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第3章压力测量

化工测量及仪表压力第1页本章关键点压力定义和表示弹性元件和弹性压力计电阻（应变）式压力计电容式压力计电感式压力计霍尔式压力计其它常见压力测量方法压力仪表选取标准化工测量及仪表压力第2页3.1压力检测概述

3.1.1压力定义及单位

3.1.2压力几个表示方法

化工测量及仪表压力第3页3.1.1压力定义及单位压力定义压力单位工程上压力定义是垂直而均匀地作用于单位面积上力。相当于物理上压强定义。压力国际标准单位为Pa(帕斯卡)，1Pa定义是在1m2面积上有1N（牛顿）作用力。不过该单位表示力较小，所以，工程上更多是使用kPa(千帕斯卡/千帕)或MPa（兆帕斯卡/兆帕）作为压力表示单位。化工测量及仪表压力第4页化工测量及仪表压力第5页=======3-1化工测量及仪表压力第6页化工测量及仪表压力第7页化工测量及仪表压力第8页化工测量及仪表压力第9页化工测量及仪表压力第10页3.1.2压力几个表示方法

表压力与真空度：绝对压力:被测量压力与真空差值称为绝对压力。被测压力大于大气压力时，称被测压力与大气压力差值为表压力，当被测压力小于大气压力时，称其差值为真空度或负压。化工测量及仪表压力第11页3.2弹性压力计

3.2.1弹性元件3.2.2弹性元件在压力测量中应用化工测量及仪表压力第12页3.2.1弹性元件

弹性元件测量原理

当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件受到其轴向外力作用，产生弹性形变，形成拉伸或压缩位移信号，在弹性形变范围内，其受力和形变关系可表示为：式中F——轴向外力

X——弹性元件位移

C——弹性元件刚度系数依据弹性元件形变大小，能够确定被测压力大小。化工测量及仪表压力第13页弹性元件种类和特征惯用弹性元件类型有膜片、弹簧管、波纹管等类型，可将压力信号转换为位移信号。膜片和膜盒弹簧管波纹管化工测量及仪表压力第14页膜片主要用于低压测量，压力增大时，膜片圆心处硬心会产生直线位移。在压力测量中，惯用两片膜片沿周围对焊起来，组成膜盒结构。膜片可直接带动传动机构就地显示，但因为膜片位移较小，灵敏度低，更多是与压力变送器配合使用。波纹管在管内压力增大时，侧壁上褶皱曲率改变，产生自由端水平位移，因为波纹管位移相对较大，普通可直接带动传动机构，就地显示。其优点是灵敏度高，但波纹管迟滞误差较大，其输出水平位移比弹簧管大，但位移和压力线性度不如弹簧管。弹簧管又称波登管，管横截面为椭圆形，当管内压力变大时，椭圆截面在压力作用下趋向于圆形，使整个弯管曲率发生改变，其自由端产生向外位移，在位移量不大时，可近似看作直线运动，且位移大小与压力近似成正比。弹簧管还有多圈盘状或螺旋状结构，能够增大输出位移量。常见弹性元件位移输出和压力信号关系如表3-2-2所表示。化工测量及仪表压力第15页3-2化工测量及仪表压力第16页化工测量及仪表压力第17页3.2.2弹性元件在压力测量中应用弹簧管压力表实物示例被测压力由接头9引入，迫使弹簧管1自由端B向右上方扩张移动。自由端B弹性变形位移由拉杆2使扇形齿轮3做逆时针偏转，于是指针5经过同轴中心齿轮4带动而做顺时针偏转，从而在面板6刻度标尺上显示出被测压力p数值。因为自由端位移与被测压力之间含有百分比关系，所以弹簧管压力表刻度标尺是线性。3-4量程调整减小变差游丝7是用来克服扇形齿轮和中心齿轮间隙所产生仪表变差。改变调整螺钉8位置(即改变机械传动放大倍数)，能够实现压力表量程调整。化工测量及仪表压力第18页3-3化工测量及仪表压力第19页化工测量及仪表压力第20页P为压力，即单位面积上力，N/m2化工测量及仪表压力第21页化工测量及仪表压力第22页3.2.2弹性元件在压力测量中应用压力变送器结构原理如图所表示，由测量和转换两部分组成。测量部分包含测量室、测量元件(膜片或膜盒)、主杠杆；转换部分包含主杠杆、矢量机构、副杠杆、反馈机构、差动变压器、调零装置及放大器。化工测量及仪表压力第23页如图所表示。矢量机构把主杠杆水平方向力Fl分解为垂直方向力F2和矢量角方向力F3，其中分力F2则作用于副杠杆上，其值等于Fltgθ。副杠杆以M点为支点，将F2传递到反馈动圈12处，形成作用力F4，它与反馈动圈在磁场中所受到反馈力Ff相比较其差值ΔF使副杠杆绕M点偏转，这使得固定在副杠抨上位移检测片8与差动变压器9之间距离改变Δx，引发差动变压器输出改变Δu，经放大器放大并转换成4~20mADC标准信号I0，作为变送器输出信号；I0同时又作为反馈电流经反馈动圈，产生电磁反馈力Ff，使副杠杆作相反方向偏转。当输入力与反馈力对杠杆系统所产生力矩到达平衡时，Ff=F4，变送器重新到达一个新稳定状态。此时，变送器输出电流I0与被测信号Δp成正比。化工测量及仪表压力第24页3.3电阻式压力计

3.3.1应变效应和压阻效应原理

3.3.2金属应变片与应变式压力传感器

3.3.3压阻元件和压阻式压力传感器

3.3.4电阻信号测量电路

化工测量及仪表压力第25页3.3电阻式压力计电阻式压力计利用传感器将弹性元件受压力影响产生形变转换为电阻信号，再利用对电阻信号转换处理取得被测压力值。惯用传感器有金属应变片和半导体硅杯，所以这类传感器工作原理是应变效应，即金属或半导体材料电阻，在受到外力作用产微小形变同时，其电阻值也会发生改变，以金属应变片作为传感元件制造压力计称为应变式压力计，以硅杯作为传感元件制造压力计称为压阻式压力计。应变式压力传感器化工测量及仪表压力第26页3.3.1应变效应和压阻效应原理金属导体应变效应

金属导体电阻能够表示为：式中：ρ—电阻率L—导体长度A—导体横截面积对于一根圆截面金属电阻丝，当受到轴向外力F作用后，电阻丝长度伸长了dL，截面积缩小了dA，电阻率改变为dρ，电阻相对改变量则为：化工测量及仪表压力第27页和几何尺寸相关和电阻率相关电阻率(resistivity)：是指单位长度、单位截面某种物质电阻，惯用单位为“欧姆·米”，其倒数为电导率。化工测量及仪表压力第28页因为圆截面电阻丝A=πD2/4，故能够得出式中μ—材料泊松系数dL／L—金属电阻丝轴向应变。式中D——电阻丝直径。又依据材料力学可知：化工测量及仪表压力第29页电阻相对改变量忽略电阻率改变影响因为材料几何尺寸改变引发电阻改变现象称为应变效应。K=1+2μ称为金属电阻应变灵敏系数。线性关系化工测量及仪表压力第30页半导体压阻效应半导体材料受力后电阻改变一样能够表示为对于半导体材料而言，因为半导体材料几何尺寸对电阻改变率影响很小，故上式后两项能够忽略不计，也就是说，半导体电阻改变率主要是由dρ／ρ引发，这一现象也称为压阻效应。对于半导体单晶在沿纵向受力时，电阻率改变为：π—半导体材料压阻系数；E—材料弹性模量；

ε—纵向应变。σ=πE。所以应变引发电阻改变率为

式中K=πE，称为半导体灵敏系数化工测量及仪表压力第31页金2.4*10-3银1.62*10-3

青铜13-18*10-3金属应变计灵敏系数为2～3化工测量及仪表压力第32页化工测量及仪表压力第33页3.3.2金属应变片与应变式压力传感器应变片结构利用金属材料应变效应，可将形变转换为电阻改变，工程上使用传感器称为金属应变片，简称应变片，它是利用极细金属丝附着在绝缘薄片上制造而成。应变片使用时有方向性，测量时应变方向应该与敏感栅轴向（纵向）一致，这么才能产生较大信号输出，假如应变方向垂直于敏感栅轴向，应变片产生电阻改变非常微小，无法测量。纵向（轴向）横向化工测量及仪表压力第34页直径：0.015~0.05mm厚：0.02~0.04mm,纸或胶膜直径：0.1~0.2mm铜线,又叫敏感栅为何要重复绕置电阻丝？0.003~0.01mm金属箔，光刻、腐蚀而成。特点：表面积大，散热好，能承受大电流和大电压，灵敏度高，便于批量生产。化工测量及仪表压力第35页应变式压力传感器应变式压力传感器结构有许各种形式，现仅以应变筒结构为例介绍其测压原理。如图所表示，应变筒1上端与外壳2固定在一起，它下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，两片应变片R1和R2分别用粘合剂粘贴在应变筒外壁上。R1沿应变筒径向贴放，R2沿应变筒轴向贴放，要求应变片与筒体之间不会发生滑动现象，而且保持电气绝缘。当被测压力p作用于不锈钢膜片3上而使应变筒作轴向受压变形时，沿轴向贴放应变片R2，产生轴向压缩应变，其阻值变小；而应变筒在受到轴向压缩变形同时，径向产生拉伸变形，那么沿着径向贴放应变片R1将引发拉伸应变，其阻值增大。利用两个应变片，结合固定电阻组成直流惠斯登电桥，可将应变片电阻改变转换为与之成正比直流电压信号进行远传和标准化处理。化工测量及仪表压力第36页化工测量及仪表压力第37页3.3.3压阻元件和压阻式压力传感器压阻元件利用半导体材料制造应变-电阻转换元件称为压阻元件，硅杯膜片是较为常见一个压阻元件，它是在一个周围固定弹性膜片上面扩散有硅应变电阻硅膜片。形状有圆形、方形和矩形等。

在波纹膜片上不一样位置，在受到压力影响产生形变时，会产生不一样改变趋势，R1、R4应变片位置产生应变方向与R2、R3应变片位置应变方向相反，而改变量相同，利用这一特点，能够选取不一样数量应变片组成测量桥路，以改进传感器特征。化工测量及仪表压力第38页圆形硅杯模片r=0.635r0时，径向应力为零；r<0.635r0时，径向应力大于零，为拉应力；r>0.635r0时，径向应力小于零，为压应力；化工测量及仪表压力第39页压阻式压力传感器压阻式压力传感器主要由压阻芯片和外壳组成。如图所表示为经典压阻式压力传感器结构原理图。压阻芯片采取周围固定硅杯结构，封装在外壳内，硅膜片上扩散电阻接成电桥形式，用引线引出。组成全桥四片电阻条中，有两片位于受压应力区，另外两片位于受拉应力区，彼此位置相互对称于膜片中心。硅膜片两边有两个压力腔，一个是和被测压力相连接高压腔，另一个是低压腔，通常是小管和大气相通。化工测量及仪表压力第40页3.3.4电阻信号测量电路测量电路作用不论是应变式压力传感器还是压阻式压力传感器，产生电阻信号需深入转换为电压或电流信号，方便于进行测量信号远传和处理。惯用方法是采取直流或交流电桥，将电阻改变转换为电压信号，提升了测量精度和灵敏度，降低环境原因带来测量误差。

化工测量及仪表压力第41页应变片温度误差因为测量现场环境温度改变而给测量带来附加误差，称为应变片温度误差。产生应变片温度误差主要原因是因为材料电阻温度特征和受温度影响产生热胀冷缩现象。

(1)电阻温度系数影响

金属电阻丝多采取铜材料，其阻值随温度改变关系可用下式表示：式中：R0——

温度为t0℃时电阻值；

Rt

——

温度为t℃时电阻值；

α0——金属丝电阻温度系数；

Δt——

温度改变值，t=t-t0化工测量及仪表压力第42页半导体材料制造压阻元件，其阻值一样会受到温度影响，其温度-电阻特征为

所以当温度改变时，应变式（压变式）传感器电阻会伴随温度改变发生改变，产生附加误差。化工测量及仪表压力第43页

(2)弹性构件材料和电阻丝材料线膨胀系数影响

应变片使用时必须和可产生形变弹性构件粘贴在一起。当弹性构件与电阻丝材料线膨胀系数相同时，不论环境温度怎样改变，电阻丝变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。当弹性构件和电阻丝线膨胀系数不一样时，因为环境温度改变，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。设电阻丝和弹性构件在温度为0℃时长度均为L0，它们线膨胀系数分别为βS和β

g。当不贴在一起时，温度改变Δt时它们长度分别为

Ls=L0（1+βS

Δt）

Lg=L0（1+βg

Δt）化工测量及仪表压力第44页当二者粘贴在一起时，因为受温度改变Δt影响产生变形不一样，电阻丝产生附加变形ΔL、附加应变εβ、和附加电阻改变Δ

RL为分别为

ΔL=LS-Lg=(βS-βg)L0Δt

εβ=ΔL/L0=(βS-βg)Δt式中K0为与材料相关固定系数，R0为应变片初始阻值。化工测量及仪表压力第45页

因为温度改变而引发应变片总电阻相对改变量为：βS和βg分别为应变片和弹性构件线膨胀系数，α0为电阻丝材料温度系数。由上式可知，因环境温度改变而引发附加电阻相对改变量，除了与环境温度相关外，还与应变片本身性能参数以及弹性构件线膨胀系数相关。为了防止环境温度对测量影响，需要在进行应变片信号转换时，经过测量电路进行温度赔偿，以减小环境温度带来系统误差。化工测量及仪表压力第46页测量桥路应变式传感器电阻信号处理多采取不平衡电桥电路。电桥有直流电桥与交流电桥之分。假如采取正弦波电压对电桥供电，这种电桥称为交流电桥；假如采取直流电对电桥供电，这种电桥则称为直流电桥。交流电桥易受传输线分布电容影响，调平衡困难，通频带较窄，所以传输电缆不宜过长。伴随集成电路技术进步，各种低噪声、低漂移、高效益、高精度、高共模抑制比运算放大器不停出现，专用信号处理电路模块和高精度直流电源模块也相继制造成功，直流电桥应用越来越多。这种新型直流电桥电路最大优点是频率响应特征好、精度高、不需繁琐地调平衡，允许使用传感器电缆引线长度远大于交流电桥允许引线长度。采取直流电桥及对应二次仪表，比采取载频式交流电桥及二次仪表更为经济。以下重点对不平衡直流电桥应用进行说明。化工测量及仪表压力第47页

当输出端ab间开路时，则有电流如图所表示，桥路电源电压U为直流，4个桥臂阻值分别为R1、R2、R3、R4，当R1=R2=R3=R4时，称为等臂电桥；当R1=R2=R及R3=R4=R0

（R≠R0）时，称为输出对称电桥；当R1=R4=R及R2=R3=R0（R≠R0）时，称为电源对称电桥。在电阻R1及R3，上电压降分别为化工测量及仪表压力第48页所以，桥路输出可表示为

上式称为直流电桥平衡条件，电桥到达平衡时其相邻两臂电阻比值相等。设当Uo=0时，称为电桥平衡，此时式中

n——桥臂电阻比。

化工测量及仪表压力第49页

假设电桥各桥臂电阻R1、R2、R3、R4，都发生改变，其阻值改变量分别为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，电桥输出近似可得右端分子、分母同时除以R12，则有化工测量及仪表压力第50页化工测量及仪表压力第51页化工测量及仪表压力第52页输出信号电压灵敏度为：

由此可见当n=1时，桥路输出灵敏度最大，此时有R1=R2=R3=R4，即电桥为全等臂电桥，所以全等臂电桥是应变式传感器中常采取形式。当f’(n)=0时，Ku有最大值，故有全等臂直流电桥常见形式有单臂电桥、双臂电桥、全桥。

化工测量及仪表压力第53页

电桥输出信号与应变片电阻改变率近似成正比。可见电桥可利用其输出电压与应变函数关系，将压力信号转换为可远传电信号。如图所表示为单臂电桥。桥路结构中只有一个桥臂是测量应变片，其它为固定电阻，且R1=R2=R3=R4=R，单臂工作时，应变片传感器电阻发生改变，即R1=R+ΔR，其它电阻ΔR=0，电桥输出为：当ΔR<<R时，令1+ΔR/2R≈1，则有测量桥路——单臂电桥化工测量及仪表压力第54页测量桥路——双臂电桥

差动电桥有两种结构，分别称为半桥和全桥。

半桥电路又称双臂电桥，结构如图所表示，相邻桥臂为两个相同类型应变片传感器，分别定位于弹性构件适当位置上。当弹性构件产生形变时，两个应变片受到效果相反作用，即一个应变片受拉伸作用时，另一个应变片受改变量相同压缩作用。其电阻改变情况，一臂为R1+ΔR1，而另一臂为R2－ΔR2。因为R1=R2=R3=R4=R，而ΔR1=ΔR2=ΔR，所以

可见，因为差动赔偿作用，从理论角度而言，引发非线性误差原因相互抵消；同时输出信号灵敏度较单臂电桥提升了一倍。

化工测量及仪表压力第55页环境温度改变影响这时，两个应变电阻改变方式相同，即

R1+ΔR1

R2+ΔR2且ΔR1=ΔR2=ΔR若电桥原处于平衡状态，有所以，环境温度影响大大减小。

电阻温度系数影响和电阻丝材料线膨胀系数影响均大大减小。化工测量及仪表压力第56页测量桥路——全桥四个桥臂均由参加测量应变片元件组成，其相邻桥臂应变片，在弹性构件产生形变时，两个应变片受到效果相反作用。桥路输出与应变片阻值改变关系为：可见全桥电路灵敏度是半桥2倍，同时全桥电路一样含有差动电桥非线性误差和温度误差赔偿功效。化工测量及仪表压力第57页测量桥路信号后续处理

通常，传感器输出电信号是微弱，且与电路之间连接含有一定距离，所以需要进行信号放大。按测量放大电路结构原理可分为差动直接耦合式、调制式和自动稳定式三大类。其中，差动直接耦合式包含了单端输入(同相或反相)运算放大电路、电桥放大电路、电荷放大电路等测量放大电路。按元件制造方式可分为分立元件结构形式、通用集成运算放大器组成形式和单片集成测量放大器三种。在三种方式中，单片集成测量放大器含有体积小、精度高、使用方便特点。伴随集成工艺发展，单片集成测量放大器应用在日益增多。以下以多功效信号调理电路AD693为例，介绍这类放大器使用特点。化工测量及仪表压力第58页

AD693是AD企业推出一个单片信号调理器，它含有高精度、多功效特点。其用途十分广泛，使用也非常灵活，不但可用作小信号U／I转换器，还可作为各种传感器(比如铂热电阻、热电偶、电阻应变片测量电桥)信号调理器。AD693适合用于传感测试系统、工业过程控制及自动化仪表领域。AD693性能特点1)内含可编程输入放大器、U／I转换器和多路输出式基准电压源。2)输出电流有三种形式：4~20mA(单极性)，0~20mA(单极性)，12±8mA(双极性)。3)输入电压范围和电流零点均可单独调整，二者互不影响。4)高精度。5)利用芯片中备用放大器，可对由铂热电阻(PRTD)、各种热电偶及电阻应变片桥路所产生信号进行调理(包含缓冲、放大、与其它信号进行组合等)。备用放大器含有电流输出和电压输出两种能力，能为外部传感器提供激励。6)含有过电流保护和反向过电压保护功效。

化工测量及仪表压力第59页AD693内部结构原理图：可编程输入放大器(A1)U／I转换器输出级(晶体管VT1)基准电压及精密分压器、保护二极管(VD)备用放大器(A2)备用输出级(高增益达林顿管VT2)。化工测量及仪表压力第60页化工测量及仪表压力第61页化工测量及仪表压力第62页测量桥路信号后续处理AD693作为电阻应变片测量信号处理电路连接原理图化工测量及仪表压力第63页化工测量及仪表压力第64页3.4电容式压力计

3.4.1电容传感器原理

3.4.2电容式压力传感器

3.4.3电容信号变送处理

化工测量及仪表压力第65页3.4电容式压力计电容式压力计敏感元件，可将弹性元件受压力影响产生形变转换为电容量改变。这类传感器含有结构简单、适应性强、含有良好动态特征、本身发烧小、信号能够非接触测量等特点，伴随电子技术不停发展、电容传感器应用技术也在不停完善，从而得到更广泛应用。电容式压力传感器化工测量及仪表压力第66页3.4.1电容传感器原理转换原理式中Cx——角位移为θ时电容量，即被测压力对应电容量。当无被测压力时，

θ

=0，两极板面积重合，其电容量为：当有被测压力时，θ

≠

0，则(1)改变极板相对覆盖面积A

如图所表示，1为动极板，2为定极板，为被测压力引发电容器动极板角位移。当动极板有一个角位移改变时，与定极板覆盖面积改变，从而改变了两极板之间电容量。(3-39)(3-41)化工测量及仪表压力第67页(2)改变极板间极距d如图3-4-2(b)所表示，1为动极板，2为定极板，3为弹性元件，p为被测压力。当动极板产生x位移改变时，改变了两极板间距，从而会引发电容量改变。电容量C与极板间距d不是线性关系，而是双曲线关系。

此时Cx与位移x近似线性关系，当d较小时，对于一样x改变所引发电容改变量ΔC增大，使传感器灵敏度提升。

当p=0时，动极板位移x=0，两极板间距为d，电容量为C0，表示式同式(3-39)。当p≠0时，动极板会产生位移，使极板间距减小x，则电容量为当x<<d时，可近似为(3-39)化工测量及仪表压力第68页灵敏度增加注意选择适当工作区化工测量及仪表压力第69页3.4.2电容式压力传感器变极距式电容压力传感器变极距式电容传感器利用弹性元件形变改变电容极距，以产生与形变相关电容改变。它含有较高灵敏度，不过极距d与电容量C之间函数关系是非线性，假如采取近似线性化处理方法，会产生一定非线性误差。为了深入提升测量精度和灵敏度，常采取差动结构来组成传感器。采取差动电容法好处是灵敏度高、能够减小非线性影响，而且能够减小因为介电常数ε受温度影响引发不稳定性。

差动式电容原理如右图所表示。化工测量及仪表压力第70页总输出电容为两电容串联，即设初始时Cl=C2=C0

，当中间动极板移动x时，一边极距减小，C2+Δ

C；一边极距增大，Cl-ΔC。电容C2容量改变为：电容C1容量改变为：当x／d<<l时，可利用泰勒级数将上两式展开可见，式中不含有奇次项，故非线性影响大大减小，而灵敏度却提升了1倍。化工测量及仪表压力第71页化工测量及仪表压力第72页基于上述特点，变极距式压力传感器基本上采取了差动方式。电容式差压传感器如右图所表示。左右对称不锈钢基座2和3外侧加工成环状波纹沟槽，并焊上波纹隔离膜片1和4。基座内侧有玻璃层5，基座和玻璃层中央开有孔，使隔离膜片1、4与测量膜片7连通。玻璃层内表面磨成凹球面，球面除边缘部分外镀有一层金属膜6，金属膜电容左、右定极板经导线引出，与测量膜片7(即动极板)组成两个串联电容C1和C2。测量膜片为弹性子膜片被夹入和焊接在基座中央，将空间分隔成左、右两部分，并在测量膜片分离左、右空间中充入硅油。隔离膜片与壳体组成左、右两个测量室，称为正、负压室(即高、低压室)。当分别承受高压p1和低压p2时，硅油不可压缩性和流动性便将差压p=p1-p2，传递到测量膜片两侧。化工测量及仪表压力第73页无压差时，左、右两侧初始电容均为C0；有压差时，动极板变形到虚线位置，它与初始位置之间假想电容为CA，虚线位置与低压侧固定极板之间电容为C2，与高压侧定极板之间电容为C1，所以由电容串联公式可得

差动电容改变值与压力差成正比

化工测量及仪表压力第74页化工测量及仪表压力第75页化工测量及仪表压力第76页化工测量及仪表压力第77页变面积式电容压力传感器

变面积式压力传感器原理以下列图所表示。被测压力作用在金属膜片上，经过中心柱2和支撑簧片3，使可动电极4随簧片中心位移而动作。可动电极4与固定电极5都是金属材质加工成同心多层圆筒组成，断面呈梳齿形，其电容量由两电极交织重合部分面积所决定。固定电极中心柱6经绝缘支架7与外壳之间绝缘，可动电极则与外壳导通。压力引发极间电容改变由中心柱引至电子线路，变为4~20mA直流信号输出。。化工测量及仪表压力第78页外形两线制，4-20mA位移0.3mm,不能测差压

绝缘电子线路装在同一壳中适合用于测压力；精度：0.25-0.5级；可采取两线制。化工测量及仪表压力第79页电容式传感器等效电路

对于电容式传感器灵敏度和非线性分析，在一定情况下都能够将电容式传感器看作为纯电容器。通常，多数电容器损耗能够忽略，在工作频率低时候其电感效应也是能够忽略。当电容器损耗和电感效应不能被忽略时候，电容式传感器等效电路就要重新考虑。

上图所表示从左至右依次为电容传感器在普通情况、低频信号、高频信号情况下等效电路。化工测量及仪表压力第80页总寄生电容极间漏电阻等效集总电阻Ce=C+C0re≈r等效电感化工测量及仪表压力第81页3.4.3电容信号变送处理

调频测量电路

调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路一部分。当被测量造成电容量发生改变时，振荡器振荡频率就发生改变。即使可将频率作为测量系统输出量，用以判断被测非电量大小，但此时系统是非线性，不易校正，所以加入鉴频器，将频率改变转换为振幅改变，经过放大就能够用仪器指示或统计下来。调频测量电路原理框图以下列图所表示。化工测量及仪表压力第82页调频信号频率改变与电容改变成一定函数关系。

当被测信号为零时，ΔC=0，振荡器存在固有振荡频率f0：调频振荡器原理图如右图所表示，其振荡频率为式中：

L

——

振荡回路电感；C——

振荡回路总电容，C=C1+Ci+C0±ΔC；C1+Ci——

振荡回路固有电容和传感器引线分布电容；

C0±ΔC——

传感器电容。当电容容量发生改变时，ΔC≠0，振荡器振荡频率为f可测至0.001μm化工测量及仪表压力第83页交流电桥

含紧耦合电感臂交流电桥含有较高灵敏度和稳定性，且寄生电容影响小，大大简化了电桥屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，所以当前在测量电容中较多采取。下列图（A）为两种交流电桥结构示意图，（B）为电桥测量电路原理框图。

（A）（B）高输入阻抗化工测量及仪表压力第84页运算放大器式电路

运算放大器放大倍数K非常大，而且输入阻抗Zi很高。运算放大器这一特点能够使其作为电容式传感器比较理想测量电路。右图是运算放大器式电路原理图。Cx为电容式传感器，C为固定电容，u是交流电源电压，uo是输出信号电压。由运算放大器工作原理可知

可见运算放大器输出电压与动极板板间距离d成正比。运算放大器电路处理了单个变极距型电容传感器非线性问题。这就从原理上确保了变极距型电容式传感器线性。假如电容传感器是变面积式或变介电常数式，可交换C和Cx在电路中位置，仍可使uo与被测参数函数关系为线性。又因为所以化工测量及仪表压力第85页双T交流电桥

二极管双T型交流电桥电路原理图如上图所表示。UE是高频电源，它提供幅值为Ui对称方波，D1、D2为特征完全相同两个二极管，R1=R2=R，C1、C2为传感器两个差动电容。当传感器没有输入时，C1=C2。电路工作原理以下：当UE为正半周时，二极管D1导通、D2截止，于是电容C1充电；在随即负半周出现时，电容C1上电荷经