第2章 1 压力传感器与压力测量 课件(共39张PPT)《传感器与检测技术》同步教学（西安交通大学出版社）

(课件网) 第2章 力学量传感与测量 压力传感器与压力测量 力敏传感器与力的测量 位移传感器与位移测量 质量传感器与质量测量 2.1 压力传感器与压力测量 工程术语中的压力就是物理学中的压强，亦即流体或固体垂直作用在单位面积上的力。压力按时间变化特征分为静态压力和动态压力。根据参考点的变化，压力有以下几种表述方式： （1）大气压力。大气压力指地球表面上的空气质量所产生的压力，由所在地的海拔、纬度和气象条件所决定。 （2）绝对压力。绝对压力指流体介质所处空间的全部压力，即以绝对零压力为参考点所测量的压力。 2.1 压力传感器与压力测量 （3）表压力。表压力指绝对压力与当地大气压力之差。 （4）负表压（真空）。负表压指用绝对压力来表示，绝对压力低于当地大气压力时表压呈负压，其值为当地大气压力与绝对压力之差。 （5）压差。压差指两压力之间的差值。压力的国际标准单位是Pa(帕)，1 Pa=1 N/m2，1个标准大气压=101 325 Pa=1.033 23工程大气压。 压力的测量方法有多种。可以采用弹性体的弹性变形并计算相应的挠曲力来完成；也可以通过将待测压力与细柱状液体或固体重量进行比较测量；还可将压力变换成电阻阻值变化、压电性能变化、液体体积或磁场分布变化等其他物理量来进行测量。 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，在石油、化工、航空、汽车、船舶、建筑、医学、军事等方面得到广泛的应用。 2.1 压力传感器与压力测量 当沿着某些介质的一定方向对其施加力而使其产生形变时，介质内部就产生极化，即在它的两个表面上产生极性相反的电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种将机械能转换为电能的现象称为压电效应，或称为正压电效应。相反，若在这些介质的极化方向上施加电场，介质将产生形变，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。 压电式压力传感器的工作原理 1. 2.1 压力传感器与压力测量 图2.1.1 压电效应 2.1 压力传感器与压力测量 在自然界中，大多数晶体具有压电效应，但效应非常微弱，只有明显呈现压电效应的敏感功能材料才称为压电材料。常用的压电材料有压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等。此外，聚偏二氟乙烯(PVDF)作为一种新型的高分子物性型传感材料也得到广泛的应用。 2.1 压力传感器与压力测量 压电材料的工作原理 2. 1）压电晶体 由晶体特性可知，无对称中心的晶体都具有压电效应，石英晶体是最典型和常用的一种压电晶体，如图2.1.2所示。图2.1.2(c)所示为石英晶体切片，当沿着其电轴（x轴）方向施加作用力F x 时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷Q x，其大小为 ? Q x=d11Fx? (2.1.1) 式中，d11为压电系数，C/N。 2.1 压力传感器与压力测量 图2.1.2 石英晶体 2.1 压力传感器与压力测量 当沿着其机械轴（y轴）方向施加作用力F y 时，则仍在与电轴垂直的平面上产生电荷Q y，其大小为 ? ? （2.1.2） 式中，a和b分别为晶体切片的长度和厚度；d12为机械轴受力时的压电系数，石英轴对称时有d12=-d11。 2.1 压力传感器与压力测量 在一个晶体单元中，有3个硅离子Si4+和6个氧离子O2-，后者是成对的，所以一个硅离子和两个氧离子交替排列。当没有力作用时，Si4+和O2-在垂直于晶体z轴的xy平面上的投影恰好等效为正六边形排列，如图2.1.3(a)所示。这时，正负离子正好分布在正六边形的顶角上，呈现电中性。如果沿x方向压缩，如图2.1.3(b)所示，则硅离子1被挤入氧离子2和6之间，而氧离子4被挤入硅离子3和5之间，结果表面A上呈现负电荷，而在表面B上呈现正电荷。这一现象称为纵向压电效应。 2.1 压力传感器与压力测量 2.1 ... ...