仪表基础知识-压力传感器

1、0 00 杨峰 2016.03.15 仪表基础知识 压力传感器 1 11压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。2分类： 1、半导体压电阻型 半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力，通过外力（压力）使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。 3 332、静电容量型、静电容量型

2、静电容量型压力传感器，是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容，将通过外力（压力）使可动极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。 （E8Y的动作原理便是静电容量方式，其他机种采用半导体方式）。4传感器误差 1、偏移量误差：由于压力传感器压力传感器在整个压力范围内垂直偏移保持恒定，因此变换器扩散和激光调节修正的变化将产生偏移量误差。 2、灵敏度误差：产生误差大小与压力成正比。如果设备的灵敏度高于典型值，灵敏度误差将是压力的递增函数。如果灵敏度低于典型值，那么灵敏度误差将是压力的递减函数。该误差的产生原因在于扩散过程的变化。 3、线性误差：这是一个对压力传感器初始误差影响较小的因素，该误差的

3、产生原因在于硅片的物理非线性，但对于带放大器放大器的传感器，还应包括放大器的非线性。线性误差曲线可以是凹形曲线，也可以是凸形曲线称重传感器。 4、滞后误差：在大多数情形中，压力传感器的滞后误差完全可以忽略不计，因为硅片具有很高的机械刚度。一般只需在压力变化很大的情形中考虑滞后误差5 55由敏感元件、转换元件、后续处理部分组成，压力传感器一般应用应变片来实现压力的测量，应变片的制造原理是依据桥式电路，当在桥臂上的电阻满足这样的条件：R1R3=R2R4时电桥平衡，则输出的电压为零，当电阻由变化的时候，电桥不平衡，有一定的电压输出。可分为单臂电桥、双臂电桥、全臂电桥，其输出的电压与电阻的变化量成近似

4、的线性变化。应变片是很薄的薄片，上表面镶嵌两个有电阻丝制成的电阻，同时下表面也有两个同样的电阻，在连接上形成桥式电路，当应变片上没有压力是，说出的电压为零，当有压力作用时，上边的电阻变大，下面的电阻变小，电桥不平恒，而且是相同的电阻丝，其电阻的变化量相同，输出的电压与电阻的变化量成线性关系，这样通过求压力就可以测量出压力的大小。 压力传感器组成及工作原理：6 661、标准压标准压以大气压为标准表示的压力大小，大于大气压的叫正压；小于大气压的叫负压。2、绝对压绝对压以绝对真空为标准表示的压力大小。3、大气压大气压指大气压力。标准大气压（1ATM）相当于高度为760MM水银柱的压力。真真空空4、精

5、度精度在一定温度（23C）下，当加零压力和额定压力时，用全标度值去除偏离输出电流规定值（4MA、20MA）的值而得到的值。单位用%FS表示。5、磁滞（线性）磁滞（线性）用零电压和额定电压在输出电流（或电压）值间画出理想直线，把电流（或电压）值与理想电流（或电压）值之差作为误差求出来，再求出压力上升时和下降时的误差值。用全标度的电流（或电压）值去除上述差的绝对值的最大值所得的值即为磁滞。单位用%FS表示。压力常用术语：7 77 在压力测量中，通常有绝对压力，表压力、负压、或真空度等名词。绝对压力是指介质所受的实际压力。表压是指高于大气压的绝对压力与大气压之差，即： P表=P绝-P大 负压与真空度

6、是指大气压力与低于大气压力的绝对压力之差，即： P真 =P大-P绝 绝对压力、表压力、大气压力、负压力（真空度）之间的关系如下图所示。因为各种工艺设备和测量仪表都处于大气中，所以工程上都用表压力或真空度来表示压力的大小。我们用压力表来测量压力的数值，实际上也都是表压或真空度（绝对压力表的指示值除外）。因此，在工程上无特别说明时，所提的压力均指表压力或真空度。8 881. 额定压力范围额定压力范围额定压力范围是满足标准规定值的压力范围。也就是在最高和最低温度之间，传感器输出符合规定工作特性的压力范围。在实际应用时传感器所测压力在该范围之内。2. 最大压力范围最大压力范围最大压力范围是指传感器能长

7、时间承受的最大压力，且不引起输出特性永久性改变。特别是半导体压力传感器，为提高线性和温度特性，一般都大幅度减小额定压力范围。因此，即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。一般最大压力是额定压力最高值的23倍。3. 损坏压力损坏压力损坏压力是指能够加在传感器上且不使传感器元件或传感器外壳损坏的最大压力。4. 线性度线性度线性度是指在工作压力范围内，传感器输出与压力之间直线关系的最大偏离。 性能参数：9 99 5.压力迟滞压力迟滞为在室温下及工作压力范围内，从最小工作压力和最大工作压力趋近某一压力时，传感器输出之差。6.温度范围温度范围压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。补偿温度范

8、围是由于施加了温度补偿，精度进入额定范围内的温度范围。工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。101010 技术参数 （量程15MPa-200MPa）参数 单位 技术指标 参数 单位 技术指标灵敏度 mV/V 1.00.05 灵敏度温度系数 %FS/10 0.03非线性 %FS 0.020.03 工作温度范围 -20 +80滞后 %FS 0.020.03 输入电阻 40010重复性 %FS 0.020.03 输出电阻 3505蠕变 %FS/30min 0.02 安全过载 %FS 150% FS零点输出 %FS 2 绝缘电阻 M 5000M(50VDC)零点温度系数 %FS/10 0.

9、03 推荐激励电压 V 10V-15V111111 压力测量仪表的品种，规格甚多。常用的压力测量方法和仪表压力测量仪表的品种，规格甚多。常用的压力测量方法和仪表有：通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的平衡法。属于有：通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的平衡法。属于应于这类方法的仪表有液柱式压力计和活塞式压力计；将被测应于这类方法的仪表有液柱式压力计和活塞式压力计；将被测压力通过一些隔离元件（如弹性元件）转换成一个集中力，并压力通过一些隔离元件（如弹性元件）转换成一个集中力，并在测量过程中用一个外界力（如电磁力或气动力）来平衡这个在测量过程中用一个外界力（如电磁力或气动力）来平衡这个未知的集

10、中力，然后通过对外界力的测量而得知被测压力的机未知的集中力，然后通过对外界力的测量而得知被测压力的机械力平衡法。力平衡式压力变送器就是属于应用此法的例子；械力平衡法。力平衡式压力变送器就是属于应用此法的例子；根据弹性元件受压后产生弹性变型的大小来测量弹性力平衡法。根据弹性元件受压后产生弹性变型的大小来测量弹性力平衡法。属于这类应用方法的仪表很多，若根据所用弹性元件来分，可属于这类应用方法的仪表很多，若根据所用弹性元件来分，可分为薄膜式，波纹管式，弹簧管式压力表；能过机械和电子元分为薄膜式，波纹管式，弹簧管式压力表；能过机械和电子元件将被测压力转换在成各种电量（如电压、电流、频率等）来件将被测压

11、力转换在成各种电量（如电压、电流、频率等）来测量的电测法。例如电容式、电阻式、电感式、应变片式和霍测量的电测法。例如电容式、电阻式、电感式、应变片式和霍尔片式等变送器应于此法的压力测量仪表。尔片式等变送器应于此法的压力测量仪表。121212 主要压力检测仪表：主要压力检测仪表： （1 1）弹簧管压力表）弹簧管压力表 弹弹簧管压力表是压力仪表的主要组成部份之一，它有簧管压力表是压力仪表的主要组成部份之一，它有着极为广泛的应用价值着极为广泛的应用价值 ，它具有结构简单，品种规格齐，它具有结构简单，品种规格齐全、测量范围广、便于制造和维修和价格低廉等特点。全、测量范围广、便于制造和维修和价格低廉等特

12、点。弹簧管压力表是单圈弹簧压力表的简称。它主要由弹簧弹簧管压力表是单圈弹簧压力表的简称。它主要由弹簧管、齿轮传动机构（包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮）、管、齿轮传动机构（包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮）、示数装置（指针和分度盘）以及外壳等几部份组成，如示数装置（指针和分度盘）以及外壳等几部份组成，如下图所示。弹簧管是一端封闭并弯成下图所示。弹簧管是一端封闭并弯成270270度圆孤形的空心度圆孤形的空心管子管子 。131313 弹簧管压力表1、弹簧管 2拉杆 3、扇型齿轮 3、中心齿轮 5、指针 6、面板7、游丝 8、调整螺钉 9 接头 141414 2 2）应变式压力变送器）应变式压力变送器 应变

13、式变送器以是以电为能源，它利用应变片作为转应变式变送器以是以电为能源，它利用应变片作为转换元件，将被测压力转换成应变片电阻值的变化，然后经过桥换元件，将被测压力转换成应变片电阻值的变化，然后经过桥式电路得到毫伏级的电量输出，供显示仪表显示被测压力或经式电路得到毫伏级的电量输出，供显示仪表显示被测压力或经放大电路转换成统一标准信号后，再传送到记录仪和调节器等放大电路转换成统一标准信号后，再传送到记录仪和调节器等仪表。仪表。 应变片有金属电阻丝应变片应变片有金属电阻丝应变片( (金属丝粘贴在衬底上组成金属丝粘贴在衬底上组成的元件的元件) )和半导体应变片两类。和半导体应变片两类。 根据电阻应变原理

14、，应变片在压力作用下产生弹性变形根据电阻应变原理，应变片在压力作用下产生弹性变形dL/L(dL/L(即应变即应变e) e) ，其电阻值随之发生变化。如果已如应变片，其电阻值随之发生变化。如果已如应变片的电阻变化与其变形的电阻变化与其变形( (即应变即应变) )的关系，那么，通过对应变片电的关系，那么，通过对应变片电阻变化的测量就可测知被测压力阻变化的测量就可测知被测压力。151515 3 3）单晶硅谐振式传感器单晶硅谐振式传感器 谐振式传感器是采用超精细加工工艺在单晶硅材料上制谐振式传感器是采用超精细加工工艺在单晶硅材料上制成两个完全一致的成两个完全一致的H H型谐振梁，并以一定的频率产生振动

15、。其型谐振梁，并以一定的频率产生振动。其谐振频率取决于梁的长度及张力，而张力随压力的变化而变化，谐振频率取决于梁的长度及张力，而张力随压力的变化而变化，实现了压力变化转换成频率信号的变化，并采用了频率差分技实现了压力变化转换成频率信号的变化，并采用了频率差分技术，将两个频率信号直接输出到脉冲计数器。从而使传感器具术，将两个频率信号直接输出到脉冲计数器。从而使传感器具有误差小，重复性好、分解能力和反应灵敏度高、直接输出数有误差小，重复性好、分解能力和反应灵敏度高、直接输出数字信号等特点。由于传感器良好的特性，可使变送器几乎不受字信号等特点。由于传感器良好的特性，可使变送器几乎不受静压和温度的影响

16、，而且具有优良的过压性能和范围较宽的量静压和温度的影响，而且具有优良的过压性能和范围较宽的量程。程。基基础础振振子子引 伸引 伸张力张力硅硅膜膜片片过程压过程压力力变送器工作原理图 161616 （4 4）电容式压力传感器电容式压力传感器 （capacitive type pressure transducer） 是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。特点是，低的输入力和侏儒能量，高动态响应，小的自然效应，环境适应性好。SS0S0S2S1图2-19膜片位移原理图420 mA放大电路171717压力传感器接线 一般压力变送器是经常使用屏蔽双绞线电缆连接模拟量

17、信号电缆，不仅能减少施工现场嘈杂环境的干扰，还能减少测量介质带来的误差。为阻止模拟量两端的电位差产生干扰模拟信号，模拟量两端其中一端必须接地。 压力传感器接线根据现场信号来定，一般压力变送器输出的多是电流4-20mA,0-20mA;电压0-5V,1-5V,0-10V;模拟量电压信号多为三线制，一根工作电压正极，一根输出信号正极，另一根公用负极。如果现场取的是电流信号，一般为二线制，一根为正极，另一根为信号正。有些功率较大的变送器，只能外接24V电源，为四线制接线，两根电源线+ -，两根信号线+ -，具体接线需要查看仪表接线端子图。 181818压力传感器常见故障 1、变送器压力输出信号不稳。

18、这种故障有肯是压力源的问题。压力源本身是一个不稳定 的压力，很有可能是仪表或压力传感器抗干扰能力不强、传感器身振动很厉害和传感器故障。 2、压力变送器输出不变化。 压变送器输出不变化，再加压变送器输出突然变化，泄压变送器零位回不去，很有可能是压力传感器密封圈的问题。排除这种故障的最佳方法是将传感器卸下，直接察看零位是否正常，若零位正常可更换密封圈再试。 3、变送器与指针式压力表对照偏差大。 出现偏差是正常的现象，确认正常的偏差范围即可。是微差压变送器安装位置对零位输出的影响。安装时应使变送器的压力敏感件轴向垂直于重力方向，安装固定后调整变送器零位到标准值4、压力上不去，变送器输出上不去。 先应

19、检查压力接口是否漏气或者被堵住，如果确认不是，检查接线方式和检查电源，如电源正常则进行简单加压看输出是否变化，或者察看传感器零位是否有输出，若无变化则传感器已损坏，可能是仪表损坏或者整个系统的其他环节的问题。 191919压力传感器接线 一般压力变送器是经常使用屏蔽双绞线电缆连接模拟量信号电缆，不仅能减少施工现场嘈杂环境的干扰，还能减少测量介质带来的误差。为阻止模拟量两端的电位差产生干扰模拟信号，模拟量两端其中一端必须接地。 压力传感器接线根据现场信号来定，一般压力变送器输出的多是电流4-20mA,0-20mA;电压0-5V,1-5V,0-10V;模拟量电压信号多为三线制，一根工作电压正极，一

20、根输出信号正极，另一根公用负极。如果现场取的是电流信号，一般为二线制，一根为正极，另一根为信号正。有些功率较大的变送器，只能外接24V电源，为四线制接线，两根电源线+ -，两根信号线+ -，具体接线需要查看仪表接线端子图。 20酸轧现场压力表的使用 酸轧现场主要使用的仪表类型： 一、HYDAC 1、EDS 348-5-250-000 量程范围： 0+250Bar 2、HDA 3840-A-350-124-15m 量程范围： 0+350Bar 3、EDS 33Z6-3-0001-G01-000 量程范围： -1+1Bar 4、EDS 348-5-016-000 量程范围： 0+16Bar 二、H

21、oneywell 的 PST010RG12S-R 量程范围： 0+10Bar 三、Tecsis(泰科思) P3297B075001; 量程范围：0-10bar;21酸轧现场压力表的使用 四、EMERSON （艾默生） 1、2051TG1A2C21BB4M5 量程范围： -0.5-4.5kpa 2、2051TG2A2C21BM5 量程范围：0-6bar 3、2088G2S22A2S1M7+1199WDA95DFFWGGDA00EMA049 量程范围： 0-10bar 4、2051CD2A22A1BS1B4L4M5DF+1199WDK58DFFWJGDC00E 量程范围：0-623Mbar 5、

22、2051CD2A22A1AB4L4M5Q4 量程范围：0-1.5kpa 6、 2051CD1A22A1BB4L4M5DFQ4 量程范围：-4.5-0.5kpa22 EDS300 EDS300023HYDAC 贺德克的压力传感器介绍 EDS300系列压力继电器 主要应用于液压气动系统中压力监控和指示，以及需要高频切换或切换精度高而机械式压力表无法胜任的场合。 德国贺德克HYDAC Technology GmbH 专业生产用于流体过滤技术、液压控制技术、电子测量技术的元件和装置，是世界著名的过滤器、蓄能器、液压阀、电子产品、管夹、电磁铁、液压系统总成等产品的液压件制造商。24242425 HYDA

23、C造的压力开关，带三位液晶显示，通过触摸按键调节压力范围:16至600bar6 提供三种不同输出模式： 1、带1路开关量输出，1.2A负载容量，无模拟输出。 2、带2路开关量输出； 1.2A负载容量，无模拟输出。 3、带1路开关量输出，（1.2A负载容量）和一路模拟量输出(4- 20mA)26薄膜键盘操作27若当前压力超出了装置的设置压力，就无法显示其值，此时显示就会闪烁。若当前压力低于设定范围的1%时，就只显示零值。28仪表显示 显示 显示分为持续显示和短时显示两种。 1、持续显示 供电后元件上的液晶屏可以持续显示多种项目中所设定的一种。针对不同型号的EDS300 有不同的显示项目可供设定。

24、概括起来最多有以下5种： ACT（实测压力值） SP1（开关点设定值） SP2（另一个开关点设定值） TOP（所测压力值的最高历史记录） 不显示任何项目，也就是黑屏。 29 如果元件被设置为显示实测压力值，那么通电后，先短时显示 “EDS”字样后，会显示实测压力值（假定所测压力为45.1bar） 2、短时显示在元件供电后，除了持续显示的项目外，还可以短时显示其他项目。 注： 如果供电电压太低，元件将不能正常显示或者不显示。 30显示的调整 显示实测压力值 如果想要持续显示实测压力值，那么进行下述操作来调整： 第一步：切断电源； 第二步：按下“mode”键不松开； 第三步：接通电源； 第四步：3

25、秒后显示menu； 第五步：松开按键； 第六步：多次重复按下“mode”并松开，直到显示“Pr1.”； 第七步：多次重复按下或键并松开，直到显示“ACT”； 第八步：多次重复按下、“mode、”并松开，直到显示“End”，0.5秒后闪烁显示“no”； 第九步：按或键并松开，直到显示“YES”，2秒后元件会显示实测压力值 31（假定实测压力为45.1BAR），并且上述设置会被保存起来。 注： 若实测压力超出了元件的额定压力（量程），就无法显示其值，此时显示会闪烁、起来。 若实测压力低于额定压力（量程）的1%，就只显示0值。 32显示开关点设定值 前面五步请参考显示设置步骤，略 第六步：多次重复按

26、下“mode”并松开，直到显示“Pr1.”； 第七步：多次重复按下或键并松开，直到显示“S.P.1”； 第八步：多次重复按下、“mode、”并松开，直到显示“End”，0.5 秒后闪烁显示“no”； 第九步：按或键并松开，直到显示“YES”，2秒后元件会显示开关点设定值。并且上述设置被保存起来。33显示所测压力值的最高历史记录 前面五步请参考显示设置步骤，略 第六步：多次重复按下“mode”并松开，直到显示“Pr1.”； 第七步：多次重复按下或键并松开，直到显示“TOP”； 第八步：多次重复按下、“mode、”并松开，直到显示“End”，0.5 秒后闪烁显示“no”； 第九步：按或键并松开，直

27、到显示“YES”，2秒后元件会显示压力值的最高历史记录。并且设置会保存起来。34黑屏显示 如果想要不显示任何信息，那么按照下述操作来调整： 前面五步请参考显示设置步骤，略 第六步：多次重复按下“mode”并松开，直到显示“Pr1.”； 第七步：多次重复按下或键并松开，直到显示“OFF”； 第八步：多次重复按下、“mode、”并松开，直到显示“End”，0.5 秒后闪烁显示“no”； 第九步：按或键并松开，直到显示“YES”，2秒后元件不会显示任何信息（黑屏）。并且上述设置被保存起来。35零位校准 调用菜单按 YES进入，基准压力做为新的零点被存储。 该装置的设定范围/3%范围内是可以执行的。当

28、校准是在允许范围内执行时显示“New”，否则是显示“Err”. 具体设置请参看显示设置的步骤，在第六步中选择“CAL”，在第七步中选择“YES”即可。注意：一个600bar的装置上压力最高至18bar可被显示为0. 在调效零位时，请确保液压系统残余压力已被释放。 36 注：在上述的基本设置过程中，若50秒无按键按下，菜单会自动关闭，已经作出的任何改变不会被保存。在上述的基本设置和短时显示操作中，若设置已经被更改，那么在显示黑灭前会短时显示“PRG”，说明新设置已被保存在元件中。 37输出功能1、开关量输出2、模拟量输出 根据型号规格，DES300带一个模拟输出，可输出4-20mA的信号。 ED

29、S300带有1路或2路开关量输出，每路开关量输出可以设定一个开关点和一个延滞。相应的输出会在预设开关点到达时切换并在压力下降到低于回复点时切换回复。 开关回复点=开关点-延滞 S.P.1，SP2 =开关点1或2 H.Y.1，H.Y.2=延滞1或238基本设置3940错误代码414243现场EDS300接线图44 EDS3000操作说明45功能 显示当前的压力值。(单位可选PSI、Mpa、bar） 显示最大值或预设开关点值 根据压力和预设开关参数切换开关量输出 模拟量输出 基本设置菜单（适用于 EDS3000 的特殊应用） 编程锁定46 安装 EDS3000 可直接安装在液压集成块上，也可使用测

30、压软管实现间接安装。可绕纵轴旋转 340以优化显示位置。显示屏和按键区也可 270旋转。 EDS3000 须用适当的扳手将其旋入。根据 EDS3000 的旋转功能，如果安装 EDS3000 不恰当（如手动旋转壳体）会导致壳体损坏，或完全失效47显示键盘操作48罗斯蒙特压力变送器49 主要用于表压、差压和绝压测量，精度高达0.05%，可用协议包括HART 4-20mA,FOUNDATION现场总线，PROFIBUS PA、HART 1-5Vdc低功率。502051分解图51压力变送器工作原理 传感器 电子电路压力传感器压力传感器电子电路电子电路压力的传感信号处理及输出显示模拟智能/HART现场总

31、线52罗斯蒙特压变技术 Capacitance (差分电容式传感器) Piezoresistive (压敏电阻式传感器)53电容式传感器的工作原理固定电容极板和位于中间的感压极板组成两个电容室过程压力通过导压灌充液/硅油传导至感压极板感压极板产生与压力基本成正比的位移该位移使两电容室的差分电容值改变差分电容由电子电路转换为与电容的介电常数无关的毫伏信号,进入后面的放大及信号处理板54智能变送器的工作55硅可变电阻式传感器的结构及工作原理 用于表压及绝压测量 传感器表面生成集成化的惠斯登 电桥 压力作用使传感器表面产生形变该形变引起可变电阻桥臂的失衡 电桥的失衡电流经放大处理 处理后的信号经A/D转换送往微处理器进行量化量化数据经D/A电路转换为4-20MA.Pressu