壓力液位實驗

1、壓力和液位傳感器測量實驗一、實驗目的 1. 了解壓力傳感器和液位傳感器的工作原理和結構 2. 學習如何安裝和使用壓力傳感器、液位傳感器 3. 學習如何測定和校正傳感器的量程曲線 4. 學習傳感器、數(shù)字轉換儀表的連接和參數(shù)設置 5. 學習用液位計和電磁閥一起控制液位的原理及應用 二、實驗裝置及試劑 壓力傳感器一臺，液位傳感器一臺，直流電源，數(shù)字顯示儀表，高位槽，低位槽，電磁閥三、實驗原理 壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業(yè)過程的測量和自控包括石油、化工、航空、制藥、環(huán)境等不同的行業(yè)和過程，按照不同的類型，還可以有用來測量液體或氣體壓力的，測量物體重量的，測量流體壓差

2、的和物體的位移量。也可以分別叫做壓力傳感器、重量傳感器、液位傳感器和差壓傳感器等名稱，下本實驗簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用。 實驗裝置為一個透明的有機玻璃塔，也可以作為一個液體罐。在塔體的下部，安裝有壓力傳感器，通過改變液體的高度，或者氣體的壓力，都可以造成系統(tǒng)壓力的變化，可以用來測量塔內(nèi)液體水產(chǎn)生的壓力，并顯示在數(shù)字儀表上。該數(shù)據(jù)也可以直接連接到計算機上，實現(xiàn)在線監(jiān)控和采集。 在塔的上、下部位，安裝有液位傳感器，用來測量液體的位差。本實驗中液體是水，不管液體上方的氣體壓力如何變化，液位傳感器只是測量上下兩個測量口之間的壓力差。 液位傳感器除了測量水的液位，還可以用來控制液位。本實驗就采

3、用液位傳感器，控制一個電磁閥。先從儀表設定一個需要控制的液位高度，當傳感器測量到的高度超過這個設定值時，儀表會輸出一個信號，控制電磁閥的打開，讓塔內(nèi)的液體排出。當液位低于設定的數(shù)值時，儀表會停止控制信號的輸出，電磁閥處于關閉的狀態(tài)，這樣，就能保持塔內(nèi)的液位，處在一個固定的范圍內(nèi)波動。傳感器測量原理： 壓力傳感器的種類繁多，有壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器電、感式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。壓阻式壓力傳感器： 通常是將電阻膜片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在一個固定

4、基體上， 當基體受力發(fā)生應力變化時，膜片的電阻值也發(fā)生相應的改變，如果電路中有一個恒流源，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。通過用電橋放大后測量該電壓值，就可以知道施加到膜片上的壓力值。 電阻膜片應用最多的是金屬電阻膜片和半導體膜片兩種。金屬電阻膜片又分絲狀膜片和金屬箔狀片兩種。 金屬電阻膜片是利用吸附在基體材料上金屬絲或金屬箔，受應力變化時，電阻發(fā)生變化的特性來測量的。應變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應變效應。 陶瓷電阻膜片沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，陶瓷電阻膜片的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫

5、度范圍高達-40 135 ，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢，在中國也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力傳感器。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向。 擴散硅的原理，是利用被測介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化。 電容式壓力傳感器：將膜片和基片構成一個腔體，待測壓力使得陶瓷膜片彎曲情形，如此就能改變組件的電容量，借著加入必須的電子電路，盡可能將此變形與壓力之變化互成關系。因此電容量的變化即比例于壓力的變化。 半導體壓力傳感器：此種裝置也是應用壓電效應與電橋

6、電阻形式獲得量測結果，在硅支撐物上利用擴散的方法，用以產(chǎn)生膜片，包含電橋電阻的單元以靜電處理固定在支撐玻璃上。所以，它就與外界形成機械性的隔離。當硅質(zhì)膜片偏向時，電橋的輸出就隨著改變。 采用硅- 藍寶石作為半導體敏感元件，具有無與倫比的計量特性。藍寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象；藍寶石比硅要堅固，硬度更高，不怕形變；藍寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（1000 以內(nèi)），因此，利用硅- 藍寶石制造的半導體敏感元件，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性；藍寶石的抗輻射特性極強；另外，硅- 藍寶石半導體敏感元件，無p-n 漂移，因此，從根本上簡化了制造工

7、藝，提高了重復性，確保了高成品率?？稍谧類毫拥墓ぷ鳁l件下正常工作，并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價比高。 壓電式壓力傳感器： 這種轉換器的工作原理是利用材料的壓電效應， 當該材料收到一定壓力變化時，會在材料兩端產(chǎn)生電壓。壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應力的變化電場變化微小（也就說壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度

8、和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應用。 現(xiàn)在壓電效應也應用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT 、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應力。壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用 的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的

9、特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應用。傳感器接線原理：對于壓力傳感器，信號的輸出可以分成三線制和二線制兩種方式。一般三線制信號輸出通常是電壓信號，而電流信號的輸出一般為兩線制。當壓力傳感器接受到不同的壓力時，元件會發(fā)生電阻或電壓的變化。當在元件的兩端接上一個直流電壓時，也就是通常的電源，那么在回路中，就會產(chǎn)生對應力的電流。如果把這個電流通過一個電阻，那么電阻兩端就會產(chǎn)生一個固定的電壓。該電流或電壓值，隨壓力的變化而變化，得到了準確的電壓或電流值，就可以反算出元件承受的壓力。 在三線制方式，通常一根是電源的正極，用紅線表示，一根是電源的負極

10、，一般用藍色或綠色的線連接，第三根是信號線的正極，一般是黃色線，信號線的負極和電源的負極，是同一根線。比如，一個三線制的壓力傳感器，電源電壓為4V，壓力測量的范圍是0.00-0.10MPa，信號輸出范圍是 0-5V，則當信號電壓為 1V 時，壓力為0.02MPa。在二線制方式，通常一根是電源的正極，用紅線表示，一根是電源的負極，一般用藍色或綠色的線連接，當壓力發(fā)生變化時，該回路中的電流就發(fā)生相應的變化，一般是在回路中接一個電阻，再把電阻兩端的直流電壓引出來測量。當然，也可以直接測量電路中的電流。 比如，一個二線制的壓力傳感器，電源電壓為24V，壓力測量的范圍是0.00-0.10MPa，信號輸出

11、范圍是0-20MA，則當回路中電流測量值為10MA時，系統(tǒng)的壓力為0.05MPa。 本實驗中，采用水的變化來引起壓力和壓差的變化，用壓力傳感器來測量氣體或液體的壓力，用差壓傳感器來測量液位的差別，也就是液體高度。 實驗采用水為實驗物系，水可以連續(xù)的加入到一個透明的有機玻璃塔中，該塔也可以代表一個液體罐。當液位不同時，壓力傳感器測量到的壓力不同，同樣液位傳感器測量的數(shù)值也不同。通過不斷的改變液體的高度，就可以按照下式（1）、（2）計算出壓力和液位值：液體壓力=H（液體高度）+液體上方氣體壓力（液柱高度） （1） 液位值=低點的（液體高度）+液體上方氣體壓力（液柱高度）-高點的（液體高度）+液體上

12、方氣體壓力（液柱高度） （2） 也可以改變液體上方的氣體壓力，來觀察壓力傳感器和液位傳感器的數(shù)值變化。 除了用來測量壓力和液位以外，該裝置可以用來控制液體的高度。當液位傳感器測量的液體高度，大于儀表設定好的控制值時，儀表會驅動電磁閥打開，讓液體流到下面的罐中，當塔內(nèi)液體小于要求的高度時，電磁閥會自動關閉。 四、實驗步驟 1. 檢查實驗裝置的儀器和設備，是否完好。2. 將水管連接到水龍頭上，并連接到有機玻璃塔的進口，檢查是否漏水，水能否流入到塔內(nèi)。3. 檢查壓力傳感器、液位傳感器連線是否正確，并按照實驗原理和儀表說明書，將信號，電源線連接好。 4. 連接完成后，讓指導教師檢查。待老師確認后，可以

13、開始實驗。 5. 按照儀表的操作說明，和傳感器的量程說明，設定好儀表的輸入上下限。 6. 改變液體的高度，每次改變 10 厘米水柱，分別記錄壓力傳感器的數(shù)值和液位傳感器的數(shù)值，記錄液體的溫度。五、實驗數(shù)據(jù)記錄表2原始數(shù)據(jù)整理表（原始數(shù)據(jù)記錄見實驗報告尾）序號實驗時間壓力顯示值MPa液位顯示值/m液體高度/m液體溫度111：230.70.067022.2211：231.10.0450.094021.9311：242.10.1450.197022.1411：253.20.2520.307022.4511：274.10.3430.400022.4611：285.10.4350.495022.7711

14、：306.00.5260.588022.8811：327.10.6310.69622.9911：358.00.7220.790022.91011：378.80.8000.872022.91111：377.70.6990.766022.91211：376.80.6020.669022.91311：375.70.5010.565522.91411：394.80.4040.463522.81511：403.80.3140.371522.81611：412.80.2150.270522.81711：421.90.1250.176522.91811：440.90.0240.074923.01911：45

15、0.7-0.054023.4六、實驗數(shù)據(jù)處理：1. 壓力傳感器測量校正曲線： 把壓力傳感器測量的數(shù)值和用水的高度換算的數(shù)值，在直角坐標上作圖，X軸為壓力傳感器測量的實際數(shù)值，Y軸為用水的密度、溫度和高度換算出的水壓力，這些點可以連接成一條直線，以后只要根據(jù)儀表讀數(shù)，就可以知道真實的壓力了。查得不同溫度下水的密度如下表所示：表3 不同溫度下水的密度溫度（）22.221.922.122.422.722.822.923.023.4密度（Kg/m3）997.724997.792997.970 997.678997.608997.584997.561997.537997.442由式子P=gh計算求出不同

16、液位時的真實壓力值，其中g=9.8N/Kg計算示例：T=17.3，h=10cm=0.1m時，密度為998.722千克每立方米，帶入公式可得P=998.722×9.8×0.1=0.0009787Mpa ，由于1at=9.807×104Pa，將壓力測量值換算成兆帕單位，用同樣的方法求得壓力值如表2所示。表4 壓力傳感器校正曲線表序號實驗時間壓力顯示值MPa真實壓力計算值MPa液體實際高度m液體溫度111：230.70022.2211：231.10.90.094021.9311：242.11.90.197022.1411：253.230.307022.4511：274.

17、13.90.400022.4611：285.14.80.495022.7711：306.05.70.588022.8811：327.16.80.69622.9911：358.07.70.790022.91011：378.88.50.872022.91111：377.77.50.766022.91211：376.86.50.669022.91311：375.75.50.565522.91411：394.84.50.463522.81511：403.83.60.371522.81611：412.82.70.270522.81711：421.91.70.176522.91811：440.90.70.

18、074923.01911：450.70023.42. 液位傳感器測量校正曲線： 把液位傳感器測量的數(shù)值和用水的實際高度，在直角坐標上作圖，X軸為液位傳感器測量的實際數(shù)值，Y軸為水的實際測量高度，這些點可以連接成一條直線，以后只要根據(jù)儀表讀數(shù)，就可以知道實際的液位高度。表5 液位傳感器矯正曲線表序號實驗時間液位顯示值/m液體高度/m液體溫度111：230.067022.2211：230.0450.094021.9311：240.1450.197022.1411：250.2520.307022.4511：270.3430.400022.4611：280.4350.495022.7711：300.5

19、260.588022.8811：320.6310.69622.9911：350.7220.790022.91011：370.8000.872022.91111：370.6990.766022.91211：370.6020.669022.91311：370.5010.565522.91411：390.4040.463522.81511：400.3140.371522.81611：410.2150.270522.81711：420.1250.176522.91811：440.0240.074923.01911：45-0.054023.4六、實驗結果及討論從壓力傳感器測量校正曲線可以看出，壓力傳感器

20、校正曲線正向測量回歸曲線方程為y=0.9552x0.9333，R2=0.99934，回測回歸曲線為 y=0.9558x1.1467，R2=0.9991，正向校正曲線與回測時壓力傳感器校正曲線并未重合，主要原因可能是由于存在零點遷移現(xiàn)象，有一定遷移量，可通過校正使設備數(shù)值更準確。如果該壓力傳感器靈敏度較高，則在回放時，相同高度，壓力顯示值應相同，即校正曲線的擬合程度好，本實驗回放曲線與原曲線存在較小偏差，可能是回放時液位讀數(shù)存在一定誤差，或者該傳感器靈敏度精確度不是太高。從液位傳感器校正曲線可以看出，正向回歸方程為y=0.098x0.1241，R2=0.99203，回測回歸曲線為y=0.0979

21、x0.0945，R2=0.99946，說明正向校正曲線與回測時液位傳感器曲線也是基本重合的，說明液位的測量值與實際值擬合程度較好，即液位傳感器的誤差較小，實驗數(shù)據(jù)比較可靠。七、實驗問題回答 1.壓力傳感器有哪幾種主要測量原理？最少說明三種 答：（1）壓阻式壓力傳感器測量原理：通常是將電阻膜片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在一個固定基體上， 當基體受力發(fā)生應力變化時，膜片的電阻值也發(fā)生相應的改變，如果電路中有一個恒流源，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。通過用電橋放大后測量該電壓值，就可以知道施加到膜片上的壓力值。（2）半導體壓力傳感器：種裝置也是應用壓電效應與電橋電阻形式獲得量測結果，在硅支撐物上利用擴散的方法，用以產(chǎn)生膜片，包含電橋電阻的單元以靜電處理固定在支撐玻璃上。所以，它就與外界形成機械性的隔離。當硅質(zhì)膜片偏向時，電橋的輸出就隨著改變。（3）壓電式壓力傳感器：利用材料的壓電效應， 當該材料收到一定壓力變化時，會在材料兩端產(chǎn)生電壓。2.液位傳感器的安裝有什么要求？測量原理是什么？ 答：測量液位需在塔的上下測量端分別安裝液位傳感器，所測值即為測量口之間壓力差。本實驗測量液位選用的是壓差式傳感器。傳感器通過一定的設計結構或按規(guī)定安裝，當兩側壓力不一致時，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移