传感器与检测技术第5章 压力传感器

5.1.2 压力检测的方法
（3）机械力平衡方法 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。 （4）物性测量方法 利用敏感元件在压力的作用下，其某些物理特 性发生与压力成确定关系变化的原理，将被测 压力直接转换为各种电量来测量。 如应变式、压电式、电容式压力传感器等等。
内容提要

在本章中，通过对压力检测方法的分析，
引出弹性压力检测技术，介绍了弹性元件的结
构、外形和测压原理，为重点介绍压力的电测
技术奠定基础。
通过本章学习，掌握电阻式传感器、电容式传 感器、电感式传感器和压电式传感器的结构特 性和工作原理，学会它们在压力检测中的应用。
5.1 概述
5.1.1 压力的概念及单位
Байду номын сангаас
d

C0

1
d0 d
d0

d
c d0 C0 1 d
d0

d d0
1
d d0
1

利用级数展开得
c d C0 d0
s
C C0 C d0 d
sd0 d 1
电容量与极距关系
D1 a
L
D0
圆柱形电容式线位移传感器
b
(1)变面积型电容传感器
a d
x S
Cx

b(a x)
d

C0

b
d
x
x
变面积型电容传感器原理图
θ 动片
定片
C

s0
(1


d
)

C0

C0

电容式角位移传感器原理图
(2) 变介质型电容式传感器
L0 L
r2
r1
c c1 c2
绝对压力与大气压力之差称为表压力，用PI表示。即

PI＝PA—P0
（5-1）
当绝对压力值PA小于大气压力值P0时，表压力
为负值，所测值称为负压力或称真空压，它的 绝对值称为真空度。
图5-1 各种压力之间的关系
压力的单位
压力在国际单位制中的单位是牛顿/平方米（N/m2）， 通常称为帕斯卡或简称帕（Pa）。

d
定义：电阻丝的灵敏系数
dR
d
K R (1 2)
X
X
dR R

K
X
（2）应变片的材料及结构
1）应变片的材料 金属丝材料： 适用于300℃以下静态测量用的康铜、铜镍合
金； 适用于450℃以下的静态测量或800℃以下的动
态测量用的镍铬合金、镍铬铝合金等。 电阻值一般为120Ω、200Ω或300Ω。

b0
r1
(L0 d0
L)

b0
r2 L
d0
d0

b0
r1
(L0
L) d0

r2
L

C0

(
r2
r1)b0
d0
L
变介质型电容式传感器
D d
H
h 1
c 2 1h 2 0 (H h)
ln R
ln R
r
r
2 0H 2h(1 0 )
5.2.2 机械式弹簧管压力表 1. 机械式弹簧管压力
图5-7 弹簧管压力表 1－弹簧管；2－拉杆；3－扇形齿轮；4－中心齿轮；5－指针
6－面板；7－游丝；8－调整螺钉（或滑销）；9－接头
2. 弹簧管材料及压力表色标
弹簧管的材料是根据被测介质的化学性质和被 测压力的高低来决定的。
当压力P＜20MPa时采用磷青铜材料，当压力P
5.3.1 电阻应变式传感器及其在压力检 测中的应用
5.3.2 压阻式传感器及其在压力检测中 的应用
5.3.1 电阻应变式传感器及其在压力检测中的应用
电阻应变片的工作原理是基于应变效应
应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用 下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化。
设有一根金属丝，其电阻率为ρ，长度为l，截 面积为S
5.2 弹性压力检测技术
5.2.1 弹性敏感器 5.2.2 机械式弹簧管压力表
5.2.1 弹性压力敏感器 1. 弹性压力敏感器
弹性压力传感器：压力变化→位移变化→电量 变化
常见的弹性压力敏感器有：弹簧管 波纹管 膜片
弹簧管式
单圈弹簧管
多圈弹簧管
x Px
x Px
测量范围 0～981MPa
在未受力时电阻值为： R l
S
金属丝在沿轴线方向的拉力作用下：将伸长Δl，横截 面积相应减小ΔS，电阻率因材料也相应发生改变了Δρ， 从而引起电阻值变化量为 ：
R l S RlS
电阻相对变化量： dR dl dS d RlS
dS/S——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电
阻丝的半径，微分后可得dS=2πr dr，则
dS 2 dr Sr
令：金属丝的轴向应变 金属丝的径向应变

x

dl l
y

dr r
材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短， 轴向应变和径向应变的关系可表示为
y xμ为电阻丝材料的泊松比
dR R

(1
2) X
用
4.1 电容式传感器
1. 电容式传感器的工作机理
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器。
S
d
ε
图5-13 平板电容器
如果不考虑边缘效应，其电容量为
S

C d
（5-9）
式中，S为两平行极板所覆盖的面积；d为两平行极板之间距离；
ε为电容极板间的介电常数。
同心圆柱电容式传感器
d k·P
（a）C型弹簧管结构 （b）弹簧管的截面形状 图5-4 C型弹簧管
（2）波纹管
波纹管是一种带同心环状波形皱纹的薄壁圆管，一端 开口，另一端封闭，将开口端固定，封闭端处于自由 状态，如图5-5所示。
在通入一定压力的流体后，波纹 管将伸长，在一定压力范围内伸
长量即自由端位移y与压力P成正
第5章 压力检测技术
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8
概述 弹性压力检测技术 电阻式传感器及其在压力检测中的应用 电容式传感器及其在压力检测中的应用 压电式传感器及其在压力检测中的应用 电感式传感器及其在压力检测中的应用 其它压力传感器的应用 压力检测仪表的使用与校准
测量范围 0～98.1MPa
波纹管式 波纹管
x
Px
测量范围 0～0.981MPa
平薄膜
x
Px
薄膜式 波纹膜
x
Px
挠性膜
Px x
测量范围 0～98.1MPa
测量范围
测量范围
0～0.981MPa 0～0.0981MPa
2. 弹性元件的外形与测压原理
（1）弹簧管

压力 →弹簧管自由端角位移
在一定压力范围内， 弹簧管自由端产生位 移量d与压力P成正 比，即
（1）柱式
2、环式结构 1.08Fr
Ebh2
（3）梁式
h h
F
F
R1
R4
b
l0 l
(a)


6Fl0 bh2 E
b
R4R1
l
(b)
图 悬臂梁 (a)等截面梁; (b)等强度梁
各种悬臂梁
电子秤
远距离 显示
磅秤
超市打印秤
电子天平
电子天平的精度 可达十万分之一
应变式加速度传感器
2 1
Icb U i
C Ii
∑
Cx A
uO

ui
C0 Cx
U o
运算放大器式电路原理图
（3）脉冲宽度调制电路
D1
+
A1
-
S
Q
双稳态
F A R1 C1
触发器
U0
Ur
+- A2
R
B R2 C2
Q
G
D2
图5-16 差动脉冲宽度调制电路
U0

C1 C1
C2 C2
U1
uA
uA
U1
U1
0
0
t
t
uB
uB
U1
U1
0 uAB
U1
0 -U1
0
t uAB
t
U1
U0
0
t -U1
t
UF T1 Ur
0
UG Ur
T2
UF T1 Ur
0
t UG Ur
T2
t
＞20MPa时采用不锈钢或合金钢材料。 当测量氨气压力时，必须采用能够耐腐蚀的不
锈钢弹簧管；测量乙炔压力时，不得用铜质材 料弹簧管；测量氧气压力时，则严禁沾有油脂 的工艺管道设备，否则将有爆炸危险。 压力表的外壳一般均涂有不同的色标，来表示 该表所适用的介质类型。
5.3 电阻式传感器及其在压力检测中的应用
工业上一般采用千帕（kPa）或兆帕（MPa）作为压力 的单位。
多种压力单位换算关系如下：
1帕（Pa）＝1牛顿/平方米（N/m2）
1巴（bar）＝1达因/平方厘米（dyn/cm2）＝105Pa
1工程大气压≈1干克力/平方厘米（kgf/cm2）≈98kPa

1标准大气压＝760毫米水银柱＝101325Pa
ln R
ln R
r
r

C0

2h(1
ln R

0
)
r
C0 kh
电容式液位变换器结构原理图 电容的增量正比于被测液位高度， 可测量一种流体的液位高度
（3）
A
c c c0 s s
d0 d d0
s
(
1
1)
d
d0 1 d
d0
r 图 变极距型电容式传感器
压阻式压力传感器图512压阻式压力传感器小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口绝对压力传感器54电容式传感器及其在压力检测中的应用541电容式传感器542电容式传感器在压力检测中的应41电容式传感器图513平板电容器圆柱形电容式线位移传感器变面积型电容传感器原理图电容的增量正比于被测液位高度可测量一种流体的液位高度kh图514双t桥电路运算放大器式电路原理图2运算放大器式测量电路图图551616差动差动脉冲宽度调制电路双稳态触发器调频振荡器限幅器鉴频器放大器图517调频鉴频电原理图例例电容测厚传感器在板材轧制装电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用置中的应用a测振幅b测轴回转精度和轴心偏摆振动电容式传感器电容式传感器湿度测量当环境湿度发生改变时湿敏电容的介电常数发生变化使其电容量也发生变化其电容变化量与相对湿度成正比
半导体应变片的材料：有硅、锗、锑化铟、磷 化镓、砷化镓等，其中硅和锗的压阻效应显著， 因此使用较多。
2）应变片的结构
覆盖层
基底 引出线
敏感栅 黏合剂
（a）应变片的结构
常用应变片的形式
常用应变片的形式(续)
图5-8 应变片结构与形式 1－金属丝；2－金属箔；3－半导体；4－基底
（3）电阻应变式传感器的测量电路
2. 电容式传感器测量电路
R2 VD2
VD1
u～
C1
C2
RL
图5-14 双T桥电路
U0

RRL R RL
I1

I2
RRL R 2RL U E
(R RL )2 T
C1
C2
U0 K f U E C1 C2
（2）运算放大器式测量电路
Icx

1毫米水银柱＝133.322Pa

1毫米水柱＝9.80665Pa
真空度测量中常以“托”（Torr）为单位，1托（Torr） ＝l毫米水银柱。
5.1.2 压力检测的方法
根据不同工作原理分为如下几种： （1）重力平衡方法 利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的
重量与被测压力相平衡的原理，将被测压力转 换为液柱高度或平衡砝码的重量来测量。 例如液柱式压力计和活塞式压力计。 （2）弹性力平衡方法 利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生 的弹性力与被测压力相平衡的原理，将压力转 换成位移，通过测量弹性元件位移变形的大小 测出被测压力。
比，即
y k·P
图5-5 波纹管
（3）膜片与膜盒
膜片是用金属或非金属制成的圆形薄片。
（a）
（b）
k·P
（c）
（d）
（a）：断面是平的，称为平膜片； （b）：断面呈波纹状，称为波纹膜片； （c）：两个膜片边缘对焊起来，构成膜盒； （d）：几个膜盒连接起来，组成膜盒组。
一般常采用桥式测量电路
B
Io
R1
R2
A
C
R3
R4
D
＋
RL Uo －
E
R1+ΔR1
R2-ΔR2
半桥差动电9 路
R1+ΔR1
R2-ΔR2
R3-ΔR3
R4+ΔR4
全桥差动电9 路
2. 电阻应变式压力传感器
（a）圆膜片 （b）梁型 （c）应变筒式
（d）测量电路
图5-11 应变式压力传感器的外形、结构及电桥式测量电路示意图
压力：是指一定介质垂直作用于单位面积上的力。
压力的表示方法：绝对压力、表压力、负压力或真空 度。
绝对压力：是指被测介质作用在单位面积上的全部压
力，用PA表示。
用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。
大气压力：地面上的空气柱所产生的平均压力，用P0
表示。
用来测量大气压力的仪表叫气压表。
R R


L
式中，πL——压阻系数； σ——应力；
ρ——半导体材料的电阻率。
2. 压阻式压力传感器
图5-12 压阻式压力传感器
小型压阻式固态压力传感器
低压进气口
高压进气口
绝对压力传感器
5.4 电容式传感器及其在压力检测中的应用
5.4.1 电容式传感器 5.4.2 电容式传感器在压力检测中的应
5.1.3 常用压力检测仪表
1. 液柱式压力计
以流体静力学原理为基础。 一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行压力测量
p1A p2 A ghA
p p1 p2 gh p1 p2 gh
图5-2 液柱式压力计
2. 弹性压力计
图5-3 弹性压力计组成框图
3
4
6 3
5
2 1
4
5.3.2 压阻式传感器及其在压力检测中的应用
利用半导体材料的压阻效应和集成电路技术 1. 压阻效应 单晶硅材料在受到力的作用后，其电阻率将随
作用力而变化，这种物理现象称为压阻效应。
半导体材料电阻的变化率ΔR／R主要由△ρ／ρ
引起，即取决于半导体材料的压阻效应，所以 可以用下式表示