卓越班现代检测第8章

1、第第8章章 压力检测压力检测适配教材现代检测技术及应用李现明主编，高等教育出版社2012年第1版8.1 常用压力检测方法常用压力检测方法n均匀、垂直作用在单位面积上的力称压力压力。n压力是表征生产过程中液体、气体工质所处状态的基本参数之一。只有通过压力、温度等重要物理量的测量，才能确定生产过程中各种工质所处状态。n在国际单位制（SI）和我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。1Pa=1N/m2。n绝对压力绝对压力：是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用符号Pj表示。用来测量绝对压力的仪表称为绝对压绝对压力表力表。n大气压力大气压力：地面上空气柱所产生的平

2、均压力，用符号Pq表示。用来测量大气压力的仪表叫气压表。n表压力表压力：绝对压力与大气压力之差。表压力是以环境大气压力作参考压力的差压，用符号Pb表示。即PbPjPq。n负压力与真空度负压力与真空度：当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值。负压力值的绝对值，称为真空度真空度，用符号Pz表示。用来测量真空度的仪表称为真空表真空表。n差压差压：两个压力之间的差值。液位、流量等参数的测量可通过差压的测量间接实现。常用压力测量方法：常用压力测量方法：液柱式、弹性式、负荷液柱式、弹性式、负荷式、电测式式、电测式n液柱式压力测量方法液柱式压力测量方法基于流体静力学原理，将被测压力转换为液柱高度差进行测

3、量。n根据液柱式压力测量方法，形成了下述测量装置测量装置：U形管压力计、单管压力计、斜管微压计、自动液柱式压力计等，常用于静态低压、微压测量，其中的高精度装置可用作压力基准器。n弹性式压力测量方法弹性式压力测量方法基于胡克定律，将被测压力转换为弹性元件的变形进行测量。n根据弹性式压力测量方法，形成了下述测量装测量装置置：弹簧管压力表、膜片式压力表、膜盒式压力表、波纹管压力表等。n它们测量范围宽、精度差别大、产品品种多，是最常见的工业用压力表。n 负荷式压力测量方法负荷式压力测量方法基于静力平衡原理，利用液体传压将被测压力转换为密闭容器活塞上所需平衡砝码的重量进行测量。n根据负荷式压力测量方法，

4、形成了下述测量装测量装置置：活塞式压力计、浮球式压力计、钟罩式微压计等。它们用于静压力测量，可制成精密压力测量基准器。n电测式压力测量方法电测式压力测量方法通过各种不同的敏感元件、传感元件将被测压力转换为电信号进行测量，具有动态响应快、便于远传、可用于自动控制系统等优点，适用于快速变化压力的动态测量、超高压测量、高真空度测量等。电测式压力测量方法可大致分为两大类分为两大类：n其一其一，利用压电效应、压阻效应直接进行压力测量；n其二其二，利用各种弹性敏感元件配接相应传感元件间接进行压力测量。利用压电效应、压阻效应直接进行压利用压电效应、压阻效应直接进行压力测量力测量n压电式压力传感器压电式压力传

5、感器n压阻式压力传感器压阻式压力传感器利用各种弹性敏感元件配接相应传感元利用各种弹性敏感元件配接相应传感元件间接进行压力测量件间接进行压力测量n应变式压力传感器应变式压力传感器n谐振式压力传感器谐振式压力传感器包括振弦式压力传感器、振筒式压力传感器、振膜式压力传感器等；n位移式压力传感器位移式压力传感器包括电位器式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、霍尔式压力传感器、光电式压力传感器等。8.2 压力测量用弹性元件压力测量用弹性元件n应变式、电感式、电容式、霍尔式、谐振式等各种压力传感器，都是先通过弹性元件将被测压力转换为弹性变形，然后再由传感元件将该弹性变形转换为电信号。n这些压力

6、测量用弹性元件又被称为压力敏感器压力敏感器，包括弹簧管、波纹管、膜片、膜盒弹簧管、波纹管、膜片、膜盒等多种。 1 弹簧管弹簧管图图8.1 弹簧管结构示意图弹簧管结构示意图222222011RbpEbhaRh an制作弹簧管的常用材料制作弹簧管的常用材料有磷青铜、锡青铜、合金钢50CrVA 和不锈钢（1Cr18Ni9Ti，Ni36CrTiAI，Ni42CrTi）等，它们分别适用于不同的被测介质和压力测量范围。n图8.1为单圈弹簧管单圈弹簧管，中心角变化量较小。为提高中心角变化量，可采用多圈弹簧管多圈弹簧管，圈数一般为2.59圈。n弹簧管可以通过传动机构直接指示被测压力，制作成纯机械式的弹簧管压力

7、表。这种直读式压力表直读式压力表结构简单、价格低廉、使用方便，测量范围宽，可以测量-0.1MPa0MPa至01500MPa的负压、微压、低压、中压、高压，精度等级最高可达0.1级。n如果在这种纯机械式的弹簧管压力表的基础上，附加上电触点，则可制成压力开关压力开关，输出二位式压力电信号，一般用于压力报警、限幅控制等。n电感式压力传感器、霍尔式压力传感器常用弹簧管作电感式压力传感器、霍尔式压力传感器常用弹簧管作为弹性元件，为弹性元件，由电感式传感元件、霍尔式传感元件将压力作用下弹簧管活动端的位移量转换为电信号。 图图8.2 以弹簧管为弹性元件的电感式压力传感器示意图以弹簧管为弹性元件的电感式压力传

8、感器示意图2 波纹管波纹管图图8.3 波纹管结构示意图波纹管结构示意图n波纹管波纹管是一种特殊设计、制作的薄壁圆管，它具有等间距同轴环状波纹，一端开口、另一端封闭。开口端固定，封闭端处于自由状态，能沿轴向伸缩。n在被测压力的作用下，波纹管将伸长。在一定压力范围内，伸长量与压力成比例伸长量与压力成比例。n波纹管的位移相对较大，故一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数，构成机械式压力计。n波纹管灵敏度高灵敏度高，常用于检测较低的压力(0 0.4MPa)。n但是，波纹管迟滞误差较大迟滞误差较大，制成直读式仪表精度一般只能达到1.5级。n对波纹管配以各种合适的位移传感器对波纹管配以各种合适的位移

9、传感器后，就可将被测压力转换为电信号。 n其弹性元件为波纹管和弹性梁的组合体，弹性梁为厚凸缘平膜片。n为了提高输出灵敏度，在膜片的上、下共粘贴了四片应变片。n波纹管和平膜片刚性连接，当被测压力通过波纹管传递到弹性梁后使之变形，电阻应变片的电阻值也随之增加或减少。n电阻应变片接入电桥，当电阻值变化时，电桥有不平衡电压输出，该电压与被测压力具有一一对应的关系。3 膜片和膜盒膜片和膜盒n膜片、膜盒能将被测压力转换成膜片、膜盒的中膜片、膜盒能将被测压力转换成膜片、膜盒的中心位移或中心集中力心位移或中心集中力，可构成机械式直读压力表，也可与各种位移传感器、力传感器结合，构成压力传感器、输出电信号。n膜片

10、、膜盒常用玻青铜、磷青铜、不锈钢等材料制作；n按剖面形状分为平膜片和波纹膜片。n边缘固定的圆形平膜片，其一面受压力作用时，膜片圆心处弹性位移与膜片参数有确定性关系。 n但由于平膜片平膜片有严重的非线性，实际上测压用的膜片几乎都带有环状同心波纹环状同心波纹。波纹的断面呈正弦曲线、三角波、梯形波等，其压力位移特性与波纹形状、波纹的峰峰值、波纹的条数等都有关系。n波纹膜片波纹膜片特性仍然是非线性的，不过它的非线性程度比平膜片要好得多。n膜片中央有圆形硬心膜片中央有圆形硬心，以便安装传动机构。在被测压力作用下，硬心对外产生集中的力，这个力和被测压力之间也有确定性关系。 n为了加大膜片中心的弹性位移，使

11、测压灵敏度提高灵敏度提高，常将两个膜片对焊起来。两个膜片边缘对焊起来就构成膜盒两个膜片边缘对焊起来就构成膜盒。n相对于膜片，膜盒更便于和被测压力连接。只要把被测压力接到盒内，使盒外为环境大气压，膜盒中心的位移便能反映被测压力值，即表压力。n若将膜盒内部抽成真空，密封起来，当外界大气压力变化时，膜盒中心位移就反映大气的绝对压力值。 图图8.5 膜盒结构示意图膜盒结构示意图n膜片测量范围膜片测量范围可达02.5MPa，制成直读式仪表精度达1.5级；n膜盒测量范围膜盒测量范围有-2020kPa，040 kPa等，制成直读式仪表精度达1.0级。 图为一种以膜片为弹性元件的应以膜片为弹性元件的应变式压力

12、传感器变式压力传感器示意图。应变片贴在膜片内壁，在压力P作用下膜片产生径向应变和切向应变。通过材料力学的计算可获得膜片上的应变分布，根据应变分布安排贴片。一般在中心贴片，并在边缘沿径向贴片，接成半桥或全桥。现已制出适应膜片应变分布专用箔式应变花。 图为一种以膜片为弹性元件的电以膜片为弹性元件的电容式压力传感器容式压力传感器示意图。它由一个固定电极和一个膜片电极构成。在压力作用下，膜片变形，引起电容变化，接入相应信号调理电路后，将电容量变化转换为电信号。由于膜片电极在压力作用下产生的是弯曲变形而不是平行移动，因此电容变化量与压力之间的关系十分复杂，需作材料力学方面的理论分析和实验研究。 8.3

13、压力检测技术示例压力检测技术示例扩散硅压力变送器扩散硅压力变送器n8.3.1 工作原理工作原理半导体压阻效应半导体压阻效应 n沿着半导体某晶向施加一定的压力而使其产生内应力时，其电阻率将随应力改变而变化，这种现象称之为半导体的压阻效应半导体的压阻效应。不同类型的半导体，其压阻效应不同；同一类型的半导体，受力方向不同，压阻效应也不同。 1212RLERL n基于半导体压阻效应，不但可以制成集成结构的扩散硅压力变送器，还可以制作成分立结构的半导体应变片。n半导体应变片半导体应变片由基片、敏感栅和电极引线等部分组成，如图8.8所示。n敏感栅由硅或锗条构成，内引线是连接敏感栅和电极的金线，基片是绝缘胶

14、膜，带状电极引线一般由康铜箔制成。n用于制作半导体应变片的材料有硅、锗、锑化铟、磷化镓等，但目前一般用硅或锗的杂质半导体，它们在不同晶向下具有不同的压阻效应。 图图8.8 半导体应变片结构示意图半导体应变片结构示意图n金属电阻应变片金属电阻应变片工作性能稳定、精度高、应用广泛，至今还在不断改进和研发新型金属应变片，以适应各种工程应用的需要，但其主要缺点是灵敏度低，一般为2左右。n半导体电阻应变片半导体电阻应变片的灵敏度可达金属应变片的5070倍倍，而且尺寸小、横向效应小、蠕动及机械滞后小，更适用于动态测量更适用于动态测量。n半导体电阻应变片的主要缺点是温度稳定性差温度稳定性差，测量较大应变时非

15、线性严重，在应用时要采取相应的温度补偿和非线性校正措施。n半导体应变片有两种制作方法：半导体应变片有两种制作方法：n其一是将原材料按所需晶向切割成片和条，粘贴在弹性元件上使用，这种半导体片、条被称之为“体型半导体应变片体型半导体应变片”；n其二是将P型杂质扩散到N型硅片上，形成极薄的导电层，焊上引线即成应变片，这被称之为“扩扩散硅应变片散硅应变片”。扩散硅应变片以其N型硅基底作为弹性元件，弹性元件与应变片成为一体，不需要粘贴，应用普遍。得到广泛应用的扩散硅压力变送器，正是以扩散硅应变片作为核心传感元件。8.3.2 扩散硅压力变送器扩散硅压力变送器n利用压阻效应原理，采用制作集成电路的工艺技术，

16、经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的特定晶向，制成应变电阻，构成惠斯凳电桥；n利用硅材料的弹性力学特性，在同一切硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏与力集力敏与力电转换检测于一体电转换检测于一体的扩散硅传感器，如图8.9 。n给传感器匹配放大电路及相关部件，使之输出420mA标准信号，就组成了一台完整的压力变送器。图图8.9 固态压阻式压力传感器结构示意图固态压阻式压力传感器结构示意图1：N-Si膜片；膜片；2：P-Si导电层；导电层；3：粘贴剂；：粘贴剂；4：硅底座；：硅底座；5：引压管；：引压管；6：Si保护膜；保护膜；7：引线：引线n固态压阻式压力传感器核心部分是圆形N型硅膜片，该膜

17、片作为弹性敏感元件，膜片周围用硅环固定，称作硅杯硅杯。n基于材料力学，可以确定硅杯膜片的应力分布规律确定硅杯膜片的应力分布规律，进一步可选定制作半导体应变电阻的预定区域。n硅杯的几何尺寸十分紧凑，直径约为直径约为1.810mm，膜厚在，膜厚在50500m，根据测量范围的不同而具体确定。n在该膜片上的四个预定区域，在该膜片上的四个预定区域，利用集成电路工艺方法，将将P型杂质扩散到型杂质扩散到N型硅底层上型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，于是制成四个阻值相等的电阻制成四个阻值相等的电阻。硅杯膜片上的电阻布置如图8.10所示。四个传感电阻都利用了径向应力，其中R2、R3承受拉应力，R1、R4承受

18、压应力。以R2、R3 一组为相对臂，R1、R4为另一组相对臂，四个电阻用导线连接成惠斯登差动电桥。n硅杯与引压管相连硅杯与引压管相连，当膜片受到压力作用而产生内应力、发生微应变时，扩散电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压信号，该电压信号的大小就反映了膜片所受的压力值。 图图8.10 硅杯膜片上的电阻布置硅杯膜片上的电阻布置n对硅杯配置恒流源、放大器等信号调理电路，就可构成压力变送器。n图8.11所示为使用传感器专用信号调理电路AD693的压力变送器原理图，它可将被测压力转换为420mA 标准电流信号输出。图图8.11 使用使用AD693的压力变送器原理图的压力变送器原理图集成传感器

19、集成传感器n集成传感器集成传感器既可有效降低微弱信号在传输过程中所受的干扰，又可降低传感元件对后级信号调理电路的性能指标要求。nMPX2100/4100A/5100/5700系列集成压力传感器就是由美国Motorola公司生产的单片集成硅压力传感器，它们都是在同一个芯片上集成了半导体在同一个芯片上集成了半导体应变片、信号调理电路、温度补偿电路等应变片、信号调理电路、温度补偿电路等，输出与被测压力成正比的电压信号。集成智能传感器集成智能传感器n如果在同一个芯片上，不但集成有传感元件和信号调理电路，还集成了单片计算机，将传感将传感器的检测功能和计算机的信息处理功能集成在器的检测功能和计算机的信息处

20、理功能集成在一起一起，则构成集成智能传感器集成智能传感器。n美国霍尼韦尔(Honeywell)公司于1983年率先推出的ST3000系列智能压力变送器即属此类。其组成框图如图8.12所示。图图8.12 ST3000系列智能压力变送器组成框图系列智能压力变送器组成框图nST3000系列智能压力变送器由两部分组成由两部分组成：一部分为为传感器芯片及调理电路，另一部分为微处理器及存储器。n在同块面积为130175平方密耳（1平方密耳=6.451610-10m2）硅片上，用离子注入等集成电路工艺技术，制作差压、静压和温度三种传感元件，目的在于解决静压、差压、温度之间交叉灵敏度对测量的影响问题，达到高精

21、度、高稳定性。n待测压力首先作用在传感芯片的硅膜片上，引起传感器硅压敏电阻阻值的相应变化，此阻值的变化由传感器芯片上的惠斯登电桥检出，经调理电路调理成A/D转换器能够接受的电压信号，由A/D转换器转换成数字信号，送入微处理器。n与此同时，在同一传感芯片上形成的温度传感器、静压传感器等两个辅助传感器，分别检测出传感器温度和所处过程的静压力，温度、静压力两个参数也被转换成数字信号并送至微处理器。n事实上，压力传感器输出的电信号不但与被测压力有关，也受环境温度和静压力的影响。在EPROM内事先存储修正系数，三个传感器的数字信号经微处理器运算处理，消除环境温度和静压力的影响。 nST3000变送器的输

22、出有两种形式：一种为标准的420mA的模拟信号输出，另一种为数字信号输出。n由于引入了环境温度、静压力的补偿，其使用温度范围可达-40110；n静压范围可达020MPa，模拟输出精度可达量程的0.075%，数字输出精度可达量程的0.0625%或读数的0.125%；nST3000量程比可达100:1，最大可达400:1，而传统意义上的传感器一般只能达到10:1。这意味着使用ST3000，当被测压力范围发生变化时，只需要调整量程，而不必更换传感器。nST3000系列智能压力变送器包括绝对压力、压差、表压力、高温压力变送器等多种具体类别，可以为多种应用场合提供压力、液位和流量计量功能。n它还具有双向

23、通信能力和完善的自诊断功能，配备有智能现场通信器SFC，用户可以通过将手持SFC与变送器连接进行通讯，方便地调节变送器的有关参数，诊断变送器潜在的问题。 SFC可实现以下功能：可实现以下功能：n组态。包括给变送器指定标号、测量范围、输出与输入的关系（线性还是开方）、阻尼、时间常数等。n调整测量范围调整测量范围。这种调整，不需要工作人员亲临生产现场。n变送器的校准变送器的校准。不必将变送器拆到实验室，也不需要专用设备，便可校准零点和量程。n自诊断自诊断。包括组态的检查、通信功能检查、变送功能检查、参数异常检查。诊断结果以不同的形式在显示器上出现，便于维修。n变送器输入变送器输入/输出显示输出显示

24、。以百分数显示当时的输出，以工程单位显示当时的输入。n设定恒流输出设定恒流输出。可把变送器改做恒流源使用，任意在420mA范围内输出某一直流电流，以便检查其他仪表的功能。这时输出电流恒定不变，与输入的差压无关。n由于这种通讯方式可以远距离进行，大大缩短了变送器的维护时间，降低了维修成本。可使操作人员不必进入危险场合，就可完成对变送器的有关操作。ST-3000智能变送器是世界上第一台智能变送器，对传统的现场仪表而言，是一次深刻的变革，具有重要意义。（原始创（原始创新）新）n2010年2月，霍尼韦尔公司宣布智能压力变送器发布最新版本，该升级版本包含一个升级软件。nST3000系列压力变送器现在可提

25、供先进的加强版机载诊断功能，该功能可自动告知工厂工作人员设备的运行状况，从而简化维护工作。这款新版升级软件所附带的诊断功能对基金会现场总线(Foundation Fieldbus)和HART5/6 的用户没有任何组态要求。n所有诊断功能将在智能差压变送器通电时自动运行，相关信息将直接反馈到工厂的分布式控制系统(DCS)。n同时，工作人员仍然可以通过使用手持装置对数据进行查阅。排除设备故障时，可以使用保存在变送器中的上述数据，不必另外设法寻找历史数据。n事实上，迫于节省生产成本的压力，工厂设备维护正在从被动维修向主动前瞻性维护转变，以确保故障在对机器运行产生实际负面影响之前得到及时排除。n通常计

26、划外的维护费用是计划内维护费用的5倍以上。ST3000升级版软件不但可以使工厂及时获知已发故障及时获知已发故障，而且可使用户预知潜在故障预知潜在故障。8.4 8.4 压力检测技术示例压力检测技术示例压电式压压电式压力传感器力传感器n压电式压力传感器是压电式传感器的一种，其工作原理是基于某些电介质的压电效应，属于有源有源传感器传感器，或称之为发电型传感器。n压电式压力传感器专用于动态压力的测量专用于动态压力的测量，具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，结构坚固、可靠性、稳定性高。8.4.1 工作原理工作原理n某些电介质，当沿着一定方向对其施加力时，其内部产生极化现象，同

27、时在它的某两个表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，它又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。n这些具有压电效应的材料，称之为压电材料压电材料。n压电效应是可逆的。在压电材料的某些方向上施加电场，它会产生机械变形；当去掉外加电场后，变形随之消失。这种现象称为逆压电效应逆压电效应或电致伸缩效应。n常见的压电材料分为三类：单晶压电晶体、多晶压电陶瓷和高分子压电材料。n1 单晶压电晶体单晶压电晶体n石英石英、铌酸锂等属单晶压电晶体，它们各向异性。石英晶体有天然与人工之分，俗称“水晶”，是最常用的压电材料之一，如图8.13所示。n石英晶体的外

28、形呈六面体结构，有三根互相垂直的轴表示其晶轴。其中纵向轴称为光轴光轴（z轴）；经过棱线并垂直于光轴的称为电轴电轴（x轴），与光轴、电轴同时垂直的称为机械轴机械轴（y轴）。（a）左旋石英晶体外形）左旋石英晶体外形 （b）坐标系）坐标系 （c） 切片切片图图8.13 石英晶体及石英切片石英晶体及石英切片n从晶体上沿各轴线切下片平行六面体切片，长片平行于y轴的称为X切族；同理，长片平行x轴的称为Y切族。n当受到沿电轴方向的力作用时，产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”；n而把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应” 。n当石英晶体切片在光轴方向受力时，不

29、产生压电效应。（a）纵向压电效应）纵向压电效应 （b）横向压电效应）横向压电效应图图8.14 压电效应压电效应由纵向压电效应产生的电荷量由纵向压电效应产生的电荷量q为：为：11qd F电荷量与作用力成正比。石英晶体的压电常数比较低，纵向压电常数d112.31 10-12CN纵向压电效应与晶片的尺寸无关。压电效应作用力方向与电荷极性之间的关系如图8.15所示。对纵向压电效应而言，当施加压缩力时，在朝向x轴正方向的一面产生正电荷，另一面则产生负电荷；当施加拉伸力时，电荷极性反之。图图8.15 石英晶体切片受力与电荷极性关系示意图石英晶体切片受力与电荷极性关系示意图如果沿y轴施力为Fy时，电荷仍出现

30、在与x轴垂直的平面上 12xyylQdF纵向压电效应与晶片的几何尺寸无关，横向压电效横向压电效应与晶片的几何尺寸有关应与晶片的几何尺寸有关；纵向压电效应与横向压电效应在相同的两个表面相同的两个表面产生电荷；在同样都承受压缩力或拉伸力时，纵向压电效应与横向压电效应电荷极性相反电荷极性相反。 n石英晶体具有良好的机械强度、时间稳定性及温度稳定性，常用于精确度和稳定性要求特别高的场合。n铌酸锂晶体是人工拉制的，居里点居里点高达1200，适用于制作高温传感器，缺点是质地脆、抗冲击性差，价格也较贵。n2 多晶压电陶瓷n多晶压电陶瓷多晶压电陶瓷属于铁电体物质，是一种经极化处理后的人工多晶体，由无数细微的电

31、畴组成。n在无外电场时，各电畴杂乱分布，其极化效应相互抵消，因此原始的压电陶瓷不具有压电特性。n只有在一定的高温(100170）下，对两个极化面加高压电场进行人工极化后，陶瓷体内部可以保留有很强的剩余极化强度。n当沿极化方向（不妨定义为z轴）施力时，则在垂直于该方向的两个极化面上产生正、负电荷，其电荷量Q与力F成正比 33Qd Fd33压电陶瓷的纵向压电系数，可达几十至几百压电陶瓷的纵向压电系数，可达几十至几百 n压电陶瓷压电陶瓷主要有极化的铁电陶瓷(钛酸钡)、锆钛酸铅等。n钛酸钡钛酸钡是使用最早的压电陶瓷，它具有较高的压电常数，约为石英晶体的50倍。但它的居里点低，约为120，机械强度和温度

32、稳定性都不如石英晶体。n锆钛酸铅锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT)，随配方和掺杂的变化可获得不同的性能。它的压电常数更高，居里点约为310，温度稳定性比较好，是目前使用最多的压电陶瓷。n压电陶瓷的压电常数大、灵敏度高，价格低廉。在一般情况下，目前都采用压电陶瓷制作压电式传感器的压电元件。3 高分子压电材料（高分子压电材料（PVDF）n新型压电材料主要包括有机压电薄膜、有机压电薄膜、压电半导体压电半导体等。n有机压电薄膜有机压电薄膜是由某些高分子聚合物经延展、拉伸、极化后形成的具有压电特性的薄膜，如聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯等，具有柔软、不易破碎、面积大等优点，可制成大面积阵列传感器和机器人触觉传感器。

33、n硫化锌、氧化锌、硫化钙硫化锌、氧化锌、硫化钙等材料，既具有半导体特性又具有压电特性。由于同一材料上兼有压电和半导体两种物理性能，故可以利用其压电性能制作敏感元件、同时又可以利用其半导体特性制成电路器件，形成新型集成压电传感器。在压电晶片产生电荷的两个工作面上进行金属蒸镀，在压电晶片产生电荷的两个工作面上进行金属蒸镀，形成两个金属膜电极，即可形成压电元件，如图形成两个金属膜电极，即可形成压电元件，如图8.16所示。所示。图图8.16 压电元件压电元件n当压电晶片受力时，在晶片的两个表面上聚积等量的正、负电荷，晶片两表面相当于电容器的两个极板。两极板之间的压电材料等效于介质，因此压电晶片本身相当

34、于一只平行极板电容器，其电容量为： 0raACd 式中，A为极板面积；r为压电材料的相对介电常数；d为压电晶片的厚度。n当压电传感器受力作用时，电极上呈现电荷、电压。n请注意，此电荷是由于受力而产生、而不是外电源“充电”所形成。n因此，接到电路中的压电传感器不能单纯等效于一个接到电路中的压电传感器不能单纯等效于一个电容器，还必须有一个模拟电容器，还必须有一个模拟“力生电荷力生电荷”的电路元件的电路元件。n为此，压电传感器可以等效为一个电压源电压源与电容相串联，如图8.17(a)所示。电容器上的电压Ua、电荷量Q和电容量Ca三者关系为0aqUC压电传感器也可以等效为一个电荷源与电容压电传感器也可

35、以等效为一个电荷源与电容相并联相并联（a）电压源）电压源 （b）电荷源）电荷源图图8.17 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路0aqUCn压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc、放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。n压电传感器在测量系统中的实际等效电路如图8.18所示。（a）电压源）电压源 （b）电荷源）电荷源图图8.18 压电传感器的实际等效电路压电传感器的实际等效电路压电式传感器适宜做动态测量压电式传感器适宜做动态测量n由于后续电路的输入阻抗不可能无穷大，压电元件本身也存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而

36、无法保持不变，从而造成测量误差，因此不宜利用压电式传感器测量静态信号。n当测量动态信号时，由于交变电荷变化快，漏电量相对较小，故压电式传感器适宜做动态测量。n请注意，这是压电传感器与其它传感器例如热电偶、热电阻等的显著不同之处。对大多数传感器而言，它们既可用于静态测量、也可在一定频率范围内用于动态测量。但对同一只传感器，其静态测量的精度要高于动态测量的精度，这是由于附加动态测量误差所致；然而，压电传感器不能用于静态测量，只能用于动态测量。n压电式传感器中使用的压电晶片有方形、圆形、回环形等各种形状，而且往往用两片或多片进行并联或串联，如图8.19 (a)和(b)所示。n注意，此处所说的串联、并

37、联指的是电连接方式。此处所说的串联、并联指的是电连接方式。无论串联、并联，晶片都是迭压在一起的无论串联、并联，晶片都是迭压在一起的。n并联适于并联适于测量缓变信号、以电荷为输出量的场合；串联适于串联适于测量高频信号、以电压为输出量的场合。串联方式要求测量电路具更高的输入阻抗。（a）电压源）电压源 （b）电荷源）电荷源 （c）等效电路）等效电路图图8.19 压电晶体及等效电路压电晶体及等效电路8.4.2 测量电路测量电路n由于压电式传感器输出的电荷量很小，而且压电元件本身的内阻很大。因此，通常把传感器信号先输入到具有高输入阻抗的前置放大器，经其放大、阻抗变换后，再进行其它后续处理。该放大器应该与

38、压电传感器在空间位置上尽量靠近，传感器总是安装在测量现场的，故称其为“前置放大器前置放大器”。n压电式传感器的输出既可以是电压，也可是电荷。因此前置放大器有电压放大器和电荷放大器两种形式。n电压放大器电压放大器采用高输入阻抗的比例放大器，其电路比较简单，但输出信号受连接电缆对地电容的影响。n目前常采用电荷放大器电荷放大器作为前置放大器。n图8.20为压电传感器配电荷放大器的原理图，其中Ca为传感器等效电容，Cc为电缆等效电容，Ci为前置放大器的等效输入电容。电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器。n如果电荷放大器开环增益足够大，则放大器输出电压如果电荷放大器开环增益足够大，则放大器输出电

39、压与传与传感器的电荷量成正比，且与电缆分布电容无关。因此，更感器的电荷量成正比，且与电缆分布电容无关。因此，更换电缆一般不必重新标定换电缆一般不必重新标定。n注意：若压电式传感器所配前置放大器为电压放大器电压放大器，则输出信号与电缆分布参数有关，更换电缆一般需要重新标更换电缆一般需要重新标定定。n这也是为什么电荷放大器在压电式传感器中得到广泛应用的主要原因之一。 图图8.20 压电式传感器配电荷放大器压电式传感器配电荷放大器yfqUCn例例8.1 某压电传感器测量动态力，采用的压电材料是聚偏二氟乙烯（PVDF），其电阻率为10Tm，介电常数为120，尺寸为100mm100mm，厚度为52m。请

40、计算容许幅度误差5%时的被测量最低频率。压电式传感器不适于静态测量压电式传感器不适于静态测量。此处，通过一个例题加深同学们的印象。 13252m(10 m)520.1 0.1mLRGS电极之间的漏电阻为电极之间的漏电阻为 传感器的等效电容按平行板电容器进行估算传感器的等效电容按平行板电容器进行估算2pF0.1 0.1m12 8.8520.4nFm52mSCd电极之间漏电阻电极之间漏电阻R和等效电容和等效电容C形成高通滤波器，其传递函数形成高通滤波器，其传递函数21( )121cjfRCH ffjfRCjf110.15mHz2252G20.4nFcfRC要求幅度误差低于要求幅度误差低于5%相当于

41、要求其传递函数幅值大于相当于要求其传递函数幅值大于0.95 21( )0.951()cH fff0.5mHzf 压电式传感器不适于静态测量。但由于容许幅度误差压电式传感器不适于静态测量。但由于容许幅度误差5%时时的被测量最低频率很低，仅为的被测量最低频率很低，仅为0.5mHz，故可用于测量变化，故可用于测量变化频率很低的准静态量。频率很低的准静态量。 8.4.3 常见压电式压力传感器常见压电式压力传感器n压电式压力传感器的具体产品种类、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膜片式和活塞式和活塞式两类。n共同特点共同特点是必须通过弹性元件等把压力收集、转换成集中的力，再传递给压电元

42、件。n为保证传感特性的稳定性，多采用石英晶体作压力传感器的压电元件。 在传感器的结构设计中，必须注意：在传感器的结构设计中，必须注意：n确保弹性膜片与其后接传力构件之间有良好的面接触，以避免接触不良所可能造成的滞后、非线性；n传感器基体和壳体要有足够的刚度，以保证被测压力尽可能全部传递到压电元件上；n压电元件振动模式的选择要考虑到频率覆盖：n弯曲（0.4100kHz），压（40kHz15MHz），剪切（100kHz125MHz）；n对于传递力的元件，应尽可能采用超音速材料和扁薄结构，以利快速、无损地传递弹性元件的弹性波，提高动态性能；n考虑加速度、温度等环境干扰因素的补偿。 请充分体会自动检测

43、技术多学科融合特点。材料选择、结请充分体会自动检测技术多学科融合特点。材料选择、结构设计、机械加工等，都将对传感器性能产生重要影响。构设计、机械加工等，都将对传感器性能产生重要影响。活塞式压电压力传感器活塞式压电压力传感器n可以用于瞬态超高压的测量。n其动态特性与活动件质量及刚度、测压轴粘度、传感器零件的加工精度等因素有关。要准确知道传感器的频率响应，必须对传感器的自振频率进行测试。n该类传感器的自振频率目前最高可达30KHZ，可以用于测量上限为几千赫兹的动态压力信号。图图8.21 活塞式压电压力传感器活塞式压电压力传感器1：本体；：本体；2：活塞；：活塞；3：碾盘；：碾盘；4：压电元件；：压

44、电元件；5：插座：插座膜片式压电压力传感器膜片式压电压力传感器n主要由本体、膜片和压电元件组成，如图8.22所示。n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。n其特点是体积小、动态特性好、耐高温等。图图8.22 膜片式电压力传感器膜片式电压力传感器n以以Kistler7031压电式压力传感器为例压电式压力传感器为例n其晶片振动模式为压缩式，压缩式石英晶片组通过薄壁厚底的弹件套筒施加预应力预应力，其厚底起着传力件的作用。被测压力通过膜片和预紧筒传递给压电晶体组件。n在压电组件和膜片间装有陶瓷与铁镍铍青铜两种材料制成的温度补偿片，用来补偿长时间缓变的温度干扰对弹

45、性套筒预载的影响。n在压电组件上方安装有高密度合金质量块和加速度补偿晶片，用于补偿环境加速度干扰。n该传感器量程为（025MPa）,工作温度范围为（-150+240），温度误差小于0.02%/，加速度误差小于410-7/ms-2。压电式电子血压计压电式电子血压计n采用PZT-5H压电陶瓷构成12.7mm1.575mm 0.508mm的双晶片悬臂梁结构。n双晶片极化方向相反、并联连接，在敏感振膜中央上下两侧各粘贴有半圆柱塑料块。n被测动脉血压通过上塑料块、振膜、下塑料块传递到压电悬臂梁的自由端，压电梁弯曲变形产生的电荷经前置电荷放大器放大后输出。图图8.23 压电式血压传感器压电式血压传感器8.

46、5 压力仪表的选择、安装和使用压力仪表的选择、安装和使用n8.5.1 压力量值传递n保证压力量值的准确一致，统一全国的压力量值，使压力测量仪表的量值准确传递、正确使用，国家有关计量执法部门以标准的形式规定了压力量值传递系统和压力计量器具检定系统。n压力量值传递系统压力量值传递系统的下限从绝对压力为零开始，上限可达2500MPa，量值范围涵盖了我国工农业生产中所有压力检测仪表的测量范围。n计量传递离不开标准器。用作压力计量量值传递的标准器包括国家基准器、工作基准器、一等标国家基准器、工作基准器、一等标准器、二等标准器、三等标准器准器、二等标准器、三等标准器 ；n国家压力基准器国家压力基准器由基准

47、活塞式压力计、基准液体压力计、基准微压计等三只基准压力计组成，是全国最高等级的压力标准量值，采用液体平衡法向工作基准器传递压力单位量值，同时用于进行国际比对，使其与国际间的压力量值保持准确、一致；n工作基准器工作基准器由6个不同测量范围的活塞式压力计组成标准器组，由它们传递给一等压力标准器，以确保一等标准压力计的量值准确、一致； n一等压力标准器一等压力标准器由一等活塞式压力计、一等气体活塞式压力计、一等活塞式压力真空计、数字式压力计、一等标准补偿微压计、一等标准水银压力计等6个不同类型、不同结构、不同测量范围的一等标准压力计组成标准器组，由它们传递给二等压力标准器，并由它们来检定二等压力标准

48、器，以确保二等标准器的量值准确。另外，一等压力标准器中也包括压力传感器，但它只用来进行测试，不作为量值传递标准； n二等压力标准器二等压力标准器由二等气体活塞式压力计、二等活塞式压力真空计、二等活塞式压力计、二等石英波登管压力计、二等数字式压力计、二等浮球压力发生器、二等液柱压力计等7个不同测量原理、不同结构、不同测量范围的二等标准压力计组成标准器组，由它们传递给三等压力标准器，并由它们来检定三等压力标准器，以确保三等标准器的量值准确。另外，二等压力标准器中也包括压力传感器，但它只用来进行测试，不作为量值传递标准； n三等压力标准器三等压力标准器由三等活塞式压力计、三等活塞式压力真空计和双活塞

49、式压力真空计、三等液柱式压力计、三等数字式压力计、三等标准弹性式压力计等5个不同结构、不同测量原理、不同测量范围的三等标准压力计组成标准器组，用它们作为三等标准压力计的标准器，检定工作用压力计。另外，三等压力标准器中也包括压力传感器，但它只用来进行测试，不作为量值传递标准。 n下面以(-2.52.5kPa)计量器具检定系统为例简要说明压力计量检定系统。该检定系统适用于压力（-2.52.5kPa）计量器具的检定，它规定了压力单位为帕斯卡（Pa）的国家基准器的用途、国家基准所包括的基本计量器具、国家基准的计量学参数、从国家基准通过计量标准向工作计量器具传递压力单位量值的程序，并指明其测量不确定度和

50、基本检定方法。n计量基准器具：计量基准器具：该检定系统的压力基准器为补偿式液体压力计，它由大小连通容器、压力发生器、恒温水槽、保温装置及一组标准量块组成，测量范围为-2.52.5kPa，工作介质为三次蒸馏水；压力基准器具的测量不确定度，主要取决于工作介质密度、液柱高度及所处地点重力加速度测量的不确定度。压力基准器的不确定度分两段给出：压力量值的绝对值在-1.51.5kPa范围时，测量不确定度为0.1 Pa；压力量值的绝对值在1.52.5kPa范围内时，测量不确定度为0.13Pa。压力基准器具测量不确定度的置信度为99.73%。n计量标准器具：计量标准器具：规定计量标准器具分为一等、二等、一等、

51、二等、三等三等三个等级。n一等计量标准器具一等计量标准器具包括补偿式微压计、微压天平、数字式微压计、钟罩式微压计等，测量范围为-2.52.5kPa；一等计量标准器具中的补偿式微压计，测量不确定度以绝对误差表示：当压力量值的绝对值在01.5kPa范围内时，其测量不确定度为0.4Pa；当压力量值的绝对值在1.52.5kPa范围内时，其测量不确定度为0.5Pa。其它类型的一等计量标准器具的测量不确定度，以引用误差表示为0.02%。由压力基准器具向一等计量标准器具进行量值传递时，压力基准器具基本误差的绝对值应不大于一等计量标准器具基本误差绝对值的三分之一。n二等计量标准器具二等计量标准器具包括补偿式微

52、压计、钟罩式微压计、微压天平、数字式微压计等，测量范围为-2.52.5kPa。二等计量标准器具中的补偿式微压计，其测量不确定度以绝对误差表示：当压力量值的绝对值在01.5kPa范围内时，其测量不确定度为0.8Pa；当压力量值的绝对值在大于1.52.5kPa范围内时，其测量不确定度为1.3Pa。其它类型的二等计量标准器具的测量不确定度，以引用误差表示为0.05%。由一等计量标准器具向二等计量标准器具进行量值传递时，一等计量标准器具基本误差的绝对值应不大于二等标准补偿式微压计基本误差绝对值的二分之一、其它类型二等计量标准器具基本误差绝对值的三分之一。 n三等计量标准器具三等计量标准器具包括弹性元件

53、微压计、具有调节螺钉的微压计、补偿式微压计、数字式微压计等，测量范围为：-2.52.5kPa。三等计量标准器具的测量不确定度，以引用误差表示，其准确度等级分为0.1级、0.2级、0.25级、0.4级等。由一等或二等计量标准器具向三等计量标准器具进行量值传递时，一等或二等计量标准器具基本误差的绝对值应不大于三等计量标准器具基本误差绝对值的三分之一。n工作计量器具：工作计量器具：工作计量器具有倾斜式微压计、弹性元件微压计、数字式微压计、差压计、微压传感器等，测量范围为：-2.52.5kPa。工作计量器具的测量不确定度，以引用误差表示，其准确度等级分为0.5级、0.6级、1.5级、2.5级、4级等。

54、由计量标准器具向工作计量器具进行量值传递时，计量标准器具基本误差的绝对值应不大于工作计量器具基本误差绝对值的三分之一。8.5.2压力检测仪表的选择与安装压力检测仪表的选择与安装 压力检测仪表选择压力检测仪表选择包括包括n仪表类型n量程n精度等 需综合考虑需综合考虑n测压范围n被测介质的物理化学性质n测试精度要求 仪表类型选择：仪表类型选择：n生产过程是否要求是否要求仪表示值的远传、变送、自动记录、报警等；n被测介质的性质和状态被测介质的性质和状态对仪表有无专门要求，例如被测介质的腐蚀性强弱、粘度大小、温度高低、脏污程度、易燃易爆等；n使用仪表的现场环境条件现场环境条件有无对仪表提出特殊要求，例

55、如高温、高压、电磁场、振动、安装条件等。n在详细分析上述条件、要求之后，再选用仪表的类型。n对于测量腐蚀性介质腐蚀性介质，可选用防腐型压力计或增加防腐隔离装置；n对气氨、液氨、氧气、氢气、氯气、乙炔、硫化氢、碱液等测量介质，应选用相应的专用压力表应选用相应的专用压力表，包括氨压力表、氧气压力表、氢气压力表、耐氯压力表、耐氯压力真空表、乙炔压力表、耐硫压力表、耐碱压力表、耐碱压力真空表；n对于测量粘性、结晶及易堵介质粘性、结晶及易堵介质，可选用膜片压力计或增加隔离装置；n对于使用于易爆场合易爆场合，可选用防爆式压力计；n对于测量高温蒸汽高温蒸汽的压力，可加隔离装置。 当要求传输标准信号时应选变送

56、器变送器。其中：n易燃易爆场合选用气动变送器或防爆型电动变送器；n对易结晶、堵塞、粘稠或有腐蚀性的介质，优选法兰变送器；n使用环境好，测量精度和可靠性要求不高时，可选取电阻式、电感式、霍尔式远传压力计；n被测压力小于5kPa时可选用微差压变送器。仪表量程选用：仪表量程选用：n为保证安全性，在被测压力较稳定的场合，最大最大工作压力不超过仪表量程的2/3；在被测压力波动较大的场合，最大工作压力不超过仪表量程的1/2。n为保证准确度，最小最小被测工作压力不应低于满量程的1/3。n测量稳定压力稳定压力时，常使用在仪表量程1/32/3；n测量脉动压力脉动压力时，常使用在仪表量程上限的1/31/2处。n对

57、于瞬间内的压力瞬间内的压力测量，可允许作用到仪表量程上限的3/4处。n普通压力检测仪表的量程规定出如下系列值 ：（1.0,1.6,2.5,4.0,6.0）10n，在确定仪表的量程时，应参照上述系列值进行。仪表精度的选择：仪表精度的选择：n根据预选的仪表精度等级可以计算出用该仪表测量可能引起的最大示值绝对误差。根据测量任务所允许的最大测量误差选择仪表精度等级。n在选择仪表精度等级时不要一味追求高精度不要一味追求高精度，只要满足测量精度要求即可。这也是仪表精度选择的一般原则。n一般而言，对工业现场用压力计，其精度可选2.5级、1.5级、1.0级；对实验室用压力检测仪表或校验用压力检测仪表，其精度选

58、0.5级、0.25级。取压口选取原则：取压口选取原则：n取压口要选在被测介质直线流动的管段上取压口要选在被测介质直线流动的管段上，不要选在管道拐弯、分岔、死角、流束形成涡流的地方。n需考虑被测介质是液体、蒸汽还是一般气体需考虑被测介质是液体、蒸汽还是一般气体，如图8.25所示。被测量介质为气体时，取压口宜在管道上部，以免堵塞；被测量介质为蒸汽时，取压口宜在管道侧上部，以防堵、防液、防气；被测量介质为液体时，取压口宜在管道侧下部，以防堵、防汽。n当必须在管道阀门、挡板前后取压时，其与阀门、挡板的距离应大于管道直径的23倍。n取压孔的孔径应尽量小、孔口无毛刺，取压管要于管道壁面垂直；取压口与压力表

59、之间应加装隔离阀隔离阀。n仪表应垂直于水平面安装，且仪表应安装在取压口同一水平位置。在测量较小压力时，若仪表与取压口不在同一水平高度，则应对测量结果进行校正。导压管的敷设与导压管路附件的安装：导压管的敷设与导压管路附件的安装：n重要性：重要性：被测压力信号是由导压管路传输的，导压管路设计、敷设合理与否，将会影响压力信号测量的质量。当被测压力发生变化时，由于容室体积的变化和介质的可压缩性，将会引起导压管路内介质的流动、能量的损失、压力信号的传递迟滞等，进而影响压力测量系统的动态性能。它们与导压管路的长度、管径、敷设等因素有关。n导压管敷设与导压管路附件安装要点安装要点如下：n在取压口附近的导压管

60、应与取压口垂直，管口应与管壁平齐，并不得有毛刺。n选用的导压管粗细、长短应合适，以免产生过大的测量滞后。一般内径在610mm之间，长度宜小于60m。n水平安装的导压管应有1:101:20的坡度，坡向应有利于排液或排气。测量液体介质时下坡，测量气体介质时上坡。n根据被测介质的性质和特点，正确装设管路附件。导压信号管路中经常装设的附件有切断阀门、排气阀门、排液阀门、泄压阀门、环形盘管、隔离容器、集气器、沉降器、沉淀器、平衡容器等。 图8.26 导压管管路附件的安装1：压力表；2：切断阀；3：冷凝管；4：生产设备；5：隔离罐；6：除尘器；7，18：液体输入；8：排气；9，19：液体流出；10：沉淀器