玻璃絕緣層，其內(nèi)側(cè)的凹形球面上除邊緣部分外鍍有金屬膜作為固定電極，中間被夾緊的彈性膜片作為可動測量電極，左、右固定電極和測量電極經(jīng)導(dǎo)線引出，從而組成了兩個電容器。不銹鋼基座和玻璃絕緣層中心開有小孔，不銹鋼基座兩邊外側(cè)焊上了波紋密封隔離膜片，這樣測量電極將空間分隔成左、右兩個腔室，其中充滿硅油。當(dāng)隔離膜片感受兩側(cè)壓力的作用時，通過硅油將差壓傳遞到彈性測量膜片的兩側(cè)從而使膜片產(chǎn)生位移。電容極板間距離的變化，將引起兩側(cè)電容器電容值的改變。

對于差動平板電容器，其電容變化與板間距離變化的關(guān)系可表示為：

C0=△d/d0?(3-10)

式中?C0為初始電容值；d0為極板間初始距離；△d為距離變化量。

此電容量的變化經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，可以轉(zhuǎn)換成反映被測差壓的標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出。

這種傳感器結(jié)構(gòu)堅實，靈敏度高，過載能力大；精度高，其精確度可達(dá)±0.25％～±0.05％；可以測量壓力和差壓。

②變面積式電容壓力傳感器

下圖所示為一種變面積式電容壓力傳感器。被測壓力作用在金屬膜片上，通過中心柱和支撐簧片，使可動電極隨簧片中心位移而動作?？蓜与姌O與固定電極均是金屬同心多層圓筒，斷面呈梳齒形，其電容量由兩電極交錯重疊部分的面積所決定。固定電極與外殼之間絕緣，可動電極則與外殼導(dǎo)通。壓力引起的極間電容變化由中心柱引至適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，轉(zhuǎn)換成反映被測壓力的標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出。

金屬膜片為不銹鋼材質(zhì)，膜片后設(shè)有帶波紋面的擋塊，限制膜片過大變形，以保護(hù)膜片在過載時不至于損壞。膜片中心位移不超過0.3mm，膜片背面為無硅油的封閉空間，不與被測介質(zhì)接觸，可視為恒定的大氣壓，故僅適用于壓力測量，而不能測量壓差。

其特點是結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，動態(tài)響應(yīng)快，但是由于電荷泄漏難于避免，不適宜靜態(tài)力的測量?(電容式力傳感器的結(jié)構(gòu)原理)。

前面章節(jié)介紹過壓電式傳感器的原理和壓電式振動加速度傳感器，測力傳感器的結(jié)構(gòu)類似。其特點是體積小，動態(tài)響應(yīng)快，但是也存在電荷泄漏，不適宜靜態(tài)力的測量。使用中應(yīng)防止承受橫向力和施加予緊力。

電容式壓力傳感器

在矩形的特殊彈性元件上，加工若干個貫通的圓孔，每個圓孔內(nèi)固定兩個端面平行的丁字形電極，每個電極上貼有銅箔，構(gòu)成由多個平行板電容器并聯(lián)組成的測量電路。在力F作用下，彈性元件變形使極板間矩發(fā)生變化，從而改變電容量，如左圖(電容式力傳感器)所示。

利用電容敏感元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)系的電量輸出的壓力傳感器。它一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個電極，當(dāng)薄膜感受壓力而變形時，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過測量電路即可輸出與電壓成一定關(guān)系的電信號。電容式壓力傳感器屬于極距變化型電容式傳感器，可分為單電容式壓力傳感器和差動電容式壓力傳感器。?
　　單電容式壓力傳感器?　它由圓形薄膜與固定電極構(gòu)成。薄膜在壓力的作用下變形，從而改變電容器的容量，其靈敏度大致與薄膜的面積和壓力成正比而與薄膜的張力和薄膜到固定電極的距離成反比。另一種型式的固定電極取凹形球面狀，膜片為周邊固定的張緊平面，膜片可用塑料鍍金屬層的方法制成（圖1）。這種型式適于測量低壓，并有較高過載能力。還可以采用帶活塞動極膜片制成測量高壓的單電容式壓力傳感器。這種型式可減小膜片的直接受壓面積，以便采用較薄的膜片提高靈敏度。它還與各種補(bǔ)償和保護(hù)部以及放大電路整體封裝在一起，以便提高抗干擾能力。這種傳感器適于測量動態(tài)高壓和對飛行器進(jìn)行遙測。單電容式壓力傳感器還有傳聲器式（即話筒式）和聽診器式等型式。?
?????差動電容式壓力傳感器?　它的受壓膜片電極位于兩個固定電極之間,構(gòu)成兩個電容器（圖2）。在壓力的作用下一個電容器的容量增大而另一個則相應(yīng)減小，測量結(jié)果由差動式電路輸出。它的固定電極是在凹曲的玻璃表面上鍍金屬層而制成。過載時膜片受到凹面的保護(hù)而不致破裂。差動電容式壓力傳感器比單電容式的靈敏度高、線性度好，但加工較困難（特別是難以保證對稱性），而且不能實現(xiàn)對被測氣體或液體的隔離，因此不宜于工作在有腐蝕性或雜質(zhì)的流體中。

五、壓磁式壓力傳感器

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壓磁式壓力傳感器的原理，某些鐵磁材料受到外力作用時，引起導(dǎo)磁率變化現(xiàn)象，稱作壓磁效應(yīng)。其逆效應(yīng)稱作磁致伸縮效應(yīng)。硅鋼受壓縮時，其導(dǎo)磁率沿應(yīng)力方向下降，而沿應(yīng)力的垂向增加；在受拉伸時，導(dǎo)磁率變化正好相反。如果在硅鋼疊片上開有4個對稱的通孔，孔中分別繞有互相垂直的兩個線圈，如左圖(圖壓磁元件工作原理)所示，一個線圈為勵磁繞組，另一個為測量繞組。無外力作用時，磁力線不和測量繞組交鏈，測量繞組不產(chǎn)生感應(yīng)電勢。當(dāng)受外力作用時，磁力線分布發(fā)生變化，部份磁力線和測量繞組交鏈，并在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，且作用力愈大，感應(yīng)電勢愈大。壓磁式壓力傳感器的典型代表是壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器。

5.1?壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器原理。

鐵磁材料制成的轉(zhuǎn)軸，具有壓磁效應(yīng)，在受轉(zhuǎn)矩作用后，沿拉應(yīng)力+?方向磁阻減小，沿壓應(yīng)力-?方向磁阻增大。在轉(zhuǎn)軸附近相互垂直放置兩個鐵芯線圈A、B，使其開口端與被測轉(zhuǎn)軸保持1～2mm的間隙，從而由導(dǎo)磁的軸將磁路閉合，如下圖所示，AA沿軸向，BB垂直于軸向。在鐵芯線圈A中通以50?Hz的交流電，形成交變磁場。轉(zhuǎn)軸未受轉(zhuǎn)矩作用時，其各向磁阻相同，BB方向正好處于磁力線的等位中心線上，因而鐵芯B上的繞組不會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩作用時，其表面上出現(xiàn)各向異性磁阻特性，磁力線將重新分布，而不再對稱，因此在鐵芯B的線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電勢。轉(zhuǎn)矩愈大，感應(yīng)電勢愈大，在一定范圍內(nèi)，?感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系。這樣就可通過測量感應(yīng)電勢e來測定軸上轉(zhuǎn)矩的大小。

壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器是非接觸測量，使用方便，結(jié)構(gòu)簡單可靠，基本上不受溫度影響和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速限制，而且輸出電壓很高(可達(dá)10V)。

測量力時可以直接在被測對象上布片組橋，也可以在彈性元件上布片組橋，使力通過彈性元件傳到應(yīng)變片。常用的彈性元件有柱式、梁式、環(huán)式、輪輻等多種形式。

????????,?①柱式彈性元件???通過柱式彈性元件表面的拉(壓)變形測力。應(yīng)變片的粘貼和電橋的連接應(yīng)盡可能消除偏心和彎矩的影響，一般將應(yīng)變片對稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面中部。柱式力傳感器可以測量0.1~3000噸的載荷，常用于大型軋鋼設(shè)備的軋制力測量。

????????②梁式彈性元件???類型有等截面梁、等強(qiáng)度梁和雙端固定梁等，通過梁的彎曲變形測力，結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度較高。

????????③環(huán)式彈性元件??分為圓環(huán)式和八角環(huán)式。它也是通過元件的彎曲變形測力，結(jié)構(gòu)較緊湊。實際應(yīng)用如切削測力儀。

????????④輪輻式彈性元件??輪幅式彈性元件受力狀態(tài)可分為拉壓、彎曲和剪切。前兩類測力彈性元件經(jīng)常采用，精度和穩(wěn)定性已達(dá)到一定水平，但是安裝條件變化或受力點移動，會引起難于估計的誤差。剪切受力的彈性元件具有對加載方式不敏感、抗偏載、側(cè)向穩(wěn)定、外形矮等特點。

其特點是硅鋼材料受力面加大后，可以測量數(shù)千噸的力，且輸出電勢較大，甚至只需濾波整流，無需放大處理。常用于大型軋鋼機(jī)的軋制力測量。使用中應(yīng)防止因側(cè)向力干擾而破壞硅鋼的疊片結(jié)構(gòu)(壓磁式測力裝置的工作原理)。

六、差動變壓器式測力傳感器

把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的,?并且次級繞組都用差動形式連接,?故稱差動變壓器式傳感器?！?/span>

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1、差動變壓器式測力傳感器基本介紹

差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多,?有變隙式、變面積式和螺線管式等,?但其工作原理基本一樣。非電量測量中,?應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器,?它可以測量1～100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移,?并具有測量精度高,?靈敏度高,?結(jié)構(gòu)簡單,?性能可靠等優(yōu)點。

2、差動變壓器式傳感器測量電路　??

差動變壓器輸出的是交流電壓,?若用交流電壓表測量,?只能反映銜鐵位移的大小,?而不能反映移動方向。另外,?其測量值中將包含零點殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動方向及消除零點殘余電壓的目的,?實際測量時,?常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。?　

2.1.?差動整流電路　

這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流,?然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出,?圖?6.1?給出了幾種典型電路形式。?圖中（a）、（c）適用于交流負(fù)載阻抗,?（b）、（d）適用于低負(fù)載阻抗,?電阻R0用于調(diào)整零點殘余電壓。?　

????下面結(jié)合圖?6.1（c）,?分析差動整流工作原理。

?????從圖6.1（c）電路結(jié)構(gòu)可知,?不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何,?流經(jīng)電容C1的電流方向總是從?2?到?4,?流經(jīng)電容C2的電流方向從6到8,?故整流電路的輸出電壓為　

　U2=U24-U68(4?-?28)　　

當(dāng)銜鐵在零位時,?因為U24=U68?,?所以U2=0;?當(dāng)銜鐵在零位以上時,?因為U24>U68,?則U2>0;?而當(dāng)銜鐵在零位以下時,?則有U24則U2<0?。差動整流電路具有結(jié)構(gòu)簡單,?不需要考慮相位調(diào)整和零點殘余電壓的影響,?分布電容影響小和便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點,?因而獲得廣泛應(yīng)用。

2.2相敏檢波電路　

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電路如圖6.2（c）?所示。VD1、VD2、VD3、?VD4?為四個性能相同的二極管,?以同一方向串聯(lián)成一個閉合回路,?形成環(huán)形電橋。?輸入信號u2(差動變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓)通過變壓器T1加到環(huán)形電橋的一個對角線。?參考信號u0通過變壓器T2加入環(huán)形電橋的另一個對角線。?輸出信號uL從變壓器Ｔ1與Ｔ2的中心抽頭引出。平衡電阻R起限流作用,?避免二極管導(dǎo)通時變壓器T2的次級電流過大。RL為負(fù)載電阻。u0的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號u2的幅值,?以便有效控制四個二極管的導(dǎo)通狀態(tài),?且u0和差動變壓器式傳感器激磁電壓u1由同一振蕩器供電，?保證二者同頻、同相（或反相）。

由圖?6.2（a）、（c）、?(d)　可知,?當(dāng)位移Δx?>?0時,?u2與u0同頻同相,?當(dāng)位移Δx<?0時,?u2與u0?同頻反相；Δx>?0時,?u2與u0為同頻同相,?當(dāng)u2與u0均為正半周時,?見圖?4?-?15（a）,?環(huán)形電橋中二極管VD1、ＶD4截止,?VD2、VD3導(dǎo)通,?則可得圖?4?-??15（b）的等效電路。

其特點是工作溫度范圍較寬,為了減小橫向力或偏心力的影響，傳感器的高徑比應(yīng)較小。(差動變壓器式測力傳感器的工作原理)

3、典型差動變壓器式傳感器型號

七、諧振式壓力傳感器?

諧振式壓力傳感器分為兩類：振筒式諧振壓力傳感器和振膜式諧振壓力傳感器。

1、振筒式諧振壓力傳感器

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振筒式壓力傳感器的感壓元件是一個薄壁金屬圓筒，圓柱筒本身具有一定的固有頻率，當(dāng)筒壁受壓張緊后，其剛度發(fā)生變化，固有頻率相應(yīng)改變。

傳感器由振筒組件和激振電路組成，如圖3-14所示。振筒用低溫度系數(shù)的恒彈性材料制成，一端封閉為自由端，開口端固定在基座上，壓力由內(nèi)側(cè)引入。絕緣支架上固定著激振線圈和檢測線圈，二者空間位置互相垂直，以減小電磁耦合。激振線圈使振筒按固有的頻率振動，受壓前后的頻率變化可由檢測線圈檢出。

此種儀表體積小，輸出頻率信號，重復(fù)性好，耐振；精確度高，其精確度為±0.1％和±0.01％；適用于氣體測量。

2、振膜式諧振壓力傳感器

振膜式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖(a)所示。振膜為一個平膜片，且與環(huán)形殼體做成整體結(jié)構(gòu)，它和基座構(gòu)成密封的壓力測量室，被測壓力?p經(jīng)過導(dǎo)壓管進(jìn)入壓力測量室內(nèi)。參考壓力室可以通大氣用于測量表壓，也可以抽成真空測量絕壓。裝于基座頂部的電磁線圈作為激振源給膜片提供激振力，當(dāng)激振頻率與膜片固有頻率一致時，膜片產(chǎn)生諧振。沒有壓力時，膜片是平的，其諧振頻率為?f0；當(dāng)有壓力作用時，膜片受力變形，其張緊力增加，則相應(yīng)的諧振頻率也隨之增加，頻率隨壓力變化且為單值函數(shù)關(guān)系。?

?????在膜片上粘貼有應(yīng)變片，它可以輸出一個與諧振頻率相同的信號。此信號經(jīng)放大器放大后，再反饋給激振線圈以維持膜片的連續(xù)振動，構(gòu)成一個閉環(huán)正反饋自激振蕩系統(tǒng)。如圖(b)所示。

八、光導(dǎo)纖維壓力傳感器

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光導(dǎo)纖維壓力傳感器與傳統(tǒng)壓力傳感器相比,有其獨特的優(yōu)點:利用光波傳導(dǎo)壓力信息,不受電磁干擾,電氣絕緣好,耐腐蝕,無電火花,可以在高壓、易燃易爆的環(huán)境中測量壓力、流量、液位等。它靈敏高度，體積小，可撓性好，可插入狹窄的空間是進(jìn)行測量，因此而得到重視，并且得到迅速發(fā)展。

完.