第3章压力检测与仪表

电气式压力检测方法一般是用压力敏感 元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量 的变化。能实现这种压力-电量转换的压敏元 件有：压电材料、应变片和压阻元件。
一、霍尔压力传感器
霍尔压力传感器属于位移式压力(差压)传感 器。它是利用霍尔效应，把压力作用所产生的弹 性元件的位移转变成电势信号，实现压力信号的 远传。
x=pA/C
式中p—为压力，Pa； A—承受压力的有效面积，m2； C—弹性元件的刚度系数。
当弹性元件材料、尺寸等确定后，则弹性 元件产生拉伸或压缩位移x与被测压力p成正比， 这就是弹性式压力表的测量原理。
弹性元件结构和特点
二、弹性式压力计
(一)弹簧管压力计
弹簧管压力表在 弹性式压力表中更是 历史悠久，应用广泛。 2a 弹簧管压力表中压力 2b 敏感元件是弹簧管。 弹簧管的横截面呈非 圆形(椭圆形或扁形)， 弯成圆弧形的空心管 子，如图所示。
B′
O r
R
B
A
p
弹簧管压力表
刻度盘 游丝
中心齿轮 弹簧管
指针 扇形齿轮
接头
螺旋弹簧管、盘簧管
拉杆 调整螺钉
(二)波纹管差压计
波纹管的特点是灵敏度高(特别是在低 压)，但是迟滞误差较大，波纹管压力表的测 量范围较小，一般为0～0.4MPa，仪表的准确 度等级为1.5～2.5级。Βιβλιοθήκη Baidu
波纹管
双波纹管差压表
第二节 弹性式压力计
用弹性传感器(又称弹性元件)组成的 压力测量仪表称为弹性式压力计。弹性元 件受压后产生的形变输出(力或位移)，可 以通过传动机构直接带动指针指示压力(或 压差)，也可以通过某种电气元件组成变送 器，实现压力(或压差)信号的远传。
一、 测量原理
当弹性元件在轴向受到外力作用 时，就会 产生拉伸或压缩位移x，即
当硅片受压后，膜片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：
ΔR/R=Keσ 式中 Ke为压阻系数；σ为应力。扩散电阻的灵敏 系数是金属应变片的50~100倍。
压阻式压力传感器结构示意图
1-单晶硅平膜片；2-低压腔；3-高压腔； 4-硅杯；5-引线
第四节 真空计
真空计是检测真空度的仪表。
(二)仪表精度的选择
压力检测仪表的精度主要根据生产允许的 最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最 大绝对误差应小于仪表的基本误差。
(三)仪表类型的选择
(1)从被测介质压力大小来考虑：稳定、波动； (2)被测介质的性质：如腐蚀性、温度、黏度、易
燃易爆等； (3)对仪表输出信号的要求：直接显示或远传、记
C=εS/d
只要保持上式中任何两个参数为常数，电
容就是另一个参数的函数。故电容变换器有变间
隙式、变面积式和变介电常数式三种。电容式压
力(差压)传感器器常采用变间隙式。
S
d
ε
转换放大单元
I0
P1
填充液 (硅油)
固定电极
P2
可动电极
隔离膜片
电容式压力传感器结构与检测原理图
测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等。 测量原理：将被测压力的变化转换成电容量的变化；
P 1 i S ie
式中P—真空度，Pa；i+—离子电流，μA； ie—发射电流，mA；S—规管常数。
由于有灼热的灯丝，在气压较高 时会吸收气体，影响被测真空度，但在 0.1333～1.333μPa(即10-3～10-8mmHg)的 范围内能进行准确的测量。
可用热电偶式真空计与电离式真空计组装成复合真空计。
(一)霍尔效应
把半导体单晶薄片(霍尔片)置于磁场B中， 当在晶片的y轴方向上通以一定大小的电流I时， 在晶片的x轴方向的两个端面上将出现电势，这 种现象称霍尔效应，所产生的电势称为霍尔电势 UH。
霍尔电势UH与电流I以及磁场强度B的关系 如下：
UH=RHIB 式中RH为霍尔系数，与霍尔片材料、结构尺寸 有关。改变磁场强度B或电流I都可使UH发生变 化。
压电式压力传感器结构示意图
1－绝缘体；2－压电元件； 3－壳体；4－膜片
四、应变式压力检测
应变式压力传感器是基于应变效应工作的 一种压力敏感元件。
应变效应：当金属导体受力(拉伸或压缩)， 导体的几何尺寸及其电阻率都会发生变化，从而 引起电阻值的相对变化，且阻值变化与应变成正 比。
(一)测量原理
特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作 可靠，线性度好，频率响应高，量程范围广。
压电效应
压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作 用时而发生变形，并在其表面上产生电荷；而且 在去掉外力后，它们又重新回到原来的不带电状 态，这种现象就称为压电效应。
在弹性范围内其产生的电荷量与作用力之 间呈线性关系：
q＝k·S·p 式中q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p 为被测压力。
再将电容的变化通过电容/电流转换电路，即可得 到与压力成正比的4~20mADC输出信号。
电容式压力变送器的压力-电容转换关系
(1)压差ΔP与移动距离Δd 近似线性关系：
Δd=K1ΔP
(K1-比例系数)
(2) ΔP使一个平板电容器的极板间距增加，变为
d1=d0+Δd；另一个电容器的间距减少至d2=d0－ Δd。电容量分别为：
第三章 压力检测与仪表
压力(真空度)是工业生产过程中一种常 见而又重要的检测参数，正确的检测和控制 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。 此外，生产过程的一些其它参数，如物位、 流量等也可以通过测量压力或差压的测量而 获得。
第一节概述
一、压力定义与单位
垂直作用在单位面积上的力称压力。 在国际单位制(SI)和我国法定计量单位中， 压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为 “Pa”。 由于历史原因，其它一些压力单位还在使 用，表3-1给出了各种压力单位之间的换算关系。
另一组是热电偶的热电极， 其工作端焊在加热丝上，用来测量 加热丝表面温度的变化，一般用镍 铬—康铜热电偶。
可以测量气体和蒸汽的压强， 测量上限通常为13.33mPa(即10－4 mmHg)。
三、电离式真空计
在一定条件下，电子在单位距离上所形 成的离子数，正比于气体的压强：
1-灯丝;2-阴极; 3-加速极;4-收集极
第五节压力检测仪表的选用
一、压力计的选择
选择压力仪表应根据被测压力的种类(压力、 负压或压差)、被测介质性质、用途(标准、指示、 记录和远传等)以及生产过程所提的技术要求， 同时应本着既满足测量准确度、又经济的原则， 合理地选择压力仪表的型号、量程和精度等。
(一)仪表量程的选择
选择原则：安全、可靠：
录、报警等； (4)使用的环境：爆炸性、高温、低温场所。
二、压力计的安装
压力计的安装正确是否，直接影响到测量 结果的正确性与仪表的寿命，一般要注意以下 事项：
(一) 取压点的选择
选择原则：取压点必须真正反映被测介质 的压力，应该取在被测介质流动的直线管道上， 而不应取在管路急弯、阀门、死角、分叉及流 束形成涡流的区域。
(2) 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。
(3) 机械力平衡方法： 将被测压力经变换元件转移成一个集中力，用外力与 之平衡，通过测得平衡时的外力来得到被测压力。
(4)物性测量方法： 基于敏感元件在压力的作用下某些物理特性发生与压 力成确定关系变化的原理。
(1)被测压力较稳定场合：最大工作压力不应超过 仪表满量程的3/4；
(2)被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压 力不应超过仪表满量程的2/3；
(3)为保证测量准确度，最小工作压力不应低于满 量程的1/3；
(4)优先满足最大工作压力条件；
(5)实际量程符合国家标准规定值。我国出厂的压 力(差压)仪表的量程系列：(1.0、1.6、2.5、 4.0、6.0)×10nPa。
VC=πd2H/4 —气体受压缩后的体积，即在测量管上端毛 细管(直径为d)内气体占有的容积，图( b)。
因为VC << V，所以有：
P πd 2 H 2 4V
P与测量管段上的高 度差H的平方成正比。
二、热电偶式真空计
利用发热丝周围气体的导热率与气体的 稀薄程度(真空度)间的关系。
一组是加热丝，一般用铂丝 或钨丝，通入恒定的加热电流；
(三)膜盒压力表
膜盒压力表主要用于测量较低压力或负 压的气体压力，压力测量范围为-20～40kPa， 仪表的准确度等级一般为1.5～2.5级。
金属膜片
膜盒压力表
膜片压力表
第三节 压力(差压)传感器
压力传感器结构型式多种多样，常见的 型式有压电式、压阻式、应变式、电感式、 电容式、霍尔式及振弦式等。
可测量133.3μPa(即10-5mmHg)的真空度,但 不能测量蒸汽的压强。
压缩式真空计检测原理
如图，压缩前、后压强 与体积变化关系为：
PV=(P+H)VC
式中P—气体受压缩前的压强，即被测空间的真空度；
V—气体受压缩前的体积，即测量管的容积，图(a)；
(P+H)—气体受压缩后的压强，H为水银柱的高度差；
由于单晶硅平膜片在微小变形时有良好的 弹性特性，因此常作为弹性元件使用。
它具有精度高、工作可靠、动态响应好、 迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单等特点，可 在恶劣的环境条件下工作，便于实现显示数字化。
压阻效应
当单晶半导体受到应力作用，其载流子的 迁移率发生变化，而改变其电阻率ρ，从而引起 电阻值的相对变化，这种现象称为半导体的压阻 效应。
表3-1 常用压力换算表
二、压力的表示方法
压力有三种表示方法，即绝对压力、表压 力、负压力或真空度，它们的关系如下图所示。
P绝对压力
P表压 P真空度 P绝对压力
大气压力线 绝对压力的零线
绝对压力、表压、负压(真空度)的关系
三、压力检测方法
(1) 弹性力平衡法： 利用弹性元件受压力作用发生弹性形变而产生的弹性 力与被测压力相平衡的原理。
取压点选择
(1)当管路中有突出物体(如测温元件)时， 取压口应取在其前面；
(2)当必须在控制阀门附近取压时，若取 压口在其前，则与阀门距离应不小于 2倍管径，若取压口在其后，则与阀 门距离应不小于3倍管径；
(3)测量流动介质压力时，取压管与流动 方向应垂直；
(4)在测量液体介质的管道上取压时，宜 在水平及其以下45º间取压，可使导 压管内不积存气体；在测量气体介质 的管道上取压时，宜在水平及其以上 45º间取压，可使导压管内不积存液 体，如右图。
霍尔效应原理
(二)霍尔式压力传感器
它由压力-位移转换部分、位移-电势转换部 分和稳压电源等三部分组成。
霍尔片式压力传感器结构原理图 1－弹簧管； 2－磁钢； 3－霍尔片
二、电容式压力传感器
电容式压力传感器是通过弹性膜片位移引
起电容量的变化从而测出压力(或差压)的。平行 极板电容器的电容量C与极板间介质的介电常数 ε 、极板面积S以及极板间距d的关系为：
按真空计刻度方法分类，可分为绝对真空 计和相对真空计。常用的U形管压力计、压缩式 真空计等属于绝对真空计；热传导真空计和电离 式真空计等属于相对真空计。
按真空计测量原理分类，可分为直接测量 真空计和间接测量真空计。
一、压缩式真空计
压缩式真空计的基本形式是麦氏真空规， 它是根据波义耳定律工作的，即在温度不变的条 件下，根据气体压缩前、后的压力与体积的关系 来测量真空度。
R
(二)应变压力传感器及检测电路
应变式压力传感器就是由弹性元件、应变 片以及相应测量电路【通常采用桥式电路】组成， 应变片粘贴在弹性元件上，弹性元件可以是金属 膜片、膜盒、弹簧管及其它弹性体；电路输出电 压的大小，就反应了被测压力的变化。
圆筒形应变压力传感器及应变检测桥路
五、压阻式压力检测
压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力 敏感元件。它实际上就是在半导体材料的基片上 利用集成电路工艺制成的扩散电阻。
C1=K2/(d0+Δd )
C2=K2/(d0-Δd )
(K2-比例系数)
(3) Δd很小，满足d02-Δd 2≈d02 ，则电容的变化量
与压差ΔP成正比：
ΔC=C2-C1=K3ΔP (K3=2K1K2/d02)
三、压电式压力传感器
压电式压力传感器是利用压电材料的压电 效应将被测压力转换为电信号。输出的大小与输 入压力成正比例关系，按压力指示。
受到压力作用后，应变片电阻发生变化：
dR d dl dA d 1 2 dl d 1 2
R l A
l
式中μ为应变材料的泊松比；ε=dl/l为应变。
电阻率ρ的变化与电阻丝体积V的变化成正比：
d
m dV V
m
dA A
dl l
m(1 2)
式中m 为电阻丝材料固有的比例系数。
dR [(1 2) m(1 2)] K