第二节压力检测及仪表

这样不管是被测压力变化还是环境温度变化，均 可以使r1变化，必然要产生测量误差。要想保持应变 片电阻与被测压力的单值对应关系，必须要消除环境 温度对应变片电阻的影响，因此要对r1进行温度补偿。
将r2接在与r1相邻的桥 臂上。由于r2与r1的材 料、几何形状相同，
当环境温度t变化时， 由温度变化产生的 电阻变化相等，因 而会相互抵消。
X0
B
-1/2X0
0 1/2X0
KX 0<X<1/2X0
B=
0 X=0
-KX -1/2X0 <X<0
当B大于1/2X0和小于
-1/2X0 时均为常数 X 在X0范围内
B＝f (x)
如图所示 为霍尔片式压力传感器
U H＝U H1－U H2
当压力P＝0（霍尔 片在中间位置）
U H1＝U H2 U H＝0
电气式压力计
霍尔式 应变片式 扩散硅式
力平衡式 电容式 智能式
另外还可用测量范围分类 压力表、微压计、真空表。 用精度等级分类 精密表、标准表、工业用表
用安装及指示特点分类 基地式（现场）压力表、远传 压力表、 指示型压力表、记录 型压力表等。
1、液柱式压力计
根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱 高度进行测量。 结构形式：U型管压力计、单管压力计、斜管压力 计等。
rt1 r101 (t - t0 )
r10环境温度t=t0时的电阻值
rt1 环境温度为t时的 电阻值
＝4.2510－3／C 铜电阻的温度系数
因为r10、t0、α 均为常数，所以应变片电阻r1是 环境温度t的函数。
r1 f (t)
根据应变效应，r1还是被测压力P的函数。
r1 f (P)
因而 r1 f (t, P)
三、电气式压力表
把压力信号转换成电信号输出，然后测量电信号的压 力表叫电气式压力表。
测量范围 7 10-5 Pa ~ 5102 MPa 允许误差0.2%
主要是介绍
压力传感器：霍尔式、应变片式、压阻式、 压力变送器：力平衡式、电容式、扩散 硅式
1、霍尔片式压力传感器
（1）霍尔效应
将通有电流的半导
体片放入磁场中，当磁 力线穿过半导体片时， 在半导体片的两端会产 生电动势。称此电动势 为霍尔电势，半导体片 叫霍尔片，此物理现象 叫霍尔效应。
R＝ L S
当受压时 L ↓→S↑→R↓ 当拉伸时 L↑→S↓→R ↑
这样就把力的变化转换成电阻的变化了。
R L r 2
金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。
（2）、应变式压力计的组成
P 传感筒 r1r2 电桥 Uab 毫伏计 P
应变式压力传感器
（3）、应变片式压力传感器的工作原理
1、应变筒 2、外壳 3、 密封膜片（不锈钢） r1、r2 用康铜丝绕成的应变 片阻值 r10＝r20 ＝320Ω r1 用缩醛胶沿应变筒轴向贴放。 (Φ＝0.015-0.05mm)
衡电压的输出Uab
电源电压为 U＝10V DC
r3、r4 为桥路固定电阻（金属 膜电阻）
当压力 p在Pmin—Pmax 变化时 UAB输出0—5mv
当压力作用时：
I1＝（r10
r1 )
E
(r20－r2 )
I
＝
2
E r3＋r4
U AB＝I 2 r4
-
I1 (r20
—
r2 )＝C－
(r10
r1)
E (r20
b、要弯成一定弯度，一端密封（自由端）一端敞开 （固定端）
c、管内压力不为零。 （2）二次放大原理
弧放大
角放大
二次放大是通过扇形齿轮和中心齿轮实现的。
i、弧放大
α
L b
a ΔX
Δ X为弹簧管产生的位移量 L为放大后的位移量
Lb Xa
L＝
b a
x＝K1
ii 角放大 角放大是通过扇形齿轮和中心齿轮实现的。
当压力发生变化时单晶硅片变形，半导体因受压引起阻 值变化称为压阻效应。半导体材料的压阻效应比较明显。
用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于 单晶硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好， 而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性， 以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广 泛的使用。
此外，压力测量的意义还不局限于它自身，有 些其他参数的测量，如物位、流量等往往是通过测 量压力或差压来进行的，即测出了压力或差压，便 可确定物位或流量。
压力检测仪表的内容
一、压力单位及测压仪表 二、弹性式压力表 三、电气式压力表 四、压力变送器 五、压力表的选择与安装
一、压力单位及测压仪表
压力是指垂直作用在单位面积上的力
1. 去污：采用手 持砂轮工具除去构件 表面的油污、漆、锈 斑等，并用细纱布交 叉打磨出细纹以增加 粘贴力 ，用浸有酒精 或丙酮的纱布片或脱 脂棉球擦洗。
2.贴片：在应 变片的表面和处理 过的粘贴表面上， 各涂一层均匀的粘 贴胶 ，用镊子将 应变片放上去，并 调好位置，然后盖 上塑料薄膜，用手 指揉和滚压，排出 下面的气泡 。
因此可以用工作液的液位高度H 表示压力P的大小。
U型管压力计可以用来侧压力P 也可以用来测差压 ΔP＝P－PA 由于U型管压力计存在二次读数问题，我们可以用单管 式压力计。
（2）单wk.baidu.com式压力计
P＝PA＋gh g(h1 h2 )
PA＝0
h1＋h2 h2
P＝gh gh2
（3）斜管式压力计
P＝gh2 gLsin
P＝f(L)
因为L>h
因此提高了仪 表的灵敏度。
一般我们可以用斜管式压力计测微压。
液柱式压力计在读数时应当注意：
对于侵润型工作液（水、酒精等）应在最低点 读数（切线） 对于非侵润型工作液（水银）应在最高点读数 （切线）
二、弹性式压力计
弹性式压力计是以弹性元件受压后所 产生的弹性形变为测量基础的。 特点：结构简单，使用可靠，读数清晰 ，价格低廉，测量范围广有足够精度之 优点。另外增加附加装置，可实现压力 的记录，远传、信号报警、自动控制等 。在工业上应用最广。
r2 用缩醛胶沿应变筒经向贴放。
粘结时注意： （1）应变片与应变筒无相对滑动现象。 （2）应变片与应变筒保证电气绝缘。
当压力P↑时
r1受拉伸阻值增大 r1= r10+△r1 r2受压缩阻值减小 r2= r20－△r2
这样通过压力传感器将压力的变化，转换 成r1、r2电阻的变化。
应变片的粘贴
应变片的粘贴：
Y方向加电场 Z方向加磁场
X方向产生电动势
UH R HBI
UH 霍尔电势 RH 霍尔常数 B 磁感应强度 I 电流强度 若 RH、I 均为常数 则 UH＝f (B) 当确定了霍尔片的材料、几何形状后，RH 就是常数 当采用恒流源供电 I 也为常数。
那么霍尔式压力传感器如何将压力的变化 转换成磁感强度B的变化呢？
毫安。
解：根据公式 UH R HBI＝KP
当P＝ 160KPa时 UH＝ 20mV K＝0.125 当P=83时 UH＝KP＝10.375（mV ）
I＝
P－Pmin Pmax－Pmin
16
4
mA 12.3mA
2、应变片式压力传感器 （1）、应变效应
导体或半导体材料受外力的作用压缩或拉伸 后，会影响其电阻值的变化。这种物理现象叫应 变效应。
霍尔效应，是由美国地 质学家，古生物学家。 科学家爱德文·霍尔在 1879年发现的。产生的 电势差称为霍尔电压。
利用霍尔效应制成的元 件称为霍尔传感器
（2）霍尔压力表的组成
P 弹簧管 X 磁靴系统 B
霍尔片 UH
P
电流表
I (4~20mA) U/I 转换器
P
UH 传感器
P
I 变送器
P
P 压力表
（3）磁靴系统
特点：结构简单、使用方便。 缺点：精度受工作液的毛细管作用、密度及视 差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量 校低压力、真空度或压力差。
（1）U型管式压力计
U型管式压力计是由带有刻度的 U型玻璃管和工作液组成。
P＝PA＋gh g(h1 h2 )
当 g 为常数时
PA＝0（大气压）
P＝f(h)
由于 r3= r4
当压力p=0时，电桥平衡
(r1 rt1)r4 (r2 rt2 )r3
rt1 rt2
可以相互抵消，使之与 环境温度变化无关。
——压阻式（扩散硅）压力传感器
压阻式压力传感器是利用半导体的应变效应，采用单晶 硅片为弹性元件，在单晶硅片上采用集成电路的工艺在单晶 面的特定方向扩散一组等值电阻。并将电阻接成桥路。
压力的测量方法及压力表的分类
1、用已知压力去平衡未知压力的方法（平衡法 ）
液柱式压力计 活塞式压力计
U 型管式压力计 单管式压力计
斜管式压力计 平衡介质是砝码
平衡介质 是工作液
2、用弹性元件的弹性力与被测介质的作用力相平衡的测 量方法 （平衡法）
弹性式压力计
弹簧管式 膜盒式
单圈式 多圈式
波纹管式
3、用通过机械和电气元件把压力信号转换成电量的测量 方法 （偏差法）
—
r2
)
(r20
—
r2
)
C、E、r10、r20均为常数
UAB＝f (r1, r2 ) 或 UAB f (r1, r2 )
r2的温度补偿作用
根据测量原理，只有应变片r1就可以满足测 量要求，为什么在相邻的桥臂上还要粘贴r2呢？ r2的作用是用来对r1进行温度补偿。
因为应变片是用铜材料双向无感绕制的，当 应变片所处的温度发生变化时，会影响应变片的 电阻值的变化。从而产生测量误差。
3.测量 ： 从分开的端子 处，预先用万 用表测量应变 片的电阻，发 现端子折断和 坏的应变片。
4.焊接： 将 引线和端子用烙铁 焊接起来，注意不 要把端子扯断。
5.固定： 焊接后用胶布 将引线和被测 对象固定在一 起，防止损坏 引线和应变片。
电桥
电桥的作用就是将r1、r2的变化转换成桥路的不平
1、弹性元件
弹性元件是一种简单可靠的测压敏感元件，其 作用是将压力信号转换成位移信号。
当测量范围不同所用的测量元件也不一样。
常见的弹性元件有；弹簧管、膜片、膜合和波 纹管。
2、弹簧管式压力计
（1）弹簧管压力表的组成
P
弹簧管 ΔX 二次放大系统
Δα
指针、面板
P
（2）弹簧管压力表的工作原理
弹簧管的作用：将压力信号P转换成 位移信号ΔX 扇形齿轮、中心齿轮组成二次放大 系统，其作用是：将位移信号ΔX放 大成角位移Δα 指针、面板是指示部分，其作用是 指示压力P
应用电接点压力表，可以将 压力控制在一定范围内。
Pmin P Pmax
可以调整压力下限和压 力上限两个静触点。指 针连接动触点。
例如 压力测量与报警系统
当压力 P Pmax 时，上限报警电路接通，上限报警灯亮 当压力 P Pmin 时，下限报警电路接通，下限报警灯亮 这样就实现了压力的测量与报警。
P＝ F S
P 表示压力 F 表示垂直作用力 S 表示受力面积
1Pa
1N 1m2
1MPa= 103 KPa
1KPa= 103 Pa
1、大气压力、表压力和绝对压力
大气压力是大气作用在地球表面的压力。
P表
P绝
P真
P绝
P表压＝P绝对压力－P大气压力
P真空度＝P大气压力－P绝对压力
大气压力线
绝对压力的零线
当压力P>0 霍尔片右移 当压力P<0 霍尔片左移
UH1 UH2 UH1 UH2
UH 0 测正压 UH 0 测真空
思考题：
某压力容器压力的工作范围是0～160KPa，当压力为
83KPa时，若用霍尔片式传感器测量（0～20mV)电压表的
指示值为
毫伏 ，若用霍尔片式压力变送器测量
（4～20mA)电流表的指示值为
第二节 压力检测及仪表
电动压力（差压）变送器
电接点压力表
数字压力表
弹簧管压力表
乙炔表
在工业生产过程中，特别是在化工、炼油等 生产过程中，压力是重要的操作参数之一。经常 会遇到压力和真空度的测量，其中包括比大气压 力高很多的高压、超高压和比大气压力低很多的 真空度的测量。
如果压力不符合要求，不仅会影响生产效率， 降低产品质量，有时还会造成严重的生产事故。
（1）弹簧管
截面为扁圆或椭圆的空心管 子，将其弯成2700，
一端为密封端（自由端）， 另一端为敞开端（固定端） 。当压力作用于弹簧管内部 时由于弹簧管的特殊结构， 在自由端就会产生位移，且 位移量与压力成比例，如能 测出位移量，就能测出压力 的大小。
弹簧管产生位移的条件：
a、截面为椭圆或扁圆的空心管子。
显然：
α 为中心齿轮产生的角位移 β 为扇形齿轮的圆心角
c 为中心齿轮的半径
b c
b α= β
c
将 β=
1
ΔX
代入α=
b
β
a
c
调整a 即可调 整放大系统的 放大倍数。
则
＝
b c
1 a
＝ b a
1 c
k1k 2
k
三、电接点压力表
电接点压力表就是在普通弹簧管压力表的基础 上，增加了一个动触点，两个静触点。常用于压力 测量、压力报警和压力控制。