传感器与检测技术(3)

压力检测压力计石化事故(大连，2011)目录5.1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5.1压力单位及压力测量压力:在工程上，垂直均匀地作用于单位面积上的力。5.1.1压力的单位

1“帕斯卡”

：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。符号为Pa。千帕(kPa),兆帕(MPa)

标准大气压：1.01325*105Pa

毫米水柱(mmH2O)毫米汞柱(mmHg)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。5.1.3.1重力平衡方法1）液柱式压力计：基于液体静力学原理。5.1.3压力检测的主要方法及分类优点：结构简单，读数直观。缺点：就地测量，测量上限不超过0.1MPa-0.2MPa。Δp=p1-p2=ρgh

2）负荷式压力计基于重力平衡原理(活塞式压力计)压力转换成砝码重量来测量。优点：性能稳定，测量范围大。用作压力校验仪表。5.1.3.2机械力平衡方法被测压力经变换元件转换成集中力→外力与集中力平衡→测外力大小5.1.3.3弹性力平衡方法被测压力使弹性元件变形→弹性力与被测压力平衡→测量元件变形程度5.1.3.4物性测量方法压力作用下，测压元件某些物理特性变化。1）电测式压力计(电阻、电容)2）其他新型压力计，如集成式压力计、光纤压力计等5.2常用压力检测仪表5.2.1弹性压力计弹性压力计的组成框图核心：弹性元件。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。用指针或刻度尺给出压力示值感受压力，产生变形(核心部分)调整仪表的零点和量程将弹性元件的变形进行变换和放大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。弹性特性由中心位移与压力的关系表示，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）弹簧管横截面呈非园形（椭圆形或扁形），弯成园弧形的空心金属管。

对于单圈弹簧管,中心角变化量Δθ比较小,要提Δθ，可采用多圈弹簧管。

开口端通入被测压力→

非圆横截面在压力p作用下将趋向圆形→使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩→使弹簧管的自由端产生位移,同时改变中心角。

5.2.1.2弹簧管压力计

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-灵敏度调整槽工作原理测压范围：-105~109Pa5.2.1.3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—轴承改变量程弹簧的弹性力可调整仪表量程。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。1）电位器式应用：滑线电位器。特点：简单，有良好线性输出，结构可靠性差。2）霍尔元件式霍尔效应磁场磁力线与薄片垂直1-2通电流i3-4感生电动势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5.2.3压力传感器压力传感器：能够检测压力值并提供远传信号的装置常见形式：应变片式、压阻式(电阻传感器)

电容式(电容传感器)、压电式、振频式等主要思路：工作原理、测量电路、应用(压力)电阻式传感器

基本原理：将被测量的变化转换成电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。特点：结构简单、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高和测量速度快等诸多优点，被广泛应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医学等许多领域测量对象：力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等，是目前使用最广泛的传感器之一。分类：电位式、应变片式、压阻式电阻应变片式传感器一、工作原理应变效应：当应变元件（导体或半导体）在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化的现象。F→Δl、ΔS、Δρ→ΔR轴向应变：μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3~0.5；径向应变：σ：应力值；E：材料的弹性模量；对于弹性元件：又因为λ：压阻系数，与材质有关；其中，K为应变片的灵敏系数：单位应变所引起的电阻相对变化量一般金属材料：K以前者为主，则K≈1+2μ=2~6半导体：K值主要是由电阻率相对变化所决定。最终有电阻应变片的灵敏度K=2.0，沿纵向粘贴于直径为0.05m的圆形钢柱表面，钢材的E=2.0×1011N/m2，u=0.3。求钢柱受10吨拉力作用时，应变片电阻的相对变化量。又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴，受同样拉力作用时，应变片电阻的相对变化量为多少？应变元件种类1．丝式应变片1—基底；2—电阻丝；3—覆盖层；4—引线敏感栅是实现应变与电阻转换的敏感元件，由直径为0.015～0.05

mm的金属细丝绕成栅状，将其用黏结剂黏结在各种绝缘基底上，并用引线引出，再盖上既可保持敏感栅和引线形状与相对位置的、又可保护敏感栅的盖片。电阻应变片的电阻值有60

、120

、200

等几种规格，其中120

最为常用。2．箔式应变片

在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。优点：①制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求。②敏感栅薄而宽，黏结情况好，传递试件应变性能好。③散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而可增大输出信号。④敏感栅弯头横向效应可以忽略。⑤蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。3．薄膜应变片

薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形状的敏感栅，敏感栅的厚度在0.1

m以下。薄膜应变片具有灵敏系数高，易实现工业化生产的特点，是一种很有前途的新型应变片。弹性元件的形式几种应变式测量的结构示意εtεr膜片PεrεtR1R2R3R4εrεt膜片式等截面梁结构简单，易加工，灵敏度高适合于测5000N以下的载荷b0R1R2l0lFbh①等截面悬臂梁弹性梁b0R1R2XlFbh②等强度悬臂梁弹性梁③双端固定梁弹性梁薄壁圆筒式二：电阻应变片测量电路直流电桥：R交流电桥:R、L、C电源双臂应变电桥单臂应变电桥全臂应变电桥工作臂应变片测量电桥(直流电桥)初始平衡条件：或此时

R1R2R3R4UsILRL当RL→∞时，电桥输出电压为：

（1）应变片单臂工作直流电桥

设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，则上式可写为：

（1）应变片单臂工作直流电桥

相对灵敏度:①

电桥相对灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，灵敏度越高，但供电电压受到应变片允许功耗限制，所以要适当选择；②

电桥相对灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。(n取何值，K最高？)分析：思路：dKU/dn=0求KU的最大值

因此n=1时，KU为最大值。即Us确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥相对灵敏度最高，此时有：

结论1：当电源电压Us和电阻相对变化量ΔR/R一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。

结论2：应变片电桥电路一般采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R当ΔRi<<R(i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量，则

应变片工作时，其电阻变化ΔR，则输出为

U0R1＋⊿R1R3＋⊿R3R4＋⊿R4UsR2＋⊿R2（2）应变片双臂直流电桥（半桥）

双臂差动：相邻桥臂变化相同方向相反，或者相对桥臂变化相同方向相同。相邻桥臂工作Case1：相邻桥臂工作（2）应变片双臂直流电桥（半桥）

相对桥臂工作Case2：相对桥臂工作U0R1＋⊿R1R3＋⊿R3R4UR2结论：半桥电路中一般采用相邻桥臂工作，不存在近似！

（3）应变片全臂直流电桥需满足前提:相邻桥臂应变片变化量相同方向相反。应用一：称重计

图

电子秤结构示意图应用二：汽车衡F外形图内部图展开图荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长原理演示应用三：加速度它由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在粱根部的应变片、基座及外壳等组成，是一种惯性式传感器。

测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头n所示方向时，悬臂粱自由端受惯性力F硼的作用，质量块向箭头。相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。

质量块M案例：振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。

固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体电阻率对半导体材料而言，πeσ>>(1+μ)ε，故(1+μ)项可以忽略一般材料:压阻式传感器桥式测量电路，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—引线测量桥路及温度补偿

为了减少温度影响，压阻器件一般采用恒流源供电.零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的。

R2R4R1R3USCRpBCDARSEDi零点温度补偿Rs:调零作用Rp:补偿作用

灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化而引起的。温度升高时，压阻系数变小；灵敏度降低。灵敏度温度补偿

串联二极管的方法。温度变化时改变电桥的电源电压。

R2R4R1R3USCRpBCDARSEDi

电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。利用电容器的原理将被测非电量转换为电容量的变化，实现非电量到电量的转化。根据电容器变化的参数不同，电容传感器可以分为：变间隙式、变面积式和变介电常数式。应用：不但广泛的应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量,而且可以用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。电容式传感器一、工作原理及类型dSε

当被测参数变化使得S、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。电容式传感器可分为变间隙（极距）型、变面积型和变介电常数（介质）型三种。εr

——介质的相对介电常数；ε0——真空中的介电常数，ε0=8.85×10-12[F/m]；

S——两极板正对面积，m2；

d——两极板之间的距离，m。1.变面积型电容传感器SdaxbΔx线位移型电容传感器原理图线位移型动极板沿定极板移动Δx，则电容量变化为：式中；C0=ε0εr

ba/d

为初始电容，电容相对变化量为：显然，ΔC与动极板位移Δx呈线性关系SdaxbΔx线位移型(2)角位移型θ动极板定极板电容式角位移传感器原理图当动极板产生角位移θ时,与定极板间的有效覆盖面积改变,两极板间的电容量改变。当θ=0时,

当θ≠0时,则:可见，电容的变化ΔC=-C0(θ/π)与角位移θ成线性关系。θ动极板定极板(2)角位移型(3)圆柱位移型d

D

H

Δh圆柱位移型电容传感器原理结构示意图当Δh=0时,

于是：

可见，电容量的变化ΔC与高度的变化Δh

呈线性关系δ

D

H

Δh(3)圆柱位移型变极距型电容式传感器d02.变极距型电容传感器初始电容量C0为

若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC2.变极距型电容传感器若Δd/d0<<1时，则展成级数：2.变极距型电容传感器①所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性关系。

②另外，电容式传感器的灵敏度为：可见，要提高灵敏度，应减小d0。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，常用提高介电常数的方法，即在两级板间加云母、塑料膜等介质。相对非线性误差δ：上述等式成立的条件是：Δd/d0<<1时，高次项省略，若保留二次项，则有：可得其相对非线性误差为：可见，要提高灵敏度，须减小起始间隙d0，但此时相对非线性误差δ增大。所以为使二者兼得，常采用差动式结构，即使其中一个电容器的电容C1随位移△d增加，而另一个电容器的电容C2则减小。差动式电容传感器若电极位移△d，d＝2d0电容值总的变化量为：电容值相对变化量为：在Δd/d

0<<1时，按级数展开：≈差动式电容传感器若只保留上式中的线性项和三次项,电容式传感器的相对非线性误差θ为：差动式电容传感器灵敏度是原来的2倍零点附近的非线性误差大大降低。

差动式电容传感器相当于两电容并联：其中：取x=0时电容为C0，有3.变介质型电容传感器电容与x的关系推导如下：结论：电容与位移x之间呈线性关系。运算放大器式电路

Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号

uC-ACx∑～u0测量电路变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图所示。C0=200pF，传感器的起始电容量Cx0=20pF,定动极板距离d0=1.5mm,运算放大器为理想放大器(即K→∞,Zi→∞),

输入电压u1=5sinωtV。求当电容传感动极板上输入一位移量△x=0.15mm使

d0减小时,电路输出电压u0

为多少?(2)二极管双T型电路

U0iC1iC2±UED1D2RRC1C2RL电源为正半周D1短路，D2开路，电源为正半周D1短路，D2开路.测量电路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—引线弹性膜片和固定电极组成差动电容器。硅油传压→弹性膜片产生位移→两侧电容改变。应用一：压力电容传声器核心是平板电容器，振动膜片是一片表面经过金属化处理的轻质弹性薄膜，当膜片随着声波的压力的大小产生振动时，膜片与后极板之间的相对距离发生变化，膜片与极板所构成电容器的量就发生变化。极板上的电荷随之变化，电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，从而完成了声音信号与电信号的转换。应用二：电容声传感器应用三：电容加速度传感器加速度传感器在汽车中的应用装有传感器的假人气囊常规的键盘有机械按键和电容按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小。应用四：电脑键盘图为IBMThinkpadT42/T43

的指纹识别传感器应用五：指纹识别传感器指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面。当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。优点：体积小、成本低、成像精度高、耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。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5.2.3.5压电式压力传感器

正压电效应（顺压电效应）逆压电效应（电致伸缩效应）压电效应压电材料压电晶体：如石英等；压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电半导体：如硫化锌、碲化镉等。压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的极化等效电路及信号变换电路其电容量为：

电压大小为：。压电式传感器的等效电路

(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路(b)等效成一个电源U=Q/Ca

和一个电容Ca的串联电路

压电式传感器的信号调节电路关键：高阻抗的前置放大器前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。Ca：传感器的固有电容；Ci：前置放大器输入电容；Cc：连线电容；Ra：传感器的漏电阻；Ri：前置放大器输入电阻。前置放大器输入电压：

输出信号分析压电元件的力F=Fmsinωt压电元件的压电系数为k，产生的电荷为Q=k·F。压力传感器结构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—膜片步态分析跑台纵跳训练分析装置5.3测压仪表的使用及压力检测系统5.3.1测压仪表的使用5.3.1.1测压仪表的选择1）精度等级选择2）量程选择稳定压力：最大被测压力不超过测量上限的2/3。脉动压力：最大被测压力不超过测量上限的1/2。高压：最大被测压力不超过测量上限的3/5。最小被测压力一般不小于测量上限的1/3。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—进油阀有一台空压机的缓冲罐，其工作压力变化范围为13.5～16MPa

，工艺要求最大测量误差为0.8MPa，并可就地观察及高低限报警。试选一合适的压力表（包括测量范围、精度等级）。测量范围选择为:0~20Mpa、0~40MPa、0~60