第3章 压力和差压测量

一轴向受外力作用时，原子点阵排列规律发生变化，导致载流 子迁移率及密度的变化，从而引起电阻率的变化。
结构：用集成工艺直接在硅平膜片上按照一定晶向制成扩
散压敏电阻。
工作原理：硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性，当
硅片受压后，它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：
其中，πe为压阻系数，σ为应力。
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三、应变式压力传感器
组成：应变元件 + 弹性元件 应变元件的工作原理：导体和半导体的应变效应。
应变效应：即导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻
值将发生变化。 实际的电阻应变片通常是一根电阻丝被弯曲而并行地排成栅 形，贴在基板上成为电阻栅。
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应变元件与弹性元件的装配：
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霍尔元件式 原理： 基于半导体材料的霍尔效应，将自由端的位
移通过霍尔元件转换成电压信号输出。
霍尔效应：
B 控制电流I
- + 霍尔电势VH -+
VH KH IB
霍尔效应原理图
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霍尔元件图
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S N
局部放
大图见
右图
霍尔元件输出的电势对应于自由端位 移，给出被测压力值。
pF S
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2. 压力的表示方法
由于参照点不同，在工程上有几种不同表示方法：
(1)绝对压力(pi) :被测介质作用在容器表面积上的全部压力 (2)大气压力(pd):由于地球表面空气柱重量形成的压力，随地
理纬度、海拔高度及气象条件而变化
(3)表压力(pb): pb= pi-pd，压力测量仪表的指示值 (4)真空度(负压，pz)：绝对压力小于大气压力时，表压力为负
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工作过程
差压信号
低压波纹管自由 端带动连杆右移
芯轴逆 扭力管逆 挡板推 时针转 时针偏转 动摆杆
显示 机构
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自动检测技术及仪表控制系统
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压力传感器的外形及内部结构
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四.弹性测压计信号的远传方式
采用电远传方式
在测压点附近的压力敏感件上面，附带有将位移变换为输 出电信号的装置，通过电信号的传输，将压力指示和记录下来。
三、斜管压力计
1. 结构：将单管压力计的玻璃管制成斜管
2. 表压： p=Lgsin
3. 特点：灵敏度高，误差较单管压力计小
四、液柱测压中应考虑的问题
1、误差
a）主要的测量误差是读数误差。 直接读：1mm左右，光学放大镜辅助读： 0.05mm左右 b）其它影响测量结果的因素： ①充液密度（如充液不纯，实际密度与理论密度不符） ②标尺刻度误差 ③毛细管的吸附作用（对微压有影响） ④使用的地点及环境温度影响等（地点影响g，温度易影响工
pF S
国际单位制中，
力F的单位——牛顿(N)，
面积S的单位——米2 (m2) ，
压力p单位——牛顿/米2(N/m2)
常用单位：
帕斯卡或帕(Pa)（1Pa＝1N/m2）、工程大气压 (kgf/cm2)、毫米水柱(mmH2O)、毫米汞柱 (mmHg)
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二、压力检测的常用方法 1.重力平衡法
水
3）水读凹部
3.3 弹性元件及弹性压力表
利用弹性元件受压变形的原理。
弹性压力表组成：
被测 压力
弹性元件
变换放大 机构
指示机构
感受压力，产生 变形(核心部分)
将弹性元件 的变形进行 变换和放大
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调整机构
调整仪表的 零点和量程
用指针或刻 度尺给出压
力示值
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一、测压弹性元件
原理：被测压力作用于弹性元件时，弹性元件产生 变形，即弹性元件将压力转换成位移。
采用粘贴式或非粘贴式，在弹性元件受力变形时，应变元件也 发生形变，其电阻值将有相应的改变。
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。
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测量方法：
R1, R2是静态特性相同的应变元件，粘贴在弹性元件的适当位 置上， R3, R4是另一对电阻，分别接入电桥的4个臂，则电桥的 输出信号可以反映被测压力的大小。
pp00
而未接被测压力时，U型管两边
管内的液面高度相等。
b）当将U型管的一端接入被测
压力p1后，如果p1大于p0，则U型 管两边管内的液面就会产生高度
差，这个液柱的高度差就反映了
U型管两端所受压力的差值。
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被测压力用表压p=p1-pd表达，则有：
h
1
g
( p1
pd )
1
g
p
由于一旦U型管内的充入介质确定，则 、g均为
原理： 基于重力平衡原理。将被测压力转换为液柱高 度或平衡重物的重量来测量。
特点：
如液柱式压力计、活塞式压力计。
(1) 适用于测量正压、负压和绝对压力，测压上限高，用作校
验仪表；
(2) 测量范围宽，如单活塞压力计测量范围达0.04～2500MPa、
精度高(± 0.01%)、性能稳定可靠;
(3) 结构复杂，成本较高。
作液体的胀、缩而致使h变化），必要时应作修正。 ⑤应垂直安装，否则引入附加误差。
2、正确选择充液介质
①测低压充低密度介质（可使h大）
②测高压充高密度介质（否则冒顶）
③要避免充液与被测介质有化学反应
3、常用的标尺材料：
玻璃、钢、铜
4、读数的位置（见右图）
读数
读数
1）眼与液柱面水平 2）水银柱读凸部
水银
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四、电容式压力传感器
测量原理：将弹性元件的位移转换为电容量的变化。
平行板电容器的电容量： C A
d
ε为电容极板间介质的介电常数；A为两平行板相对面积；d 为两平行板间距。
实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变 A
或 d 一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。故有 变极距式电容压力传感器和变面积式电容压力传感器。
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当受到外界作用，使中间的活动电极板产生一个微小的位移 后，如图 (b)所示。
≈
由上式可知，差动平板电容器的电容变化量与活动电极的位 移成正比。而且当位移较小时，近似满足线性关系。电容式 压力变送器正是基于这一工作原理而设计的。
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结构：
变极距式
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常数。所以h可以直接反映被测压力p的大小，此 即为U型管测压的基本原理。
应用范围: 适用于低压、负压和压力差，读数误差可达1mm， 测低压相对误差较大。
二、单管压力计
1. 原理：同U型管压力计 2. 结构：杯径较管径大得多 3. 特点：由于杯径>>管径，所以 h1>>h2 , 则hh1,即：杯内的液位变化 可忽略不计。一次性读数，使用方便。 而U型管压力计要两次读数。 4. 应用范围：测量低压、负压和差压 5. 读数误差：0.5mm，较U型管好，
常用的转换方式： 电位器式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式。
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电位器式
原理： 弹性元件的输出位移变为电位器滑 动触点的位移，被测压力的变化就 转换成电位器阻值的变化。 将电位器与其它电阻组成一个电桥，当电位器阻值 变化时，电桥输出电压就变化。
特点： 简单、线性输出较好，但滑线电位器易磨损腐蚀， 结构可靠性较差。
特点：结构简单、灵敏度高，寿命长。对外部磁场敏 感，耐振性差。
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3.4 压阻、压电式压力计
压力传感器：能够检测压力值并能提供远传信号的
装置。 结构形式：压阻式、压电式、应变式、电容式、光电 式、光纤式等许多种。
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二、压阻式压力传感器
原理：基于半导体材料的“压阻效应”——当半导体的某
变化，而且内部极化，表面上还会有电荷出现，形成电场；
当外力去除后，材料回复到原来的状态的现象。
在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间呈现线
性关系：
Q=kSp (kF)
式中， Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积； p为压力。
工作原理：压电材料（石英、压电陶瓷、钛酸钡）的压电
效应将被测压力转换为电信号。 动态压力检测中常用传感器，不适宜测量缓变化的压力和静 态压力。
第3章压力和差压测量
3.1 压力和差压的基本概念 3.2 液柱式压力计 3.3 弹性元件及弹性压力表 3.4 压阻、压电式压力计 3.5 压力计的选择、安装和校准
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3.1 压力和差压的基本概念
一、基本概念 1.压力的定义
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。
值，其绝对值为真空度。即：pz=pd–pi (5)差压(压差)：任意两处压力之差
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各种压力表示法之间的关系：
pb= pi-pd
绝对压力1
表压力
差压
pz=pd–pi
大气压力 负压力(真空度)
绝对压力3 绝对压力2
绝对零压力
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3. 压力的计量单位
压力是力和面积的导出量。
变面积式
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★ 差压---膜片位移转换
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★ 差动电容式变送器的基本原理图
分类:
应变式、压电式、电容式压力传感器等
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4.机械力平衡法
原理：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，通过测量外力得到被测压力。
特点：
(1) 多用于电动和气动组合仪表中； (2) 可达较高的精度； (3) 结构复杂，成本较高。
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3.2 液柱式压力计
1. 常用弹性元件：弹簧管、弹性膜片、波纹管 弹簧管 弹性特性是自由端的位移量与所加压力的关系。
单圈弹簧管
多圈弹簧管
可测量正、 负压，但一 般不测差压
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当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮 转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。
弹簧管放大图
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根据流体静力学原理，流体内的某一点的静压力， 由这一点的高度、流体的密度和外加压力决定。
p = gh+pd
一般是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的，其结构形式如图所示。
一、U型管压力计
一般常由一支U型玻璃管构成。 充液介质：水银、水、酒精等
a）在U型管两端同时通大气，
p1 p0
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2.弹性力平衡法
原理：利用弹性元件弹性变形的特性，变形产生的弹 性力与被测压力相平衡，测变形即可知压力。 如弹簧管式压力计、波纹管差压计等。
特点：
(1) 可测压力、负压、绝对压力和压差； (2) 类型多，应用广。
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3.物性测量法
原理: 在压力作用下，测压元件的某些物理特性会发 生与压力成确定关系的变化。被测压力直接转 换为各种电参量测量。
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结构：
•电荷量经放大可转为电压或电流输出。 •测量一般配有电荷放大器，以增加输出。 •可通过更改压电元件改变测量范围。 •可以通过叠加压电元件以提高灵敏度。
特点:可作动态测量，不适合于静压力和慢变化的压力的测
量,体积小，结构简单，工作可靠；频率响应高，不需外加电源； 测量范围宽，可测100MPa以下的压力；测量精度较高。
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测量电路-电桥：
IS
R1
R3
R2
R4
特点:灵敏度高，频率响应高；结构比较简单，可小型化；可
用于静、动态压力测量；应用广泛，测量范围宽，可测低至 10Pa的微压到高至60MPa的高压；精度高±0.2%～±0.02%。
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二、压电式压力传感器
压电效应：压电材料受到外力作用时，不仅几何尺寸发生
近年来随着新材料的出现和发展，半导体硅材料得 到了更多的应用。
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二、弹簧管压力计（波登管）
结构 工作过程
消除两啮合齿轮间 隙，减小仪表变差
调整仪表机械零点
被测 压力
改变机械传动的放大 系数，调整仪表量程
接头 自由端 拉杆 扇形齿轮
指示压力 指针偏转 中心齿轮
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弹性膜片 弹性特性是中心位移与压力的关系。
平膜片
波纹膜片
挠性膜片
测力弹簧
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波纹管
弹性特性是封闭端位移与压力的关系。
注意
（1）使用应在线性段，可内加螺旋弹簧改善特性 （2）用波纹管作弹性元件的压力计，一般用于测量 较低压力或压差。
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2. 材料
弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢 等，不同的材料适用于不同的测压范围和被测介质。
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特点 优点： 结构简单，使用方便，价格低；测压范围宽，可测 量负压、微压、低压、中压和高压，应用广泛；精 确度可达±0.1级。
缺点： 只能就地指示，是现场直读式仪表。
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三、波纹管差压计
结构
测量机构：波纹管(1、 10)、量程弹簧组(11) 和扭力管(6)等
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