力與壓力測(cè)量傳感器(編輯修改稿)
2025-05-27 22:32 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 靈敏度高、測(cè)量范圍寬、電路簡(jiǎn)單以及易于實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此在電阻式傳感器的測(cè)量電路中得到了普遍應(yīng)用。 電阻式壓力傳感器的驅(qū)動(dòng)及測(cè)量電路 62 2022/5/24 電阻式壓力傳感器的驅(qū)動(dòng)及測(cè)量電路 ? （ 1）單臂工作電橋 ?右圖為電橋電路， U為橋路供電電源電壓， U0為電橋輸出電壓。其輸出電壓表達(dá)式為 ?右圖基本電橋電路 在實(shí)際使用中，根據(jù)敏感元件的數(shù)量和橋臂電阻的阻值情況，經(jīng)常將電橋分為以下幾種工作形式。 R1 R2R4R3UUO01 3 2 4( 1 2 ) ( 3 4 )R R R RUUR R R R????63 2022/5/24 ?1）等臂電橋 等臂電橋是指在初始狀態(tài)時(shí)，電橋四臂的電阻均相等，即R10=R20=R30=R40=R。當(dāng) R1為工作臂時(shí)，其增量為 ΔR1=ΔR ，則輸出電壓為 式中， ε=ΔR/ R ，為敏感元件電阻的相對(duì)變化量。 如果， ε ＜＜ 1 ，則輸出電壓為 0 4 2 4 2RU U URR?????? ? ?0 4UU??64 2022/5/24 ?2）第一對(duì)稱(chēng)電橋 ?所謂第一對(duì)稱(chēng)電橋是指電橋初始狀態(tài)時(shí)， R10=R40=R，R20=R30=R′。當(dāng) R1為工作臂時(shí)，其增量為 ΔR1=ΔR，則輸出電壓為 ?同樣，如果 ε ＜＜ 1，則輸出電壓為： 0 4 2 4 2RU U URR?????? ? ?0 4UU??65 2022/5/24 ?3）第二對(duì)稱(chēng)電橋 ?所謂第二對(duì)稱(chēng)電橋是指電橋初始狀態(tài)時(shí)， R10=R20=R，R30=R40=R′ 。當(dāng) R1為工作臂時(shí)，其增量為 ΔR1=ΔR ，則輸出電壓為： 如果 ε ＜＜ 1，則輸出電壓為 ?由以上對(duì)單臂電橋的分析得出兩點(diǎn)結(jié)論： 第一，當(dāng)橋臂電阻發(fā)生相同變化時(shí)，等臂電橋與第一類(lèi)對(duì)稱(chēng)電橋的輸出電壓相同，且比第二類(lèi)對(duì)稱(chēng)電橋輸出電壓大，即第一類(lèi)對(duì)稱(chēng)電橋靈敏度比第二類(lèi)對(duì)稱(chēng)電橋靈敏度高。第二，就是單臂工作電橋輸出電壓與電阻的相對(duì)變化是非線(xiàn)性關(guān)系，只有當(dāng) ε ＜＜ 1時(shí)，才近似為線(xiàn)性關(guān)系。 20 ( ) ( )RRUUR R R R R?????? ? ? ?0 2()RRUURR ?????66 2022/5/24 電阻式壓力傳感器應(yīng)用 ?2. 煤礦快速定量自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng) 稱(chēng)重傳感器稱(chēng)重傳感器砝碼校驗(yàn)裝置砝碼校驗(yàn)裝置稱(chēng)重料斗檢測(cè)及控制裝置67 2022/5/24 電阻式壓力傳感器應(yīng)用 ?3. 膠帶張力測(cè)試 滾筒膠帶壓力滾筒稱(chēng)重傳感器αFFααF1F2F3 圖 317 帶式輸送機(jī)的膠帶張力測(cè)試裝置 圖 318壓力滾筒受力示意圖 68 2022/5/24 69 2022/5/24 70 2022/5/24 71 2022/5/24 72 2022/5/24 73 2022/5/24 74 2022/5/24 75 2022/5/24 76 2022/5/24 77 2022/5/24 78 2022/5/24 壓電式傳感器 ?壓電式傳感器是基于某些介質(zhì)材料的 壓電效應(yīng) 原理工作的，是一種典型的 有源傳感器 。壓電效應(yīng)是材料受到應(yīng)力作用時(shí)所產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，是一種可逆效應(yīng)，因此，當(dāng)在材料兩側(cè)之間施加電壓時(shí)，材料便產(chǎn)生應(yīng)變。 ?由于壓電式轉(zhuǎn)換元件具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、固有頻率高、工作可靠以及信噪比高等特點(diǎn)，因此，它成為一種典型的力敏元件，被廣泛地應(yīng)用于壓力、加速度、機(jī)械沖擊和振動(dòng)等諸多物理量的測(cè)量中。 79 2022/5/24 壓電效應(yīng)與壓電傳感器 ?1. 壓電效應(yīng) ?某些電介質(zhì)物體在某方向受壓力或拉力作用產(chǎn)生形變時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生電荷，外力撤銷(xiāo)后，又回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。 ?當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性隨之改變，把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象，稱(chēng)為 “ 正壓電效應(yīng) ” ， 反之，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“ 逆壓電效應(yīng) ” 。 80 2022/5/24 壓電效應(yīng)與壓電傳感器 ?2. 壓電傳感器 壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的壓電效應(yīng)這個(gè)特性，即當(dāng)有力作用在壓電元件上時(shí)，傳感器就有電荷 (或電壓 )輸出。 （a ） （b ）圖 319 壓電元件組合接法 81 2022/5/24 82 2022/5/24 83 2022/5/24 84 2022/5/24 85 2022/5/24 86 2022/5/24 87 2022/5/24 88 2022/5/24 89 2022/5/24 90 2022/5/24 91 2022/5/24 92 2022/5/24 93 2022/5/24 94 2022/5/24 95 2022/5/24 96 2022/5/24 97 2022/5/24 98 2022/5/24 99 2022/5/24 1）量程： 壓電式壓力傳感器的量程是指在給定精度內(nèi)，傳感器所測(cè)物理量的上、下限。壓電傳感器的精度與量程是相互關(guān)聯(lián)的，即同一傳感器，所規(guī)定的測(cè)試精度不同，其量程范圍也是不同的。 2）靈敏度： 壓電式壓力傳感器的靈敏度定義為輸出量與被測(cè)物理量的比值，即 3）絕緣電阻： 如果傳感器沒(méi)有足夠高的絕緣電阻，壓電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生的電荷將通過(guò)它迅速泄露，給測(cè)量帶來(lái)誤差。通常要求壓電傳感器絕緣電阻不低于 1010Ω Kp?100 2022/5/24 ? 4）諧振頻率： 按輸入方式不同，傳感器的振動(dòng)可以是受迫振動(dòng)或衰減振動(dòng)。在受迫振動(dòng)時(shí)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率與傳感器固有頻率相同時(shí)，傳感器則發(fā)生共振。衰減振動(dòng)時(shí)，傳感器的有阻尼諧振頻率為： 2212 nfc????nkm? ?式中， k為組合剛度； m為質(zhì)量； c為阻尼系數(shù)。 101 2022/5/24 ? 5）非線(xiàn)性： 壓電式壓力傳感器的輸出特性曲線(xiàn)一般為上翹、下翹甚至 S型。 ? 6）滯后（遲滯）： 由于石英晶體本身滯后極小，所以?xún)?yōu)質(zhì)壓電式傳感器滯后極小。滯后嚴(yán)
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