《压力测量》PPT课件

u KE
3.4.3. 电感式压力传感器 1、结构和工作原理
LW2 RM
RM RF Rg
li 2δ μi Si μ0 S
RF Rg L W 2 μ0 S
2δ
2．自感式压力传感器
按照传感器敏感元件结构形式的不同，可分 为变气隙、变截面和螺管式三种，其中螺管式量 程最大，虽然灵敏度低，但结构简单、便于制作， 因而应用比较广泛。下面以螺管式压差传感器为 例，简要介绍自感式压力传感器的工作原理。螺 管式压差测量原理结构如图
第三章 压力测量及仪表
学习要求 掌握流体稳态压力测量的基本原理、
弹性压力计的测压原理，几种压力信号变送 方法;电容式压力变送器的特点、结构原理、 调整及使用方法，智能型压力变送器 。
3.1 压力的概念及单位
一、压力的定义
1 、法向压力
p lim (dF / dA) dA0
而静止流体中某点压力与在该点所取的面方向 无关，即某点各方向上的压力相等。 (各向同性, 静压)
3．电气式压力测量:利用敏感元件将被测压力直接转换 成各种电参量进行测量，例如电阻、电容、电流及电压等。
4．活塞式压力测量:根据液压机械中液体传递压力的原 理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的重力进 行测量。它被普遍用作标准仪器对其它压力测量仪表进行 检定，例如压力校验台等。
3.2.液柱式压力计
D 31.6d,误差 0.1%
问题：与直管式 比较，斜管式微 压计的优点是什 么？
p
p
pamb
g (h1
h2
)
h1
l sin , h2
l
A1 A2
p
p
pamb
glsin
A1 A2
lK
零平衡微压计 （补偿微压计）
图3-5 零平衡微压计结构示意图 量程有0~120，0~150，0~250mmH2O三种，基本精度为 ±0.12mmH2O，若是标准压力计，基本精度为±0.06mmH2O。
3.3 弹性式压力计
利用材料在弹性范围内变形与外力为线性关系的 原理，制成不同形式及满足不同要求的压力计。
0.1103 MPa
F Apx
F Kx
x
F K
A K
px
一、弹性元件
弹性膜片（膜盒）
波纹管
弹簧管
Δ
P1 2
E
•
R2 bh
1
b2 a2
K
2
μ、Ｅ——弹簧管的泊松系数和弹性模量
h ——弹簧管的壁厚
2 、基本原理：
• 应变片
dR dL RL
dR K
R
K —应变片的灵敏系数
应用电桥电路，将微小的电阻变化转换为电压或 电流的变化，通过放大进行测量，由测得的应变 推算出应力值。
R ρ l A
全微分
相对变化量 dR dρ dl dA R ρl A
dA 2rdr dr
A
r 2
2 r
dr μ dl
六、应变测量中的电桥电路
• 将应变片作为 R1 接在电路中，调整 其他电阻阻值，使电桥平衡。
•当应变片阻值变化时，电桥失衡。输
出 u
I1
E R1 R2
I2
E R3 R4
电桥平衡条件
EBD I1R1 I2 R3
R1R4 R2 R3
R1 R2 R3 R4
0
R1R4 R2 R3
R1
u
u
当
d 30% d
输出的非线性失真不超过1 %,
灵敏度提高一倍!
(2) 改变两极板间有效工作面积
当极板受被测机械量作用移动 X后，两极板间电容 量的变化为:
C C C0 ?
ba X ba
d
d
bX
d
K C b
X d
(3) 改变介电常数 两极板的宽度为d
C ? L1
介电常数：空气１.00054，硅油2.7,水80,陶瓷103～４
4．弹簧管压力计
弹簧管压力计主要 由感压元件弹簧管、 齿轮机械传动放大 机构、指针标尺等 部分构成 ，弹簧管 压力计分为普通型 压力计、精密压力 计、密封型压力计、 充油型压力计、差 压计、双针型压力 计等。
5 、电接点压力计
• 电接点压力计测量工作原 理和弹簧压力计相同。
• 报警信号可以显示、连接 继电器联锁，但不能远距 离 传送。
u0 C f 反馈电容
••
Q Qc Q f
Q f C f ui u0
u0 Kui
Q uiC (ui u0 )
C
C K
f
Cf
u0
K 105
u0
Q Cf
活塞式压电压力传感器
3.4.6 压阻式压力传测量
1.基本原理:材 料的电阻 值随压力 变化而变 化。如:半 导体、铂 、锰、康 铜和钨等 材料。
2、压电式压力传感 器结构
感压弹性膜片、支持片、压电 晶体及引出线、绝缘套管等组 成。
3 、压电式压力传感器测量电路
外电路负载无穷大 输出电荷的充要条件：
内部无漏电 电压放大器或电荷放大器电路
什么是电荷放大器？ 一种具有电容负反馈的输 入阻抗非常高的高增益运 算放大器
Cf
•
Q～ C
•K
ui
• C C pz Ccab Ca
2、膜盒式压力计 膜盒压力表的弹性感压元件为膜盒，适用于测量空气或 其他无腐蚀性气体的微压或负压。例如电厂锅炉风烟系统 中风、烟压力测量及锅炉炉膛负压等参数的测量。
膜盒式压力计的测量范围为150~40000Pa，精度一般 为2.5级，较高的可达1.5级。
3．波纹管压力计
双波纹管差压表就是一 种机械位移变换就地显 示压差的波纹管压力计， 它主要作为流量和水位 等测量的中间变换或显 示仪表。由于波纹管在 轴向容易变形，所以灵 敏度较高，在测量低压 时它比弹簧管和膜片灵 敏得多。其缺点是迟滞 值太大
图3-30 压磁式压力传感器结构示意图 1—外壳 2—弹性膜 3—线圈 4—铁芯
3.4.8 霍尔效应压力传感器
1.基本原理:某些金属或半导体片两端通以电流,并在 薄片的垂直方向加上磁场B,则会在垂直于电流和 磁场平面的方向产生一个电动势。
BI U H RH d K H IB
RH ——霍尔系数，由载流材料的物理性
表3-1 压力单位换算表
单位名称
符号
与Pa换算关系
工程大气压
kgf/cm2
1 kgf/cm2=9.81×104Pa
毫米汞柱
mmHg
1 mmHg=1.33×102Pa
毫米水柱
mmH2O
1 mmH2O=9.81Pa
二、压力分类
1. 从测量的角度分： 静定压力 (稳态压力) 、变动压力、脉动压力 2. 按测量的方法分：
质所决定。
K H —— 霍尔元件的灵敏度系数，它与载
流材料的物理性质和几何尺寸有 关
U H Kx
为了保证霍尔传感器输出的 霍尔电势与位移成单值函数关 系，必须满足两个条件。
A. 供给霍尔元件以恒定的工作电流。一般采用桥式整流、 稳压的晶体管恒流源供电。
B. 磁感应强度应线性变化，即磁场梯度均匀。常采用将 磁钢的磁极片设计成特殊形状的方法。
2. 优点:结构简单、灵敏度高、可用动圈仪表显示 结果、可以远距离输送。
3. 缺点:控制电流必须恒定,容易受温度影响。
3 .5 压力测量与压力仪表校验
3.5.1 活塞式压力计
活塞式压力计能达到的准 确度等级有0.02、0.05和0.2级 三种，可分别用来校验0.25 级精密压力表、各种工业级 压力计和传感器等，校验压 力最高值有0.6、6、60MPa三 种。活塞式压力计是利用静 力平衡原理工作的，由压力 发生系统和活塞测量系统两 部分组成，
一、液柱式压力计
应用流体静力学知识，通过液柱高与压 力的关系设计而成，基本原理比较简单。
p p pamb 2 1 g(h1 h2 )
当2 1时 2gh
h1 h2
p 2gh1
单管式压力计
p p pamb g(h1 h2 )
g h1 h1
d2 D2
Hale Waihona Puke Baidu
gh1 1
d2 D2
gh1
R KRPx
2. 优点:结构简单、体积小 、稳定性好、动态响应 快、耐振耐冲击、精度 高、线性度好，是传感 器的主流产品。
MPM380 型压阻式压力传感器
接输出信 号
压阻式压力变 送器
接流体
可显示的压 阻式压力变 送器
微型压阻式压力变送器
3.4.7. 压磁式压力传感器
被测压力通过感压弹性膜 片2传递给由坡莫合金制成的 铁芯4，铁芯在压力作用下， 其磁导率发生改变，从而引起 线圈3阻抗变化。显然，线圈 阻抗变化与被测压力有关。
三．应变片的温度误差及补偿 （1）线路补偿法
（2）温度自补偿法
• 应变片的温度补偿
四．应变式压力传感器
应变式压力传感器是将应变片粘贴在感压弹性元件上 构成的，它可将被测压力的变化转换成电阻的变化。
五、固态压力传感器
固态压力传感器 采用半导体应变式 压力测量原理，其 敏感元件是用单晶 硅制成的硅杯。硅 杯的结构有C型和E 型等，其中C型适 用于压力传感器， E型适用于测量静 压力。
电位器式压力传感器在测量过程中，弹性元件的形 变端与电位器的滑动触点刚性相连，弹性元件承受压 力，产生形变，从而带动滑动触点移动，把弹性元件 的输出位移转换成电位器滑动触点的位移，从而把被 测压力的变化变换成电位器电阻值的变化。通过测量 电位器电阻值的变化，就可以得知被测压力的大小。 对于电位器电阻值的测量，常采用不平衡电桥测量法 或恒流源测量法
4. 1151系列电容式压力传感器
d 30% d
3.4.5 压电式压力传感器 1 、基本原理
压力作用
晶体产生电荷
产生电压或电流
特点：频率响应特性好，电荷不持久
qx k x Apx
a qy kx b Apy
切片产生的电菏与尺寸无关 切片产生的电菏与尺寸有关
压电陶瓷的压电特性及测压原理
qx kz Apx
3.4 电气式压力测量
电气式压力测量是利用压力敏感元件将被测压 力信号直接转换成各种电参数量的测量方法，在 集中测量、自动控制等自动化场合得到广泛应用。 电气式压力测量方法有电位器式、应变式、电感 式、电容式、压电式、压阻式、压磁式、霍尔效 应式、振弦式、光纤式 。
3.4.1 电位器式压力测量
电位器式压力测量的原理是把被测压力信号转换成电 位器电阻变化，通过测量电阻值达到测量压力目的的一 种测量技术。适用于压力变化比较大的场合。
Ｋ——弹簧管的几何参数Ｒh／a2 α、β——与a和b有关的参数
二、常用弹性式压力计
1．膜片式压力计
可用于测量对铜和钢及其合金 有腐蚀作用或粘度较大介质的压 力或真空度（采用不锈钢膜片）。 若采用敞开式法兰结构或隔膜式 结构，可用于测量高粘度、易结 晶或高温介质的压力或真空度。 膜片式压力计的测量范围一般为 0~5.88×106Pa，精度为2.5级。
r
l
dρ πF ρ F Eε E dl
l
dS 2μ dl
S
l
dρ πE dl
ρ
l
l
ρ ρl
dR
dρ A
dl A
A2
dA
dR πE dl dl 2μ dl
R
ll
l
1 2μ πEε
k1ε
ε k2 px
dR R k1k2 px kpx
二、应变片结构及性能
金属应变片
半导体压阻片
绝对压力 (abs) ，表压力 (G),差压力
3.按信号转换原理分
1．液柱式压力测量:根据流体静力学原理，把被测压力 转换成液柱高度差进行测量。一般常用仪器是充有水或水 银等液体的玻璃U形管或单管等。
2．弹性式压力测量:根据弹性元件受力变形的原理，将 被测压力转换成弹性元件的位移或力进行测量。常用的弹 性元件有弹簧管、弹性膜片、弹性膜盒和波纹管等。
3.4.2 应变式压力测量
一. 应变式压力传感器
1 、基本思路
压力作用
电阻材料与受 力材料同时变 形
电阻阻值变化
电桥失衡
输出电压变化
比较得压力值 关键在于: 材料变形与压力的关系
电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，
即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻 值随着所受机械变形 (伸长或缩短) 的变化而发生变 化。
EAB
EAD
R1 R1 R1 R2 R1
E
R3 R3 R4
E
R1 R2 R3 R4 R
u
R1
22R R1
E
u
R1
22R R1
E
R1 R1
u 1 R E 1 KE 4R 4
半桥接法:相邻的两个桥臂，一个受 拉,一个受压
u 1 KE
2 全桥接法: R1,R4增加，R2 和R3 减小
图3-21 自感式压力传感器原 理结构图
3．互感式压力传感器
图3-23 差动变压器式压力传感器原理结构图 1—初级线圈 2、3—次级线圈 4—衔铁 5—骨架
3.4.4. 电容式压力传感器
变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化
两平行极板组成的电
+
S 容器,它的电容量为:
+ +
C S
3.6 d
S,d 或ε发生变化
d
时，都会引起电 容的变化。
一)极距δ变化型
+
+
+
+
C S
+
+
3.6 d
b)面积变化型
1角位移型
C S
3.6 d
+ + +
2 平面线位移型
3 柱面线位移型。 C S 3.6 d
c) 介质变化型
C S
3.6 d
电容式压力传感器分析举例
(1) 改变两极板的距离
d 0.01 ~ 0.02 d