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1、第第3章章 压力测量压力测量 化学工业出版社化学工业出版社为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能本章要点本章要点压力的定义和表示压力的定义和表示压力的定义和表示压力的定义和表示弹性元件和弹性压力计弹性元件和弹性压力计弹性元件和弹性压力计弹性元件和弹性压力计电阻（应变）式压力计电阻（应变）式压力计电阻（应变）式压力计电阻（应变）式压力计电容式压力计电容式压力计电容式压力计电容式压力计电感式压力计电感式压力计电感式压力计电感式压力计霍尔式压力计霍尔式压力计霍尔式压力计霍尔式压力计其他常见的压力测量方法其他常见的压力测量方法其他
2、常见的压力测量方法其他常见的压力测量方法压力仪表的选用原则压力仪表的选用原则压力仪表的选用原则压力仪表的选用原则为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.1 压力检测概述压力检测概述 3.1.1 3.1.1 压力定义及单位压力定义及单位压力定义及单位压力定义及单位 3.1.2 3.1.2 压力的几种表示方法压力的几种表示方法压力的几种表示方法压力的几种表示方法 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.1.1压力定义及单位压力定义及单位压力定义压力定义
3、压力定义压力定义压力的单位压力的单位 工工工工程程程程上上上上的的的的压压压压力力力力定定定定义义义义是是是是垂垂垂垂直直直直而而而而均均均均匀匀匀匀地地地地作作作作用用用用于于于于单单单单位位位位面面面面积积积积上上上上的的的的力。力。力。力。相当于物理上的压强定义。相当于物理上的压强定义。压压力力的的国国际际标标准准单单位位为为Pa(Pa(帕帕斯斯卡卡)，1Pa1Pa的的定定义义是是在在1m21m2的的面面积积上上有有1N1N（牛牛顿顿）的的作作用用力力。但但是是该该单单位位表表示示的的力力较较小小，因因此此，工工程程上上更更多多的的是是使使用用kPa(kPa(千千帕帕斯斯卡卡/千千帕帕)
4、或或MPaMPa（兆帕斯卡（兆帕斯卡/兆帕）作为压力表示单位。兆帕）作为压力表示单位。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.1.2压力的几种表示方法压力的几种表示方法 3.2 弹性压力计弹性压力计 3.2.1 3.2.1 弹性元件弹性元件弹性元件弹性元件 3.2.2 弹性元件在压力测量中的应用弹性元件在压力测量中的应用 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.2.1 弹性元件弹性元件 l l弹性元件的测量原理弹性元件的测量原理 当当被被测测压压力
5、力作作用用于于弹弹性性元元件件时时，弹弹性性元元件件受受到到其其轴轴向向外外力力的的作作用用，产产生生弹弹性性形形变变，形形成成拉拉伸伸或或压压缩缩的的位位移移信信号号，在弹性形变的范围内，其受力和形变的关系可表示为：在弹性形变的范围内，其受力和形变的关系可表示为：式中式中F F 轴向外力轴向外力 X X 弹性元件的位移弹性元件的位移 C C 弹性元件的刚度系数弹性元件的刚度系数 根据弹性元件的形变大小，可以确定被测压力的大小。根据弹性元件的形变大小，可以确定被测压力的大小。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.2.1
6、 弹性元件弹性元件弹性元件种类和特性弹性元件种类和特性弹性元件种类和特性弹性元件种类和特性 常常用用的的弹弹性性元元件件类类型型有有膜膜片片、弹弹簧簧管管、波波纹纹管管等等类类型型，可将压力信号转换为位移信号。可将压力信号转换为位移信号。膜片和膜盒弹簧管波纹管为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.2.1 弹性元件弹性元件弹性元件种类和特性弹性元件种类和特性弹性元件种类和特性弹性元件种类和特性膜膜片片主主要要用用于于低低压压的的测测量量，压压力力增增大大时时，膜膜片片圆圆心心处处的的硬硬心心会会产产生生直直线线位位移移。
7、在在压压力力测测量量中中，常常用用两两片片膜膜片片沿沿周周边边对对焊焊起起来来，组组成成膜膜盒盒结结构构。膜膜片片可可直直接接带带动动传传动动机机构构就就地地显显示示，但但由由于于膜膜片片的的位位移移较较小小，灵敏度低，更多的是与压力变送器配合使用。灵敏度低，更多的是与压力变送器配合使用。波波纹纹管管在在管管内内压压力力增增大大时时，侧侧壁壁上上的的褶褶皱皱曲曲率率变变化化，产产生生自自由由端端的的水水平平位位移移，由由于于波波纹纹管管的的位位移移相相对对较较大大，一一般般可可直直接接带带动动传传动动机机构构，就就地地显显示示。其其优优点点是是灵灵敏敏度度高高，但但波波纹纹管管迟迟滞滞误误差差
8、较较大大，其其输输出出的的水水平位移比弹簧管大，但位移和压力的线性度不如弹簧管。平位移比弹簧管大，但位移和压力的线性度不如弹簧管。弹弹簧簧管管又又称称波波登登管管，管管的的横横截截面面为为椭椭圆圆形形，当当管管内内压压力力变变大大时时，椭椭圆圆截截面面在在压压力力作作用用下下趋趋向向于于圆圆形形，使使整整个个弯弯管管曲曲率率发发生生变变化化，其其自自由由端端产产生生向向外外的的位位移移，在在位位移移量量不不大大时时，可可近近似似的的看看作作直直线线运运动动，且且位位移移大大小小与与压压力力近近似似成成正正比比。弹弹簧簧管管还还有有多多圈圈的的盘盘状状或或螺螺旋旋状状的的结结构构，可以增大输出的
9、位移量。可以增大输出的位移量。常见的弹性元件位移输出和压力信号的关系如表常见的弹性元件位移输出和压力信号的关系如表3-2-23-2-2所示。所示。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.2.2 弹性元件在压力测量中的应用弹性元件在压力测量中的应用 弹簧管压力表弹簧管压力表 实物示例实物示例 被测压力由接头9引入，迫使弹簧管1的自由端B向右上方扩张移动。自由端B的弹性变形位移由拉杆2使扇形齿轮3做逆时针偏转，于是指针5通过同轴的中心齿轮4带动而做顺时针偏转，从而在面板6的刻度标尺上显示出被测压力p的数值。由于自由端的位移与
10、被测压力之间具有比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。游丝7是用来克服扇形齿轮和中心齿轮的间隙所产生的仪表变差的。改变调整螺钉8的位置(即改变机械传动的放大倍数)，可以实现压力表量程的调整。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.2.2 弹性元件在压力测量中的应用弹性元件在压力测量中的应用压力变送器压力变送器结结构构原原理理如如图图所所示示，由由测测量量和和转转换换两两部部分分组组成成。测测量量部部分分包包括括测测量量室室、测测量量元元件件(膜膜片片或或膜膜盒盒)、主主杠杠杆杆；转转换换部部分分包包括括主主杠杠杆
11、杆、矢矢量量机机构构、副副杠杠杆杆、反反馈馈机机构构、差差动动变变压压器器、调调零零装装置置及及放放大大器。器。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.2.2 弹性元件在压力测量中的应用弹性元件在压力测量中的应用压力变送器压力变送器 如如图图所所示示。矢矢量量机机构构把把主主杠杠杆杆水水平平方方向向的的力力F Fl l分分解解为为垂垂直直方方向向的的力力F F2 2和和矢矢量量角角方方向向的的力力F F3 3，其其中中分分力力F F2 2则则作作用用于于副副杠杠杆杆上上，其其值值等等于于F Fl l tg tg。副副杠杠
12、杆杆以以MM点点为为支支点点，将将F F2 2传传递递到到反反馈馈动动圈圈1212处处，形形成成作作用用力力F F4 4，它它与与反反馈馈动动圈圈在在磁磁场场中中所所受受到到的的反反馈馈力力F Ff f相相比比较较其其差差值值 F F使使副副杠杠杆杆绕绕MM点点偏偏转转，这这使使得得固固定定在在副副杠杠抨抨上上的的位位移移检检测测片片8 8与与差差动动变变压压器器9 9之之间间的的距距离离改改变变 x x，引引起起差差动动变变压压器器输输出出的的变变化化 u u，经经放放大大器器放放大大并并转转换换成成420mA 420mA DCDC标标准准信信号号I I0 0，作作为为变变送送器器的的输输出
13、出信信号号；I I0 0同同时时又又作作为为反反馈馈电电流流经经反反馈馈动动圈圈，产产生生电电磁磁反反馈馈力力F Ff f，使使副副杠杠杆杆作作相相反反方方向向的的偏偏转转。当当输输入入力力与与反反馈馈力力对对杠杠杆杆系系统统所所产产生生的的力力矩矩达达到到平平衡衡时时，F Ff f =F F4 4，变变送送器器重重新新达达到到一一个个新新的的稳稳定定状状态态。此此时时，变变送送器器输输出出电电流流I I0 0与与被被测测信信号号 p p成成正比。正比。3.3 电阻式压力计电阻式压力计 3.3.1 3.3.1 应变效应和压阻效应的原理应变效应和压阻效应的原理应变效应和压阻效应的原理应变效应和压
14、阻效应的原理 3.3.2 3.3.2 金属应变片与应变式压力传感器金属应变片与应变式压力传感器金属应变片与应变式压力传感器金属应变片与应变式压力传感器 3.3.3 3.3.3 压阻元件和压阻式压力传感器压阻元件和压阻式压力传感器压阻元件和压阻式压力传感器压阻元件和压阻式压力传感器 3.3.4 3.3.4 电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3 电阻式压力计电阻式压力计 电电阻阻式式压压力力计计利利用用传传感感器器将将弹弹性性元元件件受受压压力力
15、影影响响产产生生的的形形变变转转换换为为电电阻阻信信号号，再再利利用用对对电电阻阻信信号号的的转转换换处处理理获获得得被被测测的的压压力力值值。常常用用的的传传感感器器有有金金属属应应变变片片和和半半导导体体硅硅杯杯，以以这这类类传传感感器器的的工工作作原原理理是是应应变变效效应，即金属或半导体材料的电阻，在受到外力作用产应，即金属或半导体材料的电阻，在受到外力作用产微微小小形形变变的的同同时时，其其电电阻阻值值也也会会发发生生变变化化，以以金金属属应应变变片片或或硅硅杯杯作作为为传传感感元元件件制制造造的的压压力力计计分分别别称称为为应应变变式式压压力计和压阻式压力计。力计和压阻式压力计。应
16、变式压力传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.1 应变效应和压阻效应的原理应变效应和压阻效应的原理 l l金属导体的应变效应金属导体的应变效应 金属导体的电阻可以表示为：金属导体的电阻可以表示为：式中：式中：电阻率电阻率 L L 导体长度导体长度 A A 导体横截面积导体横截面积 对对于于一一根根圆圆截截面面的的金金属属电电阻阻丝丝，当当受受到到轴轴向向外外力力F F作作用用后后，电电阻阻丝丝的的长长度度伸伸长长了了d dL L，截截面面积积缩缩小小了了d dA A，电电阻阻率率的的变变化化为为d d，电阻的
17、相对变化量则为：，电阻的相对变化量则为：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.1 应变效应和压阻效应的原理应变效应和压阻效应的原理金属导体的应变效应金属导体的应变效应 因因为为圆圆截截面面的的电电阻阻丝丝A=DA=D2 2/4 4，故故可可以以得出得出式中 材料的泊松系数 dLL金属电阻丝的轴向应变。电阻的相对变化量忽略电阻率变化影响式中式中 D D 电阻丝直径。电阻丝直径。又根据材料力学可知：又根据材料力学可知：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室
18、育人功能3.3.1 应变效应和压阻效应的原理应变效应和压阻效应的原理l l半导体的压阻效应半导体的压阻效应半导体材料受力后的电阻变化同样可以表示为半导体材料受力后的电阻变化同样可以表示为 对于半导体材料而言，因为半导体材料几何尺寸对电阻的变化率影响很小，故上式的后两项可以忽略不计，也就是说，半导体电阻的变化率主要是由d引起的，这一现象也称为压阻效应。对于半导体单晶在沿纵向受力时，电阻率的变化为：半导体材料的压阻系数；E 材料的弹性模量：纵向应变。所以应变引起的电阻变化率为式中K=E，称为半导体灵敏系数 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中
19、小学图书室育人功能3.3.2 金属应变片与应变式压力传感器金属应变片与应变式压力传感器 应变片结构应变片结构 利用金属材料的应变效应，可将形变转换为电阻变化，工程上使用的传感器的传感器称为金属应变片，简称应变片，它是利用极细的金属丝附着在绝缘的薄片上制造而成的。应变片使用时有方向性，测量时应变方向应该与敏感栅的轴向（纵向）一致，这样才能产生较大的信号输出，如果应变方向垂直于敏感栅的轴向，应变片产生的电阻变化非常微小，无法测量。纵向（轴向）横向为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.2 金属应变片与应变式压力传感器金属
20、应变片与应变式压力传感器应变式压力传感器应变式压力传感器 应变式压力传感器的结构有许多种形式，现仅以应变筒的结构为例介绍其测压原理。如图所示，应变筒1的上端与外壳2固定在一起，它的下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，两片应变片R1和R2分别用粘合剂粘贴在应变筒的外壁上。Rl沿应变筒的径向贴放，R2沿应变筒的轴向贴放，要求应变片与筒体之间不会发生滑动现象，并且保持电气绝缘。当被测压力p作用于不锈钢膜片3上而使应变筒作轴向受压变形时，沿轴向贴放的应变片R2，产生轴向压缩应变，其阻值变小；而应变筒在受到轴向压缩变形的同时，径向产生拉伸变形，那么沿着径向贴放的应变片Rl将引起拉伸应变，其阻值增大。利用两个
21、应变片，结合固定电阻构成直流惠斯登电桥，可将应变片的电阻变化转换为与之成正比的直流电压信号进行远传和标准化处理。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.3 压阻元件和压阻式压力传感器压阻元件和压阻式压力传感器 压阻元件压阻元件 利利用用半半导导体体材材料料制制造造的的应应变变-电电阻阻转转换换元元件件称称为为压压阻阻元元件件，硅硅杯杯膜膜片片是是较较为为常常见见一一种种压压阻阻元元件件，它它是是在在一一个个周周边边固固定定的的弹弹性性膜膜片片上上面面扩扩散散有有硅硅应应变变电电阻阻的的硅硅膜膜片片。形形状状有有圆形、
22、方形和矩形等。圆形、方形和矩形等。在在波波纹纹膜膜片片上上的的不不同同位位置置，在在受受到到压压力力影影响响产产生生形形变变时时，会会产产生生不不同同的的变变化化趋趋势势，R1R1、R4R4应应变变片片位位置置产产生生的的应应变变方方向向与与R2R2、R3R3应应变变片片位位置置的的应应变变方方向向相相反反，而而变变化化量量相相同同，利利用用这这一一特特点点，可可以以选选用用不不同同数数量量的的应应变变片片组组成成测测量量桥路，以改善传感器的特性。桥路，以改善传感器的特性。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.3
23、压阻元件和压阻式压力传感器压阻元件和压阻式压力传感器 压阻式压力传感器压阻式压力传感器 压阻式压力传感器主要由压阻芯片和外壳组成。如图所示为典型的压阻式压力传感器的结构原理图。压阻芯片采用周边固定的硅杯结构，封装在外壳内，硅膜片上的扩散电阻接成电桥形式，用引线引出。构成全桥的四片电阻条中，有两片位于受压应力区，另外两片位于受拉应力区，彼此的位置相互对称于膜片中心。硅膜片两边有两个压力腔，一个是和被测压力相连接的高压腔，另一个是低压腔，通常是小管和大气相通。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.4电阻信号的测量电路电
24、阻信号的测量电路 测量电路的作用测量电路的作用 无无论论是是应应变变式式压压力力传传感感器器还还是是压压阻阻式式压压力力传传感感器器，产产生生的的电电阻阻信信号号需需进进一一步步转转换换为为电电压压或或电电流流信信号号，以以便便于于进进行行测测量量信信号号的的远远传传和和处处理理。常常用用的的方方法法是是采采用用直直流流或或交交流流电电桥桥，将将电电阻阻变变化化转转换换为为电电压压信信号号，提提高高了了测测量量的的精精度度和和灵灵敏敏度度，减减少少环环境境因因素素带带来来的的测量误差测量误差。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室
25、育人功能3.3.4电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路 l l应变片的温度误差应变片的温度误差应变片的温度误差应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素是由于材料的电阻温度特性的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素是由于材料的电阻温度特性和受温度影响产生的热胀冷缩现象。和受温度影响产生的热胀冷缩现象。(1)(1)电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响 金属电阻丝多采用铜材料，其阻值随温度变化的关系可用下式表示：金属电阻丝多采用铜材料，其阻值随温度变化的关系可用
26、下式表示：式中：式中：R R0 0 温度为温度为t t0 0时的电阻值；时的电阻值；R R t t 温度为温度为t t时的电阻值；时的电阻值；0 0 金属丝的电阻温度系数；金属丝的电阻温度系数；t t 温度变化值，温度变化值，t=t t=t-t t0 0 半半导导体体材材料料制制造造的的压压阻阻元元件件，其其阻阻值值同同样样会会受受到到温温度度的的影影响响，所所以以当当温温度度变变化化时时，应应变变式式传传感感器器的的电电阻阻会会随随着着温温度度的的变变化化发发生生改改变变，产产生生附附加加的误差。的误差。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发
27、挥中小学图书室育人功能3.3.4电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路 l l应变片的温度误差应变片的温度误差应变片的温度误差应变片的温度误差 (2)(2)弹性构件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 应变片使用时必须和可产生形变的弹性构件粘贴在一起。当弹性构件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。当弹性构件和电阻丝线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。当二者粘贴在一起时，由于受温度变化t影响产生的变形不同，电阻丝产生的附加电阻变化RL为 式中K0为与材料有关的固定系数，R0为应变片的初始阻值。
28、设电阻丝和弹性构件在温度为0时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为S和g。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.4电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路应变片的温度误差应变片的温度误差应变片的温度误差应变片的温度误差 由于温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为：S和g分别为应变片和弹性构件的线膨胀系数，0 为电阻丝材料的温度系数。由上式可知，因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数以及弹性构件线膨胀系数有关。为了避免环境温度对测量的影响，需要在进行应变片信号转换时，
29、通过测量电路进行温度补偿，以减小环境温度带来的系统误差。(2)(2)弹性构件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.4电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路测量桥路测量桥路测量桥路测量桥路 应应应应变变变变式式式式传传传传感感感感器器器器电电电电阻阻阻阻信信信信号号号号的的的的处处处处理理理理多多多多采采采采用用用用不不不不平平平平衡衡衡衡电电电电桥桥桥桥电电电电路路路路。电电电电桥桥桥桥有有有有直直直直流流流流电电电电桥桥桥桥与与与与交交交交流流流流电电电电桥桥桥桥之之之之分分分分。
30、如如如如果果果果采采采采用用用用正正正正弦弦弦弦波波波波电电电电压压压压对对对对电电电电桥桥桥桥供供供供电电电电，这这这这种种种种电电电电桥桥桥桥称称称称为为为为交流电桥；如果采用直流电对电桥供电，这种电桥则称为直流电桥。交流电桥；如果采用直流电对电桥供电，这种电桥则称为直流电桥。交流电桥；如果采用直流电对电桥供电，这种电桥则称为直流电桥。交流电桥；如果采用直流电对电桥供电，这种电桥则称为直流电桥。交交交交流流流流电电电电桥桥桥桥易易易易受受受受传传传传输输输输线线线线分分分分布布布布电电电电容容容容的的的的影影影影响响响响，调调调调平平平平衡衡衡衡困困困困难难难难，通通通通频频频频带带带带较
31、较较较窄窄窄窄，因因因因此此此此传传传传输输输输电电电电缆缆缆缆不不不不宜宜宜宜过过过过长长长长。随随随随着着着着集集集集成成成成电电电电路路路路技技技技术术术术的的的的进进进进步步步步，各各各各种种种种低低低低噪噪噪噪声声声声；低低低低漂漂漂漂移移移移、高高高高效效效效益益益益、高高高高精精精精度度度度、高高高高共共共共模模模模抑抑抑抑制制制制比比比比的的的的运运运运算算算算放放放放大大大大器器器器不不不不断断断断出出出出现现现现，专专专专用用用用信信信信号号号号处处处处理理理理电电电电路路路路模模模模块块块块和和和和高高高高精精精精度度度度的的的的直直直直流流流流电电电电源源源源模模模模块
32、块块块也也也也相相相相继继继继制制制制造造造造成成成成功功功功，直直直直流流流流电电电电桥桥桥桥的的的的应应应应用用用用越越越越来来来来越越越越多多多多。这这这这种种种种新新新新型型型型直直直直流流流流电电电电桥桥桥桥电电电电路路路路的的的的最最最最大大大大优优优优点点点点是是是是频频频频率率率率响响响响应应应应特特特特性性性性好好好好、精精精精度度度度高高高高、不不不不需需需需繁繁繁繁琐琐琐琐地地地地调调调调平平平平衡衡衡衡，允允允允许许许许使使使使用用用用的的的的传传传传感感感感器器器器电电电电缆缆缆缆引引引引线线线线长长长长度度度度远远远远大大大大于于于于交交交交流流流流电电电电桥桥桥桥
33、允允允允许许许许的的的的引引引引线线线线长长长长度度度度。采采采采用用用用直直直直流流流流电电电电桥桥桥桥及及及及相相相相应应应应的的的的二二二二次次次次仪仪仪仪表表表表，比比比比采采采采用用用用载载载载频频频频式式式式交交交交流流流流电电电电桥桥桥桥及及及及二二二二次次次次仪仪仪仪表表表表更更更更为为为为经经经经济济济济。以以以以下下下下重重重重点点点点对对对对不不不不平平平平衡衡衡衡直直直直流流流流电电电电桥桥桥桥的的的的应应应应用用用用进进进进行行行行说明。说明。说明。说明。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.
34、3.4电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路测量桥路测量桥路测量桥路测量桥路 当输出端当输出端abab间开路时，则有电流间开路时，则有电流 如图图所所示示，桥桥路路电电源源电电压压U U为为直直流流，4 4个个桥桥臂臂阻阻值值分分别别为为R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4，当当R R1 1=R R2 2=R R3 3=R R4 4时时，称称为为等等臂臂电电桥桥；当当R R1 1=R R2 2=R R及及R R3 3=R R4 4=R R0 0 （R RR R0 0）时时，称称为为输输出出对对称称电电桥桥；当当R R1 1=R R4 4=R R及及R R2 2=R R3 3=R
35、 R0 0（R RR R0 0）时，称为电源对称电桥。）时，称为电源对称电桥。在电阻在电阻R R1 1及及R R3 3，上的电压降分别为，上的电压降分别为为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.4电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路测量桥路测量桥路测量桥路测量桥路所以，桥路输出可表示为所以，桥路输出可表示为所以，桥路输出可表示为所以，桥路输出可表示为 上上上上式式式式称称称称为为为为直直直直流流流流电电电电桥桥桥桥的的的的平平平平衡衡衡衡条条条条件件件件，电电电电桥桥桥桥达达达达到到到到平平平平衡衡衡衡时时时时其其其
36、其相相相相邻邻邻邻两臂的电阻比值相等。设两臂的电阻比值相等。设两臂的电阻比值相等。设两臂的电阻比值相等。设当当当当U Uo o=0=0时，称为电桥平衡，此时时，称为电桥平衡，此时时，称为电桥平衡，此时时，称为电桥平衡，此时式中式中式中式中 n n桥臂电阻比。桥臂电阻比。桥臂电阻比。桥臂电阻比。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.4电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路测量桥路测量桥路测量桥路测量桥路 假假假假设设设设电电电电桥桥桥桥各各各各桥桥桥桥臂臂臂臂电电电电阻阻阻阻R R1 1、R R2 2、R R3 3、R
37、 R4 4，都都都都发发发发生生生生变变变变化化化化，其其其其阻阻阻阻值值值值的的的的变变变变化化化化量量量量分分分分别别别别为为为为R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4，电电电电桥桥桥桥的的的的输输输输出出出出近似可得近似可得近似可得近似可得右端分子、分母向时除以右端分子、分母向时除以右端分子、分母向时除以右端分子、分母向时除以R R1 12 2，则有，则有，则有，则有为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.4电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路测量桥路测量桥路测量桥路测量桥路输出信号的电压灵敏度
38、为：输出信号的电压灵敏度为：输出信号的电压灵敏度为：输出信号的电压灵敏度为：由由由由此此此此可可可可见见见见当当当当n=1n=1n=1n=1时时时时，桥桥桥桥路路路路输输输输出出出出的的的的灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度最最最最大大大大，此此此此时时时时有有有有R R R R1 1 1 1=R=R=R=R2 2 2 2=R=R=R=R3 3 3 3=R=R=R=R4 4 4 4，即即即即电电电电桥桥桥桥为为为为全全全全等等等等臂臂臂臂电电电电桥桥桥桥，因因因因此此此此全全全全等等等等臂臂臂臂电电电电桥桥桥桥是是是是应应应应变变变变式传感器中常采用的形式。式传感器中常采用的形式。式传感器中常采用的形式
39、。式传感器中常采用的形式。当当当当f f (n)=0(n)=0时，时，时，时，K Ku u有最大值，故有有最大值，故有有最大值，故有有最大值，故有 全等臂直流电桥常见形式有单臂电桥、双臂电桥、全桥。全等臂直流电桥常见形式有单臂电桥、双臂电桥、全桥。全等臂直流电桥常见形式有单臂电桥、双臂电桥、全桥。全等臂直流电桥常见形式有单臂电桥、双臂电桥、全桥。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.4电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路测量桥路测量桥路测量桥路测量桥路单臂电桥单臂电桥单臂电桥单臂电桥 电电电电桥桥桥桥的的的的输输输
40、输出出出出信信信信号号号号与与与与应应应应变变变变片片片片电电电电阻阻阻阻变变变变化化化化率率率率近近近近似似似似成成成成正正正正比比比比。可可可可见见见见电电电电桥桥桥桥可可可可利利利利用用用用其其其其输输输输出出出出电电电电压压压压与与与与应应应应变变变变的的的的函函函函数数数数关关关关系系系系，将压力信号转换为可远传的电信号。将压力信号转换为可远传的电信号。将压力信号转换为可远传的电信号。将压力信号转换为可远传的电信号。如如如如图图图图所所所所示示示示为为为为单单单单臂臂臂臂电电电电桥桥桥桥。桥桥桥桥路路路路结结结结构构构构中中中中只只只只有有有有一一一一个个个个桥桥桥桥臂臂臂臂是是是是
41、测测测测量量量量应应应应变变变变片片片片，其其其其他他他他为为为为固固固固定定定定电电电电阻阻阻阻，且且且且R R1 1=R R2 2=R R3 3=R R4 4=R R，单单单单臂臂臂臂工工工工作作作作时时时时，应应应应变变变变片片片片传传传传感感感感器器器器电电电电阻阻阻阻发发发发生生生生变化，即变化，即变化，即变化，即R R1 1=R R+R R，其他电阻，其他电阻，其他电阻，其他电阻R R=0=0，电桥输出为：电桥输出为：电桥输出为：电桥输出为：当当当当R RR R时，令时，令时，令时，令 1+1+R R/2/2R R1 1，则有，则有，则有，则有为深入学习习近平新时代中国特色社会主义
42、思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.4电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路测量桥路测量桥路测量桥路测量桥路双臂电桥双臂电桥双臂电桥双臂电桥 差动电桥有两种结构，分别称为半桥和全桥。半桥电路又称双臂电桥，结构如图所示，相邻桥臂为两个相同类型的应变片传感器，分别定位于弹性构件适当的位置上。当弹性构件产生形变时，两个应变片受到效果相反的作用，即一个应变片受拉伸作用时，另一个应变片受变化量相同的压缩作用。其电阻变化情况，一臂为R1+R1，而另一臂为R2R2。由于R1=R2=R3=R4=R，而R1=R2=R，所以 可见，由于差动的补偿作用，从理论角度而言，引起
43、非线性误差的因素互相抵消；同时输出信号的灵敏度较单臂电桥提高了一倍。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.4电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路测量桥路测量桥路测量桥路测量桥路全桥全桥全桥全桥 四个桥臂均由参与测量的应变片元件组成，其相邻桥臂的应变片，在弹性构件产生形变时，两个应变片受到效果相反的作用。桥路输出与应变片阻值变化的关系为：可见全桥电路的灵敏度是半桥的2倍，同时全桥电路同样具有差动电桥的非线性误差和温度误差的补偿功能。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分
44、发挥中小学图书室育人功能3.3.4电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路测量桥路信号的后续处理测量桥路信号的后续处理测量桥路信号的后续处理测量桥路信号的后续处理 通通常常，传传感感器器输输出出的的电电信信号号是是微微弱弱的的，且且与与电电路路之之间间的的连连接接具具有有一一定定的的距距离离，因因此此需需要要进进行行信信号号放放大大。按按测测量量放放大大电电路路的的结结构构原原理理可可分分为为差差动动直直接接耦耦合合式式、调调制制式式和和自自动动稳稳定定式式三三大大类类。其其中中，差差动动直直接接耦耦合合式式包包括括了了单单端端输输入入(同同相相或或反反相相)运运算算放放大大电电路路、电电桥桥放放
45、大大电电路路、电电荷荷放放大大电电路路一一等等测测量量放放大大电电路路。按按元元件件的的制制造造方方式式可可分分为为分分立立元元件件结结构构形形式式、通通用用集集成成运运算算放放大大器器组组成成形形式式和和单单片片集集成成测测量量放放大大器器三三种种。在在三三种种方方式式中中，单单片片集集成成测测量量放放大大器器具具有有体体积积小小、精精度度高高、使使用用方方便便的的特特点点。随随着着集集成成工工艺艺的的发发展展，单单片片集集成成测测量量放放大大器器的的应应用用在在日日益益增增多多。以以下下以以多多功功能能信信号号调调理理电电路路AD963AD963为为例例，介绍这类放大器的使用特点。介绍这类
46、放大器的使用特点。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.4电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路测量桥路信号的后续处理测量桥路信号的后续处理测量桥路信号的后续处理测量桥路信号的后续处理 AD693AD693是ADI公司推出的一种单片信号调理器，它具有高精度、多功能的特点。其用途十分广泛，使用也非常灵活，不仅可用作小信号uI转换器，还可作为各种传感器(例如铂热电阻、热电偶、电阻应变片测量电桥)的信号调理器。AD693适用于传感测试系统、工业过程控制及自动化仪表领域。AD693的性能特点 1)内含可编程输入放大器、UI转
47、换器和多路输出式基准电压源。2)输出电流有三种形式：420 mA(单极性)，020 mA(单极性)，128mA(双极性)。3)输入电压范围和电流零点均可单独调节，二者互不影响。4)高精度。5)利用芯片中的备用放大器，可对由铂热电阻(PRTD)、各种热电偶及电阻应变片桥路所产生的信号进行调理(包括缓冲、放大、与其他信号进行组合等)。备用放大器具有电流输出和电压输出两种能力，能为外部传感器提供激励。6)具有过电流保护和反向过电压保护功能。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.4电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路测量桥
48、路信号的后续处理测量桥路信号的后续处理测量桥路信号的后续处理测量桥路信号的后续处理AD693内部结构原理图：可编程输入放大器(A1)UI转换器输出级(晶体管VT1)基准电压及精密分压器、保护二极管(VD)备用放大器(A2)备用输出级(高增益达林顿管VT2)。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.4电阻信号的测量电路电阻信号的测量电路测量桥路信号的后续处理测量桥路信号的后续处理测量桥路信号的后续处理测量桥路信号的后续处理3.4 电容式压力计电容式压力计 3.4.1 3.4.1 电容传感器的原理电容传感器的原理电容传感
49、器的原理电容传感器的原理 3.4.2 3.4.2 电容式压力传感器电容式压力传感器电容式压力传感器电容式压力传感器 3.4.3 3.4.3 电容信号的变送处理电容信号的变送处理电容信号的变送处理电容信号的变送处理 为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.4 电容式压力计电容式压力计 电电电电容容容容式式式式压压压压力力力力计计计计的的的的敏敏敏敏感感感感元元元元件件件件，可可可可将将将将弹弹弹弹性性性性元元元元件件件件受受受受压压压压力力力力影影影影响响响响产产产产生生生生的的的的形形形形变变变变转转转转换换换换为为为为
50、电电电电容容容容量量量量的的的的变变变变化化化化。这这这这类类类类传传传传感感感感器器器器具具具具有有有有结结结结构构构构简简简简单单单单、适适适适应应应应性性性性强强强强、具具具具有有有有良良良良好好好好的的的的动动动动态态态态特特特特性性性性、本本本本身身身身发发发发热热热热小小小小、信信信信号号号号可可可可以以以以非非非非接接接接触触触触测测测测量量量量等等等等特特特特点点点点，随随随随着着着着电电电电子子子子技技技技术术术术的的的的不不不不断断断断发发发发展展展展、电电电电容容容容传传传传感感感感器器器器的的的的应应应应用用用用技技技技术术术术也也也也在在在在不不不不断断断断的的的的完