检测技术与仪表-5-压力检测课件

5压力检测自动检测技术及仪表控制系统5压力检测自动检测技术及仪表控制系统Contents5.1压力单位及压力检测方法5.2常用压力检测仪表5.3测压仪表的使用及压力检测系统Contents5.1压力单位及压力检测方法5.2常用压5.1.1压力的单位1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积上所形成的压力为1“帕斯卡”，简称“帕”，符号为Pa。表5-1，常用压力单位及换算。帕、巴、标准大气压、mmHg、psi、托(torr)5.1.1压力的单位1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积上5.1.2压力的几种表示方法1）绝对压力：被测介质作用在容器表面积上的全部压力2）大气压力：由地球表面空气柱重量形成的压力3）表压力：绝对压力和大气压力之差4）真空度：绝对压力小于大气压力时的表压力的绝对值5）差压：设备中两处的压力之差5.1.2压力的几种表示方法1）绝对压力：被测介质作用在容第三节压力检测仪表压力的表示方式绝对压力表压力真空度差压压力范围(Pa)压力范围(Pa)超高压＞6×108粗真空103~105高压107~6×108低真空10-1~103低压105~107高真空10-6~10-1微压0~105超高真空10-10~10-6极高真空＜10-10

压力范围划分第三节压力检测仪表压力的表示方式压力范围(Pa)压力范围压力表压力表5.1.3压力检测的主要方法及分类5.1.3.1重力平衡方法：1）液柱式压力计：基于液体静力学原理2）负荷式压力计：基于重力平衡原理5.1.3.2机械力平衡方法5.1.3.3弹性力平衡方法5.1.3.4物性测量方法1）电测式压力计2）其他新型压力计，如集成式压力计、光纤压力计等5.1.3压力检测的主要方法及分类5.1.3.1重力平衡第三节压力检测仪表液体压力计

工作原理

:通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的方法。液柱式压力计的形式：U形管单管斜管活塞式压力表（常用作标准）U形压力真空计第三节压力检测仪表液体压力计U形压力真空计△P=P1－P2=ρg(h1+h2)αU型管单管倾斜管⊿P=9.8LK(Pa)L···玻璃测量管液柱长度（mm）K···-倾斜常数（0.2、0.3、0.4、0.6、0.8）△P=P1－P2=ρg(h1+h2)αU型管⊿P=9.8单管倾斜管气压计微压计单管气压计微压计检测技术与仪表-5-压力检测课件5.2.1弹性压力计原理：弹性元件在弹性限度内受压变形，其变形大小与外力成比例弹性压力计的组成框图5.2.1弹性压力计原理：弹性元件在弹性限度内受压变形，其5.2.1弹性压力计5.2.1.1测压弹性元件1）弹性膜片：外缘固定，圆形片状，中心位移与压力的关系表示弹性特性，线性关系良好2）波纹管：壁面具有多个同心环状波纹，一端封闭，封闭端的位移和压力在一定范围内呈线性关系3）弹簧管：圆弧状，不等轴截面，金属管5.2.1弹性压力计5.2.1.1测压弹性元件弹性元件弹性元件

它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行测量的仪表。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。基于此原理工作的仪表有弹簧管式压力表、膜片〔或膜盒式)压力表、波纹管式压力表等。此类仪表多用于现场指示压力。

16膜片与膜盒波纹管是外周沿轴向有深槽形波纹状皱褶，可沿轴向伸缩的薄壁管子。16膜片与膜盒波纹管是外周沿轴向有深槽形波纹状皱褶，可沿轴向5.2.1弹性压力计5.2.1.2弹簧管压力计弹簧管压力计结构1—弹簧管；2—连杆；3—扇形齿轮；4—底座；5—中心齿轮；6—游丝；7—表盘；8—指针；9—接头；10横断面；11-灵敏度调整槽5.2.1弹性压力计5.2.1.2弹簧管压力计弹簧管压力检测技术与仪表-5-压力检测课件5.2.1弹性压力计5.2.1.3波纹管差压计双波纹管差压计结构示意1—高压波纹管；2—补偿波纹管；3—连杆；4—挡板；5—摆杆；6—扭力管；7—芯轴；8—保护阀；9—填充液；10—低压波纹管；11—量程弹簧；12—阻尼阀；13—阻尼环；14—轴承5.2.1弹性压力计5.2.1.3波纹管差压计双波纹管差5.2.1弹性压力计5.2.1.4弹性测压计信号的远传方式弹性元件的变形或位移转换为电信号输出，即可实现远距离信号传送电远传弹性压力计结构原理5.2.1弹性压力计5.2.1.4弹性测压计信号的远传方21两种霍尔式压力传感器结构0-20mA21两种霍尔式压力传感器结构0-20mA霍尔式压力计1、测量原理：利用霍尔元件测量弹性元件受力作用后产生的变形现象。霍尔效应：在一半导体薄片相对两侧面通以控制电流I，在薄片垂直方向加以磁场B，则在半导体另两侧面会产生一大小与I和B相乘积成正比的电动势UH－－霍尔电势。具有霍尔效应的元件称霍尔元件。(锗、锑化铟）霍尔式压力计1、测量原理：利用霍尔元件测量弹性元件受力作用后霍尔效应演示

当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片A、B方向的端面之间建立起霍尔电势。ABCD霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用BIfLfE++++----霍尔元件如图，单位电荷受到的力：洛仑兹力fL=qvB电场作用力fE=qEH=VH/L平衡时，fL

＝fE

霍尔电势

保持I、B其中一个一定，UH与另一个成线性关系。2、霍尔式压力计的结构（参考图5－5b）把霍尔元件固定在弹性元件的位移端，置于非均匀磁场中，当弹性元件受压形变，产生位移使霍尔元件在非均匀磁场中移动，此时在元件中通一定的控制电流，则元件电极出现UH的大小与压力成正比。压力P位移霍尔电势UH弹性元件霍尔元件变磁场BBIfLfE+++5.2.2力平衡式压力计原理：反馈力平衡力平衡式压力计的基本框图5.2.2力平衡式压力计原理：反馈力平衡力平衡式压力计的基应变式压力传感器1、测量原理：P－ε－R，利用导体内部应变大小与电阻的关系，通过应变片将压力P转换成电阻值R的变化。应变效应：导体在受压或受拉时发生机械变形，其电阻将发生变化。ρ：电阻率L：长度A：横截面积取对数、再求导定义：应变ε为长度变化量应变式压力传感器1、测量原理：P－ε－R，利用导体内部应变大μ表明电阻丝沿轴向伸长时，直径将缩小，两者相对变化量之比电阻相对变化量dR/R由二部分决定：①几何尺寸的变化(1+2μ)ε；②压阻效应dρ/ρ。对于金属导体对于半导体Π：压阻系数E：杨氏弹性模量μ表明电阻丝沿轴向伸长时，直径将缩小，两者相对变化量之比电阻应变片灵敏度系数k金属导体：k＝1+2μ半导体：k＝ΠE应变片灵敏度系数k金属导体：k＝1+2μ半导体：k＝Π2、应变片结构张丝式支柱张丝电阻膜片P应变片式电阻丝（金属薄膜）薄膜（纸基、胶基）张丝式：四根电阻丝作为测量桥路的四个桥臂。当P加上时，膜片产生位移s，支柱上项，使上部两根电阻丝拉紧，下部二根放松，桥路上输出差动应变信号，其大小与P成正比。应变片式：能得到较大的R，可以通以较大电流，提高灵敏度。尺寸小且薄，使用方便。由于环境温度改变时，R受T的影响较大，所以使用时常用差动电桥来进行温度补偿。2、应变片结构张丝式支柱张丝电阻膜片P应变片式电阻丝（金属薄3、测量电路：电桥电路⑴单臂电桥：电桥的一个臂接应变片，其它三个为固定电阻。当为等臂电桥时，其输出为⑵双臂电桥：一个差动对，典型例子：悬壁梁两应变片同向贴梁的上、下部，r1为测量片、r2为温度补偿片，且r1＝

r2

，R1＝R2，电桥初始平衡，U＝0。环境温度变化时，r1、r2同时变化，不会破坏电桥平衡条件。当F作用时，r1→r1＋△r（受拉），r2→r2－△r（受压）r1r2FR1R2r1r2EUo3、测量电路：电桥电路⑵双臂电桥：一个差动对，典型例子：悬壁⑶全桥：二个差动对构成等臂电桥，如下图。应变电阻r1＝

r2＝

r3＝

r4

，r1

、r3受拉，r2

、r4受压r1r2EUor4r3Fr1r2r3r4附：如图5－7，四片应变片的贴法不一致，其中二片沿应变筒径向贴，另二片沿应变筒轴向贴。当应变筒受压力P作用时，一组受压，另一组受拉，但应变并不相同，相差一泊松系数μ，即⑶全桥：二个差动对构成等臂电桥，如下图。r1r2EUor4r5.2.3压力传感器5.2.3.1应变式压力传感器原理：导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化几种应变式测量的结构示意5.2.3压力传感器5.2.3.1应变式压力传感器几种应5.2.3压力传感器5.2.3.2压阻式压力传感器原理：硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化桥式测量电路，桥臂电阻对称布置，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系压阻式压力传感器结构示意图1—硅平膜片；2—低压腔；3—高压腔；4—硅杯；5—引线5.2.3压力传感器5.2.3.2压阻式压力传感器压阻式5.2.3压力传感器5.2.3.3电容式压力传感器原理：弹性元件的位移转换为电容量的变化

对于差动平板电容器，其电容变

化与板间距离变化的关系为两室结构的电容式压力传感器1，4—隔离膜片；2，3—不锈钢基座；5—玻璃绝缘层；6—固定电极；7—弹性膜片；8—引线5.2.3压力传感器5.2.3.3电容式压力传感器两室结电容式差压变送器高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不电容式差压变送器内部结构

1—高压侧进气口

2—低压侧进气口

3—过滤片

4—空腔

5—柔性不锈钢波纹隔离膜片

6—导压硅油

7—凹形玻璃圆片

8—镀金凹形电极

9—弹性平膜片

10—

腔电容式差压变送器内部结构1—高压侧进气口各种电容式差压变送器外形各种电容式差压变送器外形电容式压力传感器P弹性元件位移变d变A改变电容如何测量、转换电容的变化量⊿C？（1）交流电桥，⊿C→u（2）环形二极管充放电电路，⊿C→i目的：把电容量的小变化量进行放大并转换成相应的电信号输出基本电路：环形二极管电桥方法：充放电法测电容。用一高频方波信号源，通过环形二极管电桥，对被测电容Cx进行充放电，输出一个与Cx成正比的微安电流。电容式压力传感器P弹性元件位移变d变A改变电容如何测量、转换如图，由D1，D2，D3，D4构成环形二极管电桥，Cx为被测电容，Cd为调零电容，C’为滤波电容，M为uA表。E1E2C’CxMACCdBDD1D4D2D3i1i2i3i4用一高频方波信号源，通过环形二极管电桥，对被测电容Cx和调零电容Cd进行充放电。工作过程：①方波由E1→E2，A、C为高电位点，D1、D3导通，D2

、D4截止，Cx、Cd同时被充电至E2。流经M的电荷（A→C）为：q1=Cd(E2－E1)②方波由E2→E1，D1、D3截止，D2

、D4导通，Cx、Cd同时放电，流经M的电荷（C→A）为：q2=Cx(E2－E1)，且与q1反向。环形二极管电桥如图，由D1，D2，D3，D4构成环形二极管电桥，Cx5.2.3压力传感器5.2.3.4振频式压力传感器原理：利用感压元件本身的谐振频率与压力的关系，通过测量频率信号的变化来检测压力在一定的压力作用下，变化后的振筒频率可以近似表示为

传感器由振筒组件和激振电路组成振筒式压力传感器结构示意1—激振线圈；2—支柱；3—底座；4—引线；5—外壳；6—振动筒；7—检测线圈；8—压力入口5.2.3压力传感器5.2.3.4振频式压力传感器振筒式5.2.3压力传感器5.2.3.5压电式压力传感器原理：压电材料受到压力作用时产生电荷，外力去除后电荷消失，在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间呈线性关系q为电荷量，k为压电常数，S为作用面积，p为压力压电式压力传感器结构示意1—绝缘体；2—压电元件；3—壳体；4—膜片5.2.3压力传感器5.2.3.5压电式压力传感器压电式压电式压力传感器1、压电效应：某些介质在施加压力而发生机械形变时（压缩或伸长），会引起物质内部的正负电荷中心发生相对位移，而产生电的极化现象，最后使介质两个表面上产生符号相反的束缚电荷，电荷的密度与施加的压力大小成正比，即压电效应。正向压电效应：外力→电荷逆向压电效应：电场作用→机械形变具有压效应的物质称压电材料：

压电晶体：石英晶体

压电陶瓷：钛酸钡、钡酸铅压电半导体：硫化锌、硫化钙下面以石英晶体为例说明压电效应。压电式压力传感器1、压电效应：某些介质在施加压力而发生机械形石英为规则的六角棱柱体、单晶体XYZX－X轴：电轴－－纵向压电效应Y－Y轴：机械轴－－横向压电效应Z－Z轴：光轴－受力时不产生压电效应压电式压力传感器石英为规则的六角棱柱体、单晶体XYZX－X轴：电轴－－纵向压YXFxFy当沿X、Y轴加压Fx、Fy,会在X表面产生电荷。如图XYFxFxXYXYFyXYFy压电式压力传感器YXFxFy当沿X、Y轴加压Fx、Fy,会在X表面产生电荷。2、居里点：压电性能被破坏时的临界温度点。A、石英：SiO2

居里点t＝573℃，t＜573℃，d＝2.1×10－12C/N；t＞573℃，无压电性能。熔点1750℃，密度为2.65×103Kg/m3

，有较大的机械强度和稳定的机械性能。B、压电陶瓷：人工合成的压电材料，由许多细微的单晶各自按任意的方向排列，没有极化前没有压电效应。一般在t＝100~170℃，加以高压电场（1~4kV/mm)极化。使单晶排列整齐，使之具有压电效应特性。常用的有：压电式压力传感器2、居里点：压电性能被破坏时的临界温度点。压电式压力传感器钛酸钡(BaTiO3)：由BaCO3与TiO2在高温下合成。其压电系数较大，d＝107×10－12C/N，居里点低，t＝120℃。锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)：最常用，d＝(200~500)×10－12C/N，压电系数大，居里点t＝300℃以上。压电式压力传感器钛酸钡(BaTiO3)：由BaCO3与TiO2在高温下合成。压电式压力传感器：（如图5－11）膜片压力力压电晶体电荷（电压）压电元件两极有电荷产生，可等效为一电容。测出电容变化量的大小即可测得压力。压电式压力传感器常用作动态（交变）压力的测量，而不适于静态压力的测量。原因：由于晶体表面电荷不能贮存，外力作用产生的电荷只在无泄漏的情况下，即输入阻抗（测量电路）无限大的情况下才能保存，静压力不能连续不断产生新的电荷，晶体表面电荷会很快消失，所以，要使压电晶体有电荷（电压）输出，须加以交变的作用，电荷可以不断地得到补偿。压电式压力传感器：（如图5－11）膜片压力力压电晶体电荷（(并联)常用结构：并联：两片压电材料的负电荷集中在中间电极上。串联：正电荷在上极板，负电荷在下极板，中间极板由于正负相等而相互抵消(串联)压电式压力传感器(并联)常用结构：并联：两片压电材料的负电荷集中在中间电极上5.2.3压力传感器5.2.3.6集成式压力传感器可以同时检测差压、静压、温度三个参数集成传感器的敏感元件示意1—温度元件；2—静压元件；3—差压元件；4—硅杯；5—固定台5.2.3压力传感器5.2.3.6集成式压力传感器集成传5.2.3压力传感器预存针对此传感器的修正公式，采入三种信号后进行处理，可以给出修正后的被测差压值、静压值以及温度值。集成传感器的组成框图5.2.3压力传感器预存针对此传感器的修正公式，采入三种信5.3.1测压仪表的使用5.3.1.1测压仪表的选择类型测量范围测量精度5.3.1测压仪表的使用5.3.1.1测压仪表的选择5.3.1测压仪表的使用5.3.1.2测压仪表的校验标准仪表的选择原则：其允许绝对误差要小于被校仪表允许绝对误差的1/3~1/5活塞式压力校验系统1—测量活塞；2—砝码；3—活塞筒；4—螺旋压力发生器；5—工作液；6—被校压力表；7—手轮；8—丝杆；9—工作活塞；10—油杯；11—进油阀；a、b、c—切断阀；d—进油阀5.3.1测压仪表的使用5.3.1.2测压仪表的校验活塞压力检测系统一个完整的压力检测系统包括：取压口；引压管路和压力检测仪表设备取压口压力仪表引压管路一个简单的压力检测系统示意图引压管路中常用的一些附件截止阀隔离罐集气器集液器冷凝器5.3.2压力检测系统压力检测系统设备取压口压力仪表引压管路一个简单的压力检测系统5.3.2压力检测系统5.3.2.1取压点位置和取压口形式取压点的选取原则：1）取压点位置避免处于管路弯曲、分叉、死角或流动形成涡流的区域。2）取压口开孔的轴线应垂直设备的壁面，其内端面与设备内壁平齐，不应有毛刺或突出物。3）测量液体介质的压力时，取压口应在管道下部，以避免气体进入引压管；测量气体介质的压力时，取压口应在管道上部，以避免液体进入引压管。5.3.2压力检测系统5.3.2.1取压点位置和取压口形5.3.2压力检测系统取压口选择原则示意1—温度计；2—挡板；3—阀；4—导流板；×--不适于做取压口的地点；√--可用于做取压口的地点5.3.2压力检测系统取压口选择原则示意5.3.2压力检测系统5.3.2.2引压管路的敷设1）引压管的内径、长度的选定与被测介质有关；2）引压管路水平敷设时，要保持一定的倾斜度，以避免液体（气体）的积存；3）当被测介质容易冷凝或冻结时，引压管路需有保温伴热措施；4）根据被测介质情况，在引压管路上要加装附件，如集液器、集气器等；5）在取压口与仪表之间要装切断阀，检修时使用。5.3.2压力检测系统5.3.2.2引压管路的敷设一些特殊介质的取压方式

气固两相流介质吹气取压气液两相流介质加分离罐高粘度、易结晶介质法兰引压一些特殊介质的取压方式检测技术与仪表-5-压力检测课件5.3.2压力检测系统引压管路的敷设情况1—管道；2—测压仪表；3—排液罐；4—排气罐5.3.2压力检测系统引压管路的敷设情况ThankYou!ThankYou!5压力检测自动检测技术及仪表控制系统5压力检测自动检测技术及仪表控制系统Contents5.1压力单位及压力检测方法5.2常用压力检测仪表5.3测压仪表的使用及压力检测系统Contents5.1压力单位及压力检测方法5.2常用压5.1.1压力的单位1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积上所形成的压力为1“帕斯卡”，简称“帕”，符号为Pa。表5-1，常用压力单位及换算。帕、巴、标准大气压、mmHg、psi、托(torr)5.1.1压力的单位1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积上5.1.2压力的几种表示方法1）绝对压力：被测介质作用在容器表面积上的全部压力2）大气压力：由地球表面空气柱重量形成的压力3）表压力：绝对压力和大气压力之差4）真空度：绝对压力小于大气压力时的表压力的绝对值5）差压：设备中两处的压力之差5.1.2压力的几种表示方法1）绝对压力：被测介质作用在容第三节压力检测仪表压力的表示方式绝对压力表压力真空度差压压力范围(Pa)压力范围(Pa)超高压＞6×108粗真空103~105高压107~6×108低真空10-1~103低压105~107高真空10-6~10-1微压0~105超高真空10-10~10-6极高真空＜10-10

压力范围划分第三节压力检测仪表压力的表示方式压力范围(Pa)压力范围压力表压力表5.1.3压力检测的主要方法及分类5.1.3.1重力平衡方法：1）液柱式压力计：基于液体静力学原理2）负荷式压力计：基于重力平衡原理5.1.3.2机械力平衡方法5.1.3.3弹性力平衡方法5.1.3.4物性测量方法1）电测式压力计2）其他新型压力计，如集成式压力计、光纤压力计等5.1.3压力检测的主要方法及分类5.1.3.1重力平衡第三节压力检测仪表液体压力计

工作原理

:通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的方法。液柱式压力计的形式：U形管单管斜管活塞式压力表（常用作标准）U形压力真空计第三节压力检测仪表液体压力计U形压力真空计△P=P1－P2=ρg(h1+h2)αU型管单管倾斜管⊿P=9.8LK(Pa)L···玻璃测量管液柱长度（mm）K···-倾斜常数（0.2、0.3、0.4、0.6、0.8）△P=P1－P2=ρg(h1+h2)αU型管⊿P=9.8单管倾斜管气压计微压计单管气压计微压计检测技术与仪表-5-压力检测课件5.2.1弹性压力计原理：弹性元件在弹性限度内受压变形，其变形大小与外力成比例弹性压力计的组成框图5.2.1弹性压力计原理：弹性元件在弹性限度内受压变形，其5.2.1弹性压力计5.2.1.1测压弹性元件1）弹性膜片：外缘固定，圆形片状，中心位移与压力的关系表示弹性特性，线性关系良好2）波纹管：壁面具有多个同心环状波纹，一端封闭，封闭端的位移和压力在一定范围内呈线性关系3）弹簧管：圆弧状，不等轴截面，金属管5.2.1弹性压力计5.2.1.1测压弹性元件弹性元件弹性元件

它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行测量的仪表。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。基于此原理工作的仪表有弹簧管式压力表、膜片〔或膜盒式)压力表、波纹管式压力表等。此类仪表多用于现场指示压力。

76膜片与膜盒波纹管是外周沿轴向有深槽形波纹状皱褶，可沿轴向伸缩的薄壁管子。16膜片与膜盒波纹管是外周沿轴向有深槽形波纹状皱褶，可沿轴向5.2.1弹性压力计5.2.1.2弹簧管压力计弹簧管压力计结构1—弹簧管；2—连杆；3—扇形齿轮；4—底座；5—中心齿轮；6—游丝；7—表盘；8—指针；9—接头；10横断面；11-灵敏度调整槽5.2.1弹性压力计5.2.1.2弹簧管压力计弹簧管压力检测技术与仪表-5-压力检测课件5.2.1弹性压力计5.2.1.3波纹管差压计双波纹管差压计结构示意1—高压波纹管；2—补偿波纹管；3—连杆；4—挡板；5—摆杆；6—扭力管；7—芯轴；8—保护阀；9—填充液；10—低压波纹管；11—量程弹簧；12—阻尼阀；13—阻尼环；14—轴承5.2.1弹性压力计5.2.1.3波纹管差压计双波纹管差5.2.1弹性压力计5.2.1.4弹性测压计信号的远传方式弹性元件的变形或位移转换为电信号输出，即可实现远距离信号传送电远传弹性压力计结构原理5.2.1弹性压力计5.2.1.4弹性测压计信号的远传方81两种霍尔式压力传感器结构0-20mA21两种霍尔式压力传感器结构0-20mA霍尔式压力计1、测量原理：利用霍尔元件测量弹性元件受力作用后产生的变形现象。霍尔效应：在一半导体薄片相对两侧面通以控制电流I，在薄片垂直方向加以磁场B，则在半导体另两侧面会产生一大小与I和B相乘积成正比的电动势UH－－霍尔电势。具有霍尔效应的元件称霍尔元件。(锗、锑化铟）霍尔式压力计1、测量原理：利用霍尔元件测量弹性元件受力作用后霍尔效应演示

当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片A、B方向的端面之间建立起霍尔电势。ABCD霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用BIfLfE++++----霍尔元件如图，单位电荷受到的力：洛仑兹力fL=qvB电场作用力fE=qEH=VH/L平衡时，fL

＝fE

霍尔电势

保持I、B其中一个一定，UH与另一个成线性关系。2、霍尔式压力计的结构（参考图5－5b）把霍尔元件固定在弹性元件的位移端，置于非均匀磁场中，当弹性元件受压形变，产生位移使霍尔元件在非均匀磁场中移动，此时在元件中通一定的控制电流，则元件电极出现UH的大小与压力成正比。压力P位移霍尔电势UH弹性元件霍尔元件变磁场BBIfLfE+++5.2.2力平衡式压力计原理：反馈力平衡力平衡式压力计的基本框图5.2.2力平衡式压力计原理：反馈力平衡力平衡式压力计的基应变式压力传感器1、测量原理：P－ε－R，利用导体内部应变大小与电阻的关系，通过应变片将压力P转换成电阻值R的变化。应变效应：导体在受压或受拉时发生机械变形，其电阻将发生变化。ρ：电阻率L：长度A：横截面积取对数、再求导定义：应变ε为长度变化量应变式压力传感器1、测量原理：P－ε－R，利用导体内部应变大μ表明电阻丝沿轴向伸长时，直径将缩小，两者相对变化量之比电阻相对变化量dR/R由二部分决定：①几何尺寸的变化(1+2μ)ε；②压阻效应dρ/ρ。对于金属导体对于半导体Π：压阻系数E：杨氏弹性模量μ表明电阻丝沿轴向伸长时，直径将缩小，两者相对变化量之比电阻应变片灵敏度系数k金属导体：k＝1+2μ半导体：k＝ΠE应变片灵敏度系数k金属导体：k＝1+2μ半导体：k＝Π2、应变片结构张丝式支柱张丝电阻膜片P应变片式电阻丝（金属薄膜）薄膜（纸基、胶基）张丝式：四根电阻丝作为测量桥路的四个桥臂。当P加上时，膜片产生位移s，支柱上项，使上部两根电阻丝拉紧，下部二根放松，桥路上输出差动应变信号，其大小与P成正比。应变片式：能得到较大的R，可以通以较大电流，提高灵敏度。尺寸小且薄，使用方便。由于环境温度改变时，R受T的影响较大，所以使用时常用差动电桥来进行温度补偿。2、应变片结构张丝式支柱张丝电阻膜片P应变片式电阻丝（金属薄3、测量电路：电桥电路⑴单臂电桥：电桥的一个臂接应变片，其它三个为固定电阻。当为等臂电桥时，其输出为⑵双臂电桥：一个差动对，典型例子：悬壁梁两应变片同向贴梁的上、下部，r1为测量片、r2为温度补偿片，且r1＝

r2

，R1＝R2，电桥初始平衡，U＝0。环境温度变化时，r1、r2同时变化，不会破坏电桥平衡条件。当F作用时，r1→r1＋△r（受拉），r2→r2－△r（受压）r1r2FR1R2r1r2EUo3、测量电路：电桥电路⑵双臂电桥：一个差动对，典型例子：悬壁⑶全桥：二个差动对构成等臂电桥，如下图。应变电阻r1＝

r2＝

r3＝

r4

，r1

、r3受拉，r2

、r4受压r1r2EUor4r3Fr1r2r3r4附：如图5－7，四片应变片的贴法不一致，其中二片沿应变筒径向贴，另二片沿应变筒轴向贴。当应变筒受压力P作用时，一组受压，另一组受拉，但应变并不相同，相差一泊松系数μ，即⑶全桥：二个差动对构成等臂电桥，如下图。r1r2EUor4r5.2.3压力传感器5.2.3.1应变式压力传感器原理：导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化几种应变式测量的结构示意5.2.3压力传感器5.2.3.1应变式压力传感器几种应5.2.3压力传感器5.2.3.2压阻式压力传感器原理：硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化桥式测量电路，桥臂电阻对称布置，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系压阻式压力传感器结构示意图1—硅平膜片；2—低压腔；3—高压腔；4—硅杯；5—引线5.2.3压力传感器5.2.3.2压阻式压力传感器压阻式5.2.3压力传感器5.2.3.3电容式压力传感器原理：弹性元件的位移转换为电容量的变化

对于差动平板电容器，其电容变

化与板间距离变化的关系为两室结构的电容式压力传感器1，4—隔离膜片；2，3—不锈钢基座；5—玻璃绝缘层；6—固定电极；7—弹性膜片；8—引线5.2.3压力传感器5.2.3.3电容式压力传感器两室结电容式差压变送器高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不电容式差压变送器内部结构

1—高压侧进气口

2—低压侧进气口

3—过滤片

4—空腔

5—柔性不锈钢波纹隔离膜片

6—导压硅油

7—凹形玻璃圆片

8—镀金凹形电极

9—弹性平膜片

10—

腔电容式差压变送器内部结构1—高压侧进气口各种电容式差压变送器外形各种电容式差压变送器外形电容式压力传感器P弹性元件位移变d变A改变电容如何测量、转换电容的变化量⊿C？（1）交流电桥，⊿C→u（2）环形二极管充放电电路，⊿C→i目的：把电容量的小变化量进行放大并转换成相应的电信号输出基本电路：环形二极管电桥方法：充放电法测电容。用一高频方波信号源，通过环形二极管电桥，对被测电容Cx进行充放电，输出一个与Cx成正比的微安电流。电容式压力传感器P弹性元件位移变d变A改变电容如何测量、转换如图，由D1，D2，D3，D4构成环形二极管电桥，Cx为被测电容，Cd为调零电容，C’为滤波电容，M为uA表。E1E2C’CxMACCdBDD1D4D2D3i1i2i3i4用一高频方波信号源，通过环形二极管电桥，对被测电容Cx和调零电容Cd进行充放电。工作过程：①方波由E1→E2，A、C为高电位点，D1、D3导通，D2

、D4截止，Cx、Cd同时被充电至E2。流经M的电荷（A→C）为：q1=Cd(E2－E1)②方波由E2→E1，D1、D3截止，D2

、D4导通，Cx、Cd同时放电，流经M的电荷（C→A）为：q2=Cx(E2－E1)，且与q1反向。环形二极管电桥如图，由D1，D2，D3，D4构成环形二极管电桥，Cx5.2.3压力传感器5.2.3.4振频式压力传感器原理：利用感压元件本身的谐振频率与压力的关系，通过测量频率信号的变化来检测压力在一定的压力作用下，变化后的振筒频率可以近似表示为

传感器由振筒组件和激振电路组成振筒式压力传感器结构示意1—激振线圈；2—支柱；3—底座；4—引线；5—外壳；6—振动筒；7—检测线圈；8—压力入口5.2.3压力传感器5.2.3.4振频式压力传感器振筒式5.2.3压力传感器5.2.3.5压电式压力传感器原理：压电材料受到压力作用时产生电荷，外力去除后电荷消失，在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间呈线性关系q为电荷量，k为压电常数，S为作用面积，p为压力压电式压力传感器结构示意1—绝缘体；2—压电元件；3—壳体；4—膜片5.2.3压力传感器5.2.3.5压电式压力传感器压电式压电式压力传感器1、压电效应：某些介质在施加压力而发生机械形变时（压缩或伸长），会引起物质内部的正负电荷中心发生相对位移，而产生电的极化现象，最后使介质两个表面上产生符号相反的束缚电荷，电荷的密度与施加的压力大小成正比，即压电效应。正向压电效应：外力→电荷逆向压电效应：电场作用→机械形变具有压效应的物质称压电材料：

压电晶体：石英晶体

压电陶瓷：钛酸钡、钡酸铅压电半导体：硫化锌、硫化钙下面以石英晶体为例说明压电效应。压电式压力传感器1、压电效应：某些介质在施加压力而发生机械形石英为规则的六角棱柱体、单晶体XYZX－X轴：电轴－－纵向压电效应Y－Y轴：机械轴－－横向压电效应Z－Z轴：光轴－受力时不产生压电效应压电式压力传感器石英为规则的六角棱柱体、单晶体XYZX－X轴：电轴－－纵向压YXFxFy当沿X、Y轴加压Fx、Fy,会在X表面产生电荷。如图XYFxFxXYXYFyXYFy压电式压力传感器YXFxFy当沿X、Y轴加压Fx、Fy,会在X表面产生电荷。2、居里点：压电性能被破坏时的临界温度点。A、石英：SiO2

居里点t＝573℃，t＜573℃，d＝2.1×10－12C/N；t＞573℃，无压电性能。熔点1750℃，密度为2.65×103Kg/m3

，有较大的机械强度和稳定的机械性能。B、压电陶瓷：人工合成的压电材料，由许多细微的单晶各自按任意的方向排列，没有极化前没有压电效应。一般在t＝100~170℃，加以高压电场（1~4kV/mm)极化。使单晶排列整齐，使之具有压电效应特性。常用的有：压电式压力传感器2、居里点：压电性能被破坏时的临界温度点。压电式压力传感器钛酸钡(BaTiO3)：由BaCO3与TiO2在高温下合成。其压电系数较大，d＝107×10－12C/N，居里点低，t＝120℃。锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)：最常用，d＝(200~500)×10－12C/N，压电系数大，居里点t＝300℃以上。压电式压力传感器钛酸钡(BaTiO3)：由BaCO3与TiO2在高温下合成。压电式压力传感器：（如图5－11）膜片