第05章压力测量1-弹簧管,传感器

1、第第5章章 压力测量压力测量5.0 概述概述5.1 常规测压方法与仪表常规测压方法与仪表5.2 压力信号的电变送方法（压力传感器）压力信号的电变送方法（压力传感器）5.3 气流的压力测量气流的压力测量 5.4 压力检测仪表的使用与校准压力检测仪表的使用与校准5.0 概述概述 压力测量的重要性：压力测量的重要性：1.热力系统与设备的安全和经济运行；热力系统与设备的安全和经济运行；2.热力机械的运行状况的必要参数；热力机械的运行状况的必要参数；3.深入研究其内部的工作过程的需要。深入研究其内部的工作过程的需要。压力的表示方法压力的表示方法根据测量方法和参照点的不同，在工程上压力的表示方法：根据测量

2、方法和参照点的不同，在工程上压力的表示方法：1.绝对压力绝对压力以绝对真空作为零点压力标准。以绝对真空作为零点压力标准。2.表压力表压力以大气压作为零点压力标准。以大气压作为零点压力标准。3.相对压力（差压力）相对压力（差压力）以大气压以外的任意压力为零点压力标准。以大气压以外的任意压力为零点压力标准。4.负压力或真空负压力或真空低于大气压的压力。低于大气压的压力。压力的表示方法压力的表示方法1.Absolute pressure: used for the pressure measured relative to zero pressure. 2.Gauge pressure: the p

3、ressure measured relative to the atmospheric pressure. The differential pressure between the absolute pressure and the atmospheric pressure.3.Positive pressure: the gauge pressure when the absolute pressure is higher than the atmospheric pressure.4.Negative pressure: the gauge pressure when the abso

4、lute pressure is lower than the atmospheric pressure.5.Vacuum: the absolute pressure lower than atmosphere.压力检测的基本方法压力检测的基本方法根据工作原理的不同，压力检测方法可分为：根据工作原理的不同，压力检测方法可分为：(1) 重力平衡重力平衡法法n利用工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡，利用工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡，将被测压力转换为将被测压力转换为液柱高度液柱高度或或平衡砝码的重量平衡砝码的重量。n例：液柱式压力计、活塞式压力计例：液柱式压力计、活塞

5、式压力计。 (2) 弹性力平衡弹性力平衡法法 n利用弹性元件受压力作用发生利用弹性元件受压力作用发生弹性变形产生的弹性力弹性变形产生的弹性力与被测与被测压力相平衡，将压力转换成位移，通过测量压力相平衡，将压力转换成位移，通过测量弹性元件位移变弹性元件位移变形的大小形的大小测出被测压力。测出被测压力。n类型多，应用广泛，可测量正压、负压和压差。类型多，应用广泛，可测量正压、负压和压差。压力检测的基本方法压力检测的基本方法(3) 机械力平衡方法机械力平衡方法n将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡，通过测量衡，通过测量平衡时的外力平衡

6、时的外力测知被测压力。测知被测压力。n特点：精度较高，结构复杂。特点：精度较高，结构复杂。 (4) 物性测量方法物性测量方法n在压力的作用下，利用敏感元件的某些在压力的作用下，利用敏感元件的某些物理特性物理特性与压力成与压力成确定关系变化的原理，将被测压力直接转换为各种电量来确定关系变化的原理，将被测压力直接转换为各种电量来测量。测量。n例：应变式、压电式、电容式压力传感器。例：应变式、压电式、电容式压力传感器。5.1 常规测压方法与仪表常规测压方法与仪表5.1.1 液柱式压力计液柱式压力计5.1.2 弹性式压力计弹性式压力计5.1.3 其他形式测压仪表其他形式测压仪表5.1.4 真空测量真空

7、测量5.1.1 液柱式压力计液柱式压力计n液柱式压力计以液柱式压力计以流体静力学流体静力学原理为基础。原理为基础。n通常采用充有通常采用充有水或水银水或水银等液体的玻璃等液体的玻璃U形管、单管形管、单管或斜管进行压力测量；或斜管进行压力测量；n结构形式结构形式(1)、 U形管压力计形管压力计在在U形管两端接入不同压力，形管两端接入不同压力，U形管两边管形管两边管内液柱差内液柱差h与被测压力的关系为与被测压力的关系为ghppghppp2121被测压差或压力可以用工作液高度被测压差或压力可以用工作液高度h表示。表示。h两液面的高度差；两液面的高度差；d玻璃管直径；玻璃管直径；D大容器直径。大容器直

8、径。由于由于Dd，故，故d2/D2可以忽略不计，则上式为可以忽略不计，则上式为(2)、单管压力计、单管压力计单管压力计的单管压力计的精度精度高于高于U型管压力计。相当型管压力计。相当于将于将U形管的一端换成一个大直径的容器，形管的一端换成一个大直径的容器，当大容器一侧接被测压力，管一侧接大气当大容器一侧接被测压力，管一侧接大气压时，满足关系：压时，满足关系： 22212222(1)dddpph gh gDDDghp1管内工作液面上升的高度管内工作液面上升的高度h即可表示被测压力的大小。即可表示被测压力的大小。 (3)、斜管压力计、斜管压力计用用U形管或单管压力计来测量微压时，形管或单管压力计来

9、测量微压时，液柱高度变化很小，读数困难，为液柱高度变化很小，读数困难，为了提高灵敏度，减小误差，可将单了提高灵敏度，减小误差，可将单管压力计的玻璃管制成斜管。大容管压力计的玻璃管制成斜管。大容器通入被测压力器通入被测压力p1，斜管通大气压，斜管通大气压力力p2，则，则p1与液柱之间的关系为：与液柱之间的关系为：sin1gLghp式中式中 L斜管内液柱的长度；斜管内液柱的长度； 斜管倾斜角。斜管倾斜角。由于由于Lh，所以斜管压力计比单管压力计的精度更高。，所以斜管压力计比单管压力计的精度更高。2、液柱式压力计测量误差及其修正、液柱式压力计测量误差及其修正(1) 环境温度环境温度(2) 重力加速度

10、重力加速度(3) 毛细现象毛细现象(1)、环境温度的影响、环境温度的影响n环境温度偏离规定温度时，封液密度、标尺长度发生变化。环境温度偏离规定温度时，封液密度、标尺长度发生变化。n封液的体膨胀系数比标尺的线膨胀系数大封液的体膨胀系数比标尺的线膨胀系数大1 12 2个数量级；个数量级；n工业测量工业测量考虑温度变化引起的封液密度变化对压力测量考虑温度变化引起的封液密度变化对压力测量的影响；的影响；n精密测量精密测量修正标尺长度变化的影响。修正标尺长度变化的影响。n环境温度偏离规定温度环境温度偏离规定温度2020后，封液密度改变对压力计读数后，封液密度改变对压力计读数影响的修正公式为：影响的修正公

11、式为：h20：20封液液柱高度；封液液柱高度；h： 温度为温度为t时封液液柱高度时封液液柱高度b：封液的体膨胀系数；：封液的体膨胀系数；t： 测量时的实际温度。测量时的实际温度。201(20)hht（5-7）(2)、重力加速度变化的修正、重力加速度变化的修正n仪器使用地点的重力加速度仪器使用地点的重力加速度gj j：1 0.00265cos(2 )(12)NggH Rjj（5-8）H, j j: 使用地点海拔高度使用地点海拔高度(m)和纬度和纬度;gN:标准重力加速度（标准重力加速度（9.80665 m.s-2）R：地球的公称半径地球的公称半径(纬度纬度45海平面处海平面处)，6356766m

12、；(3)、毛细现象造成的误差、毛细现象造成的误差n毛细现象使封液表面弯曲，引起液柱的升高或降低，毛细现象使封液表面弯曲，引起液柱的升高或降低，产生读数误差。产生读数误差。n这种误差与封液的表面张力、管径、管内壁的洁净这种误差与封液的表面张力、管径、管内壁的洁净度等因素有关，难以精确确定。度等因素有关，难以精确确定。n实际应用时，常通过加大管径的方法减小毛细现象实际应用时，常通过加大管径的方法减小毛细现象的影响。的影响。n酒精：酒精：d3mmn水、水银：水、水银：d 8mm5.1.2 弹性压力计弹性压力计n当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生

13、相应的弹性变形。根据变形量的大小，可以测得被测压力。弹性变形。根据变形量的大小，可以测得被测压力。n弹性压力计的组成环节弹性压力计的组成环节弹性元件弹性元件，感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用，感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和设计；何种形式要根据测量要求选择和设计；变换放大机构，变换放大机构，将弹性元件的变形进行变换和放大；将弹性元件的变形进行变换和放大；指示机构，指示机构，(如指针与刻度标尺如指针与刻度标尺)用于给出压力示值；用于给出压力示值；调整机构，调整机构，用于调整零点和量程。用于调整零点和量程。弹性元件弹性元件n同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性

14、元件会产生不同同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等。的弹性变形。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等。n波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；n单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压或真空度的测量。单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压或真空度的测量。弹簧管弹簧管n截面为非圆形（椭圆形或截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），并弯成圆弧状扁圆形），并弯成圆弧状的空心管；的空心管；n一端为封闭（自由端），一端为封闭（自由端），一端为开口（固定端）一端为开口（固定端）2222201(1)RaPEbhbk1、弹

15、簧管压力计、弹簧管压力计弹簧管压力计的特点弹簧管压力计的特点n单圈弹簧管自由端的位移量一般不超过单圈弹簧管自由端的位移量一般不超过25mm。为了提高。为了提高弹簧管的灵敏度，增加自由端的位移量，可采用弹簧管的灵敏度，增加自由端的位移量，可采用回形回形(S形形)弹弹簧管或螺旋形弹簧管。簧管或螺旋形弹簧管。n齿轮传动机构齿轮传动机构：n把自由端的线位移转换成指针的角位移，使指针能明显地把自由端的线位移转换成指针的角位移，使指针能明显地指示出被测值。指示出被测值。n其上的可调螺钉，用以改变连杆和扇形齿轮的铰合点，从其上的可调螺钉，用以改变连杆和扇形齿轮的铰合点，从而改变指针的指示范围。而改变指针的指

16、示范围。n转动轴处装着一根转动轴处装着一根游丝游丝，用来消除齿轮啮合处的间隙。，用来消除齿轮啮合处的间隙。n传动机构的传动阻力要尽可能小，以免影响仪器的精度。传动机构的传动阻力要尽可能小，以免影响仪器的精度。弹簧管压力计的量程和精度等级弹簧管压力计的量程和精度等级n单圈弹簧管压力表的精度等级单圈弹簧管压力表的精度等级普通型：普通型：1.0、1.6、2.5、4 级；级；精密型：精密型：0.16、0.25、0.4 级。级。n测量范围测量范围:我国的测压仪表按系列生产，从真空到我国的测压仪表按系列生产，从真空到109Pa，其标尺上限，其标尺上限的刻度值为的刻度值为(1，1.6，2.5，4，6.3)1

17、0n MPa (其中其中n为为正、负整数正、负整数)。n使用范围：使用范围：仪表工作在正常允许的压力范围内。仪表工作在正常允许的压力范围内。对于波动较大的压力，仪表的示值应经常处于量程的对于波动较大的压力，仪表的示值应经常处于量程的1/2；被测压力波动小，仪表示值可在量程的被测压力波动小，仪表示值可在量程的2/3，但被测压力值，但被测压力值一般不应低于量程的一般不应低于量程的1/3。精密压力表精密压力表 YB-150B (01.6 MPa)精密微压表精密微压表 YB-150B (00.06 MPa)精密压力真空表精密压力真空表 YB-150B (-0.10.5MPa) 精密真空表精密真空表 Y

18、B-150B (-0.10MPa)2、膜式压力计、膜式压力计n膜式压力计的分类膜式压力计的分类n膜片压力计：测量腐蚀性介质或非凝固、非结膜片压力计：测量腐蚀性介质或非凝固、非结 晶的粘性介质的压力；晶的粘性介质的压力；n膜盒压力计：测量气体的微压和负压。膜盒压力计：测量气体的微压和负压。膜片的分类膜片的分类n膜片可分为膜片可分为弹性膜片弹性膜片和和挠性膜片挠性膜片两种。两种。n弹性膜片弹性膜片n一般由金属制成，常用的弹性波纹膜片是一种压有环状一般由金属制成，常用的弹性波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄片；同心波纹的圆形薄片；n弹性波纹膜片的弹性波纹膜片的挠度与压力的关系主要取决于波纹的形挠

19、度与压力的关系主要取决于波纹的形状、数目、深度和膜片的厚度、直径，状、数目、深度和膜片的厚度、直径，而边缘部分的波而边缘部分的波纹情况则基本上决定了膜片的特性，中部波纹的影响很纹情况则基本上决定了膜片的特性，中部波纹的影响很小。小。n挠性膜片挠性膜片n只起隔离被测介质的作用，它本身几乎没有弹性，是由只起隔离被测介质的作用，它本身几乎没有弹性，是由固定在膜片上的弹簧的弹性力平衡被测压力。固定在膜片上的弹簧的弹性力平衡被测压力。膜盒式压力计的结构膜盒式压力计的结构膜式压力计的使用范围膜式压力计的使用范围n膜式压力计的精度一般为膜式压力计的精度一般为2.5级级n膜片压力计的测量范围膜片压力计的测量范

20、围 真空真空 或或 06106 Pan膜盒压力计的测量范围膜盒压力计的测量范围 04104 Pa3、波纹管式压差计、波纹管式压差计n波纹管式压差计以波纹管为感压元件测量压差信号，波纹管式压差计以波纹管为感压元件测量压差信号，有有单波纹管单波纹管和和双波纹管双波纹管两种，主要用作流量和液位两种，主要用作流量和液位测量的显示仪表。测量的显示仪表。波纹管是外周沿轴向有深槽形波波纹管是外周沿轴向有深槽形波纹状皱褶，可沿铀向伸缩的薄壁纹状皱褶，可沿铀向伸缩的薄壁管。它受压时的线性输出范围比管。它受压时的线性输出范围比受拉时的大，故常在压缩状态下受拉时的大，故常在压缩状态下使用。使用。双波纹管压差计结构双

21、波纹管压差计结构4、弹性压力计的误差、弹性压力计的误差环境影响、仪表的结构、加工和弹性材料性能的不完善，会给压环境影响、仪表的结构、加工和弹性材料性能的不完善，会给压力测量带来各种误差。力测量带来各种误差。1.迟滞误差：迟滞误差：相同压力下，同一弹性元件正反行程的变形量不相同压力下，同一弹性元件正反行程的变形量不同，也因而存在同，也因而存在迟滞误差迟滞误差。2.弹性后效误差：弹性元件变形落后于被测压力的变化；弹性后效误差：弹性元件变形落后于被测压力的变化；3.间隙误差：间隙误差：仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性元仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性元件的变形不完全对应；件的变形不完

22、全对应；4.摩擦误差：摩擦误差：仪表的活动部件运动时，相互间有摩擦力仪表的活动部件运动时，相互间有摩擦力；5.温度误差：温度误差：环境温度改变会引起金属材料弹性模量的变化。环境温度改变会引起金属材料弹性模量的变化。这些误差的存在使一般的弹性压力计的精度低于这些误差的存在使一般的弹性压力计的精度低于0.1。提高精度的主要途径提高精度的主要途径采用无迟滞误差或迟滞误差极小的采用无迟滞误差或迟滞误差极小的“全弹性全弹性”材料和温度材料和温度误差很小的误差很小的“恒弹性恒弹性”材料制造弹性元件，如材料制造弹性元件，如Ni42CrTi，Ni36CrTiA，熔凝石英；，熔凝石英；更精确的转换技术，减少或取

23、消中间传动机构，以减少间更精确的转换技术，减少或取消中间传动机构，以减少间隙误差和摩擦误差阻应变转换技术；隙误差和摩擦误差阻应变转换技术；限制弹性元件的位移量；限制弹性元件的位移量；采用无干摩擦的弹性支承或磁悬浮支承；采用无干摩擦的弹性支承或磁悬浮支承；采用更好的制造工艺，充分发挥材料的优良性能。采用更好的制造工艺，充分发挥材料的优良性能。5、弹性元件的结构和特性、弹性元件的结构和特性类别名称示意图压力测量范围 kPa输出特性动态性质最小最大时间常数/s自振频率/Hz薄膜式平薄膜010010510-510-210104波纹210-110102挠性膜010-501021

24、0-211102波波纹纹管管式式波波纹纹管管0 01010-3-30 010103 31010- -2 21010-1-1101010102 2弹弹簧簧管管式式单单圈圈弹弹簧簧管管0 01010-1-10 010106 610102 210103 3多多圈圈弹弹簧簧管管0 01010-2-20 010105 5101010102 2弹性元件的结构和特性弹性元件的结构和特性5.1.3 Measurement of low pressures (vacuum)Vacuum tends to be used for pressures less than the atmospheric pressu

25、re, namely 1.013105 Pa. A unit that is often used for such pressure is the torr (乇）乇）, this being the pressure equivalent to that given by a column of mercury of height 1 mm. 1 mmHg=133.322 Pa=1 torr The lower the absolute pressure is, the higher the degree of vacuum is.真空划分真空划分(10-12105 Pa)粗真空：粗真空：

26、103105 Pa低真空：低真空：10310-1 Pa高真空：高真空：10-110-6 Pa超高真空：超高真空：10-610-12 Pa极高真空：极高真空：气体传热性能不同气体传热性能不同使温差电动势不同使温差电动势不同。l热偶规管：由玻璃壳、铂丝、热电偶热偶规管：由玻璃壳、铂丝、热电偶构成。构成。l铂丝通以恒定电流，用于加热热电偶，铂丝通以恒定电流，用于加热热电偶，其温度为其温度为100200 。l热电偶是由镍铬热电偶是由镍铬镍硅、或镍康铜镍硅、或镍康铜制成，其作用是在它的加热端与冷端制成，其作用是在它的加热端与冷端(非加热端）温度不同时，产生温差电非加热端）温度不同时，产生温差电动势。动势

27、。(b) (b) 热电偶真空计（相对真空计热电偶真空计（相对真空计）1-2 为加热丝,3-4 为热电偶通过测量温差电动势，可间接测得真空度。通过测量温差电动势，可间接测得真空度。热偶计只能测量低的真空度，真空度较高时，压强热偶计只能测量低的真空度，真空度较高时，压强变化与气体热传导无关，故热偶计不能用于高真空变化与气体热传导无关，故热偶计不能用于高真空测量。测量。 4、电离真空计、电离真空计n电离真空计广泛使用在高真空区域。电离真空计广泛使用在高真空区域。n电离真空计诞生于电离真空计诞生于1916年，其测量范围达到年，其测量范围达到1.310-2 1.310-5 Pa。n可以远距离测量，易于实

28、现自动记录及控制，可以远距离测量，易于实现自动记录及控制，由于有炽热的灯丝，不适于测高氧气体。由于有炽热的灯丝，不适于测高氧气体。4、电离真空计、电离真空计n电离真空计是电离真空计是通过在稀薄气体中引起电离，通过在稀薄气体中引起电离，然后利用离子电流测量压力然后利用离子电流测量压力。n在气体中如果有动能足够大的电子与气体分在气体中如果有动能足够大的电子与气体分子相碰撞，它可以从气体分子中击出一个或子相碰撞，它可以从气体分子中击出一个或几个电子使气体分子成为正离子。把这种正几个电子使气体分子成为正离子。把这种正离子收集到一个电极上使其产生离子电流，离子收集到一个电极上使其产生离子电流，在稀薄气体

29、中，离子电流的大小与气体压力在稀薄气体中，离子电流的大小与气体压力有关。有关。电离真空计结构电离真空计结构热阴极电离真空计主要由圆筒式热阴极电离真空计主要由圆筒式热阴极电离规管热阴极电离规管和测量和测量电路两部分组成。电路两部分组成。阴极阴极/ /灯丝灯丝栅极栅极/ /加速极加速极: :螺旋形螺旋形收集极收集极: :圆筒形圆筒形电离规管结构电离规管结构电离真空计原理电离真空计原理n测量时测量时电离电离规管与被测真空系统相连。规管与被测真空系统相连。n通电后阴极加热所发射的电子在带正电的加速极作通电后阴极加热所发射的电子在带正电的加速极作用下，加速运动，当电子的动能足够大，在飞向加用下，加速运动

30、，当电子的动能足够大，在飞向加速极的路途中与管内低压气体分子碰撞，即可使气速极的路途中与管内低压气体分子碰撞，即可使气体分子电离。体分子电离。n电离产生的电子和正离子分别在加速极和收集极电离产生的电子和正离子分别在加速极和收集极(带带负电位负电位)上形成电流上形成电流Ie和离子流和离子流Ii。式中，式中，k为规管的灵敏度。由于用电离真空计为规管的灵敏度。由于用电离真空计测量压力时，电子电流保持不变，故测量压力时，电子电流保持不变，故当压力足够低当压力足够低(低于低于10-1Pa)时，离子电流时，离子电流Ii与电与电子电流子电流Ie之比正比于气体的压力之比正比于气体的压力p，即，即iekPIIi

31、eIkPI5 、弹性变形式真空计、弹性变形式真空计（1）弹性式真空表（粗真空）弹性式真空表（粗真空）（2）电容式薄膜真空计（）电容式薄膜真空计（10-2105 Pa）5.2 压力信号的电变送方法压力信号的电变送方法(压力传感器压力传感器)5.2 压力信号的电变送方法压力信号的电变送方法(压力传感器压力传感器)n压力传感器：测量压力并提供远传电信号的装置。压力传感器：测量压力并提供远传电信号的装置。n压力传感器可以直接将被测压力变换成各种形式压力传感器可以直接将被测压力变换成各种形式的电信号，适合于自动化系统集中检测与控制的的电信号，适合于自动化系统集中检测与控制的要求。要求。n压力传感器结构型

32、式多种多样，常见的型式有压力传感器结构型式多种多样，常见的型式有压压阻式、压电式、应变式、电容式、电感式、振频阻式、压电式、应变式、电容式、电感式、振频式式、光电式、光纤式、超声式压力传感器等。、光电式、光纤式、超声式压力传感器等。压力传感器的类型压力传感器的类型1.压阻式压阻式2.压电式压电式3.应变式应变式4.电容式电容式5.电感式电感式6.力平衡式力平衡式7.谐振式谐振式5.2.1 压阻式压力传感器压阻式压力传感器n压阻效应压阻效应n物质受外力作用，电阻率发生变化的现象。物质受外力作用，电阻率发生变化的现象。n利用压阻效应测量压力的传感器叫压阻式压力传感器。利用压阻效应测量压力的传感器叫

33、压阻式压力传感器。常用的压阻材料是常用的压阻材料是硅硅和和锗锗。n类型类型1.应变式压力传感器，应变式压力传感器，利用半导体材料的体电阻做成粘贴利用半导体材料的体电阻做成粘贴式的应变片，与弹性敏感元件一起组成式的应变片，与弹性敏感元件一起组成粘贴型压阻式压粘贴型压阻式压力传感器力传感器；2.在单晶硅基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，此基片在单晶硅基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，此基片既是压力敏感元件，又是变换元件，这类传感器叫做既是压力敏感元件，又是变换元件，这类传感器叫做扩扩散型压阻式压力传感器散型压阻式压力传感器。简称。简称压阻式压力传感器压阻式压力传感器或或固态固态压力传感器压力传感器

34、。压阻式压力传感器结构示意图压阻式压力传感器结构示意图n硅平膜片在圆形硅杯的底部，其硅平膜片在圆形硅杯的底部，其两边有两个压力腔，分别输入被两边有两个压力腔，分别输入被测差压或被测压力与参考压力。测差压或被测压力与参考压力。高压腔接被测压力，低压腔与大高压腔接被测压力，低压腔与大气连通或接参考压力。气连通或接参考压力。n膜片上的两对电阻，一对位于受膜片上的两对电阻，一对位于受压应力区，另一对位于受拉应力压应力区，另一对位于受拉应力区，当压力差使膜片变形，膜片区，当压力差使膜片变形，膜片上的两对电阻阻值发变化，使电上的两对电阻阻值发变化，使电桥输出相应压力变化的信号。桥输出相应压力变化的信号。压

35、阻式压力传感器的特点压阻式压力传感器的特点n灵敏度高，比金属丝式应变片灵敏度高灵敏度高，比金属丝式应变片灵敏度高50100倍；倍；n频率响应高，可测频率响应高，可测300500 kHz以下的脉动压力；以下的脉动压力；n测量范围宽，测量范围宽，10 Pa60 MPa；n精度高，可达精度高，可达0.02；n易于微小型化，国内已生产出易于微小型化，国内已生产出1.8 mm的微型压阻式的微型压阻式压力传感器。压力传感器。5.2.2 压电式压力传感器压电式压力传感器n压电效应压电效应 某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长压缩或伸长)时，其内部将

36、发生极化现象，并在时，其内部将发生极化现象，并在其某些表面产生电荷。当外力去掉后，它又会重其某些表面产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应压电效应”。kSpQ 式中式中 Q为电荷量；为电荷量；k为压电常数；为压电常数；S为作用面积；为作用面积；p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。常用的压电材料常用的压电材料n天然或人造的天然或人造的单晶体单晶体n如石英晶体，其性能稳定，其介电常数和压电系数的如石英晶体，其性能稳定，其介电常数和压电系数的温度稳定性很好，在常温范围内几乎不随温度变化。温度

37、稳定性很好，在常温范围内几乎不随温度变化。n机械强度高，绝缘性能好；机械强度高，绝缘性能好；n价格昂贵一般只用于精度要求很高的传感器中。价格昂贵一般只用于精度要求很高的传感器中。n人造人造多晶体多晶体（压电陶瓷压电陶瓷）n如钛酸钡、铬钛酸铅。如钛酸钡、铬钛酸铅。n受力作用时，在垂直于极化方向的平面上产生电荷，受力作用时，在垂直于极化方向的平面上产生电荷，其电荷量与压电系数和作用力成正比。其电荷量与压电系数和作用力成正比。n压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大，且价格低廉，压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大，且价格低廉，被广泛用作传感器的压电元件。被广泛用作传感器的压电元件。压电式压力传感器结构示意图

38、压电式压力传感器结构示意图n压电元件夹于两个弹性膜片之压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。引线将电荷量引出。n被测压力均匀作用在膜片上，被测压力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。使压电元件受力而产生电荷。n电荷量一般用电荷放大器或电电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压电流输出，输出信号与被测压力值相对应。力值相对应。压电传感器的信号输出压电传感器的信号输出n压电传感器产生的信号非常微弱，输出阻抗很高，必须经

39、过压电传感器产生的信号非常微弱，输出阻抗很高，必须经过前置放大，把微弱的信号放大，并把高输出阻抗变换成低输前置放大，把微弱的信号放大，并把高输出阻抗变换成低输出阻抗，才能为一般的测量仪器接受。出阻抗，才能为一般的测量仪器接受。n电压信号输出电压信号输出n电路简单，价格便宜，工作可靠，但对检入电容的变化电路简单，价格便宜，工作可靠，但对检入电容的变化很敏感，很敏感，不能随意更换出厂配套的电缆。不能随意更换出厂配套的电缆。n电荷信号输出电荷信号输出n不受输入电容的影响，因此可用很长的连接电缆；不受输入电容的影响，因此可用很长的连接电缆；n价格高，电路复杂，调整困难。价格高，电路复杂，调整困难。压电

40、式压力传感器的特点压电式压力传感器的特点n体积小，结构简单，工作可靠；体积小，结构简单，工作可靠；n测量范围宽，可测测量范围宽，可测100 MPa以下的压力；以下的压力；n测量精度较高；频率响应高，可达测量精度较高；频率响应高，可达30 kHz，是动态，是动态压力检测中常用的传感器；压力检测中常用的传感器；n不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力（不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力（why？）。？）。5.2.3 应变式压力传感器应变式压力传感器n应变式压力传感器是一种通过测量各种弹性元件的应变式压力传感器是一种通过测量各种弹性元件的应变应变来间接测量压力的传感器。来间接测量压力的传感器。n应变元件

41、的工作原理基于导体和半导体的应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效应变效应应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化。电阻值将发生变化。n根据制作材料的不同，应变元件可以分为金属和半根据制作材料的不同，应变元件可以分为金属和半导体两大类。导体两大类。电阻值的相对变化与应变的关系电阻值的相对变化与应变的关系n电阻值的相对变化与应变有以下关系：电阻值的相对变化与应变有以下关系： 式中式中为材料的应变；为材料的应变；K为材料的电阻应变系数，即单为材料的电阻应变系数，即单位应变引起的电阻相对变化量。位应变引起的电阻相对变化量。n金属：金属

42、：K26n半导体：半导体：K60180KRR电阻应变片电阻应变片n应变片由应变应变片由应变敏感元件、基片和覆盖层、引出线敏感元件、基片和覆盖层、引出线三部三部分组成。分组成。n应变敏感元件应变敏感元件n核心部分，由金属丝、金属箔或半导体材料组成，核心部分，由金属丝、金属箔或半导体材料组成，作用是将弹性压力敏感元件的机械应变转换成电阻作用是将弹性压力敏感元件的机械应变转换成电阻的变化。的变化。n基片和覆盖层基片和覆盖层固定和保护应变敏感元件、传递应变和电气绝缘。固定和保护应变敏感元件、传递应变和电气绝缘。电阻应变片的结构形式电阻应变片的结构形式1丝式应变片丝式应变片n丝式应变片由金属丝栅丝式应变

43、片由金属丝栅(亦称亦称敏感栅敏感栅)、基底、引线、保护、基底、引线、保护膜等组成。膜等组成。n敏 感 栅 一 般 采 用 直 径敏 感 栅 一 般 采 用 直 径0.0150.05mm的金属丝，用的金属丝，用粘 合 剂 固 定 在 厚 度粘 合 剂 固 定 在 厚 度0.020.04mm的纸或胶膜基底的纸或胶膜基底上。上。n引线是由直径引线是由直径0.10.2mm低阻低阻镀锡铜线制成，用于将敏感栅镀锡铜线制成，用于将敏感栅与测量电路相连。与测量电路相连。电阻应变片的结构形式电阻应变片的结构形式2箔式应变片箔式应变片n箔式应变片的敏感栅是用厚箔式应变片的敏感栅是用厚度为度为310um的金属箔经光

44、刻、的金属箔经光刻、腐蚀等工艺制成的。腐蚀等工艺制成的。n优点：优点：n表面积与截面积之比大，表面积与截面积之比大，散热条件好，能承受较大散热条件好，能承受较大电流和较高电压电流和较高电压;n输出灵敏度高输出灵敏度高;n可制成各种需要的形状，可制成各种需要的形状，便于大批量生产。便于大批量生产。n由于上述优点，它已逐渐由于上述优点，它已逐渐取代丝式应变片。取代丝式应变片。电阻应变片的结构形式电阻应变片的结构形式3半导体应变片半导体应变片n优点：优点：n半导体应变片的灵敏系半导体应变片的灵敏系数比金属应变片的大几数比金属应变片的大几十倍，且体积小、机械十倍，且体积小、机械滞后小；滞后小；n缺点：

45、缺点：n热稳定性比金属应变片热稳定性比金属应变片差，应变较大时非线性差，应变较大时非线性严重。严重。应变式压力传感器的主要结构型式应变式压力传感器的主要结构型式n应变片与弹性元件的装配可以采用应变片与弹性元件的装配可以采用粘贴式粘贴式或或非粘贴式非粘贴式；n为了提高测量灵敏度，通常采用两对应变片，并使相对为了提高测量灵敏度，通常采用两对应变片，并使相对桥臂的应变片分别处于接受拉应力和压应力的位置。桥臂的应变片分别处于接受拉应力和压应力的位置。n所用弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同采用所用弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同采用圆圆膜片、弹性梁、应变筒膜片、弹性梁、应变筒等各种型式等各种

46、型式 。电阻应变的温度补偿电阻应变的温度补偿n应变敏感元件的电阻随温度的变应变敏感元件的电阻随温度的变化而变化；化而变化；n弹性元件和应变片的线膨胀系数弹性元件和应变片的线膨胀系数不完全一样，由于它们粘贴在一不完全一样，由于它们粘贴在一起，温度变化时就产生附加应变。起，温度变化时就产生附加应变。n因此，电阻应变式压力传感器要因此，电阻应变式压力传感器要采取温度补偿措施。采取温度补偿措施。5.2.4 电容式压力传感器电容式压力传感器n工作原理工作原理n电容器的电容量由两个极板的大小、形状、电容器的电容量由两个极板的大小、形状、相对位置和电介质的介电常数决定。相对位置和电介质的介电常数决定。n如果

47、一个极板固定不动，另一个极板感受如果一个极板固定不动，另一个极板感受压力，并随着压力的变化而改变极板间的压力，并随着压力的变化而改变极板间的相对位置，则电容量的变化就反映了被测相对位置，则电容量的变化就反映了被测压力的变化。压力的变化。电容式压力传感器原理电容式压力传感器原理n平行板电容器的电容量表达式平行板电容器的电容量表达式AC (5-19)式中式中为电容极板间介质的介电常数；为电容极板间介质的介电常数；A为两平行板相对面为两平行板相对面积；积；为两平行板间距。为两平行板间距。在实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改在实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变变A或或一个

48、参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。因此，电容量的变化与被测参数的大小成比例。化。因此，电容量的变化与被测参数的大小成比例。1、差动变极距式电容压力传感器、差动变极距式电容压力传感器n改变电容两平行板间距改变电容两平行板间距的测量方式有较高的的测量方式有较高的灵敏度，但当位移较大时，其非线性严重。灵敏度，但当位移较大时，其非线性严重。n采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度，并可减小因度，并可减小因受温度影响引起的不稳定性。受温度影响引起的不稳定性。差动变极距式电容压力传感器差动变极距式电容压力传感器n

49、对于差动变极距式平板电容器，其电容变化与板间对于差动变极距式平板电容器，其电容变化与板间距离变化的关系可表示为：距离变化的关系可表示为： 式中式中 C0为初始电容值；为初始电容值； 为极板间初始距离；为极板间初始距离； 为距离变化量。为距离变化量。n此电容量的变化经过适当的变换器电路，可以转换此电容量的变化经过适当的变换器电路，可以转换成反映被测差压的标准电信号输出。成反映被测差压的标准电信号输出。02CC电容式差压传感器的结构电容式差压传感器的结构n不锈钢基座内有玻璃绝缘层，其内不锈钢基座内有玻璃绝缘层，其内侧的凹形球面上除边缘部分外镀有侧的凹形球面上除边缘部分外镀有金属膜作为金属膜作为固定

50、电极固定电极，中间被夹紧，中间被夹紧的弹性膜片作为的弹性膜片作为可动测量电极可动测量电极;n组成左、右两个电容器。组成左、右两个电容器。n不锈钢基座和玻璃绝缘层中心开有不锈钢基座和玻璃绝缘层中心开有小孔，不锈钢基座两边外侧焊上了小孔，不锈钢基座两边外侧焊上了波纹密封隔离膜片，测量电极将空波纹密封隔离膜片，测量电极将空间分隔成左、右两个腔室，其中充间分隔成左、右两个腔室，其中充满硅油。满硅油。图图5-16n当隔离膜片感受两侧压力的作用时，通过硅油将差压传递到当隔离膜片感受两侧压力的作用时，通过硅油将差压传递到弹性测量膜片的两侧从而使膜片产生位移。电容极板间距离弹性测量膜片的两侧从而使膜片产生位移

51、。电容极板间距离的变化，将引起两侧电容器电容值的改变。的变化，将引起两侧电容器电容值的改变。2、变面积式电容压力传感器、变面积式电容压力传感器n被测压力作用在金属膜片上，通过被测压力作用在金属膜片上，通过中心柱和支撑簧片，使可动电极随中心柱和支撑簧片，使可动电极随簧片中心位移而动作。簧片中心位移而动作。n可动电极与固定电极均是金属同心可动电极与固定电极均是金属同心多层圆筒，断面呈梳齿形，其电容多层圆筒，断面呈梳齿形，其电容量取决于两电极交错重叠部分的面量取决于两电极交错重叠部分的面积。积。n固定电极与外壳之间绝缘，可动电固定电极与外壳之间绝缘，可动电极则与外壳导通。极则与外壳导通。n压力引起的

52、极间电容变化由中心柱压力引起的极间电容变化由中心柱引至适当的变换器电路，转换成反引至适当的变换器电路，转换成反映被测压力的标准电信号输出。映被测压力的标准电信号输出。变面积式电容压力传感器的结构变面积式电容压力传感器的结构 n金属膜片为不锈钢材质，金属膜片为不锈钢材质，膜片后设有带波纹面的挡膜片后设有带波纹面的挡块，限制膜片过大变形，块，限制膜片过大变形，以保护膜片在过载时不至以保护膜片在过载时不至于损坏。于损坏。膜片中心位移不膜片中心位移不超过超过0.3mm，膜片背面为，膜片背面为无硅油的封闭空间，不与无硅油的封闭空间，不与被测介质接触，可视为恒被测介质接触，可视为恒定的大气压，故定的大气压

53、，故仅适用于仅适用于压力测量，而不能测量压压力测量，而不能测量压差差。 电容式压力传感器特点电容式压力传感器特点n结构简单坚实，能在恶劣环境下工作；结构简单坚实，能在恶劣环境下工作；n精度高，其精确度可达精度高，其精确度可达0.250.05；n所需输入能量小，没有摩擦；所需输入能量小，没有摩擦；n动态响应好，灵敏度高；动态响应好，灵敏度高；n可以测量压力和差压；可以测量压力和差压；n过载能力强过载能力强 。测量精度的主要影响因素测量精度的主要影响因素1.线路寄生电容；线路寄生电容；2.电缆电容和温度；电缆电容和温度；3.湿度；湿度；4.绝缘和屏蔽。绝缘和屏蔽。5.2.5 电感式压力传感器电感式

54、压力传感器n测量原理测量原理n电感式压力传感器以电感式压力传感器以电磁感应原理电磁感应原理为基础，为基础，利用磁性材料和空气的导磁率不同，把弹利用磁性材料和空气的导磁率不同，把弹性元件的位移量转换为电路中电感量的变性元件的位移量转换为电路中电感量的变化或互感量的变化，再通过测量线路转变化或互感量的变化，再通过测量线路转变为相应的电流或电压信号。为相应的电流或电压信号。差动式电感压力传感器工作原理差动式电感压力传感器工作原理电感式压力传感器的特点电感式压力传感器的特点n灵敏度高、输出功率大、结构简单、工作灵敏度高、输出功率大、结构简单、工作可靠；可靠；n频响慢，动态性能较差，较笨重，不适合频响慢

55、，动态性能较差，较笨重，不适合于测量高频脉动压力；于测量高频脉动压力；n精度：精度：0.51级级；n二次仪表：二次仪表：毫伏计毫伏计或或自动平衡电子差动仪自动平衡电子差动仪；n产生测量误差的主要原因：产生测量误差的主要原因：n环境温度的变化，电源电压和频率的波动，线环境温度的变化，电源电压和频率的波动，线圈的电气参数、几何参数不对称，导磁材料不圈的电气参数、几何参数不对称，导磁材料不对称、不均质等。对称、不均质等。5.2.6 力平衡式压力变送器力平衡式压力变送器n测量原理测量原理n力平衡式压力变送器采用反馈力平衡的原力平衡式压力变送器采用反馈力平衡的原理，反馈力的平衡方式可以是弹性力平衡理，反

56、馈力的平衡方式可以是弹性力平衡或电磁力平衡等。或电磁力平衡等。弹性力平衡式压力测量系统的原理弹性力平衡式压力测量系统的原理n由测压波纹管（弹性敏感元件）、杠杆、差动电容变由测压波纹管（弹性敏感元件）、杠杆、差动电容变换器、伺服放大器换器、伺服放大器A、伺服电机、伺服电机M、减速器和反馈弹、减速器和反馈弹簧等元部件组成。簧等元部件组成。工作过程工作过程n被测压力被测压力p1 、p2分别导入波纹管和密封壳体内，测压波纹分别导入波纹管和密封壳体内，测压波纹管将压力差管将压力差p= p1 -p2转换为集中力转换为集中力Fp使杠杆转动，差动使杠杆转动，差动电容变换器的动极片偏离零位，电桥输出电压电容变换

57、器的动极片偏离零位，电桥输出电压uc，其幅值，其幅值与杠杆的转角成比例，而相位与杠杆偏转的方向与杠杆的转角成比例，而相位与杠杆偏转的方向(即压力即压力差的方向差的方向)相对应。相对应。n电压电压uc经伺服放大器放大后，驱动伺服电机转动，经减速经伺服放大器放大后，驱动伺服电机转动，经减速器后，一方面带动输出轴转动，指示出杠杆转角的大小；器后，一方面带动输出轴转动，指示出杠杆转角的大小；另一方面使螺栓转动，从而压缩和拉长反馈弹簧另一方面使螺栓转动，从而压缩和拉长反馈弹簧(螺栓使螺栓使弹簧产生的位移量为弹簧产生的位移量为x)，改变反馈弹簧施加在杠杆上的力，改变反馈弹簧施加在杠杆上的力Fxs。n当集中

58、力当集中力Fp产生的力矩与反馈力产生的力矩与反馈力Fxs产生的力矩相平衡时，产生的力矩相平衡时，系统处于平衡状态。由于反馈力系统处于平衡状态。由于反馈力Fxs与压力差与压力差p产生的集产生的集中力成比例，则弹簧的位移中力成比例，则弹簧的位移x与压力差与压力差p所产生的集中力所产生的集中力Fp成比例，故输出轴转角成比例，故输出轴转角与压力差与压力差p成比例。成比例。力平衡式压力变送器的特点力平衡式压力变送器的特点n影响力平衡式变送器测量精度的因素主要有：影响力平衡式变送器测量精度的因素主要有：n各元件的非线性造成的各元件的非线性造成的非线性误差非线性误差；n环境温度变化引起的环境温度变化引起的放

59、大器零点漂移放大器零点漂移；n各元件性能改变而产生的各元件性能改变而产生的温度附加误差温度附加误差。n测量精度高，可达测量精度高，可达0.5级级；n结构复杂，体积较大；结构复杂，体积较大；n由于使用了杠杆等质量较大的部件而使得弹性系统由于使用了杠杆等质量较大的部件而使得弹性系统刚度小，其刚度小，其动态性能较差动态性能较差。5.2.7 谐振式压力传感器谐振式压力传感器n测量原理测量原理n谐振式压力传感器是靠被测压力所形成的应力改谐振式压力传感器是靠被测压力所形成的应力改变弹性元件的谐振频率，通过测量频率信号的变变弹性元件的谐振频率，通过测量频率信号的变化来检测压力。化来检测压力。n特别适合与计算机配合使用，组成高精度的测量、特别适合与计