5.5 负压传感器,（1）矿井的风压是矿井通风的一个重要参数，通过对风压的连续监测，可为矿井的通风管理、风量的调配等通风安全工作及时提供必要的数据。（2）在矿井均压灭火技术中，密闭空间内外的压力是灭火工作中最主要的一个参数，它的连续监测对防灭火工作是十分必要的。 （3）煤矿中还需监测瓦斯抽放泵的工作压力、井下主要风门两端的压力等，这时均需使用负压传感器。,L,L+dL,2r,2(r-dr),:电阻系数 l:金属导线长度 S:金属导线截面积,一、电阻应变效应,当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。,1 应变式传感器,5.1.1 压力传感器种类与原理,电阻的相对变化；电阻率的相对变化；金属丝长度相对变化，用表示，= 称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变； 截面积的相对变化。,dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。,S= r 2,dS /S=2dr/r,r= 为泊松比,由材料力学知,将微分dR、d改写成增量R、，则,金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。,物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。 KS由两部分组成： 前一部分是（1+2），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此（1+2）1.6； 后一部分为 ，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。 对金属材料，以前者为主，则KS 1+2； 对半导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定。 实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.83.6范围内。,二、 压阻效应半导体晶体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为“压阻效应”。,对半导体材料,对金属材料,电阻相对变化量,式中 应力； 应变。,由于一般都比(1+2)大几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。,2,3,4,1,电阻应变片结构示意图,b,l,三、应变片的结构与材料由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。,（1） 敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60、120、200等多种规格，以120最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。,栅长,栅宽,对敏感栅的材料的要求： 应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； 电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； 电阻温度系数要小； 抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； 在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； 加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； 易于焊接，对引线材料的热电势小。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。,（2） 基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。,（3） 引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。,（4） 粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。,测量原理,根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。,梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压变化。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。,2 电容传感器,电容式传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。平板电容器是由两个金属极板、中间夹一层电介质构成。当忽略边缘效应时，其电容器的电容量为 电容传感器分为三种类型：变极距型、变面积型、变介电常数型。,一、工作原理,二、结构形式,1. 变极距型电容传感器2. 变面积型传感器,3. 变介电常数型传感器如果在电容器两极板间插入不同介质，电容器的电容量就会不同，利用这种原理制作的电容传感器称为变介电常数型电容传感器，常被用来测量液体的液位和材料的厚度。,顺压电效应：一些电介质，在受到一定方向的外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为压电效应。 逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电能转换成机械能的现象称“逆压电效应”,又称为电致伸缩效应。,3 压电式传感器,一、两个物理概念,石英晶体的压电效应演示,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。,二、压电材料 种类： 压电晶体，如石英等； 压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。对压电材料特性要求：转换性能。要求具有较大压电常数。机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。环境适应性强。温度和湿度稳定性要好。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。,三、压电传感器的特点,力敏传感器，可测如力、压力、加速度等 双向有源传感器 体积小、重量轻 结构简单、工作可靠 频响宽,5.2 KG4003A型负压传感器 KG4003A型矿井负压传感器为“六五”期间国家科技攻关项目配套研制的，可与多种监控系统配套使用。能实现对矿井风压、风门、密闭通风巷道等的差压监测。 1主要技术指标 1)测量范围：0500Pa(或05.0kPa)2)精度: 满量程的23)输出信号：15mA DC2001000Hz 51 5Hz,4)供电电源：本安型，12-24V (DC)5)最大工作电流：100mA6)使用环境:温度：0 - 40相对湿度：957)显示方式：3位LED数字显示8)分辨率：l0Pa9)防爆标志：Exib I,KG4003A型负压传感器,1主要技术指标,2 KG4003A型负压传感器的组成,KG4003A型负压传感器的组成,差动变压器结构,1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁,当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置， 它与两个铁芯的间隙为2 =3= 两个次级绕组的互感电势相等，即U2=U3。 由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压,工作原理,当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使23，两次级绕组的互感电势U2U3，输出电压 电压的大小反映了被测位移的大小； 通过用相敏检波等电路处理，使最终输出电压的极性反映位移的方向。,工作原理,e21,e22,差动变压器输出电势与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。,差动变压器输出特性,4. 负压传感器的校验在使用前或使用后一段时间后应进行校验，方法：1)零点调整。通电之后，在传感器两个压力孔无外加压力时，其显示为零，输出应为lmA或5Hz或200Hz。2)在显示与输出零点调整之后，从正加压孔加压5.00kPa。3)先调整R18使输出电流为5mA、15Hz或1000Hz。4)后调整使显示为5.00kPa。仪器按照上述步骤调试完毕，即可进行误差测定，将压力从零开始，以1.0kPa直至5.00kPa ，记录其显示值与输出值，然后根据有关数据计算误差。,