检测技术与仪表第五章 压力检测

S / S
L / L
较大 ，故金属电阻的变 和
S / S 两项引起，这
就是金属应变片的基本工作原理。 半导体电阻的变化率主要是由
/ 引
起的．这就是压阻式传感器的基本工作原理。
2）压阻式传感器的结构
主要优点 •灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十 倍 •横向效应和机械滞后极小 •温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多
Ca
S r 0 S Ca
q
（3）等效电路
当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，
其大小为
q Ua Ca
Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电 容器Ca的串联电路
Ua
（4）压电晶片的连接方式
在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成
压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶
2、仪表精度选择：
根据使用要求及生产过程允许的被测压力的最大绝对误差来
确定，即要求仪表的基本误差应小于被测压力的最大绝对误差， 并在规定的精度等级中确定仪表的精度。
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。 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。
材料应变的测量
3.压阻式传感器
1）压阻效应 半导体材料受到压力作用后，其电阻率发生明显变 化，这种现象称为压阻效应。 当金属或半导体材料受力变形后，其电阻的相对变 化量为
R L S R L S
对金属应变片而言， /
较小，有时可忽 略，
L / L 与
化率主要由
例：一压力容器在正常工作时压力范围为0.4~0.6MPa， 试确定该表的量程和精度等级。
要求使
用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差小于被测压力的5%，
解：由题知被测压力比较稳定，设弹簧管压力表量程为A， 则选择压力表时，应满足以下关系：
2 最大工作压力（ 0.6） A 3 1 最小工作压力（ 0.4） A 3
压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的 进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压 力而与液体相通。
硅油具有良好的化 学稳定性、绝缘性, 疏水性能好。
投入式液位计外形
橡胶 背 压管 压阻式固 态压力传 感器 光柱 显 示器
投入式液位传感器
投入式液位传感器安装
方便，适应于深度为 几米
至 几十米，且混有 大 量
电阻应变片将应变转换为电阻的变化量， 测量电路将电阻的变化再转换为电压或电 流信号，最终实现被测量的测量。
输出电压
R2 R3 R1 R4 Uo Ui ( R1 R2 )(R3 R4 )
时，称为等臂电桥
当 R1 R2 R3 R4 R
1）单臂工作情况
R1 R1 R
污物、杂质的水或其他液
体的液位测量。
四 电气式压力检测仪表
利用敏感元件将被测压力转换成各种电量，如电阻、电感、电容、 电位差等
压电式压力传感器
1. 压电式传感器
压电效应 压电材料 压电材料的极化现象 压电传感器的应用
（1） 压电效应
压电效应演示
有动态力作用时，产生电荷；当动态力变为静态力时，电 荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失；当力的方向改变时 ，电荷的极性随之改变；输出电压的频率与动态力的频率 相同 。
RT —应变片由于环境温度变化而引起的 阻值变化
压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片
隔离、承压膜 片可以将腐蚀性的 气体、液体与硅膜 片 隔离开来。
压阻式固态 压力传感器 内部结构
信号处理电路
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
小型压阻式固态压力传感器
p1进气管
投入式液位计
常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片 等。
丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构。将 一根应变式金属丝（φ0.025mm左右）绕成栅形， 粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构 成。
箔式应变片：利用照相制版或光刻技术，将厚约 为0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅。
（3）测量电路
荷重传感器上 的应变片在重 力作用下产生 变形。轴向变 短，径向变长。
（1）工作原理
金属应变片的电阻R为
R l / A
l
上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数
l dR dl 2 dA d A A A
代入

R l / A
dl dA d dR R R R l A
片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。
Hale Waihona Puke + －+ － － +
q 2q；U U；C 2C
(a) 并联
+
+ － －
1 q q；U 2U；C C 2
(b) 串联
应用
交通监测
将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（ 包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅 、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控 ）及机场滑行道等。
A 0.9MP a A 1.2MP a
因此，可选用量程范围为0~1.0MPa的弹簧压力表。
由题意，被测压力允许的最大绝对误差
max ＜0.4 5%＝0.02 MP a
要求选用仪表的最大引用误差
0.02 max＜ 100 % 2% 1.0 0
按精度等级，可选用1.5级压力表。
有
dR dl dA d R l A
金属丝：
A r
2
dR dl 2dr d R l r
金属丝体积不变：
dr dl r l
有
dR d 2 R
金属丝应变片： 对金属材料，导电率不变：
dR (1 2 ) R
施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场 方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外 电场一致。
外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度 很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性
（3）等效电路
当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出 现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看 成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。
F
F
应变式荷重传感器外形及受力位置
F
F
荷重传感器原理演示
荷重传感器上 的应变片在重 力作用下产生 变形。轴向变 短，径向变长。
汽车衡
汽车衡称重系统
电子秤
远距离 显示 磅秤 超市打印秤
人体秤
吊钩秤
便携式
应变式数显扭矩扳手
可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械 制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的 装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量≤10mA， 有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等 功能。
注意：在计算Δ max时，不应取0.6。因为若取0.6，有：
max ＜0.6 5%＝0.03MP a
0.03 max＜ 100 % 3% 1.0 0
按精度等级，应选用2.5级压力表。 此时，若被测压力为0.4MPa，根据题意要求， 测量误差应小于：
0.4 5% 2%
二、平衡法测压力仪表
1、液柱式压力检测 根据流体静力学原理，把被测压力转 换成液柱高度来实现测量
U型压力计
U形管压力计
△P=P1－P2
=ρg(h1+h2)
提高工作液密度将 提高工作液密度， 灵敏度？测量范围？ 增加压力的测量范 围，但灵敏度要降 低。
(1) U形管压力计 (2)单管压力计 (3)斜管压力计
（2）测量原理 应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体 表面或者直接将应变片粘贴于被测试件上。 弹性体或试件的变形通过基底和粘结剂传 递给敏感栅，其电阻值发生相应的变化， 通过转换电路转换为电压或电流的变化， 即可测量应变。若通过弹性体或试件把位 移、力、力矩、加速度、压力等物理量转 换成应变，则可测量上述各量，而做成各 种应变式传感器。
3）压阻式传感器的测量电路
半导体应变片的测量电路和金属应变片的测量电路类似， 均常用电桥电路，组成全桥电路的灵敏度最大。电桥的 供电电源可采用恒流源，也可采用恒压源，当采用恒压 源时，考虑到环境温度变化的影响，其关系为
UR U0 R RT
U — 电桥供电电压 R — 应变片阻值
R —应变片阻值变化
- 2R R Uo Ui 2R 2R
3）全桥工作情况
R1 R2 R3 R4 R
输出电压
Uo ( R2 R)(R3 R) ( R1 R)(R4 R) Ui ( R1 R2 )(R3 R4 )
Uo
- 4R R Ui 2R 2R
Ui 5V
R2 R3 R1R4 Uo U i 0.18V ( R1 R2 )(R3 R4 ) U i R Uo 0.19V 4 R
2）半桥工作情况
R1 R2 R
输出电压 U o
( R2 R) R3 ( R1 R) R4 Ui ( R1 R2 )(R3 R4 ) Uo Ui R 2 R
第五章 压力的测量
一、 压力的基本概念
压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一， 正确地测量和控制压力是保证工业生产过程良 好地运行，达到高产优质低耗及安全生产的重 要环节。
第五章 压力的测量
1. 压力的定义 压力是垂直而均匀地作用在单位面 积上的力，即物理学中常称的压强。工程上， 习惯把压强称为压力。由此定义，压力可表 示为: