自动检测技术课件5、压力检测.ppt

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1、5、压力检测、压力检测5.1、压力单位及压力检测方法分类、压力单位及压力检测方法分类5.2、常用压力检测仪表（传感器）、常用压力检测仪表（传感器）弹簧管压力计、波纹管差压计、霍尔式压力计、应变式弹簧管压力计、波纹管差压计、霍尔式压力计、应变式压力传感器、压电式压力传感器等压力传感器、压电式压力传感器等5.3、测压仪表的使用及压力检测系统（自学）、测压仪表的使用及压力检测系统（自学）5.1、压力单位及压力检测方法分类、压力单位及压力检测方法分类5.1.1、压力的概念（压强）、压力的概念（压强）1、介质（气体或液体）垂直作用在单位面积上的力，称“压力”。它是由于分子的重量和分子运动对器壁冲撞的结果

2、。F：垂直作用力S：受力面积2、压力的表示方法：绝对压力绝对压力：从绝对真空算起，作用在物体上的压力。表压力表压力：表示物体受到超出大气压力的大小。P绝对绝对P表表P大气大气不同地区，由于大气压力不同，P绝对一定，测得的P表不同。若P绝对 P大气P表为负压，这种状态P表称为负压或真空，负压的绝对值越大，即绝对压力愈低，真空度愈高。3、压力的单位、压力的单位：SI制导出单位：帕斯卡帕斯卡Pa1Pa1N/m2工程中常用单位：mmHg、mmH2O、工程大气压、标准大气压等，各单位之间的换算见表51。4、压力范围划分、压力范围划分压力范围(Pa)压力范围(Pa)超高压6108粗真空103 105高压1

3、07 6108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 5.1.2、压力测量方法、压力测量方法1、液体压力平衡法液体压力平衡法：通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的方法。液柱压力计：将被测压力转换为液柱高度来测量。有U形管压力计、单管压力计、倾斜管压力计等。特点：见教材活塞式压力计：基于重力平衡原理，利用液体传递压力，把一个准确的压力传递给被校的压力仪表。常用作标准，精确度高。2、机械力平衡法机械力平衡法：将被测压力经变换元件（如杠杆）转换为一个集中力，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。结

4、构复杂。3、弹性力平衡法弹性力平衡法：利用各种弹性元件受力后，产生弹性形变（位：利用各种弹性元件受力后，产生弹性形变（位移），根据弹性变形的大小来测量被测压力的大小。移），根据弹性变形的大小来测量被测压力的大小。常用的弹性元件：膜片、波纹管、弹簧管常用的弹性元件：膜片、波纹管、弹簧管（表（表52）弹性元件的特性：弹性元件的特性：FCs F：轴向拉力（压力）：轴向拉力（压力）s：位移：位移C：弹性元件的刚度系数：弹性元件的刚度系数 又又 FPAe P：压力：压力Ae：弹性元件的有效面积：弹性元件的有效面积当当Ae/C保持一定，位移保持一定，位移s与压力与压力P成线性关系。成线性关系。注意：弹性元

5、件存在弹性滞后，且变差较大。注意：弹性元件存在弹性滞后，且变差较大。4、电测法电测法：借助弹性元件，通过压电、压阻等传感器将压力转换：借助弹性元件，通过压电、压阻等传感器将压力转换成电信号进行测量。成电信号进行测量。电阻、电容、电感式压力计电阻、电容、电感式压力计：特点是线路简单，便于远传。：特点是线路简单，便于远传。P压阻效应压阻效应R()(a)改变电容极板间距改变电容极板间距dP(b)P弹性元件弹性元件差动变压器差动变压器L(H)U霍尔式压力计霍尔式压力计：基于：基于霍尔效应霍尔效应P弹性元件弹性元件位移位移s霍尔元件霍尔元件霍尔电势霍尔电势U应变式压力计应变式压力计：利用应变片的：利用应

6、变片的应变效应应变效应，即应变片受压，即应变片受压或受拉会产生形变，而引起应变电阻发生变化。常用于动或受拉会产生形变，而引起应变电阻发生变化。常用于动态测量，测快速变化的压力。态测量，测快速变化的压力。压电式压力计压电式压力计：基于：基于压电效应压电效应，即压电晶体受压时，即压电晶体受压时，晶格产生弹性形变而产生一定的电荷，将电荷转换成电晶格产生弹性形变而产生一定的电荷，将电荷转换成电压输出。用于快变压力的测量。压输出。用于快变压力的测量。5.2、压力测量仪表、压力测量仪表5.2.1、弹簧管压力表、弹簧管压力表：（见图：（见图53）传感元件传感元件：弹簧管，是弯成弧形的空心管、断面为椭园形弹簧

7、管，是弯成弧形的空心管、断面为椭园形工作原理工作原理：当管内引入压力时，在压力作用下，弹簧使自己内部体：当管内引入压力时，在压力作用下，弹簧使自己内部体积向增大方向（圆形）变形，因而使弯曲的管子力趋伸直，结果在积向增大方向（圆形）变形，因而使弯曲的管子力趋伸直，结果在自由端产生一定大小的位移（角位移）。自由端产生一定大小的位移（角位移）。结构结构：由拉杆、齿轮、指针等机械放大机构来转换小位移。刻度盘：由拉杆、齿轮、指针等机械放大机构来转换小位移。刻度盘为均匀刻度。（为均匀刻度。（P与角位移成线性）与角位移成线性）测量范围测量范围：105109Pa精度等级精度等级：0.12.5图535.2.2、

8、双波纹管差压力计：、双波纹管差压力计：（图（图54）工作原理：利用双波纹管来感受传递工作原理：利用双波纹管来感受传递P、P，再把其差值转换成，再把其差值转换成连杆的位移，并通过机械机构变换显示出来。连杆的位移，并通过机械机构变换显示出来。测量机构：波纹管（高压波纹管和低压波纹管、补偿波纹管）、量测量机构：波纹管（高压波纹管和低压波纹管、补偿波纹管）、量程弹簧组、扭力管、连杆摆杆等。程弹簧组、扭力管、连杆摆杆等。注意：单向过载保护。注意：单向过载保护。图545.2.3、霍尔式压力计、霍尔式压力计1、测量原理测量原理：利用霍尔元件测量弹性元件受力作用后产生的变形：利用霍尔元件测量弹性元件受力作用后

9、产生的变形现象。现象。霍尔效应霍尔效应：在一半导体薄片相对两侧面通以控制电流：在一半导体薄片相对两侧面通以控制电流I，在薄片垂直，在薄片垂直方向加以磁场方向加以磁场B，则在半导体另两侧面会产生一大小与，则在半导体另两侧面会产生一大小与I和和B相乘积相乘积成正比的电动势成正比的电动势UH霍尔电势霍尔电势。具有霍尔效应的元件称霍尔元件具有霍尔效应的元件称霍尔元件。(锗、锑化铟）锗、锑化铟）BIfLfE+-霍尔元件霍尔元件如图，单位电荷受到的力：如图，单位电荷受到的力：洛仑兹力洛仑兹力fL=qvB电场作用力电场作用力fE=qEH=VH/L平衡时，平衡时，fL fE霍尔电势霍尔电势保持保持I、B其中一

10、个一定，其中一个一定，UH与另一个成线性关系。与另一个成线性关系。2、霍尔式压力计的结构、霍尔式压力计的结构（参考图（参考图55b）把霍尔元件固定在弹性元件的位移端，置于把霍尔元件固定在弹性元件的位移端，置于非均匀磁场非均匀磁场中，当弹性中，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。的大小与压力成正比。压力压力P位移位移霍尔电势霍尔电势UH弹性元件弹性元件霍尔元件霍尔元件变磁场变磁场B5.2.4、应变式压力传感器、应

11、变式压力传感器1、测量原理、测量原理：PR，利用导体内部应变大小与电阻的关系，通，利用导体内部应变大小与电阻的关系，通过应变片将压力过应变片将压力P转换成电阻值转换成电阻值R的变化。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。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。：电阻率：电阻率L：长度：长度A：横截面积：横截面积取对数、再求导取对数、再求导定义定义：应变应变为长度变化量为长度变化量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电阻相对变化量dR/R由二部分决定：由二部分决

12、定：几何尺寸的变化几何尺寸的变化(1+2)；压阻效应压阻效应d/。对于金属导体对于金属导体对于半导体对于半导体：压阻系数：压阻系数E：杨氏弹性：杨氏弹性模量模量应变片灵敏度系数应变片灵敏度系数k金属导体：金属导体：k1+2半导体：半导体：kE2、应变片结构、应变片结构张丝式张丝式支柱支柱张丝电阻张丝电阻膜片膜片P应变应变片式片式电阻丝（金属薄膜）电阻丝（金属薄膜）薄膜薄膜（纸基、胶基）（纸基、胶基）张丝式张丝式：四根电阻丝作为测量桥路的四个桥臂。当：四根电阻丝作为测量桥路的四个桥臂。当P加上时，膜片加上时，膜片产生位移产生位移s，支柱上项，使上部两根电阻丝拉紧，下部二根放松，桥，支柱上项，使上

13、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，其大小与路上输出差动应变信号，其大小与P成正比。成正比。应变片式应变片式：能得到较大的：能得到较大的R，可以通以较大电流，提高灵敏度。尺，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，寸小且薄，使用方便。由于环境温度改变时，R受受T的影响较大，所的影响较大，所以使用时常用差动电桥来进行温度补偿。以使用时常用差动电桥来进行温度补偿。3、测量电路：电桥电路、测量电路：电桥电路单臂电桥单臂电桥：电桥的一个臂接应变片，其它三个为固定电阻。当为：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，其输出为等臂电桥时，

14、其输出为双臂电桥双臂电桥：一个差动对一个差动对，典型例子：悬壁梁，典型例子：悬壁梁两应变片同向贴梁的上、下部，两应变片同向贴梁的上、下部，r1为测量片为测量片、r2为温度补偿片为温度补偿片，且且 r1 r2，R1R2，电桥初始平衡，电桥初始平衡，U0。环环境温度变化时，境温度变化时，r1、r2同时变化，不会破坏电桥平衡条件。同时变化，不会破坏电桥平衡条件。当当F作用时，作用时，r1 r1r（受拉），（受拉），r2 r2r（受压）（受压）r1r2FR1R2r1r2EUo全桥全桥：二个差动对构成等臂电桥，如下图。：二个差动对构成等臂电桥，如下图。应变电阻应变电阻r1 r2 r3 r4，r1、r3受

15、拉，受拉，r2、r4受压受压r1r2EUor4r3Fr1r2r3r4附：如图附：如图57a，四片应变片的贴法不一致，其中，四片应变片的贴法不一致，其中二片沿应变筒径二片沿应变筒径向贴，另二片沿应变筒轴向贴向贴，另二片沿应变筒轴向贴。当应变筒受压力。当应变筒受压力P作用时，一组受作用时，一组受压，另一组受拉，但压，另一组受拉，但应变并不相同，相差一泊松系数应变并不相同，相差一泊松系数，即，即5.2.5、压阻式压力传感器、压阻式压力传感器测量原理测量原理：基于半导体的压阻效应。：基于半导体的压阻效应。测量电路类似应变式压力传感器，都是利用电桥电路来测取电阻的测量电路类似应变式压力传感器，都是利用电

16、桥电路来测取电阻的变化。变化。5.2.6、振频式压力传感器、振频式压力传感器测量原理：测量原理：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测压力。频率信号的变化来测压力。种类有：振筒、振弦、振膜、石英谐振等种类有：振筒、振弦、振膜、石英谐振等振筒式的工作原理见教材振筒式的工作原理见教材P64P65。5.2.7、电容式压力（差压）传感器、电容式压力（差压）传感器测量原理测量原理：利用压力产生的位移来改变电容器的电容量大小。：利用压力产生的位移来改变电容器的电容量大小。P弹性元件弹性元件位移位移变变d变变A改变电容改变电容变间距

17、式是利用弹性元件作为电容的一极板；变面积式有线位移和变间距式是利用弹性元件作为电容的一极板；变面积式有线位移和角位移二种。角位移二种。电容式差压计电容式差压计：如图：如图59所示，结构构成如图。所示，结构构成如图。P1、P2作用于两侧的隔离膜片上，通过硅油把差力压传递到中间的作用于两侧的隔离膜片上，通过硅油把差力压传递到中间的测量膜片上，动膜片（中间电极）产生位移，即改变了可动极片与测量膜片上，动膜片（中间电极）产生位移，即改变了可动极片与凹形固定极片间的距离，使一对差动电容一个增大，另一个减小。凹形固定极片间的距离，使一对差动电容一个增大，另一个减小。图595.2.5、压电式压力传感器、压电

18、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、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。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：外力正向压电效应：外力电荷电荷逆向压电效应：电场作用逆向压电效应：电场作用机械形变机械形变具有压效应的物质称具有压效应的物质称压电材料压电材料：

19、压电晶体：石英晶体压电晶体：石英晶体压电陶瓷：钛酸钡、钡酸铅压电陶瓷：钛酸钡、钡酸铅压电半导体：硫化锌、硫化钙压电半导体：硫化锌、硫化钙下面以石英晶体为例说明压电效应。下面以石英晶体为例说明压电效应。石英为规则的六角棱柱体、单晶体石英为规则的六角棱柱体、单晶体XYZXX轴：电轴纵向压电效应轴：电轴纵向压电效应YY轴：机械轴横向压电效应轴：机械轴横向压电效应ZZ轴：光轴受力时不产生压电效应轴：光轴受力时不产生压电效应XYFxFy当沿当沿X、Y轴加压轴加压Fx、Fy,会在表面产生电会在表面产生电荷。如图荷。如图XYFxFxXYXYFyXYFy2、居里点、居里点：压电性能被破坏时的临界温度点压电性能

20、被破坏时的临界温度点。A、石英、石英：SiO2 居里点居里点t t573573，t573，d2.11012C/N；t 573，无压电性能。熔点，无压电性能。熔点1750，密度为，密度为2.65 103Kg/m3，有，有较大的机械强度和稳定的机械性能。较大的机械强度和稳定的机械性能。B、压电陶瓷、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：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，意的方向排列，没有极化前没有压电效应没有极化前没有压电效应。一般在。一般在t100170，加以高压电场（加以高压电场（14kV/mm)极化。使单晶排列整齐，使之具有压电极化。使单晶排列整齐，

21、使之具有压电效应特性。常用的有：效应特性。常用的有：钛酸钡钛酸钡(BaTiO3)：由：由BaCO3与与TiO2在高温下合成。其在高温下合成。其压电系数压电系数较大较大，d1071012C/N，居里点低居里点低，t120。锆钛酸铅系压电陶瓷锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)：最常用，：最常用，d(200500)1012C/N，压电系数大压电系数大，居里点，居里点t300以上。以上。3、压电式压力传感器、压电式压力传感器：（如图：（如图511）膜片膜片压力压力力力压电晶体压电晶体电荷（电压）电荷（电压）压电元件两极有电荷产生，可等效为一电容。测出电容变化量的压电元件两极有电荷产生，可等效为一电容。测出电

22、容变化量的大小即可测得压力。大小即可测得压力。压电式压力传感器压电式压力传感器常用作交变压力的测量，而不适于静压力的测常用作交变压力的测量，而不适于静压力的测量量。原因原因：由于晶体表面电荷不能贮存，外力作用产生的电荷只：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。的作用，电荷可以不断地得到补偿。(并联并联)常用结构：常用结构：并联并联：两片压电材料的负电荷集中在中间电极上。：两片压电材料的负电荷集中在中间电极上。串联串联：正电荷在上极板，负电荷在下极板，中间极板由于正负：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相等而相互抵消(串联串联)压力仪表的校验，图514压力仪表的校验自学内容、作业自学P6568，注意：1、集成式压力传感器组成框图。2、测压仪表选择应注意什么？作业：53、55、5-12