自动检测技术及仪表控制系统ppt课件(第五章).ppt

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1、 第五章压力检测压力检测5.15.15.15.1压力的基本概念及单位压力的基本概念及单位压力的基本概念及单位压力的基本概念及单位 vv压力：均匀、垂直地作用在单位面积上的力，压力：均匀、垂直地作用在单位面积上的力，压力：均匀、垂直地作用在单位面积上的力，压力：均匀、垂直地作用在单位面积上的力，通常用通常用通常用通常用P P P P表示。表示。表示。表示。vv单位力作用于单位面积上，为一个压力单位。单位力作用于单位面积上，为一个压力单位。单位力作用于单位面积上，为一个压力单位。单位力作用于单位面积上，为一个压力单位。vv压力的单位是帕斯卡（压力的单位是帕斯卡（压力的单位是帕斯卡（压力的单位是帕斯

2、卡（PascalPascalPascalPascal），简称帕（），简称帕（），简称帕（），简称帕（PaPaPaPa）。）。）。）。vv在国际单位制中，定义在国际单位制中，定义在国际单位制中，定义在国际单位制中，定义1 1 1 1牛顿力垂直地作用在牛顿力垂直地作用在牛顿力垂直地作用在牛顿力垂直地作用在1 1 1 1平平平平方米面积上所形成的压力为方米面积上所形成的压力为方米面积上所形成的压力为方米面积上所形成的压力为1 1 1 1“帕斯卡帕斯卡帕斯卡帕斯卡”，简称，简称，简称，简称“帕帕帕帕”，符号为，符号为，符号为，符号为PaPaPaPa。vv加上词头又有千帕（加上词头又有千帕（加上词头又有

3、千帕（加上词头又有千帕（kPakPakPakPa）、兆帕（）、兆帕（）、兆帕（）、兆帕（MPaMPaMPaMPa）等。）等。）等。）等。压力单位换算表压力单位换算表压力单位换算表压力单位换算表 v 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。v（1）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，用符号pi表示。用来测量绝对压力的仪表，称为绝对压力表。v（2）大气压力：由地球表面空气柱重量形成的压力。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，用符号pd表示。v（3）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

4、表压力，用符号pb 表示。有Pb=Pi-Pd 一般地说，常用的压力测量仪表测得的压力值均是表压力。v（4）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，用符号pz表示，可表示为：Pz=Pd-Pi 用来测量真空度的仪表称为真空表。v（5）压差 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。v 这几种表示法的关系由示出。压力的几种压力的几种表示方法表示方法压力检测的主要方法及分类压力检测的主要方法及分类vv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：vv重力平衡方法（液柱式压力计、负荷式压力

5、计）液柱式压力计、负荷式压力计）液柱式压力计、负荷式压力计）液柱式压力计、负荷式压力计）vv机械力平衡方法 vv弹性力平衡方法 vv物性测量方法（电测式压力计、其他新型压力计）（电测式压力计、其他新型压力计）（电测式压力计、其他新型压力计）（电测式压力计、其他新型压力计）重力平衡方法重力平衡方法（液柱式压力计）（液柱式压力计）vv基于液体静力学原理。被测压力与一定高度的工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平衡，将被测压力转换为液体作液体产生的重力平衡，将被测压力转换为液体高度来测量，其典型仪表是高度来测量，其典型仪表是U U形管压力计。形管压力计。vv这类压力计的特点是

6、结构简单、读数直观、价格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，测量测量压力、负压和压差；适合于低压测量，测量上限不超过上限不超过0.10.2MPa0.10.2MPa；精确度通常为；精确度通常为0.02%0.05%0.02%0.05%。vv高精度的液柱式压力计可用作基准器。高精度的液柱式压力计可用作基准器。重力平衡方法重力平衡方法（负荷式压力计）（负荷式压力计）vv基于重力平衡原理。其主要形式为活塞式压力计。基于重力平衡原理。其主要形式为活塞式压力计。基于重力平衡原理。其

7、主要形式为活塞式压力计。基于重力平衡原理。其主要形式为活塞式压力计。被测压力与活塞以及加于活塞上的砝码的重量相被测压力与活塞以及加于活塞上的砝码的重量相被测压力与活塞以及加于活塞上的砝码的重量相被测压力与活塞以及加于活塞上的砝码的重量相平衡，将被测压力转换为平衡重物的重量来测量。平衡，将被测压力转换为平衡重物的重量来测量。平衡，将被测压力转换为平衡重物的重量来测量。平衡，将被测压力转换为平衡重物的重量来测量。vv这类压力计测量范围宽、精确度高（可达这类压力计测量范围宽、精确度高（可达这类压力计测量范围宽、精确度高（可达这类压力计测量范围宽、精确度高（可达0.01%0.01%）、性能稳定可靠，可

8、以测量正压、负压）、性能稳定可靠，可以测量正压、负压）、性能稳定可靠，可以测量正压、负压）、性能稳定可靠，可以测量正压、负压和绝对压力，多用作压力校验仪表。和绝对压力，多用作压力校验仪表。和绝对压力，多用作压力校验仪表。和绝对压力，多用作压力校验仪表。vv单活塞压力计测量范围达单活塞压力计测量范围达单活塞压力计测量范围达单活塞压力计测量范围达0.042500MPa0.042500MPa，vv此外还有测量低压和微压的其他类型的负荷式压此外还有测量低压和微压的其他类型的负荷式压此外还有测量低压和微压的其他类型的负荷式压此外还有测量低压和微压的其他类型的负荷式压力计。力计。力计。力计。机械力平衡方法

9、机械力平衡方法vv这种方法是将被测压力经变换元件转换成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。平衡时的外力可以测知被测压力。vv力平衡式仪表可以达到较高精度，但是结力平衡式仪表可以达到较高精度，但是结构复杂。构复杂。vv这种类型的压力、差压变送器在电动组合这种类型的压力、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。仪表和气动组合仪表系列中有较多应用。弹性力平衡方法弹性力平衡方法 v此种方法利用弹性元件的弹性变形特性进此种方法利用弹性元件的弹性变形特性进行测量。行测量。v被测压力使测压弹

10、性元件产生变形，因弹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，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。测量弹性元件的变形大小可知被测压力。v此类压力计有多种类型，可以测量压力、此类压力计有多种类型，可以测量压力、负压、绝对压力和差压，其应用最为广泛。负压、绝对压力和差压，其应用最为广泛。物性测量方法物性测量方法 v基于在压力的作用下，测压元件的某些物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。理特性发生变化的原理。v（1 1）电测式压力计：利用测压元件的压阻、）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

11、特性，将被测压力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类型的压力传感器，可以适用于不同的测量场合。量场合。v（2 2）其他新型压力计：如集成式压力计、）其他新型压力计：如集成式压力计、光纤压力计等。光纤压力计等。5.25.2常用压力检测仪表常用压力检测仪表vv弹性压力计 vv力平衡式压力计 vv压力传感器 5.2.1 5.2.1 弹性压力计弹性压力计 v 弹弹性性压压力力计计是是利利用用弹弹性性元元件件受受压压变变形形的的原原理理。弹弹性性元元件件在在弹弹性性限限度度内内受受压压变变形形，

12、其其变变形形大大小小与与外外力力成成比比例例。外外作作用用取取消消后后，元元件件将将恢恢复复原原有有形形状状。利利用用变变形形与与外外力力的的关关系系，对对弹弹性性元元件件的的变变形形大大小小进进行行测测量量，可可以以求求得得被被测测压力。压力。v 弹性压力计的组成一般包括几个主要环节，如下图所示。弹性压力计的组成一般包括几个主要环节，如下图所示。弹性元件弹性元件 变变 换换放大机构放大机构指示机构指示机构调整机构调整机构弹性压力计弹性压力计v弹弹性性元元件件：是是感感受受压压力力并并产产生生弹弹性性变变形形，是是仪仪表表的的核核心心部部分分，弹弹性性元元件件采采用用何何种种形形式要根据测量要

13、求进行选择和设计；式要根据测量要求进行选择和设计；v转转换换放放大大机机构构：是是将将弹弹性性元元件件的的变变形形进进行行变换和放大；变换和放大；v指指示示机机构构：如如指指针针与与刻刻度度标标尺尺，用用于于给给出出压力示值；压力示值；v调整机构：用于调整仪表的零点和量程。调整机构：用于调整仪表的零点和量程。弹性压力计弹性压力计测压弹性元件测压弹性元件 v 弹性元件主要有以下几种形式。弹性元件主要有以下几种形式。v（1 1）弹弹性性膜膜片片：这这是是一一种种外外缘缘固固定定的的圆圆形形片片状状弹弹性性元元件件，膜膜片片的的弹弹性性特特性性一一般般由由中中心心位位移移与与压压力力的的关关系系表表

14、示示。按按剖剖面面形形状状及及特特性性，弹弹性性膜膜片片又又分分为为平平膜膜片片、波波纹纹膜膜片片和和挠挠性性膜片。膜片。vv平膜片平膜片平膜片平膜片的使用位移很小，弹性特性有良好的线性关系。的使用位移很小，弹性特性有良好的线性关系。vv波波波波纹纹纹纹膜膜膜膜片片片片是是压压有有环环状状同同心心波波纹纹的的圆圆膜膜片片，波波纹纹的的形形状状有有正正弦弦形形、锯锯齿齿形形、梯梯形形等等。其其位位移移与与压压力力的的关关系系，由由波波纹纹的的形形状状深深度度和和波波纹纹数数确确定定。为为了了测测量量微微小小压压力力，还还可可以以制制成成膜盒，以增大膜片位移。膜盒，以增大膜片位移。vv挠性膜片挠性

15、膜片挠性膜片挠性膜片仅作为隔离膜片使用，它要与测力弹簧配用。仅作为隔离膜片使用，它要与测力弹簧配用。vv （2 2 2 2）波波波波纹纹纹纹管管管管：波波波波纹纹纹纹管管管管由由由由整整整整片片片片弹弹弹弹性性性性材材材材料料料料加加加加工工工工而而而而成成成成，是是是是一一一一种种种种壁壁壁壁面面面面具具具具有有有有多多多多个个个个同同同同心心心心环环环环状状状状波波波波纹纹纹纹，一一一一端端端端封封封封闭闭闭闭的的的的薄薄薄薄壁壁壁壁圆圆圆圆管管管管。波波波波纹纹纹纹管管管管的的的的开开开开口口口口端端端端固固固固定定定定，由由由由此此此此引引引引入入入入被被被被测测测测压压压压力力力力。

16、在在在在其其其其内内内内腔腔腔腔及及及及周周周周围围围围介介介介质质质质压压压压差差差差作作作作用用用用下下下下，封封封封闭闭闭闭端端端端将将将将产产产产生生生生位位位位移移移移，此此此此位位位位移移移移与与与与压压压压力力力力在在在在一一一一定定定定范范范范围围围围内内内内呈呈呈呈线线线线形形形形关关关关系系系系。在在在在使使使使用用用用时时时时一一一一般般般般要要要要应应应应用用用用在在在在线线线线性性性性段段段段，也也也也可可可可以以以以在在在在波波波波纹纹纹纹管管管管内内内内加加加加螺螺螺螺旋旋旋旋弹弹弹弹簧簧簧簧以以以以改改改改善善善善特特特特性性性性。用用用用波波波波纹纹纹纹管管管

17、管作作作作弹弹弹弹性性性性元元元元件件件件的的的的压压压压力力力力计计计计，一般用于测量较低压或压差。一般用于测量较低压或压差。一般用于测量较低压或压差。一般用于测量较低压或压差。vv（3 3 3 3）弹弹弹弹簧簧簧簧管管管管：是是是是一一一一根根根根弯弯弯弯成成成成圆圆圆圆弧弧弧弧状状状状的的的的、具具具具有有有有不不不不等等等等轴轴轴轴截截截截面面面面的的的的金金金金属属属属管管管管。常常常常见见见见的的的的不不不不等等等等轴轴轴轴截截截截面面面面是是是是扁扁扁扁圆圆圆圆和和和和椭椭椭椭圆圆圆圆形形形形。弹弹弹弹簧簧簧簧管管管管的的的的一一一一端端端端封封封封闭闭闭闭并并并并处处处处于于于

18、于自自自自由由由由状状状状态态态态为为为为自自自自由由由由端端端端，另另另另一一一一端端端端开开开开口口口口为为为为固固固固定定定定端端端端，被被被被测测测测压压压压力力力力由由由由固固固固定定定定端端端端通通通通入入入入弹弹弹弹簧簧簧簧管管管管内内内内腔腔腔腔。在在在在压压压压力力力力作作作作用用用用下下下下，弹弹弹弹簧簧簧簧管管管管截截截截面面面面有有有有变变变变圆圆圆圆的的的的趋趋趋趋向向向向，弹弹弹弹簧簧簧簧管管管管亦亦亦亦随随随随之之之之产产产产生生生生向向向向外外外外伸伸伸伸直直直直的的的的变变变变形形形形，从从从从而而而而引引引引起起起起自自自自由由由由端端端端位位位位移移移移。

19、自自自自由由由由端端端端的的的的位位位位移移移移量量量量与与与与所所所所加加加加压压压压力力力力有有有有关关关关，可可可可以以以以由由由由此此此此得得得得知知知知被被被被测测测测压压压压力力力力的的的的大大大大小小小小。单单单单圈圈圈圈弹弹弹弹簧簧簧簧管管管管中中中中心心心心角角角角一一一一般般般般是是是是270270270270o o o o，为了增加位移量，可以做成多圈弹簧管型式。为了增加位移量，可以做成多圈弹簧管型式。为了增加位移量，可以做成多圈弹簧管型式。为了增加位移量，可以做成多圈弹簧管型式。v弹性元件通常的材弹性元件通常的材料有铜合金、弹性料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，合金、不锈

20、钢等，各适用于不同的测各适用于不同的测压范围和被测介质。压范围和被测介质。左表给出几种弹性左表给出几种弹性元件的结构示意及元件的结构示意及特性。各种弹性元特性。各种弹性元件组成了多种型式件组成了多种型式的弹性压力计，他的弹性压力计，他们通过各种传动放们通过各种传动放大机构直接指示被大机构直接指示被测压力值。这类直测压力值。这类直读式测压仪表有弹读式测压仪表有弹簧管压力计、波纹簧管压力计、波纹管差压计、膜盒式管差压计、膜盒式压力计等。压力计等。弹簧管压力计弹簧管压力计 v弹弹簧簧管管压压力力计计是是最最常常用用的的直直读读式式测测压压仪仪表表，其一般机构如图其一般机构如图5-3所示。所示。被被测

21、测压压力力直直接接由由接接口口引引入入，使使弹弹簧簧管管自自由由端端产产生生位位移移，通通过过拉拉杆杆使使扇扇形形齿齿轮轮逆逆时时针针偏偏转转，并并带带动动啮啮合合的的中中心心齿齿轮轮转转动动，与与中中心心齿齿轮轮同同轴轴的的指指针针将将同同时时顺顺时时针针偏偏转转，并并在在面面板板的的刻刻度度标标尺尺上上指指示示出出被被测测压压力力值值。通通过过调调整整螺螺钉钉可可以以改改变变拉拉杆杆与与扇扇形形齿齿轮轮的的接接合合点点位位置置，从从而而改改变变放放大大比比，调调整整仪仪表表的的量量程程。转转动动轴轴上上装装有有游游丝丝，可可以以取取消消两两个个齿齿轮轮啮啮合合的的间间隙隙，减减小小仪仪表表

22、的的变变差差。直直接接改改变变指指针针套套在在转转动动轴轴上的角度，就可以调整仪表的机械零点。上的角度，就可以调整仪表的机械零点。v 弹弹簧簧管管压压力力计计结结构构简简单单，使使用用方方便便，价价格格低低廉廉，测测压压范范围围宽宽，应应用用十十分分广广泛泛。一一般般弹弹簧簧管管压压力力计计的的测测压压范范围围为为-105109Pa；精精度度最最高可达高可达0.1%。波纹管差压计波纹管差压计 v 采用膜片、膜盒、波纹管等弹性元件可以制成差压计。图采用膜片、膜盒、波纹管等弹性元件可以制成差压计。图5-45-4给出给出双波纹管差压计机构示意图，双波纹管差压计是一种应用较多的直读双波纹管差压计机构示

23、意图，双波纹管差压计是一种应用较多的直读式仪表。其测量机构包括波纹管、量程弹簧组和扭力管组件等。仪表式仪表。其测量机构包括波纹管、量程弹簧组和扭力管组件等。仪表两侧的高压波纹管和低压波纹管为测量主体，感受引入的差压信号，两侧的高压波纹管和低压波纹管为测量主体，感受引入的差压信号，两个波纹管由连杆连接，内部填充液体用以传递压力。差压信号引入两个波纹管由连杆连接，内部填充液体用以传递压力。差压信号引入后，低压波纹管自由端带动连杆位移，连杆上的挡板推动摆杆使扭力后，低压波纹管自由端带动连杆位移，连杆上的挡板推动摆杆使扭力管机构偏转，扭力管芯轴的扭转发生角度变化，扭转角变化传送给仪管机构偏转，扭力管芯

24、轴的扭转发生角度变化，扭转角变化传送给仪表的显示机构，可以给出相对应的被测差压值。量程弹簧的弹性力和表的显示机构，可以给出相对应的被测差压值。量程弹簧的弹性力和波纹管的弹性变形力与被测差压的作用力相平衡，改变量程弹簧的弹波纹管的弹性变形力与被测差压的作用力相平衡，改变量程弹簧的弹性力大小可以调整仪表的量程。高压波纹管与补偿波纹管相连，可以性力大小可以调整仪表的量程。高压波纹管与补偿波纹管相连，可以补偿填充液因温度变化而产生的体积膨胀。差压计使用时要注意的问补偿填充液因温度变化而产生的体积膨胀。差压计使用时要注意的问题是，仪表所引入的差压信号中包含有测点处的工作压力，又称背景题是，仪表所引入的差

25、压信号中包含有测点处的工作压力，又称背景压力。所以尽管需要测量的差压值并不很高，但是差压计要经受的工压力。所以尽管需要测量的差压值并不很高，但是差压计要经受的工作压力，因此在差压计使用中要避免侧压力过载。作压力，因此在差压计使用中要避免侧压力过载。v一般差压计要装配平衡附件，例如图一般差压计要装配平衡附件，例如图5-45-4所示的三个阀门组所示的三个阀门组合，在两个截止阀间安装一个平衡阀，平衡阀只在差压计测合，在两个截止阀间安装一个平衡阀，平衡阀只在差压计测量时关闭，不工作时则打开，用以平衡正负压侧的压力，避量时关闭，不工作时则打开，用以平衡正负压侧的压力，避免单向过载。新型差压计的结构设计均

26、已考虑到单向过载保免单向过载。新型差压计的结构设计均已考虑到单向过载保护功能。护功能。弹性测压计信号的远传方式弹性测压计信号的远传方式 vv 弹性测压计可以在现场指示，但是更多情况下要求将信号远传至控弹性测压计可以在现场指示，但是更多情况下要求将信号远传至控制室。一般在已有的弹性测计结构上增加转换部件，就可以实现信制室。一般在已有的弹性测计结构上增加转换部件，就可以实现信号的远距离传送。弹性测压计信号多采用电远传方式，即把弹性元号的远距离传送。弹性测压计信号多采用电远传方式，即把弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。常见的转换方式有电位器式、件的变形或位移转换为电信号输出。常见的转换方式有电位

27、器式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式等，图霍尔元件式、电感式、差动变压器式等，图5-55-5给出两种电远传弹性给出两种电远传弹性压力计结构原理。压力计结构原理。vv图图5-55-5（a a）为为电电位位计计式式，在在弹弹性性元元件件的的自自由由端端处处安安装装滑滑线线电电位位器器，滑滑线线电电位位器器的的滑滑动动触触点点与与自自由由端端连连接接并并随随之之转转移移，自自由由端端的的位位移移就就转转换换为为电电位位器器的的电电信信号号输输出出。这这种种远远传传方方式式比比较较简简单单，可可以以有有很很好好的的线线形形输输出出，但但是是滑滑线线电位器的结构可靠性较差。电位器的结构可靠性较差。vv

28、图图5-55-5（b b）为为霍霍尔尔元元件件式式，其其转转换换原原理理基基于于半半导导体体材材料料的的霍霍尔尔效效应应。由由半半导导体体材材料料制制成成的的片片状状霍霍尔尔元元件件固固定定在在弹弹性性元元件件的的自自由由端端，并并处处于于磁磁极极组组件件的的间间隙隙中中，磁磁极极组组件件为为两两对对磁磁场场方方向向相相反反的的磁磁极极，在在其其空空隙隙部部分分构构成成线线性性不不均均匀匀磁磁场场。霍霍尔尔元元件件被被自自由由端端带带动动而而在在不不均均匀匀磁磁场场中中移移动动时时，将将感感受受不不同同的的磁磁场场强强度度。在在霍霍尔尔元元件件的的两两端端通通以以恒恒定定电电流流，在在垂垂直直

29、于于磁磁场场和和电电流流方方向向的的另另两两端端将将产产生生霍霍尔尔电电势势，此此输输出出电电势势即即对对应应于于自自由由端端位位移移，从从而而给给出出被被测测压压力力值值。这这种种仪仪表表结结构构简简单单，灵灵敏敏度度高高，寿寿命命长长，但但对对外外部部磁磁场场敏敏感感，耐耐振振性性差差。其其测测量量精精确确度度可可达达0.5%0.5%，仪表测量范围，仪表测量范围00.0002500.00025MPaMPa至至060060MPaMPa。5.2.25.2.2力平衡式压力计力平衡式压力计 v力平衡式采用反馈力平衡的原理，反馈力的平衡方式可以是弹性力平衡或电磁力平衡等。力平衡式压力计的基本结构如图

30、5-6所示，被测压力或压差作用于弹性敏感元件上，弹性敏感元件感受压力作用并将其转换为位移或力，并作用于力平衡系统，力平衡系统受力后将偏离原有的平衡状态；由偏差检测器输出偏差值至放大器；放大器将信号放大并输出电流（或电压）信号，电流信号控制反馈力或力矩发生机构，使之产生反馈力；当反馈力与作用力平衡时，仪表处于新的平衡状态；显示机构可输出与被测压力或压差相对应的信号。5.2.3 5.2.3 压力传感器压力传感器 v压力传感器是压力检测仪表的重要组成部分，它可以满足自动化系统集中检测与控制的要求，在工业生产中得到广泛的应用。v压力传感器：能够检测压力值并提供远传信号的装置。v压力传感器的结构型式多种

31、多样，常见的型式有应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式压力传感器等。此外还有光电式、光纤式、超声式压力传感器等。应变式压力传感器应变式压力传感器v各种应变元件与弹性元件配用，组成应变式压力传感器。应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化。电阻值的相对变化与应变有以下关系：v v式中为材料的应变；K为材料的电阻应变系数，金属材料的K值约为26，半导体材料的K值可达60180。v应变元件可作成丝状、片状或体状。应变丝或应变片与弹性元件的装配可以采用粘贴式或非粘贴式，在弹性元件受压变形的同时应变元件亦发生应变，其电阻值将有相应的改变。

32、粘贴式压力计通常采用个特性相同的应变元件，粘贴在弹性元件的适合位置上，并分别接入电桥的4个臂，则电桥输出信号可以反映被测压力的大小。为了提高测量灵敏度，通常使相对桥臂的两对应变元件分别处于接受拉应力和压应力的位置上。金属应变片分电阻丝式和金属箔式应变片压力传感器示意图应变式压力传感器应变式压力传感器v应变式压力传感器所有弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同而采用各种型式，常见有圆膜片、弹性梁、应变筒等。图5-7给出几种应变式测量的结构示意图。各类应变式压力传感器的精度较高，测量范围可达几百兆帕。压阻式压力传感器压阻式压力传感器 v压阻式压力传感器是基于半导体的压阻效应。它不同于应变式压力传感

33、器所有的体型应变元件，而是用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻。硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性，当硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化。其相对电阻变化可表示为：v 式中 为压阻系数；为应力。v硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，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压阻式压力传感器 v如图所示为一种压阻式压力传感器的结构示意图，圆形硅杯的底部即为硅平膜片，硅杯的内外两侧输入被测差压或被测压力及参考压力。压力差使膜片变形，膜片上的两对电阻阻值发生变化，使电桥输出相应压力变化的信号。为了补偿温度效应的影

34、响，一般还在膜片上沿对压力不敏感的晶向生成一个电阻，这个电阻只感受温度变化，可接入桥路作为温度补偿电阻，以提高测量精度v压阻式压力传感器的灵敏度高，频率响应高；结构比较简单，可以小型化；可用于静态、动态压力测量；应用广泛，测量范围在00.0005MPa、00.002 MPa至0210 MPa；v其精确度为0.2%0.02%。1基座；2单晶硅片；3导环；4螺母；5密封垫圈；6等效电阻电容式压力传感器的测量原理是将弹性元件的位移转换为电容量的变化。以测压膜片作为电容器的可动极板，它与固定极板组成可变电容器。当被测压力变化时，测压膜片产生位移而改变两极板间的距离，测量相应的电容量变化，可知被测压力值

35、。电容式压力传感器电容式压力传感器图为一种两室结构感压元件的示意图，感压元件是一个全焊接的差动电容膜盒。玻璃绝缘层内侧的凹球面形金属镀膜作为固定电极，中间被夹紧的弹性平膜片作为可动电极，从而组成两个电容器。整个膜盒用隔离膜片密封，在其内部充满硅油。由隔离膜片感受两侧压力的作用，通过硅油传压使弹性膜片产生位移，可动极板将向低压侧靠近。电容极板间距离的变化，引起两侧电容器电容值的改变。电容式压力传感器电容式压力传感器v对于差动平板电容器，其电容变化与板间距离变化的关系可表示为：v式中 为初始电容值；为极板间初始距离;v 为距离变化量。v此电容量的变化经过适当的转换电路，可以输出标准电信号（420m

36、A）。这种传感器结构结实，灵敏度高，过载能力大；精度高，其精确度可达0.25%0.05%；可以测量压力和差压，仪表测量范围00.00001 MPa至070 MPa。v有效保护膜片，压力过大，膜片平滑地贴在凹面上，不易损坏，过载后恢复特性好，承载能力强，密封、抗振振频式压力传感器振频式压力传感器 v振频式压力传感器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。v这类传感器有振筒、振弦、振膜、石英谐振等多种型式，以下举振筒式压力传感器为例。v振筒式压力传感器的感压元件是一个薄壁金属圆筒，圆柱筒本身具有一定的固有频率，当筒壁受压张紧后，其刚度发生变化，固有频率相应改变。在

37、一定的作用力下，变化后的振筒频率可以近似表示为：v式中fp为受压后的振筒频率；f0为固有频率；为结构系数；p为被测压力。振频式压力传感器振频式压力传感器v传感器由振筒组件和激振电路组成，如图5-10所示。振筒用低温度系数的恒弹性材料制成，一端封闭为自由端，开口端固定在基座上，压力由内侧引入，绝缘支架上固定着激振线圈和检测线圈，二者空间位置互相垂直，以减少电磁耦合。激振线圈使振筒按固有的频率振动，受压前后的频率变化可由检测线圈检出。此种仪表体积小，输出频率信号，重复性好耐振；精确度高，其精确度为0.1%和0.01%；测量范围00.014 MPa至050 MPa；适用于气体检测。压电式压力传感器压

38、电式压力传感器 v压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。v它是动态压力检测中常用的传感器，不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。v由压电材料制成的压电元件受到压力作用时将产生电荷，当外力去除后电荷将消失。在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间呈线形关系。电荷输出为：q=ksp;v式中q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。测知电荷量可知被测压力大小。压电式压力传感器压电式压力传感器图5-11为一种压电式压力传感器的结构示意图。压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过金属箔和引线将电荷引出。被测压力均匀作用在膜片上

39、，使压电元件受力而产生电荷。电荷量经放大可以转换为电压或电流输出，输出信号给出相应的被测压力值。压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料或复合材料的合成膜，各适用于不同的传感器型式。电荷量的测量一般配用电荷放大器。可以更换压电元件以改变压力的测量范围，还可以用多个压电元件叠加的方式提高仪表的灵敏度。v压电式压力传感器体积小，结构简单，工作可靠；频率响应高，不需要外加电源；测量范围00.0007 MPa至070 MPa；测量精确度为1%，0.2%，0.06%。但是其输出阻抗高，需要特殊信号传输导线；温度效应较大。集成式压力传感器集成式压力传感器 v采用微机械加工技术与微电子集

40、成工艺相结合的新型微结构型式发展了集成化传感器，进而可以形成各种智能型仪表。v以压阻式压力传感器为基础的集成传感器已有产品生产，它可以同时检测差压、静压、温度三个参数。图5-12所示为这种集成传感器敏感元件的示意图。硅杯底部为E形断面，构成作为敏感元件的硅膜片，在膜片断面的减薄部分，沿应力敏感度大的方向形成四个力敏电阻，以感受差压引起的切向和径向应力变化；在膜片断面的加厚部分也形成力敏电阻，以感受静压的作用；在加厚部分切向和径向压阻系数近于零的方向则形成温敏电阻，以感受温度的变化v设三个信号分别为差压信号、静压信号、温度信号，则有v根据制造阶段预先测定的特性数据，求解以上联立方程，可以分别得到

41、差压、静压和温度T的值。这就属于一种复合检测方式。v图5-13为仪表的组成框图，采用适当的接口电路和微处理器系统，可以存入针对此传感器特性的修正公式。采入三种信号后，经过运算处理就可以给出修正了的被测差压值、静压值以及温度值。这一类集成传感器的测量精确度高，可达0.1%，并有高的稳定性和可靠性。v继压阻式压力传感器实用化之后，以半导体材料为基础，利用微机械和微电子加工技术，又开发出微电容式、微谐振式等型式的压力传感器，可以具有重量轻，功耗低，响应快和便于集成化等特点。各种新型压力传感器有很好的发展前景。集成式压力传感器集成式压力传感器 测压仪表的选择测压仪表的选择 压压力力计计的的选选用用应应

42、根根据据工工艺艺生生产产过过程程对对压压力力测测量量的的要要求求，结结合合其其他他各各方方面面的的情情况况，加加以以全全面面的的考考虑和具体的分析，虑和具体的分析，一般考虑以下几个问题。一般考虑以下几个问题。vv仪仪仪仪表表表表类类类类型型型型的的的的选选选选用用用用仪仪仪仪表表表表测测测测量量量量范范范范围围围围的的的的确确确确定定定定 仪仪仪仪表表表表精度级的选取精度级的选取精度级的选取精度级的选取v 选择合适的仪表要根据生产过程提出的要求，结合各类压力表的特点综合进行考虑。一般涉及类型、测量范围和测量精度等方面。仪表类型的选择应满足生产过程的要求，需要了解被测介质情况、现场环境及生产过程

43、对仪表的要求，如信号是否满足需要远传、控制、记录或报警等。v 为了保证测压仪表安全可靠地工作，仪表的量程要根据被测压力的大小及在测量过程中被测压力变化的情况等条件来选取，选取仪表量程要留有余地，在测量稳定压力时，最大被测工作压力不能超过测量上限值的2/3；在测量脉动压力时，最大被测工作压力不能超过测量上限值的1/2；而在测量高压时，最大被测工作压力不能超过测量上限值的3/5。一般被测压力的最小值，应不低于测量上限值的1/3。根据被测压力的最大值和最小值计算出仪表的上下限后，要按压力仪表的标准系列选定量程。目前我国压力（差压）仪表测量范围的标准系列是：-0.10.06、0.15kPa和01、1.

44、6、2.5、4、6、1010nkPa（其中n为自然整数，可为正、负值）。v仪表的测量精度也是根据使用要求确定的。生产过程允许的被测压力的最大绝对误差应小于仪表的基本误差，可在规定的精度等级中确定仪表的精度。在确定仪表的精度时，要注意经济性，不必追求高精度，只需满足使用要求即可。工业用测压仪表的精度通常在0.5级以下。v测量差压的仪表还应注意工作压力的选择，应使其与被测对象的工作压力相对应。v例 1 若选用弹簧管压力表来测量某设备内的压力，已知被测压力为（0.71)Mpa，要求测量的绝对误差不超过0.02Mpa，试确定压力表的测量范围及精度等级。v（可供选的测量范围有0 0.6，0 1,v 0

45、1.6,0 2,5Mpa）v 0 1.6Mpa 1.0v2.往复式压缩机出口压力2528Mp，测量误差不超过1Mp，选压力表精度、测量范围。供选16,25,40,60,100，精度1.0 、0.5 2.5 测压仪表的校验测压仪表的校验 v测压仪表在出厂前均需进行检定，使之符合精度等级要求。使用中的仪表则应定期进行校验，以保证测量结果有足够的准确度。使用的压力校验仪器有液柱式压力计、活塞式压力计或配有高精度标准表的压力校验泵。标准仪表的选用原则是，其允许绝对误差要小于被校仪表绝对误差的1/31/5，这样可以认为标准仪表的读数就是真实值。如果被校仪表的读数误差小于规定误差，则认为它是合格的。v图5

46、-14所示为一种活塞式压力校验系统的结构原理。活塞、活塞筒和砝码的重力作用于密闭系统内的工作液体、当系统内工作液体的压力与此重力相平衡时，活塞会浮起，并可旋转。此时系统内的压力为：v式中为p系统内的工作压力；m为活塞与砝码的总质量；g为重力加速度；So为活塞的有效面积。v对于一定的活塞压力计，其有效面积为常数。由螺旋压力发生器推动工作活塞，在承重托盘上加适当的砝码，工作液体就可处于不同的平衡压力下，此压力可以作为标准压力，用以校验压力表。取压点位置和取压口形式取压点位置和取压口形式 v为真实反映被测压力的大小，要合理选择取压点，注意取压口形式。工业系统中设置取压点的选取原则遵循以下几点。v（1

47、）取压点位置避免处于管路弯曲、分叉、死角或流动形成涡流的区域。不要靠近有局部阻力或其他干扰的地点，当管路中有突出物体时（如测温元件），取压点应在其前方。需要在阀门前后取压时，应与阀门有必要的距离。v（2）取压口开孔的轴线应垂直设备的壁面，其内端面与设备内壁平齐，不应有毛刺或突出物。v（3）测量液体介质的压力时，取压口应在管道下部，以避免气体进入引压管；测量气体介质的压力时，取压口应在管道上部，以避免液体进入引压管。引压管路的敷设引压管路的敷设v引压管路的敷设应保证压力传递的精确性和快速响应，需注意的原则有以下几点。v（1）引压管的内径一般为610mm，长度不得超过5060mm。更长距离时要使用

48、远传式仪表。引压管内径、长度的选顶与被测介质有关，可参看有关规定。v（2）引压管路水平敷设时，要保证一定的倾斜度，以避免引压管中积存液体（或气体），并有利于这些积液（或气）的排出。当被测介质为液体时，引压管向仪表方向倾斜；当被测介质为气体时，引压管向取压口方向倾斜。倾斜角一般大于3%5%。v（3）当被测介质容易冷凝或冷冻时，引压管路需有保温拌热措施。v（4）根据被测介质情况，在引压管路上要加装附件，如加装集液器、集气器以排除积液或积气；加装隔离器，使仪表与腐蚀性介质隔离；加装凝液器，防止高温蒸汽介质对仪表的损坏等。v（5）在取压口与仪表之间要装切断阀，以备仪表检修时使用，切断阀应靠近取压口。测

49、压仪表的安装测压仪表的安装 v测压仪表安装时需注意的原则有以下几点：v（1）压力计应安装在易于观测和检修的地方，仪表安装处尽量避免振动和高温；v（2）对于特殊介质应采取必要的防护措施；v（3）压力计与引压管的连接处，要根据被测介质情况，选择适当的密封材料；v（4）当仪表位置与取压点不在同一水平高度时，要考虑液体介质的液柱静压对仪表值的影响。测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触图（a）；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，右图（b）表示了被测介质密度2大于和小于隔离液密度1的两种情况。压力计；切断阀门；凝液管；取压容器变送器工作原理变送器工作原理电源与

50、负载电源与负载系统连接系统连接习题习题v1.应变式压力传感器和压阻式压力传感器的转换原理有什么区别？v2.简述电容式压力传感器的测压原理。v3.振频式压力传感器、压电式压力传感器的特点是什么？v4.用弹簧管压力计测量蒸汽管道内压力，仪表低于管道安装，二者所处标高为1.6m和6m，若仪表指示值为0.7MPa。已知蒸汽冷凝水的密度为966kg/m3，重力加速度g9.8m/s2,试求蒸汽管道内的实际压力值。v5.被测压力变化范围为1.11.4MPa，要求测量误差不大与压力示值的5，可供选用的压力仪表规格为01.6、02.5、04.0MPa，精度等级有1.0、1.5、2.5三种。试选择合适的量程和精度