半导体应变片单臂电桥实训0331.docx

1、半导体应变片单臂电桥实训0331第二章力传感器力是基本物理量之一，通过测量力，可以间接测量出荷重、加速度、气压等物理量，在科学技术和生产生活中，把握这些物理量的准确数值具有重要意义，故测量各种动态、静态力的大小是十分重要的。例：图2.1是荷重传感器用于测量重物如大象的示意图。这种大型衡器便于在称重现场和控制室让工作人员在两地同时了解测量结果。图2.1 荷重传感器的应用力学量可分为几何学量、运动学量以及力学量三部分，其中几何学量指的是位移、形变、尺寸等；运动学量是几何学量的时间函数，如速度、加速度等；力学量包括质量、力、力矩、压力、应力等。力学传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。力学传感器的

2、用途极广，它们在工农业生产、矿业、医学、国防、航空、航天、交通运输等许多领域都得到了广泛的应用。力的测量需要通过力传感器间接完成。图2.2为力传感器的测量示意框图。 图2.2 力传感器的测量示意图力传感器有许多种，从力电变换原理来看有电阻式（电位器式和应变片式）。电感式（自感式、互感式和涡流式）、电容式、压电式、压磁式和压阻式等，其中大多需要弹性敏感元件或其他敏感元件的转换。下面我们通过实训来了解应变片的实际应用。2.1半导体应变片单臂电桥实训一 实训目的1观察了解应变片的结构及粘贴方式。2测试应变梁变形的应变输出,理解应变式传感器的应用和特性。半导体应变片单臂电桥实训原理图二 电路原理由于半

3、导体材料的”压阻效应”特别明显,可以反映出很微小的形变,当电桥的一个桥臂换成半导体应变片后,就构成单臂电桥,当相邻两桥臂换成受力方向相反的应变片时,即可构成半桥。若应变片不受力时,4个桥臂电阻构成的电桥在电位计WD调节下能够达到平衡状态,即输出为零,若悬臂梁受力,则电桥输出不再为零，且随受力的增加而增大。三 器材列表：名称型号数量电阻1k 0.25w4990k 0.25w210k 0.25w2电位器1k 0.25w（R4）1应变片HU-101 1k1放大器INA1101万用表 92031导线直径1mm若干直流稳压电源正负15V1砝码1g至100g若干四 实训步骤1按图接线，电桥中R1为半导体应

4、变片，其余电阻为固定电阻。2将差动放大器调零，将差动放大器的两端接地，增益调节适当，输出端接地，调节零旋钮使输出为0。3调节电桥平衡，悬臂梁不受力时，电压表读数应该为0.若不为0时，调节继电器WD使电桥输出为0。4放置砝码使动悬臂梁做向下的运动，以悬臂梁水平状态下的输出为零，每次放置砝码都记录一个数据，填入一下表中。5用测出电压和质量值。画出V_M曲线，求出灵敏度。五 数据表格砝码质量g输出电压v六 灵敏度曲线图七 注意事项 1 注意用电安全。 2 注意实验需要使用正负双电源。 3 注意对应变片施加力量要稳定适度。 4为了减小干扰，电路引线尽量的短。八 完成实训报告2.2弹性敏感元件2.2.1

5、弹性敏感元件的特性2.2.2弹性敏感元件的结构形式2.3电阻应变片传感器2.3.1电阻应变片的结构和工作原理2.3.2电阻应变片的分类和粘贴方法2.3.3电阻应变片的测量转换电路2.4压电式传感器2.4.1压电式传感器的工作原理2.4.2压电式传感器的转换电路2.4.3压电式传感器的应用2.5电感式力敏传感器2.5.1自感式传感器2.5.2互感式传感器2.5.3电感式传感器的应用2.6电容式力敏传感器2.6.1电容式力敏传感器的结构和工作原理2.6.2电容式力敏传感器的测量转换电路2.6.3电容式力敏传感器的应用2.7压力和流量的测量2.7.1压力的概念和测量一、压力的概念压力与生产、科研、生

6、活等各方面密切相关。因此压力测量是本课程的重点之一。物理学中的“压强”在检测领域和工业中称为“压力”，用p表示。它等于垂直作用于一定面积A上的力F(称为压向力)除以面积A，即p=FA。压力的国际单位为“帕斯卡”，简称“帕”(Pa)，它表示1牛顿(N)力垂直而均匀地作用于1m2面积上的压力。除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如“工程大气压”、“标准大气压”、“毫米汞柱”，气象学中还用“巴”(bar)和“托”为压力单位。这些计量单位在一些进口仪表说明书上可能还会见到。根据不同的测量条件，压力又可分为绝对压力和相对压力。相对压力又可分为差压和表压，相应地，测量压力的传感器也可分为三大类

7、，即绝对压力传感器、差压传感器和表压传感器。1绝对压力传感器它所测得的压力数值是相对于密封在绝对压力传感器内部的基准真空(相当于零压力参考点)而言的，是以真空为起点的压力。平常所说的环境大气压为某某千帕就是指绝对压力。当绝对压力小于101kPa时，可以认为是“负压”，所测得压力相当于真空度。2差压传感器差压是指两个压力p1和p2之差，又称为压力差。例如，一张绷紧在管道口上的橡皮薄膜的左右两侧面均向大气敞开时，差压p=p左p右=0。当从左侧向管道吹气时，p左p右，p0。如果认为此时的p为正值，则当从左侧向管道吸气时，p左p右，膜片将向管道的左侧弯曲，p为负值。更多的情况下，管道的左右两侧均存在很

8、大的压力，膜片的弯曲方向要由左右两侧的压力之差决定，而与大气压(环境压力)无关。例如p1=0.91.1MPa，p2=0.91.0MPa，就必须选择测量范围为一0.1+0.2MPa的差压传感器。 差压传感器在使用时不允许在一侧仍保持很高压力的情况下，将另一侧的压力降低到零(指环境压力)，这将使原来用于测量微小差压的膜片破裂。3表压传感器表压测量是差压测量的特殊情况。测量时，它以环境大气压为参考基准，将差压传感器的一侧向大气敞开，就形成表压传感器。表压传感器的输出为零时，其膜片两侧实际上均存在一个大气压的绝对压力。当医生测量血压时，实际上就是测量人体血压与大气压力之差。这类传感器的输出随大气压的波

9、动而波动，但误差不大。在工业生产和日常生活中所提到的压力绝大多数指的是表压。二、差动电容式差压变送器图2￥%是通用型差动电容式差压变送器的结构示意图。它的核心部分是一个差动变极距式电容传感器。它以热胀冷缩系数很小的两个凹形玻璃(或绝缘陶瓷)圆片上的镀金薄膜作为定极板，两个凹形镀金薄膜与夹紧在它们中间的弹性平膜片组成C1和C2。 图2#￥差动电容式差压变送器结构示意图 a)结构 b)外观1高压侧进气口2低压侧进气口3过滤片4空腔5柔性不锈钢波纹隔离膜片6导压硅油7凹形玻璃圆片8镀金口形电极(定极饭)9一弹性平膜片l0腔11铝台金外壳l 2限位波纹盘13过压保护悬浮波纹膜片14公共参考端(地电位)

10、 15螺纹压力接头16测量转换电路及显示器铝合金盘17信号电缆当被测压力pl、p2由两侧的内螺纹压力接头进入各自的空腔，该压力通过不锈钢波纹隔离膜以及热稳定性很好的灌充液(导压硅油)，传导到“腔”。弹性平膜片由于受到来自两侧的压力之差而凸向压力小的一侧。在腔中，弹性膜片与两侧的镀金定极之间的距离很小(约0.5mm左右)。所以微小的位移(不大于0.1mm)就可以便电容量变化100pF以上。测量转换电路(相敏检波器)将此电容量的变化转换成420mA的标准电流信号，通过信号电缆线输出到二次仪表。从图2-#￥b中还可以看到，该压力变送器自带液晶数码显示器。可以在现场读取测量值，总共只需要电源提供4-2

11、0mA电流。差动电容的输入激励源通常做在信号处理壳体中，其频率通常选取100kHz左右，幅值约为10V左右。经变送器内部的CPU线性化后差压变送器的输出精度一般可达1左右。对额定量程较小的差动电容式差压变送器来说，当某一侧突然失压时，巨大的差压有可能将很薄的平膜片压破，所以设置了安全悬浮膜片和限位波纹盘起过压保护作用。三、利用电容差压变送器测量液体的液位。将图2#￥所示的电容差压变送器的高压侧(p1)进气孔及低压侧(p2)进气孔通过管道与储液罐相连，如图2#￥所示。设储液罐是密闭的，则施加在高压侧腔体内的压力为p1=p0+g（h- h0）式中0密封容器上部空间的气体压力；液体的密度；g重力加速

12、度；h待测液位；h0差压变送器的安装高度。而施加在低压侧腔体内的压力p2仅为密闭容器上部空间的气体压力，所以p2=p0。施加在差压电容膜片上的压力之差为：p=p1一p2=g(hh0) 由上式可知，差压变送器的输出与液位成正比。电感式差压变送器和扩散硅压阻式差压传感器也一样能用来测量液位。 差压式液位计1储液罐 2液面 3上部空间 4高压侧管道 5电容式差压变送器6低压侧管道 2.7.2流量的概念和测量 一、流量的基本概念在工业中，凡是涉及流体介质的生产流程(如气体、液体及粉状物质的传送等)都有流量测量和控制的问题。流量是指流体在单位时间内通过某一截面的体积数或质量数，分别称为体积流量qv和质量

13、流量qm。这种单位时间内的流量统称为瞬时流量q。把瞬时流量对时间t进行积分，求出累计体积或累计质量的总和，称为累积流量也叫总量。 如果流量十分平稳则可将短暂时段t与该时段瞬时流量的平均值相乘，并对乘积进行累加，从而得到累积流量 q总=(qiti。) (55） i= 1式中q总累积流量其单位用吨(t)、kg或m3、L等表示； qi在某一时段内的平均瞬时流量； ti，该时段经历的时间。流速v越快，瞬时流量越大；管道的截面积越大，瞬时流量也越大。根据瞬时流量的定义，体积流量qv=Av，单位为m3h或Ls；质量流量qm=Av,单位为th或kgS。上两式中，v为流过某截面的平均流速，A为管道的截面积，p

14、为流体的密度。采用测量流速v而推算出流量的仪器称为流速法流量计。测量流量的方法很多除了上述的流速法之外，还有容积法、质量法、水槽法等。流速法中，又有叶轮式、涡轮式、卡门涡流式(又称涡街式)、热线式、多普勒式、超声式、电磁式、差压节流式等。下面简单介绍工业中常用的差压式流量计的工作原理。二、节流式流量计及电容差压变送器在流量测量中的应用差压式流量计又称节流式流量计。在流体流动的管道内，设置一个节流装置如图2-￥%所示。 图5-23节流式流量计 a)流体流经节流孔板时，压力和流速的变化情况 b)测量液体时导压管的标准安装方法c)测量气体时导压臂的标准安装方法 1管道 2流体 3节流孔扳 4前取压孔位置 5后取压孔位置 6截止阀 7放气阀 8排水阀 9差压变送器 l0短路阀所谓节流装置，就是在管道中段设置一个流通面积比管道狭窄的孔板或者文丘里喷嘴，使流体经过该节流装置时流束局部收缩，流速提高。根据物理学中的伯努利定律，管道中流体流速越高，压强(在工业中俗称压力)就越小。所以流体在节流后的压力将小于未节流之前的压力。节流装置两侧的压差与通过的流量有关。流量为零时，压差为零，流量越大，压差越大。流量qv与压差p=plp2之间的关系为 公式需要制作式中流量系数； 流体的膨胀系数，液体的=1； A节流装置的开口面积；pl、p2节流前后的压力； 流体密度