第二章压力检测仪表

3.压力的表示方法(1)绝对压力介质的真实压力。

(2)表压力：P = P-P°(3)负压力：PIT 压力仪表指示的压力均为表压力。

2.1.2压力测量仪表的分类(1)液柱式压力计P=Hpg(2)弹性式压力计(3)活塞式压力计(4)电测式压力计2.2弹性式压力计特点：结构简单、价格低廉、使用方便、测量范围宽，附加电气变换、控制装置，可实现压力远传、报警、控制等。

2. 2. 1弹性元件弹性元件：压力作用下产生弹性变形，是弹性式压力计的测压敏感元件。

常用弹性压力计弹性元件：(bl多團蝉邃3波级膛（1）弹簧管结构简单，测量范围很广，最高可达109Pa o（2）波纹管刚度小、位移量大，灵敏度高，用来测量较低的压力。

（3）膜片膜盒膜片刚度大、位移量小，灵敏度低。

弹性元件的材料:有金属（铜基、铁基、银基、锯基弹性合金合金）、石英、陶瓷和硅材料等。

弹性元件的基本特性：刚度：产生单位位移所需要的压力。

弹性滞后：是指弹性材料在加载、卸载的正反行程中，相同压力下变形不同，位移曲线是不重合的。

弹性后效：是指载荷在停止变化之后，弹性元件在一段时间之内还会继续产生类似蠕动的位移。

温度系数：温度改变1度引起的刚度的变化。

r<r<1. 弹簧管测压原理被测压力P 作用于弹簧管内腔后，其截面变形-变园。

但是，弹簧管弧长 度拉伸变形可以忽略不计，弹簧管微元截面绕管轴心逆时针方向转动。

所有弹簧管截面微元变形累积的结果，使整个弹簧管中心角减小，弹簧 管产生向外挺直的扩张变形，自由端向右上方位移。

“、E 一一弹簧管材料的泊松系数和弹性模量；R ——弹簧管圆弧外半径；3、b 弹簧管截面长半轴、短半轴；h ——弹簧管的壁厚；k ——弹簧管的几何参数，仅p ——系数；k ——与弹簧管结构、尺寸、材料有关的常数。

图23弹簧管的测压原理 9弓諾? ・y ・P = K ・P结论(1)弹簧管变形与弹簧管结构及尺寸有关。

(2)弹簧管变形与弹簧管材料性能有关。

(3)弹簧管变形与被测压力P成正比。

2.弹簧管的结构和材料弹簧管的截面形状：有扁圆形、椭圆形、D型、双零形、8字形。

弹簧管的材料：磷锡青铜(QSn4・0.3)、弹簧铜(50CrVA)；不锈钢(1Cr18Ni9Ti)或恒弹性合金钢(N42CrTi,Ni42Cr6Ti)。

图2.4常见弹簧管截面形状3. 弹簧管压力表的组成原理传动放大机构（包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮 以及外壳等几部分组成。

工作原理：被测压力由接头9通入弹簧管 内腔，使弹簧管1产生弹性变形，自由端B 向 右上方位移。

通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时 针偏转，进而带动中心齿轮4作顺时针偏转， 于是固定在中心齿轮上的指针5也作顺时针偏此弹簧管压力表的刻度标尺是均匀的。

量程调整：改变调整螺钉8在扇形齿轮的数，实现压力表量程的调整。

变差校正：游丝7始终给中心齿轮施加一个微小的力矩，使中心齿轮和扇形齿轮始终 有一弹簧管压力表结构：由弹簧管、 等）、指示装置（指针和表盘） 转，从而指出被测压力的数值。

由于自由端B的位移量与被测压力之间成正比例关系，因槽孔中位置，以改变传动放大机构的放大倍图25弹簧管压力表结构侧齿面啮合，以克服齿轮传动啮合间隙而产生的仪表变差。

4.弹簧管压力表的形式（1）按弹簧管结构分：有单圈弹簧管压力表、多圈弹簧管压力表。

（2）按测量精度分：有工业用压力表（0.5级以下）、校验用精密压力表。

（3）按其用途分：有耐腐蚀压力表、耐震压力表、隔膜压力表，氧气压力表、氨用压力表等。

弹簧管压力表的外形：径向、轴向、直接安装式、凸装式、嵌装式。

图26弹簧管压力表的形式（a）径向无边（b）径向后边（c）径向前边（d）轴向无边（e）轴向前边⑴隔膜式压力表公称直径（040、060、300、350、0250）。

压力计的测量范围：常用的有0〜1.0、1.6、25、4.0、6.0X10n系列。

精度等级：4.0、25、1.5、1.0、0.5、0.4、0.25、02 0.1 级等。

Y100(«)V100T(b)Y100Q Y100 Z YLOO ZQ YP100(02. 2. 3电接点压力表作用：压力越限报警、控制。

结构：在普通弹簧管压力表上附加触点机构而成。

原理：当压力超过上限设定值时，动触点B和静触点A接触，红色信号灯LH的电路被接通，使红灯点亮。

若压力低到下限设定值时，动触点B与静触点C接触，绿色信号灯LL的电路接通，绿灯亮，依此警示压力超限。

而当压力回到上（下）限以内时，静触点被上（下）限指针1、3挡住，动、静触点脱离接触，信号灯均不亮。

图2.7电接点信号压力表2.3霍尔式压力计组成：由霍尔式压力传感器和显示仪组成。

2. 3.1霍尔效应霍尔元件：是置于磁场中的一半导体材料片。

原理：磁场中的霍尔元件在丫向通入恒定电流自由电子受洛伦磁力砒作用发生偏移，霍尔片・x 方向端面上有电子积累，+x方向端面上正电荷过剩，产生电位差E, 即“霍尔电势”图28霍耳效应原理2.3.2霍尔片式压力传感器霍尔式弹簧管压力传感器结构：两个完全相同的磁铁相对安装，磁钢两 对极靴形状特殊，使磁极间形成的磁场成线性分布，两侧方向相反。

原理：当被测压力为零时，霍尔片处 于极靴中央位置，左右两半磁场方向相 反、互相对称，霍尔片总电势之和为零。

当被测压力大于零时，弹簧管带动霍 尔片左移，霍尔片总电势大于零。

当输 入压力是负压时，霍尔元件向右移动， 霍尔电势为负。

并且压力越大，霍尔片 偏移越大，输出电势也越大。

此霍尔电势与被测压力成比例。

利用该电势即可 实现庄力信号的远传。

图2.9 YSH-3型霍尔片式压力传感器 (a)传感器结构 (b)非均匀磁场2.4电感式压力计2. 4.1差动变差器差动变压器的结构：次级线圈由两个完全对称的线圈/_21、L22反相串接。

铁芯的位置，影响次级线圈的磁耦合，使线圈L R、“2上的磁通及感应电势发生变化，其输出电压U随之改变。

图2.10差动变压器u=-ja){M2X/(a)结构(b)等效电路(c)输入输出关系当铁芯在中间位置时，由于两个次级线圈的参数和磁路尺寸相等，则Af2l=M22=M ,输岀电压；当铁芯偏离中间位置向上位移时，磁耦合加强，互感增加；02磁耦合减弱，互感减小。

u = —2j3NMi\其输出电压有效值U=2a)AMI i = K x Sx2. 4・2电感式压力传感器1、膜盒电感式远传微压力计结构：膜盒、差动变压器。

原理：当被测压力P增加时，膜盒产生变形，产生轴向位移，带动铁芯在差动变压器线圈中移动，从而使差动变压器产生正比于被测压力的电压输岀。

图211电感式远传微压计2、电感式差压传感器组成：三阀组、膜片、差动变压器。

原理：当P1、P2分别进入高、低压室时，推动膜片向低压侧移动。

通过连杆带动铁芯右移，差动变压器有电压信号输出，此输岀电压的大小与所测的差压成比例关系。

单向受压保护：当差压太大或单向受压时，保护挡板压紧在保护环上，封闭高低、压室，利用工作液的不可压缩性, 防止膜片继续变形损坏。

图2.12 CPC型差压计结构图1 •高压导管；2•低压导管；3■盖板；4•罩壳；5■紧固螺母；6■绕组：7•弹簧：&导管螺母；9、10•密封垫圈:；11-膜片:12-高压室；13■保护环:14-正压保护挡板:15-负压保护挡板:16-基座:17-低压室；导管；19■连杆;20•铁芯;21 •调节螺母;22•低压阀；23■平衡阀；24•高压阀2.5应变式压力计2. 5.1 应变效应应变：压力作用下产生的相对变形。

应变效应：导体产生机械变形时，电阻发生变化的现象。

设应变片电阻丝在未受力时，原始电阻为R = p^A 当电阻丝受到轴向拉力作用变形时竺=空 + 些_空 A = ^rr2 ^1 = 2 —R p L A A r di? _ dp dL dr---- = -------- I —L —R p L rZ = £为电阻丝的轴向应变; t = J为电阻丝的径向应变。

等7+2心+乡根据材料力学原理(1 + 2〃)£项是由于材料变形产生的电阻变化，为电阻的几何效应。

仏项是由于材料电阻率P改变引起的电阻变化，称为压阻效应。

P对于金属材料，虫VV1dR厶小、T7——«(1 + 2“)£ = KeRK为其灵敏度系数。

K=1.7〜3・6之间。

对于半导体材料，号>>(1 + 2心dR dp「卩“—————=E兀］£ = KeR P街为纵向压阻系数，E为材料弹性模量。

常用硅、错半导体材料,K=100~170o2.5.2应变片1、金属应变片引基底金厲丝（a）生式应变片（1）丝式应变片：由称为敏感栅、绝缘基底、引线、保护膜等组成。

（2）箔式应变片：用金属箔经光刻、腐蚀制成。

2.半导体应变片（1）体型半导体应变片：将半导体材料切割成小片，压焊引线后制成。

（2）薄膜型半导体应变片：利用真空蒸镀技术将半导体材料沉积在基片上制成。

（3）扩散型半导体应变片：将P型杂质扩散到不导电的N型单晶硅基片上, 形成一层导电的P型扩散硅扩散电阻。

V"//〃/人&/77A1(b)薄膜型半导体应变片812.14半导体电阻应变片图2.15电桥电路(c)扩散硅半导体应变片(a)体型半导体应变片7 8 910R 1只3=只2只4时'电桥平衡，输出电压=0o(1)等臂电桥：R [=R3=R F R4=R应变片电阻尺4变化△尺，2R»AR 时(2)等臂电桥四个桥臂均为应变电阻时4E2 2R + NR 4 RVK E42. 5.3应变电阻测量桥路电桥输出开路时输出电压为 V = E RgRR、 S (& +«4)(/?2 +O (AR. AR 2 AR. AR 4)L R\ 尺2 尺3 Rq 丿=・ K(_£] + 勺-巧 + K)、膜片式应变压力传感器原理：膜片各处产生的径向应变纣在中心区域为正向应变（拉伸），在边缘区域为负向应变（压缩）。

R2> R4贴在膜片的正应变区, 压力作用下电阻增加；冃、R3贴在膜片的负应变区，压力作用下电阻减小。

在测量桥路上，同区电阻置于电桥的相对桥臂上。

这样可以得到最大的差动灵敏度，并且具有温度补偿特性。

4 I 尺R?尺3 Rq图216膜片式应变压力传感器（b）应变片布置；（c）膜片应变.工作原理与结构压力传感器敏感元件-“硅杯”底部形成膜片，制成四个扩散电阻构成桥式测量电路。

使禺和尽布置在压应力区，压力作用下电阻减小；兄和凤布置在拉应力区, 压力作用下电阻增加。

图219压阻式压力传感器图2.20硅膜片电阻及应力分布组成：半导体硅杯、电桥检测电路、信号放大电路和标准电流输出电路。