压力检测仪表

第三章压力检测仪表

压力是工业生产过程中重要工艺参数之一。许多工艺过程只有在一定的压力

条件下进行，才能取得预期的效果；压力的监控也是安全生产的保证。压力的

检测和控制是保证工业生产过程经济性和安全性的重要环节。压力测量仪表还

广泛地应用于流量和液位测量方面。

1.压力概念和单位

压力概念：在工程上，“压力”定义为垂直均匀地作用于单位面积上的力，

通常用P表示，对应于物理学中的压强。

单位：国际标准单位为帕斯卡，简称为帕，符号为Pa,加上词头又有千帕、

兆帕等，我国规定帕斯卡为压力的法定单位。目前，工程技术中仍常用的单位

还有工程大气压、物理大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。

压力单位换算衰

工程标准磅力T方

帕巴毫米水柱毫米汞柱

单位大气压大气压英寸

(Pa)(bar)(mmHzO)(mmHg)

(kgf/cm2)(atm)(Ibf4n2)

粕1.0197160.98692361.0197160.750061.450442

11X10-3

(Pa)X10-5XW5X101XlO'2xlO-4

巴1.0197160.98692361.0197160.750061.450442

1X1051

(bar)X104xlO3XlO

工程大气压0.9806650.735561.4224

0.98066510.967841X1O<

(kgf/cm2)X105xlO3XlO

标点大气压1.013251.033231.4696

1.013251.0332310.76X103

(atm)X105xlO4XlO

毫米水柱0.9806650.9806650.967840.735561.4224

1X10-41

(mmHaO)X10X10-4X10-4xlO1XW3

毫米汞柱1.3332241.3332241.359511.31581.359511.9338

1

(mmHg)X102X10-3X10-3X10-3xlOxlO-2

磅力斗方英寸0.689490.689490.703070.68050.703070.51715

1

(lbf4n2)X104XW1X10-1X10-1xlO3xlO2

在工程上，压力有几种不同的表示方法，并且有相应的测量仪表。

⑴绝对压力被测介质作用在容器表面积上的全部压力称为绝对压力。用来

测量绝对压力的仪表，称为绝对压力表。

⑵大气压力由地球表面空气柱重量形成的压力，称为大气压力。它随地理

纬度、海拔高度及气象条件而变化，其值用气压计测定。

⑶表压力通常压力测量仪表是处于大气之中，则其测得的压力值等于绝对

压力和大气压力之差，称为表压力。一般地说，常用的压力测量仪表测得

的压力值均是表压力。

⑷真空度当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值（负压力），其绝对值

称为真空度，用来测量真空度的仪表称为真空表。

⑸差压设备中两处的压力之差简称为差压。生产过程中有时直接以差压作

为工艺参数，差压测量还可作为流量和物位测量的间接手段。

压力检测的主要方法及分类：

根据不同工作原理，主要的压力检测方法及分类有如下几种。

（1）重力平衡方法

液柱式压力计基于液体静力学原理。被测压力与一定高度的工作液体产生的

重力相平衡，将被测压力转换为液柱高度来测量，其典型仪表是u形管压力计。

这类压力计的特点是结构简单、读数直观、价格低廉，但一般为就地测量，信

号不能远传；可以测量压力、负压和压差；适合于低压测量，测量上限不超过

0.1~0.2Mpa；精确度通常为0.02%〜±0.15虬高精度的液柱式压力计可用作

基准器。

负荷式压力计基于重力平衡原理。其主要型式为活塞式压力计。被测压力

与活塞以及加于活塞上的硅码的重量相平衡，将被测压力转换为平衡重物的重

量来测量。这类压力计测量范围宽、精确度高（可达±0.01%、性能稳定可靠，

可以测正压、负压和绝对压力，多用作压力校验仪表。单活塞压力计测量范围

达0.04〜2500MPa,此外还有测量低压和微压的其他类型的负荷式压力计。

(2)机械力平衡方法

这种方法是将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡，

通过测量平衡时的外力可以测知被测压力。力平衡式仪表可以达到较高精度，

但是结构复杂。这种类型的压力、差压变送器在电动组合仪表和气动组合仪表

系列中有较多应用。

(3)弹性力平衡方法

此种方法利用弹性元件的弹性变形特性进行测量。被测压力使测压弹性元件

产生变形，因弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡，测量弹性元件的变

形大小可知被测压力。此类压力计有多种类型，可以测量压力、负压、绝对压

力和压差，其应用最为广泛。

(4)物性测量方法

基于在压力的作用下，测压元件的某些物理特性发生变化的原理。

电测式压力计利用测压元件的压阻、压电等特性或其他物理特性，将被测

压力直接转换为各种电量来测量。多种电测式类型的压力传感器，可以适用于

不同的测量场合。

其他新型压力计如集成式压力计、光纤压力计等。

2.液柱式压力计

最早使用的一种压力计。简单、可靠、精度比较高、价格低廉。历史上曾是

准确测量压力的唯一仪器。虽然现在已出现一系列新型仪表。实际上此种压力

计还在使用，有时还用来检验其它型式的仪表。

液柱式压力计

3.弹性式压力计

弹性压力计利用弹性元件受压变形的原理。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，外作用力取消后，元件将恢复原有形状。利用

变形与外力的关系，对弹性元件的变形大小进行测量，可以求得被测压力。

弹性压力计的组成一般包括弹性元件、变换放大机构、指示机构和调整机

构等几个主要环节。弹性元件是仪表的核心部分，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；变换放大机构作

用是将弹性元件的变形进行变换和放大；指示机构如指针与刻度标尺，用于给

出压力示值；调整机构是用于调整仪表的零点和量程。

弹性元件的结构和特性

测量范圉/Pa动态性质弹性元件主要有以

类别名称示意图输出特性时间常数自振频率

最小・大

，S/Hz下几种形式。

1卜

5

平薄膜4810〜10-2

0-100T010(1)弹性膜片这是

0

一种外缘固定的片状弹

薄膜式波纹膜0~10-106也10-2〜10〜100

芋OP；性元件，膜片的弹性特性

挽性膜也0〜1。-2。〜10sIO-〜11-100一般由中心位移与压力

0IZPM

0的关系表示。按剖面形状

1

波纹管式波纹管0-10〜10610-2〜10-110-100及特性，弹性膜片又分为

*/»«0Z

平膜片、波纹膜片和挠性

单图弹簧管)0-1伊0-109—100-1000膜片。平膜片的使用位移

X0PM

弹簧管式:很小，弹性特性有良好的

多网弹簧管8一

0To0-1010〜100线性关系。波纹膜片是压

O屋

有环状同心波纹的圆膜

片，波纹的形状有正弦形、锯齿形、梯形等。其位移与压力的关系，由波纹的

形状、深度和波纹数确定。为了测量微小压力，还可以制成膜盒，以增大膜片

位移。挠性膜片仅作为隔离膜片使用，它要与测力弹簧配用。

(2)波纹管波纹管由整片弹性材料加工而成，是一种壁面具有多个同心环

状波纹，一端封闭的薄壁圆管。波纹管的开口端固定，由此引人被测压力。在

其内腔及周围介质的压差作用下，封闭端将产生位移，此位移与压力在一定的

范围内呈线性关系。在使用时一般要应用在线性段，也可以在波纹管内加螺旋

弹簧以改善特性。用波纹管作弹性元件的压力计，一般用于测量较低压力或压

差。

(3)弹簧管弹簧管是一根弯成圆弧状的、具有不等轴截面的金属管。常见

的不等轴截面是扁圆和椭圆形。弹簧管的一端

封闭并处于自由状态为自由端，另一端开口为

固定端，被测压力由固定端通人弹簧管内腔。

在压力的作用下，弹簧管横截面有变圆的趋

向，弹簧管亦随之产生向外伸直的变形，从而

引起自由端位移。自由端的位移量与所加压力

有关，可以由此得知裤被测压力的大小。单圈

弹簧管受压力作用的变形弹簧管中心角一般是270°,为了增加位移量，

可以做成多圈弹簧管型式。

弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适用于不同的测

压范围和被测介质。近来半导体硅材料得到了更多的应用。下表给出几种弹性

元件的结构示意及特性。各种弹性元件组成了多种型式的弹性压力计，它们通

过各种传动放大机构直接指示被测压力值。这类直读式测压仪表有弹簧管压力

计、波纹管差压计、膜盒式压力计等。

弹簧管压力计是最常用的直读式测压仪表，其一般结构如下图所示。被测

压力由接口引入，使弹簧管自由端产生位移，通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转,

并带动啮合的中心齿轮转动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转，并在

面板的刻度标尺上指示出被测压力值。通过调整螺钉可以改变拉杆与扇形齿轮

的接合点位置，从而改变放大比，调整仪表的量程。转动

轴上装有游丝，用以消除两个齿轮啮合的间隙，减小仪表的变差。直接改变指

针套在转动轴上的角度，就可以调整仪表的机械零点。

工程中应用最广泛的压力仪

表：弹性式压力计是利用弹性

元件受压力作用后产生弹性形

变，将变形转换成位移，通过

7一表盘

8一指针位移变化来测试压力大小。各

9-接头

10一横断面种弹性元件输出的位移或力必

11一灵敏度调整槽

须经过一定的机械传动（直接

指示）或变送器转换成标准信号。变送器有两种形式：开环式和闭环式。

开环式：位移7方）R、L、C等电参数，然后经一定的电路变成标准信号,

这种变送器原理简单，但材料工艺和电路的要求比较高。随着科技进步，此种

压力变送器越来越多。

闭环式：利用负反馈保证仪表精度，目前应用较多的力平衡式变送器就属于

这一类。

4.力平衡式压力变送器

—

输

出n

负T

载

—

力平衡式压力变送器的原理图

工作原理：被测量压力P经波纹管转换成耳作用于杠杆左端A点，使杠杆绕

支点0作逆时针旋转，稍一偏转，位于杠杆右端的位移检测元件便有感觉，使

电子放大器产生一定的输出电流/,。此电流流过反馈线圈和变送器的负载，并

与永久磁铁作用产生一定的电磁力，使杠杆B点受到反馈力号，形成一个使杠

杆作顺时针转动的反力矩。由于位移检测放大器极其灵敏，杠杆实际上只要产

生极微小的位移，放大器便有足够的输出电流形成反力矩与作用力矩相平衡。

当杠杆处于平衡状态时，输出电流/。正比于被测量压力P。

这种闭环式的力平衡结构的优点：首先在于当弹性材料的弹性模数温度系数

较大时，可以减小温度的影响。因为这里的平衡状态不是靠弹性元件的弹性反

力来建立的，当位移检测放大器非常灵敏时，杠杆的位移量很小，若整个弹性

系统的刚度设计的很小，那么弹性反力在平衡状态的建立中无足轻重，可以忽

略不计。这样，弹性元件的弹性力随温度的漂移就不会影响这类变送器的精度。

此外，由于变换过程中位移量很小，弹性元件的受力面积能保持恒定，因而线

性度比较好。由于位移量小，还可以减小弹性迟滞现象，减小仪表的变差。

为了说明这些优点，通过这种变送器的静态结构图（方框图）来分析。

反馈线圈

力平衡变送器的方块图

作用力矩％与反馈力矩之差AM使杠杆绕支点0旋转，转角夕=也。这

T

里7是杠杆系统的扭转刚度，它的大小表示要使杠杆产生单位转角所需的力矩。

当杠杆转动时，位移检测点c处就有位移4=其中/℃为检测点c到支

点o的距离。该位移被检测并转换为电流输出图中K表示位移检测放大器

的传递系数。

输出电流/“流过反馈线圈，产生电磁反馈力号=Cx/0,其中C为电磁铁的传

递系数。此力乘力臂/。8即为反馈力矩M/。

系统的闭环传递函数为：:HSIOAB

当开环增益很大，即十41Q。">>1时，上式可简化为：

由此可知，这种变送器具有一切闭环系统的共同特点，即在开环增益足够大

时，其输入量和输出量的关系只取决于输入环节及反馈环节的传递函数，而与

正向通道环节的传递函数无关。

在上述的力平衡压力变送器中，杠杆系统（包括弹性测量元件）的刚度7和位

移检测放大器的传递系数K都处于正向通道内，只要开环增益足够大，它们的

变化不会影响输出值因此，弹性测量元件的弹性模数随温度的变化，不会

影响仪表的精度。

这里需要说明，力平衡仪表虽然对弹性反力的变化不甚敏感，但对杠杆系统

任何一处存在的摩擦力却是十分敏感的，因为摩擦力矩的引入相当于在比较点

引入干扰，会直接引起误差，造成死区和变差。为此，力平衡仪表中支承点都

使用弹簧钢片做成弹性支承，以避免摩擦力的引入。

从上面的分析看到，在力平衡变送器中，只要测压元件的有效面积S能保持

恒定，磁铁的磁场强度均匀稳定，力臂的长度做、脸不变，便可得到较好的变

换精度。

5.微小位移电变换方法

5.1）霍尔元件

5.1.1）霍尔效应

一块长为/、宽为8、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为月的磁场（磁场

方向垂直于薄片）中，如下图所示。当有电流/流过时，在垂直于电流和磁场的

方向上将产生电动势U”。这种现象称为霍尔效应。

霍尔效应原理图

假设薄片为N型半导体，在其左右两端通以电流1（称为控制电流）。那么半

导体中的载流子（电子）将沿着与电流I相反的方向运动。由于外磁场B的作用，

使电子受到洛仑兹力FL作用而发生偏转。结果在半导体的后端面上电子有所积

累。而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面间形

成电场。该电场产生的电场力FE阻止电子继续偏转。当FE与FL相等时，电子积

累达到动态平衡。这时，在半导体前后两端面之间（即垂直于电流和磁场方向）

建立电场，称为霍尔电场E”,相应的电势就称为霍尔电势U”。

UH=--=K•I•B

nedH

霍尔元件的灵敏度系数KH=」一。金属中自由电子浓度n很高，因此K”很

ned

小，使输出乙极小，不宜作霍尔元件，因此霍尔元件都是由半导体材料制成。

如果是P型半导体，其载流于是空穴。一般电子迁移率大于空穴迁移率。因此

霍尔元件多用N型导体材料，霍尔元件越薄（即d越小），K”就越大，所以一般

霍尔元件都比较簿。薄膜霍尔元件厚度只有lum左右。

由霍尔电势公式可知，当控制电流(或磁场)方向改变时，霍尔电势方向也将

改变，但电流与磁场方向同时改变时，霍尔电势方向不变；当载流材料和几何

尺寸确定后，霍尔电势U”的大小正比于控制电流I和磁感应强度B,因此霍尔

元件可用来测量磁场(I恒定)、检测电流(B恒定)。当霍尔元件在一个线性梯度

磁场中移动时，输出霍尔电势反映了磁场变化此可测微小位移、压力、机械振

动等。

霍尔式传感器转换效率较低，受温度影响大，但其结构简单，体积小，坚固，

频率响应宽，动态范围(输出电势的变化)大，无触点，使用寿命长，可靠性高,

易微型化和集成电路化，因此在测量技术、自动控制、电磁测量、计算装置以

及现代军事技术等领域中得到广泛应用。

5.1.2)霍尔元件材料及构造：

用于制造霍尔元件的材料主要有以下几种。

错(Ge),N型及P型均可。其电阻率约为10气。.m)o在室温下载流子迁移

3232-1

率为3.6X10(cm*v^s-^o霍尔系数可达4.25X10(cm•c)o而且提纯和拉

单晶都很容易，故常用于制造霍尔元件。

硅(Si),N型及P型均可。其电阻率约为1.510^(0-m),N型硅的载流子

32

迁移率高于p型硅。N型硅霍尔系数可达2.25X10(cm­c')o

碑化锢(InAs)和睇化锢(InSb),这两种材料的特性很相似。纯碑化锢样品的

载流子迁移率可达3乂10」(加・vH),电阻率较小，约为2.5X10R。・口)。

镯化锢的载流子迁移率可达6X104(cm2-vV1),电阻率约为7X10-3(Q-m)。

它们的霍尔系数分别为350和1000。由于两者迁移率都非常高，而且可以用化

学腐蚀方法将其厚度减薄到10um,因此用这两种材料制成的霍尔元件有较大的

霍尔电势。

霍尔元件的外形，结构和符号如下图所示。霍尔元件的结构很简单，它是由

霍尔片、四极引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片（一般为4X2

xo.1mm：，）o在它的长度方向两端面上焊有两根引线（图中a、b线），称为控制

电流端引线，通常用红色导线。其焊接处称为控制电流极（或称激励电极），要

求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触（无PN结特性）。在薄片的另

两侧端面的中间以点的形式对称地焊有两根霍尔输出端引线（图中c、d线），通

常用绿色导线。其焊接处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电极宽度与长度之

比要小于0.1,否则影响输出。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树

脂封装。霍尔元件在电路中可用图⑹的两种符号表示。

0

-V-

（a）外形（C）符号

霍尔元件

5.1.3）测量电路:

霍尔元件的基本测量电路如下图所示。

激励电流由电源正供给，可变电阻RP用来调节激励电流I的大小。只RL为输

出霍尔电势U”的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。

工

负

同6载

霍尔元件的基本测量电路

集成霍尔传感器（根据电路和霍尔元件的工作条件不同，分为线性型、开关型）

V.

2

开关霍尔集成电路结构

5.1.4）技术指标：额定激励电流、输入电阻、输出电阻、不等位电势及零位电

阻、寄生直流电势等。

5.1.5）霍尔传感器的补偿：不等位电势补偿和温度补偿。

5.L6）应用：

•位移测量

霍尔式位移传感器原理示意图

•压力测量

霍尔式压力传感器结构原理图

•钳型电流表、钳型电流传感器

o

92739275

AC钳式电流传感器

ACCLAMPONSENSORS

测量电流工作原理

3280iIUnC钳LA形MP表ONHiTESTER

荣获日本经济产业省优秀产品设计奖

易F操作!

1000A真有效值,钳口直径:33mm

100gi16mm厚

双向开口设计,左右手都能用

超薄钳口可在很窄范围内测量

无金属（铁圈）外露.使用更安全CLAMPONHiTESTER

[Sy..F/司

♦注：非CE标记产品

CATIII600V

（电流量程）

CATII600VUS

（电压量程）4。

•转速测量、长度测量

检测轮转动方向

开关式霍尔元件A

开关式霍尔元件B

£c

被测物转动方向收

头

系统测量轮和传感器安装示意图

移动方向

磁铁

霍尔传感器

霍尔传感器安装图

（a）转速测量原理（b）

1——霍尔器件2--被测物体3——永磁体

5.2）电感式元件

电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置，可以用

来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。

电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自

感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类

传感器的主要特征是具有线圈绕组。

电感式传感器具有以下优点：结构简单可靠，输出功率大，抗干扰能力强,

对工作环境要求不高，分辨力较高（如在测量长度时一般可达0.lum）,示值误差

一般为示值范围的0.1%-0.5%,稳定性好。它的缺点是频率响应低，不宜用于

快速动态测量。一般说来，电感式传感器的分辨力和示值误差与示值范围有关。

示值范围大时，分辨力和示值精度将相应降低。

电感式传感器种类很多。有利用自感原理的自感式传感器（通常称电感式传

感器），利用互感原理通常做成的差动变压器式传感器。

自感式传感器

5.2.1工作原理

电感式位移传感器种类繁多，目前常用的有变气隙型、变面积型和螺管型三

种，如下图所示。虽然形式不同，但都包含线圈、铁芯和活动衔铁三部分。

△5

（O螺管型

<a）变间隙型

1——线圈2——铁芯3——衔铁

对变间隙型传感器,气隙的大小随被测量的改变而变化，使磁路中气隙的磁

阻发生变化，从而引起线圈电感的变化。这种电感量的变化与气隙的大小（即位

移量）相对应，因此，只要能测山这种电感量的变化，就能测出位移的大小。变

面积型是气隙长度保持一定，而铁芯与衔铁之间相对覆盖面积随被测位移量的

变化而改变，从而导致线圈电感的变化。螺管型传感器是线圈电感随着衔铁插

入长度的变化而变化。理论上，电感相对变化量与衔铁位移相对变化量成正比,

但由于线圈内磁场强度沿轴向分布不均匀，所以实际上，它的输出仍有非线性。

八3

2b

下面进一步分析在衔铁变动后，AL与AS关系的非线性，设衔铁处于起始位

置时，电感传感器的初始气隙为况,初始电感。="区,当衔铁向上位移

2bo

时，传感器气隙将减小，即3=3。-AS,这时电感将增大为L=W&S。，电感

2（2-晶）

的变化量为AL=L-品=4、△:c,相对改变量为：~T~~T蒜=7F"（"j~Z7），

品-94）<>0-△<>。（）1一诟

当"<<1时，将上式展开成级数

品

华=当1+啜+（膏）2+…]=管+（詈产+（管尸+…。同理,如果衔铁向下位移AS

4"o

时，传感器气隙将增加，b=30+A3,这时电感将减小为L=W"。』，电感的

2（4+A3）

变化量为刈=一。…。耳篝’相对改变量为：w=品+△厂豆（77^），当

竺<<1时，将上式展开成级数半=臂-（箫尸+（管）'o如果不考虑包括二次

方0Lo

项以上的高次项，则相与命成比例关系。因此，高次项的存在是造成非线性的

原因。但当空越小时，高次项将迅速减小，非线性可以得到改善；然而，这又

%

会使传感器的测量范围（即衔铁允许工作位移）变小。所以，对输出特性线性

的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的。故这种传感器只能用于微小位移的

测量。传感器的灵敏度为5="=工，从提高传感器灵敏度的角度看，初始间隙

应尽量小，结果是被测量的范围也变小。如果增加线圈匝数和铁芯截面积，可

以提高灵敏度，但必将增加传感器的几何尺寸和重量。

在这三种传感器中变气隙式灵敏度最高，且随气隙的增大而减少，非线性

误差大。为了减少非线性误差，量程必须限制在较小范围内，所以只能用于微

小位移的测量，一般为0.001mm〜1mm；变面积型传感器灵敏度比变间隙型小，

理论灵敏度为一常数，因而线性好，量程也比变间隙式大，它的应用也比变间

隙型多；螺管型传感器在三种中量程最大，可达几十毫米，灵敏度低，但结构

简单便于制作，因而应用比较广泛。

这三种类型的传感器，由于线圈中流过负载的电流不等于零，存在起始电

流，非线性较女，而且有电磁吸力作用于活动衔铁。易受外界干扰的影响，如

电源电压和频率的波动、温度变化等都将使输出产生误差，所以不适用于精密

测量，只用在一些继电信号装置。在实际应用中，广泛采用的是差动式电感传

感器。

5.2.2差动形式

两只完全对称的电感传感器合用一个活动衔铁，便构成差动电感传感器，如

下图所示。在起始位置时，衔铁处于中间位置，两边的气隙相等，因此两只电

感线圈的电感量在理论上相等。当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时，造成

两边气隙不等，使两只电感线圈的电感量一增一减，它们之差为：

35

A£,+AL2=+A+(^)+•••],可见AL|+AL,中不存在偶次项，这说明差

品4分

动电感传感器的非线性小得多，其灵敏度为S=2§,是单个电感传感器的2倍。

4

线圈1

7

31线圈2

(O螺管型

(b)变面积型

(a)变间隙型

差动式电感传感器

1——线圈2——铁芯3——衔铁4—导杆

轴向位移电感传感器

1一导线2—圆筒磁芯3一衔铁4一线圈5一弹簧

6—防转销7—钢球导轨8—测杆9-密封套10—可换测颈

5.2.3测量电路

见课本P49-50

5.2.4应用

压力测量、厚度测量、焊条偏心度测量等

JGH型电感测厚仪

下图是用差动式电感传感器组成的测厚仪电路图。电感传感器的两个线圈右

和右作为两个相邻的桥臂，另外两个桥臂是电容0和c20桥路对角线输出端

用4只二极管口〜D,组成相敏整流器，由电流表M显示。在二极管中串联4个电

阻R〜匕作为附加电阻，目的是为了减少由于温度变化时，相敏整流器的特性变

化所引起的误差，所以应尽可能选用温度系数较小的线绕电阻。R是调零电位器,

R6用来调节显示器M满刻度用。电桥的电源由接在对角线ab的变压器B供给，

变压器原边采用磁饱和交流稳压器R7和C,电路中C3起滤波作用SD为指示灯。

测厚仪电路图

差动变压器式传感器

差动变压器则是把被测量的变化变换为线圈的互感变化。差动变压器本身是

一个变压器，初级线圈输入交流电压，次级线圈感应出电势，当互感受外界影

响变化时，其感应电势也随之相应的变化。由于它的次级线圈接成差动的形式,

故称差动变压器。

差动变压器具有结构简单，测量精度高，灵敏度高及测量范围宽等优点，故

应用较广。下面以应用较多的螺管式差动变压器为例说明其特性，它可以测量

一至上百毫米的机械位移。

(0)结构图⑹原理图

差动变压器原理图

5.2.1工作原理

差动变压器结构由初级线圈P与两个相同的次级线圈S|、S2和插入的可移动

的铁芯C组成。其线圈联接方式如图(b)所示，两个次级线圈反相串接。

当初级线圈户加上一定的正弦交流电压R后，在次级线圈中的感应电势Ki、

方22与铁芯在线圈中的位置有关。当铁芯在中心位置时濡=222,输出电压力2=0。

铁芯向上移动时濡＞片22,反之£〈方22。在上述两种情况下，输出电压62的相

位相差180°,其幅值随铁芯位移距离x的改变而变化，如下图所示。

差动变压器输出电压的幅值特性

5.2.2测量电路

差动变压器输出交流电压，如果采用交流电压表指示，只能反映铁芯位移的

大小、，不能反映移动的方向。另外，输出的交流电压中存在零点残余电压。所

以要求差动变压器的测量电路，既能反映铁芯位移的大小和方向又能补偿零点

残余电压。常用的测量电路有两种形式，一种是差动整流电路，另一种是相敏

检波电路。具体参考课本P56-60

5.2.3应用

参见课本P61-62

5.3）电容式元件

5.3.1）工作原理（见课本77-79）

5.3.2）测量电路（脉冲调宽电路）（见课本90-91）

5.3.2）应用（见课本92）

5.4）涡流传感器

5.4.1）基本原理

电涡流传感器一般都是做成一个扁平空心线圈，将此线圈靠近金属导体，当线

圈中通有交流电时，在其周围空间产生交变磁通，放在该磁场中的金属导体就会

产生电涡流.此涡流的圆心与线圈在金属导体上投影的圆心重合.研究表明：涡

流区与线圈尺寸的关系为2R=L39Z）,2r=0.525。.D为扁平空心线圈外径,2R为

涡流区外径.2r为涡流区内径.涡流渗透深度为々=5000P为导体电

阻率，f为交变磁场的频率，叫为相对导磁率.

1-电涡流区2-扁平空心线圈

3-金属导体

电涡流式传感器原理图

5.4.2）等效电路

可把空心线圈看作变压器初级，金属导体中的涡流回路看作变压器次级.当

线圈周围产生交变磁场时，环状涡流也将产生交变磁场，其方向与线圈产生的磁

通方向相反，因而抵消部分原磁场，这可理解为线圈与环状涡流之间存在互感M,

其大小取决于金属导体和线圈之间的靠近程度.

等效电路

根据等效电路，可列出方程:

Ri/i+jwL{I\-jwMI2=Ui

—jwM/1+H/2+jwL12=0

0,4为空心线圈电阻和电感

R,L为涡流回路的等效电阻和电感

M为线圈与金属导体之间的互感系数

由上面方程解得，当线圈与被测金属导体靠近时，线圈的等效阻抗

U、wM2W2M2

为.Z=」=国+—------TR]+j[wL1--J--2w£]

力・j17?2+(W£)21R2+(WL)2

l\

W2M2

等效电阻为Req=R]+尺2+(.£)2R

W2M2

等效电感为Leq=L\—R2+（.乙）2

品质因素Qgq

上述分析结果表明，电涡流传感器的等效电气参数都是互感M的函数，但是通常

利用其电感的变化组成测量回路，故把这类传感器列为电感式传感器.

5.4.3）测量电路

调频式电路：把传感器线圈作为组成LC振荡器的电感元件，当传感器线圈电感变

化时，引起振荡器的振荡频率变化，该频率可直接由数字频率计测得，或通过频

率一电压转换，由仪器指示或记录.

调幅式电路：传感器线圈与电容组成并联谐振回路，石英晶体振荡器相当于一个

恒流源，向谐振回路提供一个频率稳定为To的高频激励电流LC回路的输出电

压〃0=，0/亿）乂为LC回路的阻抗.当被测导体远离传感器时，因LC谐振回路的

谐振频率设定为激励频率故呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大,

当被测导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感发生变化,LC谐振回路的谐振频

率改变，所呈现的等效阻抗减小，所以输出电压幅度值也减小，从而实现测量的

要求.

5.4.4）应用

位移测量（压力计）：电涡流传感器的等效阻抗Z与被测材料的电阻率、导磁

率、激磁频率及线圈与被测体间的距离x有关。当电阻率、导磁率、激磁频率

一定时，Z只与x有关。通过适当的测量电路，可得到输出电压与距离x的关系。

其线性范围为平面线圈外径的1/3——l/5o显然可以用来测量位移（压力）。

振幅测量：可以无接触地测量各种振动的振幅，如测量轴的振动形状，可用多

个涡流传感器，并排安置在轴附近，可获得各传感器所在位置轴的瞬时振幅。

转速测量：把一个旋转金属加工成齿轮状，旁边安装一个涡流传感器，当旋

转体转动时，传感器将周期地改变输出信号，测其频率即可得转速。

无损探伤等：可以对被测量对象进行非破坏性的探伤，例如检查金属材料的

表面裂纹、热处理裂纹以及焊接部位的探伤等。在检查时，使传感器与被测体

的距离不变，当有裂纹出现时，导体电阻率、导磁率发生变化，从而引起传感

器的等效阻抗发生变化，通过测量电路达到探伤目的。

5.5）压电传感器

5.5.1）压电效应

5.5.2）压电材料

5.5.3）压电传感器

5.5.4）压电传感器的等效电路

5.5.5）测量电路

5.5.6）应用

5.6）应变电阻传感器

导体或半导体材料在外界作用下（如压力等）产生机械变形，其阻值将发生变

化，这种现象称为应变效应.把依据这种效应制成的应变片粘贴于被测材料上,

则被测材料受外界作用所产生的应变就会传送到应变片上，从而使应变片上电

阻值发生变化，通过测量阻值的变化量，就可以反映出外界作用的大小.

5.6.1）应变片工作原理P136

电阻应变片是用直径约为0.025mm的具有高电阻率的金属电阻丝制成.由

物理学可知：R=pl/S

如果金属丝沿轴线方向受力而变形，其电阻也随之变化，其应变关系可由微分学

dRdpdldSdsdD

得到：一了二丁+―7F.对于直径为D的圆形电阻丝27r.由材

dDdl

料力学知：横向收缩和纵向伸长的关系为：—=-/y=-/^.，为材料的泊松

dlA/

比.£=7=7为电阻丝轴向的相对变化，也就是应变.由上述可得：

dRdpdl..c、/［。dpip、dl

下=上+7~（1+2/）=（1+2/+5勺〒=左z2

RpIal/71I

k为应变灵敏系数，其物理意义为单位应变所引起的电阻相对变化.对于金属

—变化很小.其灵敏系数主要取决于1+27.对于半导体应变片则必变化

pp

很大，其灵敏系数主要取决于号do.

5.6.2）应变片结构P137

5.6.3）应变片测量电路

在电阻应变传感器中，多采用桥式测量电路.根据桥路的工作电压，可分为交流

电桥和直流电桥.

八园一&&u

当电桥负载无穷大时，电桥的输出电压为:U。二

区+??2）伊3+尺4）

为了使在测量前的输出为零，应使广=十（电桥平衡条件）.令告=5=。为

桥臂的电阻比，它的大小与电桥的电压灵敏度有关，当a=l时，电桥的灵敏度最

大.故在测量电路中常用全等臂电桥电路.在实际中的测量电路分：单臂、双臂、

全桥测量电路。

单臂电桥

Ru_晨考虑到AT?]«R],为二与二段二凡二R则上式

UAT?,UNR

化为：u°7V°

双臂电桥（相邻臂相反，相对臂相同）

一用+端〃与「U皿

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