1、學習要求學習要求 掌握流體穩態壓力測量的基本原理、掌握流體穩態壓力測量的基本原理、彈性壓力計的測壓原理，幾種壓力信號變送彈性壓力計的測壓原理，幾種壓力信號變送方法方法; ;電容式壓力變送器的特點、結構原理、電容式壓力變送器的特點、結構原理、調整及使用方法，智能型壓力變送器調整及使用方法，智能型壓力變送器。第三章第三章 壓力測量及儀表壓力測量及儀表壓力測量概述壓力測量概述確定生產過程中各種工質所處的狀態。確定生產過程中各種工質所處的狀態。熱力設備運行過程中，保證工質狀態符合設計熱力設備運行過程中，保證工質狀態符合設計要求，工藝過程正常進行，取得最佳經濟效益。要求，工藝過程正常進行，取得最佳經濟效

2、益。保證安全生產之必須。保證安全生產之必須。監視各重要壓力容器監視各重要壓力容器(除氧器、加熱器以及管除氧器、加熱器以及管道等道等)承壓情況，防止設備超壓爆炸。承壓情況，防止設備超壓爆炸。 3.1 壓力的概念及單位壓力的概念及單位一、壓力的定義1 、法向壓力作用在一個定點上的壓力由垂直施作用在一個定點上的壓力由垂直施加在該點單位面積上的力加在該點單位面積上的力dF 確定確定 而靜止流體中某點壓力與在該點所取的面方向而靜止流體中某點壓力與在該點所取的面方向無關，即某點各方向上的壓力相等。無關，即某點各方向上的壓力相等。 (各向同性各向同性,靜壓靜壓)/(lim0dAdFpdA單單 位位 名名 稱

3、稱符符 號號與與Pa換算關系換算關系工程大氣壓工程大氣壓kgf/cm21 kgf/cm2=9.81104Pa毫米汞柱毫米汞柱mmHg1 mmHg=1.33102Pa毫米水柱毫米水柱mmH2O1 mmH2O=9.81Pa表3-1 壓力單位換算表在國際單位制在國際單位制(sI)和我國法定計量單位中，壓力的單位是和我國法定計量單位中，壓力的單位是“帕斯卡帕斯卡”，簡稱，簡稱“帕帕”，符號為，符號為“Pa”。其物理意義是其物理意義是 l N力垂直均勻地作用于力垂直均勻地作用于1m2面積上所產生面積上所產生的壓力，稱為的壓力，稱為1 Pa。2111mNPa 。 二、壓力分類二、壓力分類1. 從測量的角度

4、分：從測量的角度分：靜定壓：每秒變化量為壓力計分度值的靜定壓：每秒變化量為壓力計分度值的1%以下以下變動壓：單位時間的變化量超過靜定壓限度的變動壓：單位時間的變化量超過靜定壓限度的脈動壓：隨時間作周期性變化，且變化量超過脈動壓：隨時間作周期性變化，且變化量超過 靜定壓限度的。靜定壓限度的。2. 按測量的方法分：按測量的方法分：絕對壓力：以絕對真空作為零點壓力絕對壓力：以絕對真空作為零點壓力表壓力：以大氣壓力作為零點壓力表壓力：以大氣壓力作為零點壓力差壓力：以大氣壓力以外的任意壓力作為零點差壓力：以大氣壓力以外的任意壓力作為零點 壓力壓力0 絕對零壓力；絕對零壓力；pamb 大氣壓力；大氣壓力；

5、p1、p2 絕對壓力；絕對壓力；pe1 p1對應的表壓力；對應的表壓力；pe2 p2對應的真空表壓對應的真空表壓;絕對壓力絕對壓力=表壓力表壓力+大氣壓力大氣壓力 差壓力差壓力=p1-p23.按信號轉換原理分按信號轉換原理分1 1液柱式壓力測量液柱式壓力測量: :根據根據流體靜力學流體靜力學原理，把被測壓原理，把被測壓力轉換成液柱高度差進行測量。一般常用儀器是充有水力轉換成液柱高度差進行測量。一般常用儀器是充有水或水銀等液體的玻璃或水銀等液體的玻璃U形管或單管等。形管或單管等。2 2彈性式壓力測量彈性式壓力測量: :根據根據彈性元件彈性元件受力變形的原理，受力變形的原理，將被測壓力轉換成彈性元

6、件的位移或力進行測量。常用將被測壓力轉換成彈性元件的位移或力進行測量。常用的彈性元件有彈簧管、彈性膜片、彈性膜盒和波紋管等。的彈性元件有彈簧管、彈性膜片、彈性膜盒和波紋管等。3 3電氣式壓力測量電氣式壓力測量: :利用利用敏感元件敏感元件將被測壓力直接轉將被測壓力直接轉換成各種電參量進行測量，例如電阻、電容、電流及電換成各種電參量進行測量，例如電阻、電容、電流及電壓等。壓等。4 4活塞式壓力測量活塞式壓力測量: :根據液壓機械中根據液壓機械中液體傳遞壓力液體傳遞壓力的的原理，將被測壓力轉換成活塞面積上所加平衡砝碼的重原理，將被測壓力轉換成活塞面積上所加平衡砝碼的重力進行測量。它被普遍用作標準儀

7、器對其它壓力測量儀力進行測量。它被普遍用作標準儀器對其它壓力測量儀表進行檢定，例如壓力校驗臺等。表進行檢定，例如壓力校驗臺等。3.2.液柱式壓力計液柱式壓力計一、液柱式壓力計一、液柱式壓力計 應用流體靜力學知識，通過液柱高度與應用流體靜力學知識，通過液柱高度與壓力的關系設計而成，基本原理比較簡單壓力的關系設計而成，基本原理比較簡單。12121221122)(ghphhghhhgpppamb時當%1 . 0,6 .311)(1221221121誤差若：dDghDdghDdhhghhgpppamb單管式壓力計單管式壓力計 問題：與直管式問題：與直管式比較，斜管式微比較，斜管式微壓計的優點是什壓計的

8、優點是什么？么？lKAAglpppAAlhlhhhgpppambamb21212121sin,sin)(零平衡微壓計零平衡微壓計 （補償微壓計）（補償微壓計）具有一大一小兩個容器，二者用橡皮管連通。具有一大一小兩個容器，二者用橡皮管連通。大容器中間一內螺紋孔，里面一根微調絲桿。大容器中間一內螺紋孔，里面一根微調絲桿。絲桿下端與儀器底部相連；絲桿上端連標有刻度的帽子，轉動帽子大容絲桿下端與儀器底部相連；絲桿上端連標有刻度的帽子，轉動帽子大容器沿絲桿上下移動，實現調整。器沿絲桿上下移動，實現調整。調整到小容器水面與觀測針尖接觸為止。即通過光學系統觀察，觀測針調整到小容器水面與觀測針尖接觸為止。即通

9、過光學系統觀察，觀測針尖與它反射在水面上的影像正好尖頭相接觸。尖與它反射在水面上的影像正好尖頭相接觸。被測壓力直接從標尺上讀出。被測壓力直接從標尺上讀出。 3.3 彈性式壓力計彈性式壓力計 利用材料在彈性范圍內變形與外力為線性關利用材料在彈性范圍內變形與外力為線性關系的原理，制成不同形式及滿足不同要求的壓力系的原理，制成不同形式及滿足不同要求的壓力計。計。 以彈性元件為壓力敏感元件，彈性元件受壓以彈性元件為壓力敏感元件，彈性元件受壓變形，變形力與被測壓力相平衡。變形，變形力與被測壓力相平衡。xpApF KxFxxpKAKFx 一、彈性元件一、彈性元件彈性膜片及膜盒彈性膜片及膜盒 波紋管波紋管

10、平面膜平面膜 波紋膜波紋膜2222211KabbhREP、彈簧管的泊松系數和彈簧管的泊松系數和彈性模量彈性模量 h 彈簧管的壁厚彈簧管的壁厚彈簧管的幾何參數彈簧管的幾何參數ha2、與與a和和b有關的參數有關的參數彈簧管彈簧管提高靈敏度提高靈敏度二、常用彈性式壓力計二、常用彈性式壓力計 1 1膜片式壓力計膜片式壓力計 可用于測量對銅和鋼及其合金可用于測量對銅和鋼及其合金有腐蝕作用或粘度較大介質的壓有腐蝕作用或粘度較大介質的壓力或真空度（采用不銹鋼膜片）。力或真空度（采用不銹鋼膜片）。若采用敞開式法蘭結構或隔膜式若采用敞開式法蘭結構或隔膜式結構，可用于測量高粘度、易結結構，可用于測量高粘度、易結晶

11、或高溫介質的壓力或真空度。晶或高溫介質的壓力或真空度。膜片式壓力計的測量范圍一般為膜片式壓力計的測量范圍一般為05.88106Pa，精度為，精度為2.5級。級。推桿推桿4帶動扇形齒輪帶動扇形齒輪6擺動擺動2 2、膜盒式壓力計、膜盒式壓力計 膜盒壓力表的彈性感壓元件為膜盒，適用于測量空氣膜盒壓力表的彈性感壓元件為膜盒，適用于測量空氣或其他無腐蝕性氣體的微壓或負壓。例如電廠鍋爐風煙系或其他無腐蝕性氣體的微壓或負壓。例如電廠鍋爐風煙系統中風、煙壓力測量及鍋爐爐膛負壓等參數的測量。統中風、煙壓力測量及鍋爐爐膛負壓等參數的測量。 膜盒式壓力計的測量范圍為膜盒式壓力計的測量范圍為15040000Pa，精度

12、一，精度一般為般為2.5級，較高的可達級，較高的可達1.5級。級。 膜盒中心上推杠桿膜盒中心上推杠桿4，帶動杠桿，帶動杠桿5繞支點繞支點0逆時針轉動，拉動拉桿逆時針轉動，拉動拉桿7帶動曲柄帶動曲柄8和軸和軸12逆時針轉動。逆時針轉動。3波紋管壓力計波紋管壓力計雙波紋管差壓表就是一雙波紋管差壓表就是一種機械位移變換就地顯種機械位移變換就地顯示壓差的波紋管壓力計，示壓差的波紋管壓力計，它主要作為流量和水位它主要作為流量和水位等測量的中間變換或顯等測量的中間變換或顯示儀表。由于波紋管在示儀表。由于波紋管在軸向容易變形，所以靈軸向容易變形，所以靈敏度較高，在測量低壓敏度較高，在測量低壓時它比彈簧管和膜

13、片靈時它比彈簧管和膜片靈敏得多。其缺點是遲滯敏得多。其缺點是遲滯值太大值太大 高壓側波紋管壓縮，填充液高壓側波紋管壓縮，填充液(硅油硅油)12流向流向低壓側波紋管，自由端右移，帶動連接軸低壓側波紋管，自由端右移，帶動連接軸1向低壓側移動，同時拉伸量程彈簧向低壓側移動，同時拉伸量程彈簧7，直至，直至差壓差壓(p+ - p-) 作用力與彈簧作用力與彈簧7變形力平衡。變形力平衡。連接軸系統移動，軸上擋板連接軸系統移動，軸上擋板3撥動擺桿撥動擺桿4擺擺動，帶動扭力管動，帶動扭力管5扭轉，芯軸扭轉，芯軸6把扭轉信號把扭轉信號傳給顯示部件顯示差壓信號。傳給顯示部件顯示差壓信號。4 4彈簧管壓力計彈簧管壓力

14、計彈簧管壓力計主要彈簧管壓力計主要由感壓元件彈簧管、由感壓元件彈簧管、齒輪機械傳動放大齒輪機械傳動放大機構、指針標尺等機構、指針標尺等部分構成部分構成 ，彈簧管，彈簧管壓力計分為普通型壓力計分為普通型壓力計、精密壓力壓力計、精密壓力計、密封型壓力計、計、密封型壓力計、充油型壓力計、差充油型壓力計、差壓計、雙針型壓力壓計、雙針型壓力計等。計等。彈簧管自由端的位移通過拉桿彈簧管自由端的位移通過拉桿4，使扇形齒輪，使扇形齒輪3做逆時針偏轉。做逆時針偏轉。5 、電接點壓力計電接點壓力計電接點壓力計測量工作原電接點壓力計測量工作原理和彈簧壓力計相同。理和彈簧壓力計相同。報警信號可以顯示、連接報警信號可以

15、顯示、連接繼電器聯鎖，但不能遠距繼電器聯鎖，但不能遠距離離 傳送。傳送。3.4 電氣式壓力測量電氣式壓力測量 電氣式壓力測量是利用壓力敏感元件將被測電氣式壓力測量是利用壓力敏感元件將被測壓力信號直接轉換成各種電參數的測量方法，在壓力信號直接轉換成各種電參數的測量方法，在集中測量、自動控制等自動化場合得到廣泛應用。集中測量、自動控制等自動化場合得到廣泛應用。 電氣式壓力測量方法有電氣式壓力測量方法有電位器電位器式式、應變式應變式、電感式電感式、電容式電容式、壓電式壓電式、壓阻式壓阻式、壓磁式壓磁式、霍霍爾效應式爾效應式、振弦式振弦式、光纖式光纖式 。 3.4.1 電位器式壓力測量電位器式壓力測量

16、 電位器式壓力測量的原理是把被測電位器式壓力測量的原理是把被測壓力信號壓力信號轉換成轉換成電位器電位器電阻電阻變化，通過測量電阻值達到測量壓力目的的變化，通過測量電阻值達到測量壓力目的的一種測量技術。適用于壓力變化比較大的場合。一種測量技術。適用于壓力變化比較大的場合。 電位器式壓力傳感器，其彈性元件的形變端與電位電位器式壓力傳感器，其彈性元件的形變端與電位器的滑動觸點剛性相連；器的滑動觸點剛性相連；彈性元件承受壓力，產生形變，帶動滑動觸點移動；彈性元件承受壓力，產生形變，帶動滑動觸點移動；彈性元件的位移輸出，轉換成電位器滑動觸點的位彈性元件的位移輸出，轉換成電位器滑動觸點的位移，從而把被測壓

17、力變化，變換成電位器電阻值變化；移，從而把被測壓力變化，變換成電位器電阻值變化；測量電位器電阻值的變化，得知被測壓力的大小。測量電位器電阻值的變化，得知被測壓力的大小。電阻值的測量，常采用電阻值的測量，常采用不平衡電橋不平衡電橋測量法或測量法或恒流源恒流源測量法。測量法。 一一. 應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器1 、基本思路： 利用金屬應變片或半導體應變片，將測壓彈性元件的應變轉換成電阻變化。 壓力作用電阻材料與受力，材料同時變形電阻阻值變化電橋失衡比較得壓力值輸出電壓變化關鍵在于: 材料變形與壓力的關系3.4.2 應變式壓力測量應變式壓力測量 電阻應變片工作原理是基于金屬導體的應變效電阻應

18、變片工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發生機械變形時，其應，即金屬導體在外力作用下發生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形電阻值隨著所受機械變形 ( (伸長或縮短伸長或縮短) ) 的變化而的變化而發生變化。發生變化。2 、基本原理： 應變片應用電橋電路，將微小的電阻變化轉換為電壓或電流的變化，通過放大進行測量，由測得的應變推算出應力值。LLRRddKRRd K 應變片的靈敏系數 應變量25SlRdSSldlSdSldR2全微分全微分相對變化量相對變化量SdSldldRdRrdrrrdrSdS222ldlrdrldlSdS2FdeldlEEFldlEdeKEldlldlld

19、lERdRee212-電阻率電阻率 l-長度長度 S-截面積截面積 K-應變絲的靈敏度系數應變絲的靈敏度系數 E-彈性模量彈性模量e-壓阻系數壓阻系數 r-半徑半徑-泊松系數泊松系數 F-應力應力-應變應變 =dl/lKRRd推導：推導：二、應變片結構及性能二、應變片結構及性能金屬應變片金屬應變片 由金屬絲排繞或金屬箔片刻蝕制成由金屬絲排繞或金屬箔片刻蝕制成半導體壓阻片半導體壓阻片 (a)擴散硅壓阻元件組成； (b)硅膜片示意圖1一N型單晶硅；2一一次SiO2涂層；3一擴散P型區；4一作連接導線的金屬；5一二次SiO2涂層采用集成電路技術直接在硅杯上刻制而成采用集成電路技術直接在硅杯上刻制而成

20、28應變片的選用應變片的選用l靜態測量時靜態測量時, 選用標準電阻應變片選用標準電阻應變片l動態測量時動態測量時, 選用電阻值較大的應變片選用電阻值較大的應變片l材質不均勻或測量時間較長時材質不均勻或測量時間較長時, 選用較大選用較大基長的應變片基長的應變片l測量時測量時, 必須選用同一批次生產的應變片必須選用同一批次生產的應變片29三三 、應變片的溫度誤差及補償、應變片的溫度誤差及補償 應變片的溫度誤差1 、應變片材料與試件的線膨脹特性不一樣，導、應變片材料與試件的線膨脹特性不一樣，導致應變片阻值產生誤差；致應變片阻值產生誤差；2 、金屬絲電阻本身隨溫度變化而變化。、金屬絲電阻本身隨溫度變化

21、而變化。溫度誤差補償方法1 、線路補償法、線路補償法2 、溫度自補償法、溫度自補償法線路補償法線路補償法利用補償片與測量片組成電橋溫度自補償法溫度自補償法補償絲和作用絲隨溫度變化產生的電阻變化相等。四應變式壓力傳感器四應變式壓力傳感器 應變式壓力傳感器是將應變片粘貼在感壓彈性元件應變式壓力傳感器是將應變片粘貼在感壓彈性元件上構成的，它可將被測壓力的變化轉換成電阻的變化。上構成的，它可將被測壓力的變化轉換成電阻的變化。 五、固態壓力傳感器五、固態壓力傳感器l采用半導體應變壓力測量原理，其敏感元件是用單晶硅制成的硅杯。采用半導體應變壓力測量原理，其敏感元件是用單晶硅制成的硅杯。lC型硅杯適用于壓力

22、傳感器，型硅杯適用于壓力傳感器，E型硅杯適用于測量靜壓力。型硅杯適用于測量靜壓力。 被測壓力和大氣壓力分別加在密被測壓力和大氣壓力分別加在密封隔離膜片封隔離膜片1、3上，通過硅油上，通過硅油2把把壓力變化傳遞給半導體傳感器壓力變化傳遞給半導體傳感器4。由于壓阻效應，硅半導體應變電由于壓阻效應，硅半導體應變電阻值發生變化，電橋取出信號，阻值發生變化，電橋取出信號，由測量電路轉換成由測量電路轉換成420mA，DC信號輸出。信號輸出。采用集成電路技術，單晶硅膜片采用集成電路技術，單晶硅膜片集壓敏元件和彈性元件于一身，集壓敏元件和彈性元件于一身，直接在硅膜片上擴散形成應變測直接在硅膜片上擴散形成應變測

23、量橋路元件、溫度補償電路、輸量橋路元件、溫度補償電路、輸出放大電路和電源變換電路。出放大電路和電源變換電路。傳感器體積小，靜態特性和穩定傳感器體積小，靜態特性和穩定性高。性高。六、應變測量中的電橋電路六、應變測量中的電橋電路 將應變片作為將應變片作為 R1 接在電路中，調整其他電阻阻接在電路中，調整其他電阻阻值，使電橋平衡。值，使電橋平衡。當應變片阻值變化時，電橋失衡。輸出當應變片阻值變化時，電橋失衡。輸出211RREI432RREIu0432132413211ERRRRRRRRRIRIEBD3241RRRR 電橋平衡條件1R uADABEEuERRRERRRRR43312111RRRRR 4

24、321ERRRu112211RR 若： KEERRu4141半橋接法：半橋接法：相鄰兩個橋臂，一個受拉相鄰兩個橋臂，一個受拉, , 一個受壓。一個受壓。KE21全橋接法全橋接法；R1和和R4增加，增加，R2 和和R3 減小。減小。uKEu電橋測量前應使電橋電路處于平衡狀態，即電橋無輸出。電橋測量前應使電橋電路處于平衡狀態，即電橋無輸出。應變片電阻值總有偏差，以及接觸電阻、導線電阻等的應變片電阻值總有偏差，以及接觸電阻、導線電阻等的存在，往往電橋不能平衡，因此需設置預調平衡電路。存在，往往電橋不能平衡，因此需設置預調平衡電路。3.4.3. 電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器1、結構和工作原理結構和

25、工作原理MRWL2S2SlRRR0iiigFM2SWLRR02gF則：若： l一線圈；一線圈；2一鐵芯；一鐵芯；3一銜鐵一銜鐵銜鐵銜鐵3移動，氣隙長度移動，氣隙長度發生變化，繞發生變化，繞制在鐵芯制在鐵芯2上的線圈上的線圈1電感電感L發生變化，發生變化，將位移變化轉換成電感變化。將位移變化轉換成電感變化。線圈匝數線圈匝數磁路總磁阻磁路總磁阻li各段鐵芯的長度；各段鐵芯的長度；i鐵芯的導磁系數；鐵芯的導磁系數；Si各段鐵芯的截面積；各段鐵芯的截面積；氣隙長度；氣隙長度；0空氣的磁導率；空氣的磁導率；S氣隙截面積。氣隙截面積。2自感式壓力傳感器自感式壓力傳感器按照傳感器敏感元件結構形式的不同，可分

26、為：按照傳感器敏感元件結構形式的不同，可分為：變氣隙、變截變氣隙、變截面和螺管式面和螺管式三種。三種。其中螺管式量程最大，雖然靈敏度低，但結構簡單、便于制作，其中螺管式量程最大，雖然靈敏度低，但結構簡單、便于制作，應用比較廣泛。應用比較廣泛。電感式壓力傳感器分為：自感式和互感式兩類。電感式壓力傳感器分為：自感式和互感式兩類。測量膜片測量膜片3與柱形銜鐵與柱形銜鐵2剛性相連，剛性相連，電感線圈電感線圈1電感量與銜鐵電感量與銜鐵2位置有關。位置有關。被測差壓信號變化，測量膜片被測差壓信號變化，測量膜片3位位移，帶動銜鐵移，帶動銜鐵2運動，改變其插入螺運動，改變其插入螺管管8深度，磁力線路徑上磁阻變

27、化，深度，磁力線路徑上磁阻變化，輸出電感變化。輸出電感變化。隔離膜片隔離膜片4比測量膜片比測量膜片3軟得多，軟得多，用來進行溫度補償，超壓時緊貼在用來進行溫度補償，超壓時緊貼在形狀相同的基座形狀相同的基座10表面上，限制位表面上，限制位移，實現單向超壓保護。移，實現單向超壓保護。測量室測量室9空腔充滿硅油，均勻傳遞空腔充滿硅油，均勻傳遞壓力；經節流孔流動，起阻尼作用。壓力；經節流孔流動，起阻尼作用。溫度傳感器溫度傳感器5測量電感線測量電感線圈溫度，對輸出信號進行圈溫度，對輸出信號進行溫度校正。溫度校正。3互感式壓力傳感器互感式壓力傳感器1初級線圈初級線圈 2、3次級線圈次級線圈 4銜鐵銜鐵 5

28、骨架骨架互感式也稱變壓器式；因其多做成差接式，又稱差動變壓器式?；ジ惺揭卜Q變壓器式；因其多做成差接式，又稱差動變壓器式。利用線圈互感作用，將彈性元件的位移轉換成感應電勢差的變化。利用線圈互感作用，將彈性元件的位移轉換成感應電勢差的變化。彈性元件與導磁材料彈性元件與導磁材料制成的活動銜鐵制成的活動銜鐵4相連，相連，帶動其在線圈中移動。帶動其在線圈中移動。改變初級線圈改變初級線圈1與上、與上、下次級線圈下次級線圈2、3間的耦間的耦合情況。合情況。兩個次級線圈按電勢兩個次級線圈按電勢反相連接，傳感器輸出反相連接，傳感器輸出信號是兩個次級線圈信信號是兩個次級線圈信號差，即號差，即e0=e1-e2。銜鐵

29、位于線圈中間位置：初級線圈與上、下次級線圈間耦合情況相銜鐵位于線圈中間位置：初級線圈與上、下次級線圈間耦合情況相同，次級線圈感應電勢同，次級線圈感應電勢e1和和e2大小相等，相位相反，輸出電勢大小相等，相位相反，輸出電勢e0=0；銜鐵偏離中間位置：耦合情況不同，感應電勢銜鐵偏離中間位置：耦合情況不同，感應電勢e1e2，輸出電勢，輸出電勢e00；銜鐵向上移動，銜鐵向上移動，e0O；銜鐵向下移動，；銜鐵向下移動，e00；電勢電勢e0的大小反映銜鐵偏離程度，從而反映被測壓力信號的大小。的大小反映銜鐵偏離程度，從而反映被測壓力信號的大小。變換原理變換原理: :將被測量的變化轉化為電容量變化將被測量的變

30、化轉化為電容量變化兩平行極板組成的電容器兩平行極板組成的電容器, ,它的電容量為它的電容量為: :+dS S3.6Cd3.4.4. 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器電容板面積電容板面積S S、板間距離板間距離d d 或板間介質的介電?；虬彘g介質的介電常數數發生變化時，都會發生變化時，都會引起電容的變化。引起電容的變化。一一) )極距極距變化型變化型+S3.6Cdb)b)面積變化型面積變化型1 1角位移型角位移型+S3.6Cd2 2 平面線位移型平面線位移型S3.6Cd3 3 柱面線位移型。柱面線位移型。S3.6Cdc) c) 介質變化型介質變化型S3.6Cd水位水位水位變化，導致水位變化，導致

31、變化。變化。電容式壓力傳感器分析舉例電容式壓力傳感器分析舉例(1) (1) 改變兩極板的距離改變兩極板的距離02. 001. 0dd%30dd輸出的非線性失真不超過輸出的非線性失真不超過1%,1%,靈靈敏度提高一倍敏度提高一倍! !當被測壓力作用于兩側隔離膜片被測壓力作用于兩側隔離膜片1，通，通過硅油過硅油3把壓力均勻傳遞給測量膜片把壓力均勻傳遞給測量膜片5;張緊的彈性膜片張緊的彈性膜片5作為差動式電容的作為差動式電容的動極板；動極板；絕緣體絕緣體4球形凹表面鍍一層金屬薄膜球形凹表面鍍一層金屬薄膜形成定極板形成定極板6；被測壓差變化，測量膜片被測壓差變化，測量膜片5變形位移，變形位移，位移轉變

32、為電容極板的差動電容；位移轉變為電容極板的差動電容；差動電容由兩側電容固定極板差動電容由兩側電容固定極板6檢測，檢測，通過引線通過引線7送出。送出。(2) (2) 改變兩極板間有效工作面積改變兩極板間有效工作面積當極板受被測機械量作用移動當極板受被測機械量作用移動 后，兩極板間電后，兩極板間電容量的變化為容量的變化為: :X0CCCdXbdbadXabdbXCK(3) (3) 改變介電常數改變介電常數兩極板的間距為兩極板的間距為d1LC ? ?介電常數：空氣介電常數：空氣.00054，硅油，硅油2.7, ,水水80, ,陶瓷陶瓷103521 、基本原理、基本原理壓力作用晶體表面產生電荷產生電壓

33、或電流特點：頻率響應特性好特點：頻率響應特性好 壓電效應壓電效應壓力消失晶體表面電荷消失無電壓或電流3.4.5 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器壓電效應：壓電效應：指某些材料在一定方向的外力作用下，發生指某些材料在一定方向的外力作用下，發生壓縮或延伸的機械變形，同時材料內部產生壓縮或延伸的機械變形，同時材料內部產生極化現象，極化現象，在材料的兩個相對表面上分別產生符號相反的電荷，在材料的兩個相對表面上分別產生符號相反的電荷，形形成電場，當除去外力后，又重新恢復到不帶電狀態。這成電場，當除去外力后，又重新恢復到不帶電狀態。這種沒有外電場作用，僅由機械變形而引起的產生電荷現種沒有外電場作用，僅由機

34、械變形而引起的產生電荷現象，稱為壓電效應。象，稱為壓電效應。具有這種壓電效應的材料稱為壓電材料或壓電元件。具有這種壓電效應的材料稱為壓電材料或壓電元件。能產生壓電效應的材料有三類：能產生壓電效應的材料有三類：l第一類是單晶體的壓電晶體，包括石英、酒石酸鉀鈉、第一類是單晶體的壓電晶體，包括石英、酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸鉀、磷酸二氫鉀、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸鉀、磷酸二氫鉀、鉀酸二氫氨等。鉀酸二氫氨等。l第二類是多晶體的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、第二類是多晶體的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鉛、鈮酸鉀、鈮鎂酸鉛等。鈮酸鉛、鈮酸鉀、鈮鎂酸鉛等。l第三類是聚二氟

35、乙烯等高分子壓電薄膜。第三類是聚二氟乙烯等高分子壓電薄膜。xxxApkq yxyApbakqX軸受力時，切片產生的電菏與尺寸無關軸受力時，切片產生的電菏與尺寸無關y軸受力時，切片產生的電菏與尺寸有關軸受力時，切片產生的電菏與尺寸有關l光軸：縱向軸光軸：縱向軸Z；沿光軸施加作用力，不產生壓電效應。；沿光軸施加作用力，不產生壓電效應。l電軸：經過六棱柱棱線，垂直于光軸的電軸：經過六棱柱棱線，垂直于光軸的X軸；沿電軸施加作軸；沿電軸施加作用力，產生電荷的壓電效應稱為縱向壓電效應；用力，產生電荷的壓電效應稱為縱向壓電效應；l機械軸：同時垂直于光軸和電軸的機械軸：同時垂直于光軸和電軸的y軸；沿機械軸施加

36、作用軸；沿機械軸施加作用力，產生電荷的壓電效應稱為橫向壓電效應；力，產生電荷的壓電效應稱為橫向壓電效應；u以縱向壓電效應最為明顯。以縱向壓電效應最為明顯。壓電陶瓷的壓電特性及測壓原理壓電陶瓷的壓電特性及測壓原理 xzxApkq 壓電陶瓷是人造多晶體；壓電陶瓷是人造多晶體；極化處理前，各單晶體壓電效應相互抵消，表現為電中極化處理前，各單晶體壓電效應相互抵消，表現為電中性。性。極化處理后，極化兩端出現符號相反的束縛電荷，同時極化處理后，極化兩端出現符號相反的束縛電荷，同時吸附一層外界自由電荷，束縛電荷和自由電荷相互抵消，吸附一層外界自由電荷，束縛電荷和自由電荷相互抵消，對外不呈現極性。對外不呈現極

37、性。施加與極化方向平行的壓力信號時，壓電陶瓷片產生壓施加與極化方向平行的壓力信號時，壓電陶瓷片產生壓縮變形，片內束縛電荷間距變小，極化強度變小，吸附的縮變形，片內束縛電荷間距變小，極化強度變小，吸附的自由電荷部分被釋放，呈現放電現象。自由電荷部分被釋放，呈現放電現象。u放電電荷的多少與所施加的壓力成正比關系，即：放電電荷的多少與所施加的壓力成正比關系，即：極化處理后的壓電陶瓷具有極高的壓電系數，為石英晶極化處理后的壓電陶瓷具有極高的壓電系數，為石英晶體的幾百倍。體的幾百倍。感壓彈性膜片、支持片、壓電感壓彈性膜片、支持片、壓電晶體及引出線、絕緣套管等組晶體及引出線、絕緣套管等組成。成。2、壓電式

38、壓力傳感壓電式壓力傳感器結構器結構3 、壓電式壓力傳感器測量電路壓電式壓力傳感器測量電路輸出電荷的充要條件：輸出電荷的充要條件：外電路負載無窮大外電路負載無窮大內部無漏電內部無漏電電壓放大器或電荷放大器電路電壓放大器或電荷放大器電路什么是電荷放大器？什么是電荷放大器？一種具有電容負反饋的輸一種具有電容負反饋的輸入阻抗非常高的高增益運入阻抗非常高的高增益運算放大器算放大器0ufCKiuQCacabpzCCCCfC反饋電容反饋電容0uuCQifffcQQQiKuu000uCKCCuuCuQffii)(510KfCQu03.4.6 壓阻式壓力傳測量壓阻式壓力傳測量1.基本原理:材料的電阻值隨壓力變化

39、而變化。如:半導體、鉑、錳、康銅和鎢等材料。xKRPR 2. 優點:結構簡單、體積小、穩定性好、動態響應快、耐振耐沖擊、精度高、線性度好，是傳感器的主流產品。MPM380 型壓阻式壓力傳感器型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力變送器接流體接輸出信接輸出信號號可顯示的壓可顯示的壓阻式壓力變阻式壓力變送器送器微型壓阻式壓力變送器微型壓阻式壓力變送器3.4.7. 壓磁式壓力傳感器壓磁式壓力傳感器圖圖3-30 壓磁式壓力傳感器結構示意圖壓磁式壓力傳感器結構示意圖1外殼外殼 2彈性膜彈性膜 3線圈線圈 4鐵芯鐵芯 被測壓力通過感壓彈性膜被測壓力通過感壓彈性膜片片2傳遞給由坡莫合金制成的傳遞給由坡莫合金制成的鐵芯

40、鐵芯4，鐵芯在壓力作用下，鐵芯在壓力作用下，其其磁導率磁導率發生改變，從而引起發生改變，從而引起線圈線圈3阻抗阻抗變化。顯然，線圈變化。顯然，線圈阻抗變化與被測壓力有關。阻抗變化與被測壓力有關。 3.4.8 霍爾效應壓力傳感器霍爾效應壓力傳感器1.基本原理基本原理: :某些金屬或半導體片兩端通以電流某些金屬或半導體片兩端通以電流, ,并在并在薄片的垂直方向加上磁場薄片的垂直方向加上磁場B, ,則會在垂直于電流和則會在垂直于電流和磁場平面的方向產生一個電動勢。磁場平面的方向產生一個電動勢。IBKdBIRUHHHHR霍爾系數，由載流材料的物理性質所決定。 HK霍爾元件的靈敏度系數，它與載流材料的物

41、理性質和幾何尺寸有關 KxUH 為了保證霍爾傳感器輸出的為了保證霍爾傳感器輸出的霍爾電勢與位移成單值函數關霍爾電勢與位移成單值函數關系，必須滿足兩個條件。系，必須滿足兩個條件。 供給霍爾元件以恒定的工作電流。一般采用橋式整流、穩壓的晶體管恒流源供電。 磁感應強度應線性變化，即磁場梯度均勻。常采用將磁鋼的磁極片設計成特殊形狀的方法。 2. 優點優點: :結構簡單、靈敏度高、可用動圈儀表顯結構簡單、靈敏度高、可用動圈儀表顯示結果、可以遠距離輸送。示結果、可以遠距離輸送。3. 缺點缺點: :控制電流必須恒定控制電流必須恒定, ,容易受溫度影響。容易受溫度影響。3 .5 壓力測量與壓力儀表校驗壓力測量

42、與壓力儀表校驗3.5.1 活塞式壓力計活塞式壓力計 活塞式壓力計能達到的準確度等級有0.02、0.05和和0.2級級三種，可分別用來校驗0.25級精密壓力表、各種工業級壓力計和傳感器等，校驗壓力最高值有0.6、6、60MPa三種?；钊綁毫τ嬍抢渺o力平衡原理工作的，由壓力發生系統和活塞測量系統兩部分組成， 3.5.2 靜態標定靜態標定 在被測壓力穩定時，確定測量系統的輸出輸入量之間的關系。 液柱式壓力計的標定3.5.3. 壓力儀表校驗壓力儀表校驗按圖按圖330安裝好儀表。安裝好儀表。關閉切斷閥關閉切斷閥a、b、c，開啟進油閥，開啟進油閥d，并將手搖泵絲桿全部旋出泵，并將手搖泵絲桿全部旋出泵外

43、，使手搖泵中充滿工作液；然后關閉進油閥外，使手搖泵中充滿工作液；然后關閉進油閥d，開啟切斷閥，開啟切斷閥a、b、c，此時若將手搖泵絲桿向泵內旋入，即可實現系統增壓。此時若將手搖泵絲桿向泵內旋入，即可實現系統增壓。均勻增壓至量程上限，保持上限壓力均勻增壓至量程上限，保持上限壓力3分鐘；然后均勻降至零壓，分鐘；然后均勻降至零壓，觀察整個操作過程中，被校壓力表指針有無跳動、停止、卡塞現象。觀察整個操作過程中，被校壓力表指針有無跳動、停止、卡塞現象。在被校壓力表測量范圍內均勻選取在被校壓力表測量范圍內均勻選取45個檢驗點，一般應選在帶個檢驗點，一般應選在帶有刻度數字的大刻度點上。有刻度數字的大刻度點上

44、。單方向增壓至校驗點后讀數，輕敲表殼再讀數。用同樣的方法依單方向增壓至校驗點后讀數，輕敲表殼再讀數。用同樣的方法依次增壓至每一個校驗點進行校驗；然后再單方向緩慢依次降壓至每一次增壓至每一個校驗點進行校驗；然后再單方向緩慢依次降壓至每一校驗點進行校驗。校驗點進行校驗。計算被校表的基本誤差、變差、零位和輕敲位移等。計算被校表的基本誤差、變差、零位和輕敲位移等。 校驗真空表時，其操作方法與校驗正壓儀表略有不同，可參考校驗真空表時，其操作方法與校驗正壓儀表略有不同，可參考下列步驟進行：下列步驟進行：清除活塞式壓力計內部傳壓工作液。清除活塞式壓力計內部傳壓工作液。關閉切斷閥關閉切斷閥a a、b b、c c，開啟進油閥，開啟進油閥d d，并將手搖泵絲桿全部旋入，并將手搖泵絲桿全部旋入泵內。泵內。關閉進油閥關閉進油閥d d，開啟切斷閥，開啟切斷閥b b、c c（b b閥上接標準真空計或閥上接標準真空計或U U型管水型管水銀壓力計），此時若將手搖泵絲桿向泵外旋出，即可使系統內產生銀壓力計），此時若將手搖泵絲桿向泵外旋出，即可使系統內產生真空。若旋出一次尚未達到所需真空時，可重復（真空。若旋出一次尚未達到所需真空時，可重復（2 2）、（）、（3 3）