第7章 力、压力测量

1. 第7章 力、压力测量 本章基本内容 7.1 应变片压力传感器及其测量电路 7.2 压阻式压力传感器及其典型应用电路 7.3 振动式压力传感器的测量电路设计 7.4 利用差动变压器测量压差

2. 7.1 应变片压力传感器及其测量电路 应变片压力传感器是目前用于测量力、压力、重量等 参数最主要的传感器之一，它具有悠久的历史，但新 型应变片仍在不断出现。它是利用应变效应制造的一 种测量微小变化量（机械）的理想传感器。 应变片压力传感器的基本原理是： 它是将应变电阻片（金属丝式、箔式或半导体应变片） 粘贴在测量压力的弹性元件表面上，当导体或半导体在 受到外界力的作用时，会产生机械变形，从而导致阻值 的变化。导体和半导体的电阻R与电阻率及其几何尺寸 （长度、截面积S）有关。当导体和半导体受到外力作用 时，电阻率、几何尺寸的变化会引起电阻的变化。通过 产生阻值的大小，就可以反映外界作用力的大小。

3. 7.1.1 应变片压力传感器 1. 电阻应变效应 电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生 变化，叫做电阻应变效应。 2．电阻应变片 （1）金属电阻应变片 图7.1（a）所示的应变片是将金属丝（一般直径为 0.02~0.04mm）贴在两层薄膜之间。图7.1(b)采用金属薄 膜代替了细丝，因此又称为箔式应变片，金属箔的厚度 一般在0.001~0.01mm之间。箔片是先经轧制后，经化学 抛光而制成的，其线栅形状是用光刻工艺制成。因此形 状尺寸可以做得很准确。由于箔式应变片很薄，散热性 能好，在测量中可以通过较大的电流，提高了测量灵敏 度。

4. 图7.1 电阻应变片 （2）半导体电阻应变片 半导体应变片的工作原理和导体应变片相似，对半导 体施加应力时，其电阻率发生变化，这种半导体电阻率 随应力变化的关系称为半导体压阻式效应，与金属导体 一样，半导体应变电阻也由两部分组成，即由于受应力 后几何尺寸变化引起的电阻变化和电阻率变化引起的电 阻变化两部分，在这里电阻率变化引起的电阻变化是主 要的

5. 图7.2是一种条形半导体应变片。为了提高灵敏度除应 用单条应变外，还有制成栅形的。各种应变片的技术参 数、特性及使用要求可参见有关应变片手册。 图7.2 半导体应变片 7.1.2 应变片压力传感器的变换电路 由于机械应变一般均很小，从而电阻应变式的电阻变 化范围也很小，直接测出这一小变化较困难，一般利用 桥式测量电路来精确测量出这些小的电阻变化。

6. 1. 桥式测量电路 桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个电阻均可以 是应变片。桥式测量电路如图7.3所示，电桥平衡，即电 桥输出V。为零时的条件是： 图7.3 桥式测量电路

7. 若使用恒压源供电，这时可以采用如图7.4所示的半桥若使用恒压源供电，这时可以采用如图7.4所示的半桥 电路，电桥输出电压 图7.4 半桥电路图7.5 全桥电路 全桥电路如图7.5所示，其输出电压

8. 若使用恒流源供电，也可以采用半桥和全桥电路以使若使用恒流源供电，也可以采用半桥和全桥电路以使 输出电压呈线性，但其受拉、受压的应变片在电桥上的 排列顺序与恒压源电桥稍有不同。图7.6是四种半桥电路， 图7.7是全桥电路。 图7.6 半桥电路

9. 图7.6 半桥电路 图7.7 全桥电路

10. 2. 电桥的零位调整电路 由于被测应变片的性能差异以及引线的分布电容的容抗等原因，会影响电桥的初始平衡条件和输出特性，因此必须对电桥预调平衡，包括电阻调零和电容调零。 (1) 电阻调零 图7.8 串联法调零图7.9 并联法调零

11. (2) 电容调零 图7.10 电容调零电路 差动电容调零法如图7.10（a）所示。 阻容调零如图7.10（b）所示。

12. 3. 应变片的温度补偿电路 温度的变化会引起应变片电阻的变化，从而影 响测量精度。为了消除这种误差，可利 用桥路补偿、应变片自补偿和热敏电阻法等方法。 所谓桥路补偿，就是利用电桥相邻两臂产生的 电阻增量不会影响电桥平衡这一特点，将两个特 性相同的应变片贴在同样材质的两个试件上，并 将它们置于相同的温度环境。其中一个应变片处 于受力状态而另一个应变片作为温度补偿片，从 而消除温度对测量精度的影响。 所谓应变片自补偿，就是采用电阻的增量不受 温度影响的应变片。若电桥中采用自补偿应变片， 一般不需要另设温度补偿电路。

13. 热敏电阻补偿法如图7.11所示。 图7.11 热敏电阻补偿法

14. 4. 典型的桥路变换器 将变换器作应变片使用时，为改善电桥的性能，一般在应变仪电路中附加零位和灵敏 度系数的温度补偿。通常是在应变片之外加上各种补偿电阻。 图7.12是典型的桥路网络，编号1～9为微调接线盒的接线桩头。 图7.12 桥路网络

15. 7.1.3 应变片压力传感器的测量电路设计 1.应变片电桥供电电源的设计 电桥电流的温度稳定性应设计为传感器的温度稳定（﹪FS/℃） 的1/100左右。如果传感器的温度稳定度为1﹪FS/℃，则电桥供电电 源的稳定度应为0.01﹪FS/℃。 图7.13所示电桥电源电路采用集成芯片723，这是一种极普通的电 桥电源电路。目前市场上供应一些其它的高精度电压源芯片，如 1403。 图7.13 电桥电源电路

16. 图7.14是高稳定的电桥电源电路，它主要由齐纳二极 管和运算放大器组成，该电路具有负反馈功能，故能增 加输出电桥电源的稳定性。 图7.14 高稳定电桥电路

17. 图7.15 所示的电路的输出是恒流源，可以给恒流激励 型的压力传感器电桥供电，电流的稳定有R1～R4决定。 图7.15 恒流源电路

18. 多路压力传感器电源电路如图7.16所示。在这种电源多路压力传感器电源电路如图7.16所示。在这种电源 电路中，有三种供电电压，供给AM7650-1的5V电源， 由7805和7905提供；供给AM427A的15V电源，由7815 和7915提供；供给压力传感器的10V电源，由LM317提 供。 图7.16 多路压力传感器电源电路

19. 2. 放大电路的设计 一般电桥的输出电压大约为10～100mV，需经过放大 后，才能送到控制系统进行数据处理。 图7.17 高精度压力放大电路 其增益为

20. 图7.18所示为低漂移运算放大器构成的简易应变仪放 大电路，它专门为桥臂阻值为350 的电桥而设计。 图7.18 简易应变仪放大电路

21. 7.1.4 半导体应变片压力传感器测量电路的设计

22. 半导体应变片压力传感器以恒流源工作作为第一选择。半导体应变片压力传感器以恒流源工作作为第一选择。 测量电路如图7.20所示。利用运放和电阻R构成恒流源给 电桥供电，电桥上流过的电流I=1.5/R=1.5mA。 图7.20 半导体应变片测量电路

23. 半导体应变片电桥带来的另一个问题是：电桥本身的 电阻较大，必须采用高输入阻抗的放大器，在图7.20所 示的电路中，采用了三个运放构成的仪用放大器。若要 在电路中消除零点偏移电压，可在电桥中增设一只可调 电阻RP3。如图7.21所示。 图7.21 调零电路

24. 7.1.5 变片压力传感器实用检测电路 变片压力传感器检测电路的框图如图7.22所示，它由 压力传感器、放大器A和电源三大部分组成。其中电源电 路如图7.16所示。 图7.22 变片压力 传感器检测电路 的框图 实用压力检测电路如图7.23所示。电路中的前置放大 器采用AM7650-1，它是一种斩波型放大器。后级放大器 采用普通运算放大器即可，这里采用AM427A。

25. 图7.23 传感器SP20C-G501的应用实例

26. 图7.24是传感器SP20C-G501的应用电路，输出电压 1~5V相应的压力为0～50kPa。供电电流的变动会直接 影响传感器的输出电压，因此，希望电流变动要小。另 外，增大或减小驱动电流可调整输出电压，如电流过小， 输出电压降低的同时，抗噪声的能力也会减弱；电流过 大，会使传感器发热等，将对传感器各种特性的影响加 大。 对于SP20系列传感器，推荐的标准驱动电流为1mA， 即使用的电流为1mA左右即可。电路中，采用通用运算 放大器LM324，由稳压二极管VD提供2.5V的输出电压经 电阻R2和R3的分压得到的基准电压，作为运算放大器A1 的输入电压，并提供1mA的电流。传感器的驱动电流经 基准电阻R4，其上的电压降等于输入电压那样进行负反 馈工作。

27. 图7.24 传感器SP20C—G501应用电路

28. SP30C系列压力传感器应用电路如图7.25所示。 图7.25 SP30C系列压力传感器应用电路 SP30C系列压力传感器的额定压力，对于501为 0.5kgf/cm2(1kgf/cm2100kPa),对于102为1.0kgf/cm2；使 用温度范围为-20~ +80；满标度电压为60-140mV；失调 电压为020 mV 。

29. 图7.26是P-2000系列压力传感器的应用电路。P-2000图7.26是P-2000系列压力传感器的应用电路。P-2000 系列压力传感器的额定压力，对于501G为0.5 kgf/cm2。 对于102G为1.0kgf/cm2，对于352G为3.5kgf/cm2；使 用温度范围为-20~ +80 。 图7.26 P—2000系列压力传感器应用电路

30. 7.2 压阻式压力传感器及其典型应用电路 压阻式传感器是利用晶体的压阻式效应的传感器。当 它受到压力作用时，应变元件的电阻发生变化，从而使 输出电压发生变化。一般压阻式传感器是在硅膜片上做 成四个等值的电阻的应变元件，构成惠斯顿电桥。当受 到压力作用时，一对桥臂的电阻较大，而另一对桥臂电 阻较小，电桥失去平衡，输出一个与压力成正比的电压。 由于硅压组式压力传感器的灵敏系数比金属应变的灵敏 系数大50～100倍，故硅压阻式压力传感器的满量程输出 可达几十毫伏至二百多毫伏，有时不需要放大就可直接 测量。另外压阻式传感器还有易于微型化，测量范围宽， 频率响应特性好（可测几千伏赫兹的脉动压力）和精度 高等特点。但在使用过程中，要注意硅压阻式型压力传 感器对温度很敏感，在具体的应用电路中要采用温度补 偿。

31. 7.2.1 压阻式压力传感器 1. 工作原理 硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻式效应制成的器件，也就是在单晶硅的基片上用扩撒工艺(或离子注入工艺及溅射工艺)制成一定形状的应变元件，当它受到压力作用时,应变元件的电阻发生变化，从而使输出电压变化。其工作原理如图7.27所示。 图7.27 压阻式压力 传感器工作 原理图

32. 很多压阻式压力传感器在硅膜片上做成四个等值电阻的应变元件，很多压阻式压力传感器在硅膜片上做成四个等值电阻的应变元件， 形成惠斯顿电桥，其工作原理如图7.28所示，当不受压力作用时， 一对桥臂电阻变大，而另一对桥臂电阻变小，电桥失去平衡，有一 个与压力成正比例的电压输出。 图7.28 另一种压阻式压力传感器的工作原理

33. 2. 压阻式压力传感器的特点 （1）易于微小型化 （2）易于集成化 （3）灵敏度高 （4）测量范围宽 （5）频率响应高 （6）精度高，工作可靠，寿命长 3. 传感器的三种测量方式与结构 压阻式压力传感器可以测量绝对压力、表压力及差动压力。绝对压力传感器有一个密封的近似真空的参考真空室，也就是说在未测量时，膜片上已作用了一个大气压的压力了，如图7.29（a）所示。若施加的压力大于大气压，则是正压；若施加的压力小于大气压，则为负压。图7.29（b）是测表压，传感器的另一端有小孔是通大气的。图7.29（c）有两个接管咀，它可测两压力之差（压差）。

34. 图7.29 三种压力测量传感器结构示意图 4. 传感器的供电方式 压阻式压力传感器由恒压源或恒流源供电。由恒压源 供电的电路如图7.30所示。由恒流源供电的电路如图 7.31所示。

35. 图7.30 恒压源供电图7.31 恒流源供电 5. ICS33型压力传感器 这里将介绍较先进的ICS33型压阻式压力传感器。它的特点是采用较先进的半导体技术进行微细加工（离子注入、溅射薄膜、精密腐蚀及焊接技术等），并经过激光微调技术，使电桥的零位输出电压小于；采用激光微调后，使传感器输出灵敏度一致，具有互换性.

36. ICS33型压力传感器外形、内部电路如图7.32(a)所示；ICS33型 压力传感器的典型放大电路如图7.32(b)所示。A1、A2组成仪表放大 器，主要是提高放大器的输入电阻和测量精度。 图7.32 ICS33型压力传感器外形、内部电路及典型放大电路

37. 7.2.2 典型测量电路 压阻式传感器的测量电路包括：恒电流，放大电路及温度补偿电路。由于对测量精度的不同及传感器的不同，在电路的设计上有较大的差别，主要介绍一些基本电路。 1. 恒流源 压阻式压力传感器的工作电流一般为1~10mA,恒流源除供给传感器工作电流外，还可以在一定范围内调节传感器的灵敏度，因为恒流源的稳定性对传感器的精度有影响。这里介绍几种常用的恒流源。 (1) 采用场效应管的恒流源 其电路如图7.33（a）。

38. 图7.33 采用场效应管的恒流源 7.34 采用基准电源及运放的恒流源 (2) 采用基准电压及运算放大器组成的恒流源电路 如图7.34所示。

39. 2. 温度补偿电路 在压力传感器中未加温度补偿电路网络，其输出是随温度变化的，因此，在使用温度范围较大而要求保证精度时就需要加温度补偿电路。这里介绍几种简单的温度补偿电路。 (1) 采用一个串联电阻 (2) 采用热敏电阻及固定电阻并联的温度补偿电路 图7.35 采用串联电阻的温度补偿电路 7.36 热敏电阻及固定电阻并 联的温度补偿电路

40. (3) 采用硅二极管及三极管的温度补偿电路 图7.37 采用硅二极管的温度补偿电路图7.38 采用硅三极管的温 度补偿电路 3. 调零电路 由于传感器在零压力时输出不为零，所以要在电路上给予补偿，当为零 压力时，输出为零。图7.39为最简单的调零电路。当零压力输出为负时， 采用图7.39（a）所示电路；若零压力输出为正时，则用图7.39（b）所示 电路。并联电位器RP的阻值应大于桥臂电阻值，具体要求在调整时确定。

41. 图7.39 简单的调零电路 图7.40 精确的 调零电路

42. 4. 应用举例 图7.41 应用电路实例

43. 4. 应用举例 图7.42为压力-频率变换应用电路。传感器采用 MOTOROLA公司的压力传感器. 图7.42 压力-频率变换应用电路

44. 7.3 振动式压力传感器的测量电路设计 由机械振动学原理可知，任何弹性体在外界力的作用下，只要克服阻力的影响，它就具有一定的振荡频率（固有振荡频率）。振动式传感器就是利用外力的变化来改变物体的谐振频率，从而通过测量频率的变化来间接测量外力的大小。 振动式压力传感器的组成如图7.43所示，振动式压力传感器必须有激振元件激励振子发生振动，通过拾振元件检测振动的频率，从而测出外加在振子上的力的大小。 图7.43 振动式压力传感器的组成

45. 7.3.1 振弦式压力传感器及其测量电路 振弦式压传感器测量压力的原理如图7.44所示。它包括振弦、磁 铁和夹紧装置等部分组成。-将一根细的金属丝置于永久磁铁所产生 的磁场内，振弦的一端固定，另一端与被测物体的运动部分连接。 在磁场作用下，振弦按其固有频率振动。改变振弦的张力F，则其谐 振频率也随着改变。 图7.44 振弦式压传感器 谐振频率 张力F

46. 图7.45 振弦激励电路 连续激励振及测量电路，如图7.46所示。

47. 图7.46 连续激振及测量电路 振荡的频率取决于振弦的自振频率。为了使传感器在整个压力范 围内可靠地工作，要求运算放大器有足够的带宽。 采用电磁铁连续激励的方法，可以使测量电路不致太复杂。但连续的振荡会使振弦产生热膨胀现象。因此，在实际应用中选用何种激励方法，要根据被测量的工作状态和要求而定。

48. 7.3.2 谐振膜压力传感器及其测量电路 1. 工作原理 谐振膜压力传感器的原理如图7.47所示。它主要用于 气体压力的测量。 图7.47 谐振膜压力传感

49. 2. 测量电路 图7.48是由运算放大器构成的振膜式压力传感器测量电路。 图7.48 振膜式压力传感器测量电路

50. 图7.49 频率计数器电路 7.7.3 石英谐振式压力测量系统 石英谐振式压力测量系统框图如图7.50所示，其原理 是：用谐振频率为（如5MHz）的振动式传感器检测压力 信号，其输出信号经倍频器输出到差频器，并与标准频 率相比较，这样经差频器输出的频率值与压力成正比。