高中物理 第三章 电磁技术与社会发展压力传感器

高中物理 第三章 电磁技术与社会发展压力传感器

压力传感器 ‎ 控制系统中典型的压力传感器包括机油压力传感器、进气压力传感器、燃油压力传感器、大气压力传感器，以及某些情况下OEM安装的压力传感器。天然发动机通常还安装有多个压力传感器。康明斯发动机上使用的压力传感器有2种：一种是电容式压力传感器；另外一种是压电晶体式传感器。2种传感器均为3线式，2根电源线向传感器提供5V的工作电压，1根信号线向ＥCU提供压力信号电压。燃油压力传感器接线图和装配图如图４所示。‎ 电容式压力传感器 通过内部的一个电容来感应压力的变化，当压力变化时，压力差使电容的２个极板之间的距离发生变化，从而输出一个信号电压。‎ 压电晶体式传感器 通过内部一个压电晶体来感应压力的变化，当压力变化时，作用在压电晶体上的压差使电晶体输出一个信号电压。‎ 根据压力传感器测量压力时参考压力的不同，压力传感器又可以分为相对 压力传感器和绝对压力传感器2种。相对压力传感器测量压力时的参考压力为大气压力，因此其测量大气时的测量值为零；绝对压力传感器 测量压时的参考压力是真空，其测得的压力值为绝对压力。压力传感器工作原理 如图5所示 。‎ ‎ 大部分压力传感器无法通过测量电阻的方式来判断好坏，而需要在压力传感器作时通过输出的信号电压来判断。因此在检测压力传感器时需要专用的检测导线，保证传感器正常工作的时将条线引出供检测，不同的压力传感器需要不同的检测导线。图6为3种不同的压力传感器测试插头 。‎ 不同的压力传感器其插头不同，所选用的专用测试导线不同，但其测试方法是一样的。测试方法是：①断开传感器与线路的插头；②选择正确的测试导线（即测试导线插头与传感器插头相同）；③用万用表在测试端分别测出输入电压和输出信号电压。把测得的电压值分别与发电机厂给出的标准技术规范相比较，即可判断该传感器是否正常。‎ 具体实例：‎ HB2135系列专用型硅压阻压力传感器 特点：‎ ‎·自主设计、专业制造的硅压阻压力传感器 ‎·标准压力接口和信号输出 ‎·膜片隔离、稳定可靠 ‎·恒流、恒压供电模式的温度补偿网络 ‎·广泛应用于现场过程控制、设备仪器的气体和液体的表 压、绝压的测量 主要技术指标：‎ 序号 项目 规格 ‎1‎ 基准量程 ‎35kPa、100kPa、250kPa、600kPa、1MPa、2.5MPa、‎ ‎6MPa、10MPa、25MPa 、40MPa、60MPa 、100MPa ‎2‎ 过载能力 ‎1.5倍基准量程的 ‎3‎ 零点输出 ‎±1mV ‎4‎ 满量程输出 ‎≥50mV ‎5‎ 准确度 ‎±0.1%F.S、±0.25%F.S、±0.5%F.S ‎6‎ 电特性 供电电源：1mA,或恒压5V 绝缘电阻：＞‎200M（100VDC）‎ 桥路阻抗：5（1±20%） k‎ ‎7‎ 温度范围 工作温度：-40～+‎100℃‎ 0～70℃（典型）‎ 补偿温度：-30～+‎100℃‎、-10～+‎50℃‎、0～70℃‎ ‎8‎ 零点温度系数 ‎±0.02%F.S /℃（典型）‎ ‎9‎ 灵敏度温度系数 ‎±0.02%F.S / ℃（典型）‎ ‎10‎ 长期稳定性 ‎0.2%F.S /年 注：1.准确度包括迟滞、重复性和非线性（最小二乘法）‎ ‎2.没有其它说明,所有测试值均相对‎25℃‎ 电气接线示意图 典型应用电路 红色导线—电源+ 棕色导线—电源-‎ 橙色导线—输出+ 黄色导线—输出-‎ 型号及规格代号 HB2135‎ 专用型硅压阻压力传感器 代 号 品 种 A 绝 压 G ‎ 表 压 代 号 基准量程 ‎35‎ ‎0～35kPa ‎101‎ ‎0～100kPa ‎251‎ ‎0～250kPa ‎601‎ ‎0～600kPa ‎102‎ ‎0～1MPa ‎252‎ ‎0～2.5MPa ‎602‎ ‎0～6MPa ‎103‎ ‎0～10MPa ‎253‎ ‎0～25MPa ‎403‎ ‎0～40MPa ‎603‎ ‎0～60MPa ‎104‎ ‎0～100MPa 代 号 准确度等级 B ‎0.1%F.S C ‎0.25%F.S D ‎0.5%F.S 代号 温度补偿模式 AT 恒流供电温度补偿 VT 恒压供电温度补偿 代 号 压力测量接口 J M20×1.5外螺纹 K Z1/2〃外螺纹 L 客户约定 代 号 信号输出连接 M1‎ 航空接插件 M2‎ 赫斯曼接插件 M3‎ 缆线连接 L 客户约定 代 号 补偿温区 T1‎ ‎-30～+‎‎100℃‎ T2‎ ‎-10～+‎‎50℃‎ T3‎ ‎ 0～‎‎70℃‎ 数 字 年代及编号 选型示例 HB‎2135 G ‎102 C J M2 T1 0600003‎ HB2135系列专用型硅压阻压力传感器，表压，量程0～1MPa，准确度±0.25%F.S， M20×1.5外螺纹压力测量接口，赫斯曼接插件连接，补偿温区-30～+‎100℃‎ 2020年生产，第00003编号。‎ 电阻应变式传感器 ‎1 1电阻应变式传感器定义 被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。‎ ‎1.2 电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。‎ 箔式应变片是以厚度为0.002——‎0.008mm的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——‎0.008mm。丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．‎05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 Ω，通常为120 Ω，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片也跟随变形。如下图所示。B为栅宽，L为基长。‎ 材料的电阻变化率由下式决定：‎ ‎ （1）‎ 式中；‎ 由材料力学知识得；‎ ‎ (2)‎ 式中K对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR、dL改写成增量ΔR、ΔL,可得 ‎ (3)‎ 由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。‎ ‎1.3电阻应变式传感器的分类及特点 ‎ 测低压用的膜片式压力传感器 常用的电阻应变式压力传感器包括 测中压用的膜片——应变筒式压力传感器 测高压用的应变筒式压力传感器 ‎1.3.1‎膜片——应变筒式压力传感器的特点 该传感器的特点是具有较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、动态特性和较高的自震频率，可达30khz以上，测量的上限压力可达到9.6mpa。适于测量高频脉动压力，又加上强制水冷却。也适于高温下的动态压力测量，如火箭发动机的压力测量，内燃机、压气机等的压力测量。‎ ‎1.3.2‎‎ 膜片式应变压力传咸器的特点 A 这种膜片式应变压力传感器不宜测量较大的压力，当变形大时，非线性较大。但小压力测量中由于变形很小，非线性误差可小于0.5％，同时又有较高的灵敏度，因此在冲击波的测量中，国内外都用过这种膜片式压力传感器。‎ B 这种传感器与膜片—应变筒式压力传感器相比，自振频率较低，因此在低压高频测量中，应严防冲击压力频率与膜片自顿频率相接近，否则台带来严重的波形与压力值的失真与偏低。‎ 三：压电式压力传感器 压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应，将压力转换为相应的电信号。经放大器、记录器而得到欲测的动态压力参数。‎ ‎3.1压电式压力传感器的工作原理 由于压电传感器受到力时，其表面聚集着数量相等而极性相反的电荷Q，而晶体片本身又是绝缘体，很显然这样的晶体片就构成了电容器，若极扳间电容为CO时，在两极板间呈现的电压为：‎ 因此压电传感器可以等效为一个电压源和一个串联电容表示的等效电路或把压电传感器等效—个电荷源与一个电容CO并联的电荷等效电路。‎ 压电作感器的前置放大器可分两类，即高输入阻抗电压放大器，其输出电压与输入电压成正比，这种电压前置放大器一般也称为阻抗变换器；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成比例。‎ A电压放大器的工作原理 由于电压放大器具将高输入阻抗和低输出阻抗的特点，因此压电传感器经过电压故大器后就变为低阻抗输出了，这就可以用光线示波器或普通仪器进行记录。‎ B 电荷放大器的工作原理 电荷放大器能将高内阻的电荷转换为低内阻电压输出，且输出电压正比输入电荷，因此电荷放大器同样起着阻抗变换的作用。它实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运算放大器。‎ ‎3.2压电式压力传感器的特点主要有 ‎ 自震频率高 能适应恶劣环境（如花炮冲击波压力）‎ 低频性能差 温度效应敏感 使用及维修使用比较苛刻 四：电感式压力传感器 ‎4.1电感式压力传感器的工作原理 这种传感器是将压力的变化量转换为对应的电感变化量输入给放大器 和记录器。如下图所示。‎ 电感传感器的工作原理图 ‎1—铁芯 2—衔铁 3—膜盒 p—作用压力 铁芯1和衔铁2均由导磁性材料硅钢片或坡莫合金制成。衔铁和铁芯之间有空隙∂，在压力作用下，衔铁随膜盒3上下运动，磁路中的气隙∂随之改变，使线圈的磁阻发生变化，从而引起线圈电感的变化。线圈中的电感等于单位电流所产生的磁链。‎ 电感量 上式为电感压力传感器的基本特性公式，它表示由于压力P的变化引起膜片衔铁气隙∂的变化，使得磁路中线圈电感也有相应的变化，而测出电感量的变化，就能得到压力的大小。‎ ‎4.2电感式压力传感器的特点 A压力变换器的线性有了很大的改善，可扩大到起始间隙的0.3——0.4倍。‎ B桥压越高，起始气隙越小及初始电磁参数越高，灵敏度就越高。‎ ‎======================================================== ‎