请利用压电式传感器设计一个测量轴承支座受力情况的装置

『壹』 跪求· ··关于活塞式压电式压力传感器的课程设计，包括各个参数的详细计算和活塞式传感器的图片

活塞式压电传感器课程设计

专业:测控技术与仪器

班级:08测控

姓名:单雨

目 录
引言 1
1.传感器课程设计的目的和任务 2
1.1目的 2
1.2要求 2
2.传感器设计方案的选择 3
2.1传感器种类的选择 3
2.2传感器支承的选择 4
2.3电级结构的选择 5
3.传感器机械设计各部分的参数确定 7
3.1晶片的参数 7
3.1.1压电系数 7
3.1.2晶片的直径的确定 9
3.2验算 9
3.3电极的设计 12
3.4弹簧设计 12
4.传感器整体的结构设计 15
附录 16
参考书目 17

引 言
压电式压力传感器基于压电效应的压力传感器。它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成（见图）。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号(见压电式传感器)。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温和体积小。压电材料最适合于研制这种压力传感器。目前比较有效的办法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法,例如XYδ（+20°～+30°）割型的石英晶体可耐350℃的高温。而LiNbO3单晶的居里点高达1210℃，是制造高温传感器的理想压电材料。
压电式压力传感器的结构类型很多，但它们的基本原理与结构仍与前述压电式加速度和力传感器大同小异。突出的不同点是，它必须通过弹性膜、盒等，把压力收集、转换成力，再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶体作压电元件。压电压力传感器种类及型号繁多，按弹性敏感元件分，主要有两种，活塞式和膜片式。在压电式传感器中，常采用两或两片以上的压电元件组合、并联两种方式工作，并联时，输出电容大、电荷大，同时，时间常数τ= 大，宜于用于缓慢信号的测量，并宜用于以电荷作输出的场合。串联时，输出电压高，自身电容小，宜使用于输出为电压及测量电路的输入阻抗很高的场合。活塞式压力传感器也分为中压活塞式和高压活塞式传感器。根据要求选择的时活塞式直接支承并联式传感器。其主要是根据外界受力的变化来转变成电压的变化从而测到外界的压力的变化,压力与外接电压是一个线性变化的关系。下面就是压电式压力传感器的具体选择方案等说明书

1.传感器课程设计的目的和任务
1.1目的
（1）. 巩固所学知识，加强对传感器原理的进一步理解；
（2）. 理论与实际相结合，“学以致用”；
（3）. 综合运用知识，培养独立设计能力；
（4）. 着重掌握典型传感器的设计要点，方法与一般过程；
（5）. 培养学生精密机械与测控电路的设计能力。
1.2要求
(1)．设计时必须从实际出发，综合考虑实用性、经济性、安全性、先进性及操作维修方便。如果可以用比较简单的方法实现要求，就不必过份强调先进性。并非是越先进越好。同样，在安全性、方便性要求较高的地方，应不惜多用一些元件或采用性能较好的元件，不能单纯考虑简单、经济；
(2)．独立完成作业。设计时可以收集、参考传感器同类资料，但必须深入理解，消化后再借鉴。不能简单地抄袭；
(3)．在课程设计中，要随时复习传感器的工作原理。积极思考。不能直接向老师索取答案和图纸。
(4). 设计传感器测头机械机构方案,绘制总装图(CAD为工具),编写传感器设计说明书。

2.传感器设计方案的选择
设计一台活塞式压电式压力传感器
设计的参数
1.量程范围（压缩）40 MPa
2.灵敏度为1.6×10-3pC/Pa
3.固有频率≥40kHz
4.线性度≤1％
5.绝缘电阻≥1012Ω
压电式压力传感器的结构类型很多，但它们的基本原理与结构仍与前述压电式加速度和力传感器大同小异。突出的不同点是，它必须通过弹性膜、盒等，把压力收集、转换成力，再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶体作压电元件。其结构主要是由本体、弹性敏感元件和压电转换元件组成。
2.1 传感器种类的选择
压电压力传感器种类及型号繁多，按弹性敏感元件分，主要有两种，活塞式和膜片式。
活塞式压电式传感器的应用特点：
(1)灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简单、牢固，可靠性好，寿命长；
(2)体积小，重量轻，刚度、强度、承载能力和测量范围大，动态响应频带宽，动态误差小；
(3) 易于大量生产，便于选用，使用和校准方便，并适用于近测、遥测。

（a）中压活塞式 传感器 (b) 膜片式石英压力传感器结构图

图 1 压电式压力传感器结构图
图(a) 1本体 2活塞3弹簧4晶片5绝缘套6晶片7电极 8绝缘套9晶体10垫块

图(b) 1街头 2绝缘套3芯体4绝缘管 5电极引线6本体7晶体8压块9绝缘管10压紧螺母11繁定螺母

2.2传感器支承的选择

(a) 直接支承 (b)间接支承
图 2 压电压力传感器结构简图
1本体 2支撑螺杆3压电转换元件4电极5压电转换元件6膜片
图1 中(a)为晶片直接支承在本体上 （b） 为晶片间接支承在本体上。这两种结构形式的谐振频率相差很大。
2.3 电级结构的选择
传感器的固有频率为 0¬2=K/m，为了使活塞活动灵活，必须增加长度，这样将使质量 增加而使 下降，一般取 0 30kHz 。如果采用导电胶粘接晶片和电极，可提高刚度K，使 0 提高至40kHz。
在压电式传感器中，常采用两或两片以上的压电元件组合、并联两种方式工作，如下图所示。

（a）并联方式 （b）串联方式

图3 压电式的连接方式

(1)并联结构
如图5（a）所示，负极集中在中间，正极为上、下两个面的串联，此种方式称为并联方式。
n片并联时，并联输出电容为
输出电压为
极板上电荷为
式中 n ¬——片数；
C1、U1、Q1——单片时的电容、电压、电荷量。

(2)串联结构
如图5（b）所示，上极板为正极，下极板为负极，中间正、负电荷抵消方式称为串联结构形式。
输出电荷量为

输出电压为

输出电容量为

由此可见：
（1） 并联时，输出电容大、电荷大，同时，时间常数τ= 大，宜于用于
慢信号的测量，并宜用于以电荷作输出的场合。
（2） 串联时，输出电压高，自身电容小，宜使用于输出为电压及测量电路的
入阻抗很高的场合。

根据要求选择的时活塞式直接支承并联式传感器

3.传感器机械设计各部分的参数确定:
3.1晶片参数确定
3.1.1 压电系数
根据正压电效应原理可知，当一个平行于X轴的力Fx作用于垂直于X轴的压电元件的平面上时，则在该平面上产生的点和密度为
1=d11 1=d11=d11 （3-1）
式中 d11———压电系数：晶体受单位力作用时产生的电荷量；
1———Ax面上的作用应力。
所以，在弹性限内电荷密度 1与应力（作用力）成正比。
如果同时在压电原件的x、y、z三个轴向上作用拉（压）力，对yz、xy、xz平面上作用切向力，则个平面上的电荷密度可用数学表达式表示如下：
1= d11 1+ d12 2+ d13 3+ d14 23+ d15 31+ d16 12
2= d21 1+ d22 2+ d23 3+ d24 23+ d25 31+ d26 12 （3-2）
3= d31 1+ d32 2+ d33 3+ d34 23+ d35 31+ d36 12

式中 1、 2、 3——Ax、Ay、Az 各平面上的电荷密度；
1、 2、 3——Ax、Ay、Az平面上作用的轴向应力；
23、 31、 12——切向应力；
dij——压电系数
将式（1-8）以矩阵形式表示，则有

1
2

1 3

2 =D 4

3 5

6

式中 4= 23， 5= 31， 6= 12

d11 d12 d13 d14 d15 d16
D= d11 d12 d13 d14 d15 d16 （3-3）
d11 d12 d13 d14 d15 d16

式（1-4）称为压电系数矩阵。实验得到石英晶体的压电系数矩阵为

2.31 -2.31 0 0.67 0 0
D= 0 0 0 0 -0.67 -4.62 （3-4）

0 0 0 0 0 0
由式（3-4）可知
（1） 压电系数矩阵是正确选择力—电转换方式和转换效率的重要依据；
（2） 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应；
（3） 石英晶体的压电系数共有18个。但由于晶体的对称性，可以确定的压电系数只有两个。
对于右旋石英晶体， <0和 >0：对于左旋石英晶体则是 >0, <0，即
= 2.3× C/N, = 7.3× C/N
3.1.2晶片的直径的确定
为纵向灵敏度的计算公式为
SQ =nd11•A （3-5）
SQ=1.6×10-3 Pc/Pa=1.6×10-15C/Pa
所以 1.6× =2×2.3× ×A
A=348
A=
D=21.06mm
晶片直径及厚度大于0.5mm
3.2验算
弹性元件的材料应具有：
（1)强度高和耐蚀性好；
（2)弹性模量要高；
（3)温度系数要低。
弹性储能是衡量弹性材料的一个重要指标。弹性储能是指单位体积所吸收最大变形的功，它表示在弹性元件的材料吸收最大变形功时，而不产生永久变形的能力。
最大变形功为

式中 W——最大弹性变形功；
——弹性极限；
E——弹性模量。
由上式可见：
（1）要使W增加，则必使E减小；
（2）但弹性元件要求有较高E值；
（3）以上两者矛盾，综合考虑，常取E值高的材料作弹性元件；
（4）测量超高压时，选用超高强度的合金材料（ >1600MPa），如马氏体、不锈钢、镍钴钼合金等。
无论选用哪种材料，都要求具有良好的机械加工性能、热处理性能和焊接性能好等。

要保持具有良好的线性。
具有良好的线性关系必使在最大动态力作用下不脱离接触，此时，必须满足以下条件：在最大动态力作用下产生的变形 不超过预应力产生的变形x，即

最大动态力为 ，由胡克定律，由

因而，在此动态力作用下产生的变形为

在位移 下产生的弹性力为

所以最小预用力为

显然， ，预应力的下限值应取 。

机械强度的设计计算
（1） 根据使用条件和测量要求合理选择材料；
（2） 合理设计整体结构和零件尺寸；
（3） 用于超高压测量的传感器要进行连接螺纹的强度校合，以满足整个传感器强度要求和可靠性。压力传感器的强度设计主要是对弹性元件和转换元件。
设： 为被测最大压力；A为膜片有效受力面积；A’为压电转换元件（晶片）的面积； 为压电元件（晶片）的强度极限；[ ]为允许应力。则压电元件（晶片）上承受的最大力为
= •A
=4.0× ×3.48×
=1.39× N
3.3电极设计
纵向效应晶体组件的设计
晶体元件一般设计成机械串联（受力）、电气并联，以薄金属片做电极（图9-41），或以金属镀层做电极（图9-42）。
以金属片为电极的应用较为普遍，因其结构工艺简单。

（a）金属薄片式 (b)金属镀层式
图4 晶体元件组
3.4.弹簧设计

图5 弹簧设计图
1.弹簧的作用：
保证测头与被测目标可靠接触。
2.设计要求：
测量力要求：小于100g，不能太硬。
行程要求： 2mm，伸缩行程。
3.关于材料的选择和参数计算：
弹簧材料的选择，应根据弹簧承受载荷的性质、应力状态、应力大小、工作温度、环境介质、使用寿命、对导电导磁的要求、工艺性能、材料来源和价格等因素确定。弹簧材料除了注意其化学成分外，还应特别注意其冶金及热处理的工艺质量。相同成分的材料由于冶金及热处理工艺质量不同，其机械性能往往有很大差别。传感器内部弹簧较小，选用经预先热处理的油淬火回火的弹簧钢丝。
考虑最大工作负荷为 ，并且在低温下使用的弹簧材料，应具有良好的低温韧性。碳素弹簧钢丝、琴钢丝和 1Cr18Ni9 等奥氏体不锈钢弹簧钢丝、铜合金、镍合金有较好的低温韧性和强度，本传感器还需要该材料膨胀系数变化极小。综上各因素，我们小组决定选取材料1Cr18Ni9，其许用切应力 ，通过查阅机械手册表，选取其弹簧指数为C=14，则曲度系数
。
计算弹簧丝径 ，选取标准值 。
弹簧中径 。节距一般取 ，这里取 。根据量程 ，查机械手册表，选取弹簧工作圈数的标准值 ，由此得弹簧自由高度 。压缩高度 。

表1弹簧设计所有参数
丝径 中径 载荷 压缩高度 自由高度
0.35 5 0.1kg 1.225 4

为了进一步提高弹簧的许用剪切应力，需对弹簧采取强压处理。经强压处理后的弹簧，可提高弹簧的许用剪切应力，最高可增加25％左右。强压处理的基本原理是将弹簧预制的比要求的自由高度高一些，然后压缩弹簧至并紧，使其应力超过弹簧材料的弹性极限。强压处理过的弹簧再加载时，其许用弹性极限比强压处理前提高很多。强压处理方式采用长时间一次强压，保持时间为48h左右。
4.传感器整体的结构设计

图6 活塞式压力传感器总设计图

总结
1•通过这次课程设计，我对传感器设计基础知识复习了一遍，而且更重要的是又学到了很多新的知识，获得了新的经验。我从中学会了根据具体的数据进行查表、筛选，从而进行设计。学会知道团队精神的重要性，在这次的课程设计当中，在一些材料的选用，数据的算法等方面与其他同学进行了交流，提高了自己的工作效率。
2•在如此短的时间内，依靠个人能力是不可能完成如此繁琐的资料查找与收集。所以，通过这次课程设计，加强了同学之间的交流，大大增进了我们组的凝聚力，协作的精神更强了。而且自己也学到了很多实际的有用的东西，相信对以后的工作一定会有很大的益处。
3•最后，在此对郭易老师的指导与教学表示感谢，通过老师的帮助使得我们的工作效率得到了很大的提高。

参考书目
[1] 黄贤武 ,郑筱霞 . 传感器原理与应用 .北京：电子科技大学出版社 1995年 35-40
[2] 王化祥,张淑英.传感器原理及应用.天津：天津大学出版社 ,1999年 56-60
[3] 高晓蓉.传感器技术.西南交通大学出版社，2003年 66-70
[4] 郁有文，常健.传感器原理及工程应用.西安：西安电子科技大学出版社，2001年 75-80
[5]何希才.传感器及其应用电路 .北京:电子工业出版社 2001 90-100
[6] 陈杰 ,黄鸿.传感器与检测技术 .北京：高等教育出版社 2002年 100-103
[7] 于建红 . 传感技术学报 .2007年 2-4

『贰』 求：压力传感器的基本工作原理、应用 和设计 方面的资料

压力变送器上海蒙晖是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。下面就简单介绍一些常用压力变送器的原理及其应用、压力变送器是用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将压力信号转变成4～20mA DC信号输出。
压力变送器主要有电容式压力变送器和扩散硅压力变送器，陶瓷压力变送器，应变式压力变送器等。压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器（0.001MPa～35MPa）和微差压变送器（0～1.5kPa），负压变送器三种。
压力变送器的主要作用把压力信号传到电子设备，进而在计算机显示压力其原理大致是：将水压这种压力的力学信号转变成电流（4-20mA）这样的电子信号压力和电压或电流大小成线性关系，一般是正比关系。所以，变送器输出的电压或电流随压力增大而增大由此得出一个压力和电压或电流的关系式压力变送器的被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在δ元（即敏感元件）的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。
压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节。

主要优点
1、压力变送器具有工作可靠、性能稳定等特点；

2、专用V/I集成电路，外围器件少，可靠性高，维护简单、轻松，体积小、重量轻，安装调试极为方便；
3、铝合金压铸外壳，三端隔离，静电喷塑保护层，坚固耐用；
4、4-20mA DC二线制信号传送，抗干扰能力强，传输距离远；
5、LED、LCD、指针三种指示表头，现场读数十分方便。可用于测量粘稠、结晶和腐蚀性介质；
6、高准确度，高稳定性。除进口原装传感器已用激光修正外，对整机在使用温度范围内的综合性温度漂移、非线性进行精细补偿。

主要分类
1、普通压力变送器
2、防爆压力变送器
3、差压变送器
4、中、高温压力变送器
5、远传压力变送器

工作原理
当压力直接作用在测量膜片的表面，使膜片产生微小的形变，测量膜片上的高精度电路将这个微小的形变变换成为与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，然后采用专用芯片将这个电压信号转换为工业标准的4-20mA电流信号或者1-5V电压信号。
由于测量膜片采用标准话集成电路，内部包含线性及温度补偿电路，所以可以做到高精度和高稳定性，变送电路采用专用的两线制芯片，可以保证输出两线制4-20mA电流信号。

主要性能
1、使用被测介质广泛，可测油、水及与316不锈钢和304不锈钢兼容的糊状物，具有一定的防腐能力；
2、高准确度、高稳定性、选用进口原装传感器，线性好，温度稳定性高；
3、体积小、重量轻、安装、调试、使用方便；
4、不锈钢全封闭外壳，防水好；
5、压力传感器直接感测被测液位压力，不受介质起泡、沉积的影响。

选型规则
1、变送器要测量什么样的压力：先确定系统中要确认测量压力的最大值，一般而言，需要选择一个具有比最大值还要大1.5倍左右的压力量程的变送器。这主要是在很多系统，特别是水压测量和加工处理中，有峰值和持续不规则的上下波动，这种瞬间的峰值能破坏压力传感器，然而，由于这样做会精度下降。于是，可以用一个缓冲器来降低压力毛刺，但这样会降低传感器的响应速度。所以在选择变送器时，要充分考虑压力范围，精度与其稳定性。
2、什么样的压力介质：要考虑的是压力变送器所测量的介质，黏性液体、泥浆会堵上压力接口，溶剂或有腐蚀性的物质会不会破坏变送器中与这些介质直接接触的材料。一般的压力变送器的接触介质部分的材质采用的是316不锈钢，如果介质对316不锈钢没有腐蚀性，那么基本上所有的压力变送器都适合对介质压力的测量；如果介质对316不锈钢有腐蚀性，那么就要采用化学密封，这样不但起到可以测量介质的压力，也可以有效的阻止介质与压力变送器的接液部分的接触，从而起到保护压力变送器，延长了压力变送器的寿命.
3、变送器需要多大的精度：决定精度的有：非线性、迟滞性、非重复性、温度、零点偏置刻度、温度的影响，精度越高，价格也就越高。每一种电子式的测量计都会有精度误差，但是由于各个国家所标的精度等级是不一样的。
4、变送器的温度范围：通常一个变送器会标定两个温度范围，即正常操作的温度范围和温度可补偿的范围。正常操作温度范围是指变送器在工作状态下不被破坏的时候的温度范围，在超出温度补范围时，可能会达不到其应用的性能指标。温度补偿范围是一个比操作温度范围小的典型范围。在这个范围内工作，变送器肯定会达到其应有的性能指标。温度变从两方面影响着其输出，一是零点漂移；二是影响满量程输出。如：满量程的+/-X%/℃，读数的+/-X%/℃，在超出温度范围时满量程的+/-X%，在温度补偿范围内时读数的+/-X%，如果没有这些参数，会导至在使用中的不确定性。变送器输出的变化到度是由压力变化引起的，还是由温度变化引起的。
5、需要得到怎样的输出信号：mV、V、mA及频率输出数字输出，选择怎样的输出取决于多种因素，包括变送器与系统控制器或显示器间的距离，是否存在“噪声”或其他电子干扰信号。是否需要放大器，放大器的位置等。对于许多变送器和控制器间距离较短的OEM设备，采用mA输出的变送器最为经济而有效的解决方法，如果需要将输出信号放大，最好采用具有内置放大的变送器。对于远距离传输出或存在较强的电子干扰信号，最好采用mA级输出或频率输出。如果在RFI或EMI指标很高的环境中，除了要注意到要选择mA或频率输出外，还要考虑到特殊的保护或过滤器。
6、选择怎样的励磁电压：输出信号的类型决定选择怎么样的励磁电压。许多放大变送器有内置的电压调节装置，能够得到的一个工作电压决定是否采用带有调节器的传感器，选择传送器时要综合考虑工作电压与系统造价。
7、是否需要具备互换性的变送器：确定所需的变送器是否能够适应多个使用系统。一般来讲，这一点很重要。尤其是对于OEM产品，一旦将产品送到客户手中，那么客户用来校准的花销是相当大的。如果产品具有良好的互换性，那么即使是改变所用的变送器，也不会影响整个系统的效果。
8、变送器超时工作后需要保持稳定度：大部分变送器在经过超时工作后会产生“漂移”，因此很有必要在购买前了解变送器的稳定度，这种预先的工作能减少将来使用中会出现的种种麻烦。
9、变送器的封装：变送器的封装，尤其往往容易忽略是它的机架，然而这一点在以后使用中会逐渐暴露出其缺点。在选购传送器传一定要考虑到将来变送器的工作环境，湿度如何，怎样安装变送器，会不会有强烈的撞击或振动等。
10、在变送器与其它电子设备间采用怎样的连接：是否需要采用短距离连接，若是采用长距离连接，是否需要采用一个连接器。

安装说明
在安装使用压力变送器前应详细阅读产品样本及使用说明书，安装时压力接口不能泄露，确保量程及接线正确。压力传感器及变送器的外壳一般需接地，信号电缆线不得与动力电缆混合铺设，传感器及变送器周围应避免有强电磁干扰。

使用说明
日常维护
1、检查安装孔的尺寸：如果安装孔的尺寸不合适，传感器在安装过程中，其螺纹部分就很容易受到磨损。这不仅会影响设备的密封性能，而且使压力传感器不能充分发挥作用，甚至还可能产生安全隐患。只有合适的安装孔才能够避免螺纹的磨损（螺纹工业标准1/2-20 UNF 2B），通常可以采用安装孔测量仪对安装孔进行检测，以做出适当的调整。
2、保持安装孔的清洁：保持安装孔的清洁并防止熔料堵塞对保证设备的正常运行来说十分重要。在挤出机被清洁之前，所有的压力传感器都应该从机筒上拆除以避免损坏。在拆除传感器时，熔料有可能流入到安装孔中并硬化，如果这些残余的熔料没有被去除，当再次安装传感器时就可能造成其顶部受损。清洁工具包能够将这些熔料残余物去除。然而，重复的清洁过程有可能加深安装孔对传感器造成的损坏。如果这种情况发生，就应当采取措施来升高传感器在安装孔中的位置。
3、选择恰当的位置：当压力传感器的安装位置太靠近生产线的上游时，未熔融的物料可能会磨损传感器的顶部；如果传感器被安装在太靠后的位置，在传感器和螺杆行程之间可能会产生熔融物料的停滞区，熔料在那里有可能产生降解，压力信号也可能传递失真；如果传感器过于深入机筒，螺杆有可能在旋转过程中触碰到传感器的顶部而造成其损坏。一般来说，传感器可以位于滤网前面的机筒上、熔体泵的前后或者模具中。
4、仔细清洁；在使用钢丝刷或者特殊化合物对挤出机机筒进行清洁前，应该将所有的传感器都拆卸下来。因为这两种清洁方式都可能会造成传感器的震动膜受损。当机筒被加热时，也应该将传感器拆卸下来并使用不会产生磨损的软布来擦拭其顶部，同时传感器的孔洞也需要用清洁的钻孔机和导套清理干净。

正确使用
蒙晖压力传感器使用过程应注意考虑下列情况：
1、防止变送器与腐蚀性或过热的介质接触；
2、防止渣滓在导管内沉积；
3、测量液体压力时，取压口应开在流程管道侧面，以避免沉淀积渣；
4、测量气体压力时，取压口应开在流程管道顶端，并且变送器也应安装在流程管道上部，以便积累的液体容易注入流程管道中；
5、导压管应安装在温度波动小的地方；
6、测量蒸汽或其它高温介质时，需接加缓冲管（盘管）等冷凝器，不应使变送器的工作温度超过极限；
7、冬季发生冰冻时，安装在室外的变送器必需采取防冻措施，避免引压口内的液体因结冰体积膨胀，导至传感器损坏；
8、测量液体压力时，变送器的安装位置应避免液体的冲击（水锤现象），以免传感器过压损坏；
9、接线时，将电缆穿过防水接头（附件）或绕性管并拧紧密封螺帽，以防雨水等通过电缆渗漏进变送器壳体内。

发展历史
压力变送器上海蒙晖是许多工业设备中用以控制工业过程和压力变化的重要原件。压力变送器用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将压力信号转变成4～20mADC信号输出。压力变送器分电容式压力变送器和扩散硅压力变送器，陶瓷压力变送器，应变式压力变送器等。
压力变送器是直接与被测介质相接触的现场仪表，常常在高温低温腐蚀振动冲击等环境中工作。在石油、化工、电力、钢铁、轻工等行业的压力测量及现场控制中应用非常广泛。
压力变送器的发展大体经历了四个阶段：
1、早期压力变送器采用大位移式工作原理，如曾大量生产的水银浮子式差压计及膜盒式差压变送器，这些变送器精度低且笨重。
2、20世纪50年代有了精度稍高的力平衡式差压变送器，但反馈力小，结构复杂，可靠性、稳定性和抗振性均较差。
3、70年代中期，随着新工艺、新材料、新技术的出现，尤其是电子技术的迅猛发展出现体积小巧、结构简单的位移式变送器。
4、90年代科学技术迅猛发展，这些变送器测量精度高而且逐渐向智能化发展数字信号传输更有利于数据采集。
压力变送器发展至今已有电容式变送器、扩散硅压阻式变送器、差动电感式变送器和陶瓷电容式变送器等不同类型。
20世纪90年代，现场总线技术迅速崛起，工业过程控制系统逐渐向具有双向通信和智能仪表控制的现场总线控制系统方向发展。从而产生了新一代的智能压力变送器。它们的主要特点如下。
1、自补偿功能如非线性、温度误差、响应时间、噪声和交叉感应等。
2、自诊断功能如在接通电源时进行自检,在工作中实现运行检查。
3、微处理器和基本传感器之间具有双向通信的功能构成闭环工作系统。
4、信息存储和记忆功能。
5、数字量输出。
基于上述功能,智能压力变送器的精度、稳定性、重复性和可靠性都得到提高和改善。其双向通信能力实现了计算机软件控制及远程设定量程等状态。
智能型压力变送器主要分为带协HART协议的和带482或RS232接口的两种类型。带HART协议的智能压力变送器是在模拟信号上迭加一个专用频率信号,实现模拟和数字同时进行通信。带RS232或485口的智能压力变送器内部将模拟信号A/D转换通过微处理器计算由D/A输出。

发展趋势
当今世界各国压力变送器的研究领域十分广泛，几乎渗透到了各个行业，但归纳起来主要有以下几个趋势：
1、智能化：由于集成化的出现,在集成电路中可添加一些微处理器,使得变送器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。
2、集成化：压力变送器已经越来越多的与其它测量用变送器集成以形成测量和控制系统。集成系统在过程控制和工厂自动化中可提高操作速度和效率。
3、小型化：市场对小型压力变送器的需求越来越大，这种小型变送器可以工作在极端恶劣的环境下，并且只需要很少的保养和维护，对周围的环境影响也很小，可以放置在人体的各个重要器官中收集资料，不影响人的正常生活。
4、标准化：变送器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。
5、广泛化：压力变送器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展，例如:汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。

『叁』 压电式加速度传感器

压电式加速度传感器

（1）压电式加速度计的结构和安装

压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测游敏尘加速度成正比。

由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。 为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录器。目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起的产品，不仅方便了使用，而且也大大降低了成本。
(a)中心安装压缩型 (b)环形剪切型 (c) 三角剪切型
图13.18 压电式加速度计

常用的压电式加速度计的结构形式如图13.18所示。S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。图13.18a是中央安 装压缩型，压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对 象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化， 易引起温度漂移。图13.18c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承 受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良拿野好的线性。图13.18b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变 软，因此最高工作温度受到限制。
图13.19 压电式加速度计的幅频特性曲线

加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图（图13.19）。一般小阻尼(z<=0.1)的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB（即6%），相移小于30。但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。加速度计与试件的各种固定方法见 图13.20。
图13.20 加速度计的神禅固定方法

其中图13.20a采用钢螺栓固定，是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座 变形，影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来 固定加速度计（图13.20b），但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（图13.20c），也可用于低温（40℃以下）的场合。手持探针测振方法（图13.20d）在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于 1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计（图13.20e），使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓（图13.20f）或粘接剂（图13.20g）的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为：钢螺栓固定法31kHz，云母垫片28kHz，涂簿蜡层29kHz，手持法2kHz，永久磁铁固定法7kHz。

（2）压电式加速度计的灵敏度 压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和 电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。 加速度单位为m/s2，但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位，1g= 9.80665m/s2。这是一种已为大家所接受的表示方式，几乎所有 测振仪器都用g作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。

对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说，加速度计尺寸越大 ，其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。

压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计轴线）振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3％。因此，压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。

（3）压电加速度计的前置放大器 压电元件受力后产生的电荷量极其微弱，这电荷使压电元件边界和接在边界上的导体充电 到电压U=q/Ca（这里Ca是加速度计的内电容）。要测定这样微弱的电荷（或电压）的关键是防止导线、测量电路和加速度计本身的电荷泄漏。换句话讲，压电加速度计所用的前置放大器应具有极高的输 入阻抗，把泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内。

压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大 器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受 电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。

从压电式传感器的力学模型看，它具有“低通”特性，原可测量极低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度 值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位 移）、器件的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现“截止频率”，约为0.1～1Hz左右。

随着电子技术的发展，目前大部分压电式加速度计在壳体内都集成放大器，由它来完成阻抗变换的功能。这类内装集成放大器 的加速度计可使用长电缆而无衰减，并可直接与大多数通用的仪表、计算机等连接。一般采用2线制，即用2根电缆给传感器供给 2～10mA的恒流电源，而输出信号也由这2根电缆输出，大大方便了现场的接线。表13.1为某厂家生产的压电式加速度计的参数表。 表13.1 常用压电式加速度计的参数表

型号
量程
灵敏度
分辨率
重量
应用及特点

350B04
5000g
0.5mV/g
0.02g
4.5g
适用于爆破、撞击等

350B21
100000g
0.05mV/g
0.3g
4.4g
适用于爆破、撞击、爆炸分离等

351B03
150g
10mV/g
0.003g
10.5g
可在-196℃的低温环境下工作

352A
5g
1000mV/g
0.00004g
35g
高分辨率型

352C22
500g
10mV/g
0.0015g
0.5g
微型，适用于小型结构

352C65
50g
100mV/g
0.00016g
2g
小型、高灵敏度、高分辨率，各种用途

353B18
500g
10mV/g
0.005g
2g
高频、小型、石英剪切，各种用途

353B33
50g
100mV/g
0.0005g
27g
三角剪切结构，石英通用加速度传感器

353M255
2000g
2.5mV/g
0.04g
17.9g
冲击传感器、内置滤波器，桩基检测

355B03
500g
10mV/g
0.0005g
10g
环型

356B08
50g
100mV/g
0.0002g
20g
轴、结构实验

356A18
5g
1000mV/g
0.00006g
24g
3轴、高灵敏度

356A40
10g
100mV/g
0.0002g
180g/片状
3轴坐垫传感器，汽车实验

356M41
500g
10mV/g
0.001g
4g/方形
3轴、小型，模态、振动、噪声实验

393C
5g
1V/g
0.0001g
1000g
超低频地震传感器，长期稳定性良好

393B31
0.5g
10V/g
0.000001g
635g
超低频地震传感器，高灵敏度

（4）压电式速度传感器

由于上述磁电式速度传感器存在响应频率范围小，机械运动部件容易损坏，传感器质量大造成附加质量大等缺点，近年发展了 压电式速度传感器，即在压电式加速度传感器的基础上，增加了积分电路，实现了速度输出。同样，这种传感器也全部实现了内置，具有替换磁电式速度传感器的趋向。

『肆』 压力传感器的工作原理

一、压电压力传感器

压电式压力传感器主要基于压电效应（Piezoelectric effect），利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量，再进行相关测量工作的测量精密仪器，比如很多压力变送器和压力传感器。压电传感器不可以应用在静态的测量当中，原因是受到外力作用后的电荷，当回路有无限大的输入抗阻的时候，才可以得以保存下来。但是实际上并不是这样的。因此压电传感器只可以应用在动态的测量当中。它主要的压电材料是：磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。压电效应就是在石英上发现的。

振弦式压力传感器的敏感元件是拉紧的钢弦，敏感元件的固有频率与拉紧力的大小有关。弦的长度是固定的，弦的振动频率变化量可用来测算拉力的大小，即输入是力信号，输出的是频率信号。振弦式压力传感器分为上下两个部分组成，下部构件主要是敏感元件组合体。上部构件是铝壳，包含一个电子模块和一个接线端子，分成两个小室放置，这样在接线时就不会影响电子模块室的密封性。

振弦式压力传感器可以选择电流输出型和频率输出型。振弦式压力传感器在运作式，振弦以其谐振频率不停振动，当测量的压力发生变化时，频率会产生变化，这种频率信号经过转换器可以转换为4~20mA的电流信号。

『伍』 压力传感器工作原理是什么

一、压电压力传感器
压电式压力传感器主要基于压电效应（c effect），利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量，再进行相关测量工作的测量精密仪器，比如很多压力变送器和压力传感器。压电传感器不可以应用在静态的测量当中，原因是受到外力作用后的电荷，当回路有无限大的输入抗阻的时候，才可以得以保存下来。但是实际上并不是这样的。因此压电传感器只可以应用在动态的测量当中。它主要的压电材料是：磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。压电效应就是在石英上发现的。
二、压阻压力传感器
压阻压力传感器主要基于压阻效应（Piezoresistive effect）。压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。不同于上述压电效应，压阻效应只产生阻抗变化，并不会产生电荷。
三、电容式压力传感器
电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。这种压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。
四、电磁压力传感器
多种利用电磁原理的传感器统称，主要包括电感压力传感器、霍尔压力传感器、电涡流压力传感器等。
霍尔压力传感器
霍尔压力传感器是基于某些半导体材料的霍尔效应制成的。霍尔效应是指当固体导体放置在一个磁场内，且有电流通过时，导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压（霍尔电压）的现象。电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性，可证实导体内部的电流是由带有负电荷的粒子（自由电子）之运动所造成。
电涡流压力传感器
基于电涡流效应的压力传感器。电涡流效应是由一个移动的磁场与金属导体相交，或是由移动的金属导体与磁场垂直交会所产生。简而言之，就是电磁感应效应所造成。这个动作产生了一个在导体内循环的电流。
电涡流特性使电涡流检测具有零频率响应等特性，因此电涡流压力传感器可用于静态力的检测。
五、振弦式压力传感器
振弦式压力传感器属于频率敏感型传感器，这种频率测量具有相当高的准确度，因为时间和频率是能准确测量的物理量参数，而且频率信号在传输过程中可以忽略电缆的电阻、电感、电容等因素的影响。同时，振弦式压力传感器还具有较强的抗干扰能力，零点漂移小、温度特性好、结构简单、分辨率高、性能稳定，便于数据传输、处理和存储，容易实现仪表数字化，所以振弦式压力传感器也可以作为传感技术发展的方向之一。
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『陆』 如何利用压电式传感器设计一个测量轴承支座受力情况的装置。

基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感专元件由压电材属料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。
轴承是当代机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。
按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。其中滚动轴承已经标准化、系列化，但与滑动轴承相比它的径向尺寸、振动和噪声较大，价格也较高。
滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成，严格的说是由外圈、内圈、滚动体、保持架、密封、润滑油 六大件组成。主要具备外圈、内圈、滚动体就可定意为滚动轴承。按滚动体的形状，滚动轴承分为球轴承和滚子轴承两大类。