制冷与低温测试技术压力

1、第三章 压力和真空的测量压力的基本概念和单位液柱式压力计弹性式压力计压力变换器真空的测量压差的测量压力的基本概念和单位压力定义（活塞式压力计）压力的单位：Pa, atm, bar, mmHg, mmH2O, PSI, kgf/cm2压力的分类 表压、绝对压力、真空度 动压、静压、总压AFP/帕帕(Pa)(N/m2)工程大气压工程大气压(at)(kgf/cm2)物理大气压物理大气压(atm)毫米汞柱毫米汞柱(mmHg)(Torr)毫米水柱毫米水柱(mmH2O)巴巴(bar)磅力磅力/英寸英寸2(PSI*)(lb/in2)1帕帕11.0210-50.98710-50.7510-21.0210-11

2、0-51.4510-41工程大气压工程大气压9.8066510419.6810-17.3610-21049.8110-11.421011物理大气压物理大气压1.013251051.0317.601021.031041.011.471011毫米汞柱毫米汞柱1.33321021.3610-31.3210-311.361011.3310-31.9310-21毫米水柱毫米水柱9.80665*10-49.6810-57.3610-219.8110-51.4210-31巴巴1051.029.8710-17.501021.0210411.451011磅力磅力/英寸英寸26.8951037.0310-26.8

3、010-25.171017.031026.8910-21AFP/213Pnmv/nN V固体：固体：气体：气体：mm4.25inch114/)c/(2PSImkg公斤力液柱式压力计ghPP21HhdP1P2A2A1HdhxP1P2sin21gxPPsin21gPP弹性式压力计测量原理：利用弹性元件受压力后产生的弹性形变与压力大小的相关关系 C: 弹性元件刚性吸湿，S:位移量 A：弹性元件承受压力的有效面积CAPSCSAPF/弹性元件的特性图图3-3弹性滞后弹性滞后图图3-4蠕变蠕变图图3-5弹性后效和永久形变弹性后效和永久形变图图3-6比例极限比例极限各种弹性元件的测量特性测量频率较高的脉动压

4、力时注意缓冲单圈弹簧管压力计结构简单，使用方便，价格低廉，测压范围宽，应用十分广泛精确度最高可达0.1，一般为1.0、 0.4 、0.25可测量负压（负压较小情况下） RRa； 相减相减 bb22当弹簧管内允压后，截面短轴当弹簧管内允压后，截面短轴2b增大，即增大，即b b，由式（，由式（3-8）知）知，中心角必然变小，即，中心角必然变小，即 中心角变小，自由端向外移动，当管内为负压时，自由端向内移动，中心角变小，自由端向外移动，当管内为负压时，自由端向内移动，a增大。增大。bbbbbb22221(1)RbAPEbhaB K：管内压力，管壁厚度、材料，长短轴，弯曲半径R单圈弹簧管压力计单圈弹簧

5、管压力计的选用测量范围：最大压力不超过满量程的3/4精度要求介质的化学性质、温度 腐蚀性，如氨表用合金钢或不锈钢制作 易燃、易爆性，如氧表禁油安装环境：温度、湿度和振动（冲满阻尼油）氢表不能与氧表互换，两者螺纹相反。氨表必须由合金钢或不锈钢制作，防腐蚀。为提高精度，要考虑温度热胀冷缩的影响。膜片式压力计膜片类型 平膜，简单，非线性误差大 波纹膜，允许挠度大，灵敏度高 （h0.050.3 mm) 挠性膜，(橡胶和有机材料）适用于低压或真空测量膜盒式压力计由两个或多个膜片焊接成膜盒常用于测量微压或负压，如-120120Pa，精度：2.5级级。广泛应用于烟气、空气系统的压力或压差测量，通常俗称：风压

6、表风压表波纹管压力计在波纹管中引入压力时，其自由端产生伸缩变形，可以得到较大的线位移，可以带动记录笔。缺点：滞后较大，内加弹簧时，滞后可减少1%。波纹管压力计的测压范围00.025MPa到00.42MPa，测量准确度为2级级x2231DSK nPbD压力变送器将压力信号转换为电或气动信号优点：可连续记录和存储；可以远距离传输电动压力变送器 组成：敏感元件，传感元件，测量电路，辅助电源 分类：电感式，电阻式，电容式，霍尔片电感式压力变送器当当Z1=Z2=Z，电桥平衡、输出电压，电桥平衡、输出电压U0=0。B22012121122ABZZUUEEEZZZZLsRRLRL01222ZZZUEEZZE

7、LRLUs220)(2A022-2()sLUERLZ1Z2应用实例：膜片式差压计膜片12P P P 位移杆铁芯变形位移量压力差电感线圈电信号0u流量测量流量测量电容式压力变送器将微位移转化为电容变化（微位移式）/CQ U0/CC S dK d210KCdd220KCdd21132100CCKdPK PCCdd为增加灵敏度，一般为增加灵敏度，一般d0较小，但较小容易较小，但较小容易引起电容击穿。引起电容击穿。一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20-100pF之间，极板间距离在之间，极板间距离在20-200um的范围内，最大位移应小于间距的的范围内，最

8、大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广。故在微位移测量中应用最广。电容式压力变送器02101211211()ICIICCCCC01201221211()ICIICCCCC令令V1、V2、V4表示表示R1、R2、R4上压降，即令上压降，即令、V1=I1R1，V2=I2R2，V4=I0R4，则可得：，则可得：1221124124()VVC RC RVCC R若取若取R1=R2=R4则上式可化为：则上式可化为：1221412VVCCVCC在实际变送器中，用负反馈自动改变输出在实际变送器中，用负反馈自动改变输出电压电压E1的幅度，使差动电容的幅度，使差动电容C1，C2变化时，变化时，流过

9、它们的电流之和恒定，即保持上式流过它们的电流之和恒定，即保持上式V4恒定，这样差压恒定，这样差压P更正比于（更正比于（V2-V1），测），测量量R1，R2上电压差即可测知测量膜片上的上电压差即可测知测量膜片上的差压差压P。I2电容位移传感器电容位移传感器电容式压力变送器隔离膜硅油膜片变形力F被测压力测量膜片作用力f膜片变形，产生位移量使电容C1和C2变化d转换电路标准直流电信号420mA变距离式电容位移传感器变距离式电容位移传感器霍尔片弹簧式压力变送器霍尔片在磁场中移动时，在不同位置将受到不同的磁场强度，故霍尔电势值 将随霍尔片的位置不同而变化HV/HHHIBLUKfR BI ddbHK为霍尔

10、元件灵敏度为霍尔元件灵敏度产生霍尔效应的原因是形成电流产生霍尔效应的原因是形成电流的的作定向运动的带电粒子即作定向运动的带电粒子即载流子（载流子（N型半导体中的载流子是带负电荷的电子，型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P型半导型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的作用而产生的。半导体制成的薄片，半导体制成的薄片，z轴上加一磁场轴上加一磁场B，在，在y轴轴上通恒定电流，在上通恒定电流，在x轴上出现电位差轴上出现电位差-霍尔效应。霍尔效应。压力变换器完成压力压力变换器完成压力-位移转换；位移转换；霍尔片完成位

11、移霍尔片完成位移-电压的转换电压的转换HR为霍尔系数为霍尔系数霍尔效应原理meFFHVVBb得到：得到：若若N型单晶中的电子浓度为型单晶中的电子浓度为n，则流过样片横截面的电流，则流过样片横截面的电流 I=nebdV /VI nebd/HHHVIB nedR IB dK IB霍尔效应原理式中RH 称为霍尔霍尔系系数数，它表示材料产生霍尔效应的本领大小；KH 称为霍尔元件的灵敏度，一般地说， 愈大愈好，以便获得较大的霍尔电压 。 KH和载流子浓度n成反比，而半导体的半导体的载流子载流子（电子（电子+空穴）空穴）浓度远比金属的载流子浓度远比金属的载流子浓度小浓度小，所以采用半导体材料作霍尔元件灵敏

12、度较高。又因和样品厚度d成反比，所以霍尔片都切得很薄，一般d0.2 mm。/HHHVIB nedR IB dK IB1HRne高斯计测磁高斯计测磁场强度场强度半导体空穴半导体空穴或电子浓度或电子浓度霍尔效应的磁阻效应实验得出，霍尔元件的内阻R 随磁场绝对值增加而增加，这种现象称为磁阻效应磁阻效应。前面没有考虑实际运动中载流子速度的统计分布，认为载流子都按同一速度运动而形成电流，实际上，对某种速度运动的电子，若霍尔电场作用力恰好抵消洛仑兹力，电子沿直线运动；小于此速度的电子将沿霍尔电场作用方向偏转，而大于此速度的电子将沿洛仑兹力方向偏移。这种偏转将使沿控制电流电场方向的电流密度减小，也就是由于磁

13、场的存在增加了元件的内阻。这就是磁阻效应的物理本质。霍尔传感器由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压度补偿电路及稳压电源电源电路等集成在一个芯片上，称之为电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器霍尔传感器。直流电源连接方式直流电源连接方式交流电源连接方式交流电源连接方式/HHHVIB nedR IB dK IB霍尔电势误差补偿霍尔传感器在实际应用时有很多因素影响其测量精度，造成测量误差。常见的主要因素有半导体制造的工艺水平工艺水平，环境温度的变化环境温度的变化情况，霍尔传感器安装是否合理安装是

14、否合理等。一般表现为零位误差和温度误差。 零位误差： 当激励电流I不为零，但磁感应强度B为零，则霍尔电势应为零。但实际上不为零，此时的空载霍尔电势为零位误差，一般由两种电势组成：霍尔电势误差补偿-零位误差霍尔元件不等位电势示意图霍尔元件不等位电势示意图由制造工艺缺陷造成不等位电势出现的主要原由制造工艺缺陷造成不等位电势出现的主要原因为：因为：1) 霍尔电极安装位置不对称或不在同一平面；霍尔电极安装位置不对称或不在同一平面；2) 半导体材料不均匀引起的电阻率不均匀。半导体材料不均匀引起的电阻率不均匀。一一.不等位电势不等位电势二二.寄生直流电势寄生直流电势当霍尔元件通以交流激励电流而不加外磁场时

15、，霍尔当霍尔元件通以交流激励电流而不加外磁场时，霍尔电势除了交流不等位电压外，还有直流电势分量，此电势除了交流不等位电压外，还有直流电势分量，此直流电势分量称为寄生直流电势。其产生的原因有：直流电势分量称为寄生直流电势。其产生的原因有：1）激流电极与霍尔电极接触不良，形成非欧姆接触，造成整流效果；激流电极与霍尔电极接触不良，形成非欧姆接触，造成整流效果；2）霍尔电极的焊点大小不等或不对称，则两电极点因热容量不同而引起温）霍尔电极的焊点大小不等或不对称，则两电极点因热容量不同而引起温差，产生内部温差电势。差，产生内部温差电势。零位电势常常与霍尔电势有相同的数量级，甚至超过，但在实际使用中由零位电

16、势常常与霍尔电势有相同的数量级，甚至超过，但在实际使用中由于制造工艺等因素要完全消除零位电势很困难，因而只能采取补偿的方法：于制造工艺等因素要完全消除零位电势很困难，因而只能采取补偿的方法：霍尔电势误差补偿-零位误差 霍尔元件零位电势补偿原理霍尔电势误差补偿-温度误差由于霍尔元件是由半导体制成的，因此他由于霍尔元件是由半导体制成的，因此他的许多参数，如载流子的浓度，电子迁移率、的许多参数，如载流子的浓度，电子迁移率、电阻率等都具有较大的温度系数。当温度变化电阻率等都具有较大的温度系数。当温度变化时，这些参数都会发生变化，从而引起霍尔电时，这些参数都会发生变化，从而引起霍尔电势的变化，称为势的变

17、化，称为温度误差温度误差，除了采用温度系数，除了采用温度系数小的半导体作为霍尔元件或采取恒温槽外，还小的半导体作为霍尔元件或采取恒温槽外，还可以采取其他适当的补偿电路。可以采取其他适当的补偿电路。1）恒电流供电和输入回路并联电阻恒电流供电和输入回路并联电阻温度变化引起霍尔元件的输出电阻发生变温度变化引起霍尔元件的输出电阻发生变化，用恒压电源供电时，会引起激流电流变化，化，用恒压电源供电时，会引起激流电流变化，从而带来误差。从而带来误差。所以通常用恒流源供电所以通常用恒流源供电。霍尔电势误差补偿-温度误差从温度从温度T0到到T时，霍尔元件的输入电阻从时，霍尔元件的输入电阻从r0到到rT,霍尔元件

18、的灵敏度系数从霍尔元件的灵敏度系数从Kho变化到变化到KHT，选用的补偿电阻从选用的补偿电阻从Ro，变化到，变化到RT,即：即：0= (1+)TrrT0=(1+)HTHKKT0=R (1+)TRT=+THTTRIIRr0000(1+)=K=K(1+)(1+)+ (1+)HTHTHHRT IBUI BTRTrT一般情况下，一般情况下，很小，可忽略不计。为了达到补偿目的，即很小，可忽略不计。为了达到补偿目的，即dUHT/dT=0,可求得：可求得：00=-rR 霍尔传感器应用测量压力测量压力 被测压力由弹簧管 的固定端引入，弹簧管自由端与霍尔片 连接，在霍尔片的上、下方垂直安放两对磁极，使霍尔片处于

19、两对磁极形成的线性磁场中。霍尔片的四个端面引出四根导线，其中与磁钢 相平行的两根导线与稳定电源相连接，另两根导线用来输出信号。 当被测压力引入后，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在线性磁场中的位置，将机械位移量x 转换成霍尔电势UH ，如果再加上UI 转换器，则把UH 转换成电流I 。此电流I与位移x呈线性关系。电阻式压力变送器将压力测量信号转换成应变片的电阻值信号分类 金属应变片 膜片式应变片，金属材料或半导体材料制成膜片 箔式应变片，应变电阻用光刻技术分布于整个膜片上 半导体膜片，扩散型单晶硅感压电阻膜，硼杂质扩散在硅的深处，形成P型区SLR/导体在机械变形时，电阻值发生变化，叫导体在机械变形时，电阻值发生变化，叫“应变效应应变效应”。 有两种类型:一类是利用半导体材料的体电阻做成应变片，粘贴在侧压的弹性元件或悬臂梁上，作为应变一电阻的交换元件，称为粘贴型压阻式变送器;另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺扩散电阻，既作为压力测量敏感元件，又作为应变一电阻变换元件，称为扩散型压阻式变送器。由于所使用的半导体为单晶硅，所以也称为扩散硅式变送器扩散硅式变送器。电阻式压力变送器dSSLdLSdSLdR2SdSLdLdRdRrdrdS2rdrrrdrSdS222LdLrdr