传感器与检测技术课件第三章-第三节压力传感器

压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一，正确地测量和控制压力是保证工业生产过程良好地运行，达到高产、优质、低耗及安全生产的重要环节。压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常称的压强。工程上，习惯把压强称为压力。由此定义，压力可表示为:F——垂直作用在面积S上的力（N）2020/12/191压力是力和面积的导出量。在国际单位制中，取力的单位为牛顿，面积单位为米2，则压力单位为牛顿/米2，用符号N/m2表示；压力单位又称为帕斯卡或简称帕，符号为Pa。1Pa＝1N/m2。因帕单位太小，工程上常用kPa(103Pa)和MPa(106Pa)表示。我国已规定帕斯卡为压力的法定单位。压力的定义及单位2020/12/192压力的定义及单位绝对压力表压真空度当绝对压力低于大气压力时，称为负压或真空度2020/12/193压力的定义及单位

压力是工程和实验室中常用的一种物理量，其变化范围从超高压到超真空有十几个数量级之差，因此，有许多测量方法和仪器2020/12/194一、液柱式压力转换原理利用液柱产生的压力与被测压力相平衡的原理进行测压。两种常见的压力计：

U形管压力计倾斜式压力计2020/12/195一、液柱式压力转换原理1.U形管压力计

U形管压力计是将一根内径为6-10mm的玻璃管弯成U形或用橡皮管将两根平行的玻璃管连通起来固定在平板上，两管之间装有刻度标尺，刻度零点在标尺中央。测量时，U形管一端接被测介质，一端通大气。这样高压侧液面下降，低压侧液面上升，分别读出两管液柱从零点位置上升和下降的高度，两个高度之和即为被测压力（以液柱高度表示）。2020/12/196

压力单位为Pa，则可用下式换算：P＝ρ·g·hP——被测介质的压力（表压），

Paρ——压力计工作液体的密度，

Kg/m3g——重力加速度，m/s2h——液柱高度cm2020/12/197

若通大气一侧的管子不通大气，而与另一被测介质相接，此时液柱高度差代表两处介质的压力差，即差压。

U形管压力计的缺点：

U形管压力计的两管内径很难保证做到完全一致，所以测量时必须读出两管中液面的高度。两次读数也较麻烦，容易造成误差。2020/12/1982020/12/199一、液柱式压力转换原理2.倾斜式压力计它与U形管压力计不同的是：与被测压力相通的玻璃管的直径做得很大，另一玻璃管做成倾斜式。1式中：L—沿管上升的液柱高度（m）S1、S2—粗管和细管的内截面积（m2）α—细管倾斜角度（°）12020/12/1910一、液柱式压力转换原理2.倾斜式压力计1测量压力时，由于玻璃管倾斜，使液面的位移距离加长，也就使按压力单位刻度的标尺刻度实际长度加大，因而提高了仪表的读数精度。2020/12/19113、液柱式压力计的使用注意事项：

1)液柱式压力计应避免安装在过热、过冷、有腐蚀或有振动的地方。

2)液柱式压力计通常垂直安装在测压点附近的支架上。需要水平放置的斜管压力计应用水平校准仪将其放平。从测压点到压力计之间的距离应尽量短，一般应在3－5m之间。

3)工作液的密度必须与制作仪表刻度标尺时的液体密度一致。应使液面对准标尺零点。

4)对有毒的工作液应加装收集瓶。一、液柱式压力转换原理2020/12/19123、液柱式压力计的使用注意事项：

5)被测介质不能与工作液混合或起化学反应。如能混合或起反应则应更换工作液或加装隔离罐。

6)为了减小读数误差，必须正确读取液面的位置，一般按照工作液弯月面顶点的位置在标尺上读取。一、液柱式压力转换原理2020/12/1913活塞式压力计是根据静力学的原理和帕斯卡定律，对于封闭的体系，作用于系统中各处的压力相等。二、活塞式压力转换原理2020/12/1914二、活塞式压力转换原理图中8是待校准的压力表，6是重量准确且已知的标准砝码。工作时拨转手轮1，通过丝杠2、工作活塞3挤压工作液产生压力P，经液体传递，作用在待校准的压力表和测量活塞上，使压力表指针偏转、砝码6被顶起。2020/12/1915二、活塞式压力转换原理根据帕斯卡定律：压力p可由下式确定：式中：S—测量活塞的截面积（m2）；G、G0—砝码6和活塞、托盘5的重量。2020/12/1916

从公式中可以看出，活塞有效面积愈小，所加的砝码产生的重力愈大则被测的压力就愈大。活塞压力即主要用于标准压力的量值传递。根据使用的工作介质的不同活塞式压力计可以分为油压式和气动式。在活塞和活塞筒间隙中用油的叫油压式，使用气体的叫气动式。二、活塞式压力转换原理2020/12/1917

活塞式压力计是一种较精密的测量仪器，工作时应水平放在平稳而无振动的工作台上，在顶起砝码系统处于平衡状态时，要求测量活塞插入活塞筒内的深度不小于总长的2/3，活塞在活塞筒内能均匀平稳转动，并且保持足够的持续旋转时间，以减小活塞与活塞筒之间的摩擦力。二、活塞式压力转换原理2020/12/1918活塞式压力计2020/12/1919

指针式压力计和压力传感器都是根据弹性变形原理工作的。某种形式的弹性元件，在被测流体和气体压力的作用下，将产生与被测压力成一定函数关系的机械变位（应变），经转换装置转换成指针的偏转，从而直接指示被测压力的大小。由此可见，弹性元件是压力传感器的核心部分，其作用是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；三、弹性式压力传感元件2020/12/1920

常用的弹性元件有波登管、膜片和波纹管三类。三、弹性式压力传感元件2020/12/1921三、弹性式压力传感元件波登管波登管又叫弹簧管，它是弯成各种形状的空心管子，一般为C形，弯成270°一端固定，一端自由，截面多为扁圆形或椭圆形2020/12/1922三、弹性式压力传感元件波登管波登管的各种截面形状2020/12/1923三、弹性式压力传感元件波登管当这种弹性管一侧通入流体有一定压力时，由于内外侧的压差（外侧一般为大气压力），迫使管子的椭圆截面产生趋于变圆的变形，这种变形导致C形、螺线形和螺旋形波登管的自由端产生变位；对于扭转形波登管，输出运动则是自由端的角位移。2020/12/1924三、弹性式压力传感元件波登管虽然采用波登管作为压力敏感元件，可得到较高的测量准确度，但由于它尺寸较大，固有频率较低及有较大的滞后现象，故不宜做测量动态压力传感器的敏感元件。2020/12/1925三、弹性式压力传感元件膜片悬链型膜片是一种受温度影响较小的膜片结构。2020/12/1926三、弹性式压力传感元件膜片平膜片（等截面薄板）是周边固定的圆薄板，当它的上下两面受到均匀分布的压力时，薄板弯向压力低的一面，并在薄板表面产生应力，从而把均布压力变为薄板的位移或应变。将应变片贴在薄板表面，可以组成电阻应变式压力传感器，利用薄板的位移可以组成电容式、霍尔式压力传感器。2020/12/1927三、弹性式压力传感元件膜片当被测压力较低，平膜片（等截面薄板）产生的变位过小时，可采用下图所示的波纹膜片和膜盒。一般波纹膜片中心的最大变位量约为直径的2%，它用于稳态低压（低于几兆帕的测量或作为流体介质的密封元件。2020/12/19282020/12/1929三、弹性式压力传感元件波纹管可在较低压力下得到较大的变位。它可测的压力较低，对于小直径的黄铜波纹管，最大允许压力约为1.5兆帕。2020/12/1930弹簧管压力表2020/12/1931弹簧管压力表2020/12/19322020/12/1933四、电量式压力计电量式压力计使用各种传感器或测量元件将压力变换成电量或电参数，再经后接相应的测量电路进一步变换，最后由显示或记录仪显示或记录下来，以实现压力测量的装置。常见的测压力系统所用的传感器有电容式、电感式、电阻式、涡流式、压电式等。2020/12/1934四、电量式压力计1.电容式压力传感器将压力转换为电容的变化，经电路变换成电量输出。测低压的单电容压力传感器膜片作为电容器的一个极板，在压力p的作用下产生位移，改变了与球形极板之间的距离，从而引起电容C的变化。1——膜片2——电镀金属表面3——球形极板2020/12/1935四、电量式压力计1.电容式压力传感器将压力转换为电容的变化，经电路变换成电量输出。测低压的单电容压力传感器膜片作为电容器的一个极板，在压力p的作用下产生位移，改变了与球形极板之间的距离，从而引起电容C的变化。2020/12/1936四、电量式压力计1.电容式压力传感器测压差的差动式电容压力传感器膜片与镀在球形玻璃表面的金属层形成一个差动电容传感器，在压力差△p=p1-p2的作用下，膜片向压力小的方向移动，引起电容C的变化。1——膜片2——电镀金属表面3——球形极板2020/12/1937四、电量式压力计1.电容式压力传感器测压差的差动式电容压力传感器膜片与镀在球形玻璃表面的金属层形成一个差动电容传感器，在压力差△p=p1-p2的作用下，膜片向压力小的方向移动，引起电容C的变化。2020/12/1938四、电量式压力计1.电容式压力传感器特点：灵敏度高，适合测量微压，频响好，抗干扰能力强。2020/12/1939四、电量式压力计2.应变式压力传感器应变式压力传感器的工作原理是利用应变片将弹性元件在压力作用下产生的应变转换成电量的变化。2020/12/1940四、电量式压力计2.应变式压力传感器2020/12/1941四、电量式压力计2.应变式压力传感器2020/12/1942四、电量式压力计3.压阻式压力传感器是利用压阻效应将压力变换成电阻的变化实现压力测量右图为用于测量喷气发动机工作压力的固态压阻式传感器的结构图。2020/12/1943四、电量式压力计3.压阻式压力传感器是利用压阻效应将压力变换成电阻的变化实现压力测量特点：频响宽，动态响应快，测量范围从几Pa到3×109Pa，特别适用于爆炸、冲击压力的测量。2020/12/1944四、电量式压力计3.压阻式压力传感器2020/12/1945四、电量式压力计3.压阻式压力传感器2020/12/1946四、电量式压力计3.压阻式压力传感器2020/12/1947四、电量式压力计4.电感式压力传感器电感式压力传感器是将压力的变化转换成电感变化，通过测量电路再将电感变化转换成电量实现压力测量。2020/12/1948四、电量式压力计4.电感式压力传感器膜片电感压力传感器其工作原理和膜片电容压力传感器相似，所不同的是压力使膜片1与铁心2之间距离的变化，改变了线圈3的电感2020/12/1949四、电量式压力计4.电感式压力传感器测压差的电感压力传感器中间膜片1在压差△p=p1-p2的作用下产生位移，通过连杆2带动差动变压器4中的铁心3移动，从而将压差△p转换成变压器的电压输出。2020/12/1950四、电量式压力计4.电感式压力传感器测压差的电感压力传感器2020/12/1951四、电量式压力计4.电感式压力传感器其它电感压力传感器变气隙式结构2020/12/1952四、电量式压力计4.电感式压力传感器变气隙式结构2020/12/1953四、电量式压力计4.电感式压力传感器其它电感压力传感器差动变压器式微压力传感器2020/12/1954四、电量式压力计4.电感式压力传感器其它电感压力传感器2020/12/1955四、电量式压力计5.电涡流式压力传感器涡流式压力传感器属于电感式压力传感器的一种，它利用涡流效应将压力变换成线圈阻抗的变化，再经测量电路转换成电量。2020/12/1956四、电量式压力计5.电涡流式压力传感器压力p通过测量孔1作用在膜片2上，改变它与线圈之间的距离d。从而引起线圈3阻抗的变化，变化的阻抗再通过后接测量电路转换成电量，实现对压力的测试。特点有良好的动态特性，适合于在爆炸等及其恶劣的条件下工作，如测量冲击波2020/12/1957四、电量式压力计6.霍尔式压力传感器补充：霍尔式传感器原理2020/12/1958四、电量式压力计6.霍尔式压力传感器波登管1在压力作用下其末端产生位移，带动了霍尔元件4在均匀梯度的磁场中运动。当霍尔元件通过恒定电流时，产生与被测压力成正比的霍尔电动势，完成压力至电量的变换。2020/12/19591.将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的_________;蜂鸣器中发出“嘀嘀。。。”声的压电片发生原理是利用压电材料的__________。A.应变效应B.电涡流效应C.