第05章壓力測(cè)量1-彈簧管,傳感器

1、第第5章章 壓力測(cè)量壓力測(cè)量5.0 概述概述5.1 常規(guī)測(cè)壓方法與儀表常規(guī)測(cè)壓方法與儀表5.2 壓力信號(hào)的電變送方法（壓力傳感器）壓力信號(hào)的電變送方法（壓力傳感器）5.3 氣流的壓力測(cè)量氣流的壓力測(cè)量 5.4 壓力檢測(cè)儀表的使用與校準(zhǔn)壓力檢測(cè)儀表的使用與校準(zhǔn)5.0 概述概述 壓力測(cè)量的重要性：壓力測(cè)量的重要性：1.熱力系統(tǒng)與設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；熱力系統(tǒng)與設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；2.熱力機(jī)械的運(yùn)行狀況的必要參數(shù)；熱力機(jī)械的運(yùn)行狀況的必要參數(shù)；3.深入研究其內(nèi)部的工作過程的需要。深入研究其內(nèi)部的工作過程的需要。壓力的表示方法壓力的表示方法根據(jù)測(cè)量方法和參照點(diǎn)的不同，在工程上壓力的表示方法：根據(jù)測(cè)量

2、方法和參照點(diǎn)的不同，在工程上壓力的表示方法：1.絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力以絕對(duì)真空作為零點(diǎn)壓力標(biāo)準(zhǔn)。以絕對(duì)真空作為零點(diǎn)壓力標(biāo)準(zhǔn)。2.表壓力表壓力以大氣壓作為零點(diǎn)壓力標(biāo)準(zhǔn)。以大氣壓作為零點(diǎn)壓力標(biāo)準(zhǔn)。3.相對(duì)壓力（差壓力）相對(duì)壓力（差壓力）以大氣壓以外的任意壓力為零點(diǎn)壓力標(biāo)準(zhǔn)。以大氣壓以外的任意壓力為零點(diǎn)壓力標(biāo)準(zhǔn)。4.負(fù)壓力或真空負(fù)壓力或真空低于大氣壓的壓力。低于大氣壓的壓力。壓力的表示方法壓力的表示方法1.Absolute pressure: used for the pressure measured relative to zero pressure. 2.Gauge pressure: the p

3、ressure measured relative to the atmospheric pressure. The differential pressure between the absolute pressure and the atmospheric pressure.3.Positive pressure: the gauge pressure when the absolute pressure is higher than the atmospheric pressure.4.Negative pressure: the gauge pressure when the abso

4、lute pressure is lower than the atmospheric pressure.5.Vacuum: the absolute pressure lower than atmosphere.壓力檢測(cè)的基本方法壓力檢測(cè)的基本方法根據(jù)工作原理的不同，壓力檢測(cè)方法可分為：根據(jù)工作原理的不同，壓力檢測(cè)方法可分為：(1) 重力平衡重力平衡法法n利用工作液體產(chǎn)生的重力或砝碼的重量與被測(cè)壓力相平衡，利用工作液體產(chǎn)生的重力或砝碼的重量與被測(cè)壓力相平衡，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度液柱高度或或平衡砝碼的重量平衡砝碼的重量。n例：液柱式壓力計(jì)、活塞式壓力計(jì)例：液柱式壓力計(jì)、活塞

5、式壓力計(jì)。 (2) 彈性力平衡彈性力平衡法法 n利用彈性元件受壓力作用發(fā)生利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性變形產(chǎn)生的彈性力彈性變形產(chǎn)生的彈性力與被測(cè)與被測(cè)壓力相平衡，將壓力轉(zhuǎn)換成位移，通過測(cè)量壓力相平衡，將壓力轉(zhuǎn)換成位移，通過測(cè)量彈性元件位移變彈性元件位移變形的大小形的大小測(cè)出被測(cè)壓力。測(cè)出被測(cè)壓力。n類型多，應(yīng)用廣泛，可測(cè)量正壓、負(fù)壓和壓差。類型多，應(yīng)用廣泛，可測(cè)量正壓、負(fù)壓和壓差。壓力檢測(cè)的基本方法壓力檢測(cè)的基本方法(3) 機(jī)械力平衡方法機(jī)械力平衡方法n將被測(cè)壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)集中力，用外力與之平將被測(cè)壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)集中力，用外力與之平衡，通過測(cè)量衡，通過測(cè)量平衡時(shí)的外力平衡

6、時(shí)的外力測(cè)知被測(cè)壓力。測(cè)知被測(cè)壓力。n特點(diǎn)：精度較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。特點(diǎn)：精度較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 (4) 物性測(cè)量方法物性測(cè)量方法n在壓力的作用下，利用敏感元件的某些在壓力的作用下，利用敏感元件的某些物理特性物理特性與壓力成與壓力成確定關(guān)系變化的原理，將被測(cè)壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來確定關(guān)系變化的原理，將被測(cè)壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來測(cè)量。測(cè)量。n例：應(yīng)變式、壓電式、電容式壓力傳感器。例：應(yīng)變式、壓電式、電容式壓力傳感器。5.1 常規(guī)測(cè)壓方法與儀表常規(guī)測(cè)壓方法與儀表5.1.1 液柱式壓力計(jì)液柱式壓力計(jì)5.1.2 彈性式壓力計(jì)彈性式壓力計(jì)5.1.3 其他形式測(cè)壓儀表其他形式測(cè)壓儀表5.1.4 真空測(cè)量真空

7、測(cè)量5.1.1 液柱式壓力計(jì)液柱式壓力計(jì)n液柱式壓力計(jì)以液柱式壓力計(jì)以流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)。原理為基礎(chǔ)。n通常采用充有通常采用充有水或水銀水或水銀等液體的玻璃等液體的玻璃U形管、單管形管、單管或斜管進(jìn)行壓力測(cè)量；或斜管進(jìn)行壓力測(cè)量；n結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式(1)、 U形管壓力計(jì)形管壓力計(jì)在在U形管兩端接入不同壓力，形管兩端接入不同壓力，U形管兩邊管形管兩邊管內(nèi)液柱差內(nèi)液柱差h與被測(cè)壓力的關(guān)系為與被測(cè)壓力的關(guān)系為ghppghppp2121被測(cè)壓差或壓力可以用工作液高度被測(cè)壓差或壓力可以用工作液高度h表示。表示。h兩液面的高度差；兩液面的高度差；d玻璃管直徑；玻璃管直徑；D大容器直徑。大容器直

8、徑。由于由于Dd，故，故d2/D2可以忽略不計(jì)，則上式為可以忽略不計(jì)，則上式為(2)、單管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)單管壓力計(jì)的單管壓力計(jì)的精度精度高于高于U型管壓力計(jì)。相當(dāng)型管壓力計(jì)。相當(dāng)于將于將U形管的一端換成一個(gè)大直徑的容器，形管的一端換成一個(gè)大直徑的容器，當(dāng)大容器一側(cè)接被測(cè)壓力，管一側(cè)接大氣當(dāng)大容器一側(cè)接被測(cè)壓力，管一側(cè)接大氣壓時(shí)，滿足關(guān)系：壓時(shí)，滿足關(guān)系： 22212222(1)dddpph gh gDDDghp1管內(nèi)工作液面上升的高度管內(nèi)工作液面上升的高度h即可表示被測(cè)壓力的大小。即可表示被測(cè)壓力的大小。 (3)、斜管壓力計(jì)、斜管壓力計(jì)用用U形管或單管壓力計(jì)來測(cè)量微壓時(shí)，形管或單管壓力計(jì)來

9、測(cè)量微壓時(shí)，液柱高度變化很小，讀數(shù)困難，為液柱高度變化很小，讀數(shù)困難，為了提高靈敏度，減小誤差，可將單了提高靈敏度，減小誤差，可將單管壓力計(jì)的玻璃管制成斜管。大容管壓力計(jì)的玻璃管制成斜管。大容器通入被測(cè)壓力器通入被測(cè)壓力p1，斜管通大氣壓，斜管通大氣壓力力p2，則，則p1與液柱之間的關(guān)系為：與液柱之間的關(guān)系為：sin1gLghp式中式中 L斜管內(nèi)液柱的長(zhǎng)度；斜管內(nèi)液柱的長(zhǎng)度； 斜管傾斜角。斜管傾斜角。由于由于Lh，所以斜管壓力計(jì)比單管壓力計(jì)的精度更高。，所以斜管壓力計(jì)比單管壓力計(jì)的精度更高。2、液柱式壓力計(jì)測(cè)量誤差及其修正、液柱式壓力計(jì)測(cè)量誤差及其修正(1) 環(huán)境溫度環(huán)境溫度(2) 重力加速度

10、重力加速度(3) 毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象(1)、環(huán)境溫度的影響、環(huán)境溫度的影響n環(huán)境溫度偏離規(guī)定溫度時(shí)，封液密度、標(biāo)尺長(zhǎng)度發(fā)生變化。環(huán)境溫度偏離規(guī)定溫度時(shí)，封液密度、標(biāo)尺長(zhǎng)度發(fā)生變化。n封液的體膨脹系數(shù)比標(biāo)尺的線膨脹系數(shù)大封液的體膨脹系數(shù)比標(biāo)尺的線膨脹系數(shù)大1 12 2個(gè)數(shù)量級(jí)；個(gè)數(shù)量級(jí)；n工業(yè)測(cè)量工業(yè)測(cè)量考慮溫度變化引起的封液密度變化對(duì)壓力測(cè)量考慮溫度變化引起的封液密度變化對(duì)壓力測(cè)量的影響；的影響；n精密測(cè)量精密測(cè)量修正標(biāo)尺長(zhǎng)度變化的影響。修正標(biāo)尺長(zhǎng)度變化的影響。n環(huán)境溫度偏離規(guī)定溫度環(huán)境溫度偏離規(guī)定溫度2020后，封液密度改變對(duì)壓力計(jì)讀數(shù)后，封液密度改變對(duì)壓力計(jì)讀數(shù)影響的修正公式為：影響的修正公

11、式為：h20：20封液液柱高度；封液液柱高度；h： 溫度為溫度為t時(shí)封液液柱高度時(shí)封液液柱高度b：封液的體膨脹系數(shù)；：封液的體膨脹系數(shù)；t： 測(cè)量時(shí)的實(shí)際溫度。測(cè)量時(shí)的實(shí)際溫度。201(20)hht（5-7）(2)、重力加速度變化的修正、重力加速度變化的修正n儀器使用地點(diǎn)的重力加速度儀器使用地點(diǎn)的重力加速度gj j：1 0.00265cos(2 )(12)NggH Rjj（5-8）H, j j: 使用地點(diǎn)海拔高度使用地點(diǎn)海拔高度(m)和緯度和緯度;gN:標(biāo)準(zhǔn)重力加速度（標(biāo)準(zhǔn)重力加速度（9.80665 m.s-2）R：地球的公稱半徑地球的公稱半徑(緯度緯度45海平面處海平面處)，6356766m

12、；(3)、毛細(xì)現(xiàn)象造成的誤差、毛細(xì)現(xiàn)象造成的誤差n毛細(xì)現(xiàn)象使封液表面彎曲，引起液柱的升高或降低，毛細(xì)現(xiàn)象使封液表面彎曲，引起液柱的升高或降低，產(chǎn)生讀數(shù)誤差。產(chǎn)生讀數(shù)誤差。n這種誤差與封液的表面張力、管徑、管內(nèi)壁的潔凈這種誤差與封液的表面張力、管徑、管內(nèi)壁的潔凈度等因素有關(guān)，難以精確確定。度等因素有關(guān)，難以精確確定。n實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常通過加大管徑的方法減小毛細(xì)現(xiàn)象實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常通過加大管徑的方法減小毛細(xì)現(xiàn)象的影響。的影響。n酒精：酒精：d3mmn水、水銀：水、水銀：d 8mm5.1.2 彈性壓力計(jì)彈性壓力計(jì)n當(dāng)被測(cè)壓力作用于彈性元件時(shí)，彈性元件便產(chǎn)生相應(yīng)的當(dāng)被測(cè)壓力作用于彈性元件時(shí)，彈性元件便產(chǎn)生

13、相應(yīng)的彈性變形。根據(jù)變形量的大小，可以測(cè)得被測(cè)壓力。彈性變形。根據(jù)變形量的大小，可以測(cè)得被測(cè)壓力。n彈性壓力計(jì)的組成環(huán)節(jié)彈性壓力計(jì)的組成環(huán)節(jié)彈性元件彈性元件，感受壓力并產(chǎn)生彈性變形，彈性元件采用，感受壓力并產(chǎn)生彈性變形，彈性元件采用何種形式要根據(jù)測(cè)量要求選擇和設(shè)計(jì)；何種形式要根據(jù)測(cè)量要求選擇和設(shè)計(jì)；變換放大機(jī)構(gòu)，變換放大機(jī)構(gòu)，將彈性元件的變形進(jìn)行變換和放大；將彈性元件的變形進(jìn)行變換和放大；指示機(jī)構(gòu)，指示機(jī)構(gòu)，(如指針與刻度標(biāo)尺如指針與刻度標(biāo)尺)用于給出壓力示值；用于給出壓力示值；調(diào)整機(jī)構(gòu)，調(diào)整機(jī)構(gòu)，用于調(diào)整零點(diǎn)和量程。用于調(diào)整零點(diǎn)和量程。彈性元件彈性元件n同樣的壓力下，不同結(jié)構(gòu)、不同材料的彈性

14、元件會(huì)產(chǎn)生不同同樣的壓力下，不同結(jié)構(gòu)、不同材料的彈性元件會(huì)產(chǎn)生不同的彈性變形。常用的彈性元件有彈簧管、波紋管、薄膜等。的彈性變形。常用的彈性元件有彈簧管、波紋管、薄膜等。n波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測(cè)量；波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測(cè)量；n單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓或真空度的測(cè)量。單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓或真空度的測(cè)量。彈簧管彈簧管n截面為非圓形（橢圓形或截面為非圓形（橢圓形或扁圓形），并彎成圓弧狀扁圓形），并彎成圓弧狀的空心管；的空心管；n一端為封閉（自由端），一端為封閉（自由端），一端為開口（固定端）一端為開口（固定端）2222201(1)RaPEbhbk1、彈

15、簧管壓力計(jì)、彈簧管壓力計(jì)彈簧管壓力計(jì)的特點(diǎn)彈簧管壓力計(jì)的特點(diǎn)n單圈彈簧管自由端的位移量一般不超過單圈彈簧管自由端的位移量一般不超過25mm。為了提高。為了提高彈簧管的靈敏度，增加自由端的位移量，可采用彈簧管的靈敏度，增加自由端的位移量，可采用回形回形(S形形)彈彈簧管或螺旋形彈簧管?；晒芑蚵菪螐椈晒堋齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：n把自由端的線位移轉(zhuǎn)換成指針的角位移，使指針能明顯地把自由端的線位移轉(zhuǎn)換成指針的角位移，使指針能明顯地指示出被測(cè)值。指示出被測(cè)值。n其上的可調(diào)螺釘，用以改變連桿和扇形齒輪的鉸合點(diǎn)，從其上的可調(diào)螺釘，用以改變連桿和扇形齒輪的鉸合點(diǎn)，從而改變指針的指示范圍。而改變指針的指

16、示范圍。n轉(zhuǎn)動(dòng)軸處裝著一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸處裝著一根游絲游絲，用來消除齒輪嚙合處的間隙。，用來消除齒輪嚙合處的間隙。n傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)阻力要盡可能小，以免影響儀器的精度。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)阻力要盡可能小，以免影響儀器的精度。彈簧管壓力計(jì)的量程和精度等級(jí)彈簧管壓力計(jì)的量程和精度等級(jí)n單圈彈簧管壓力表的精度等級(jí)單圈彈簧管壓力表的精度等級(jí)普通型：普通型：1.0、1.6、2.5、4 級(jí)；級(jí)；精密型：精密型：0.16、0.25、0.4 級(jí)。級(jí)。n測(cè)量范圍測(cè)量范圍:我國(guó)的測(cè)壓儀表按系列生產(chǎn)，從真空到我國(guó)的測(cè)壓儀表按系列生產(chǎn)，從真空到109Pa，其標(biāo)尺上限，其標(biāo)尺上限的刻度值為的刻度值為(1，1.6，2.5，4，6.3)1

17、0n MPa (其中其中n為為正、負(fù)整數(shù)正、負(fù)整數(shù))。n使用范圍：使用范圍：儀表工作在正常允許的壓力范圍內(nèi)。儀表工作在正常允許的壓力范圍內(nèi)。對(duì)于波動(dòng)較大的壓力，儀表的示值應(yīng)經(jīng)常處于量程的對(duì)于波動(dòng)較大的壓力，儀表的示值應(yīng)經(jīng)常處于量程的1/2；被測(cè)壓力波動(dòng)小，儀表示值可在量程的被測(cè)壓力波動(dòng)小，儀表示值可在量程的2/3，但被測(cè)壓力值，但被測(cè)壓力值一般不應(yīng)低于量程的一般不應(yīng)低于量程的1/3。精密壓力表精密壓力表 YB-150B (01.6 MPa)精密微壓表精密微壓表 YB-150B (00.06 MPa)精密壓力真空表精密壓力真空表 YB-150B (-0.10.5MPa) 精密真空表精密真空表 Y

18、B-150B (-0.10MPa)2、膜式壓力計(jì)、膜式壓力計(jì)n膜式壓力計(jì)的分類膜式壓力計(jì)的分類n膜片壓力計(jì)：測(cè)量腐蝕性介質(zhì)或非凝固、非結(jié)膜片壓力計(jì)：測(cè)量腐蝕性介質(zhì)或非凝固、非結(jié) 晶的粘性介質(zhì)的壓力；晶的粘性介質(zhì)的壓力；n膜盒壓力計(jì)：測(cè)量氣體的微壓和負(fù)壓。膜盒壓力計(jì)：測(cè)量氣體的微壓和負(fù)壓。膜片的分類膜片的分類n膜片可分為膜片可分為彈性膜片彈性膜片和和撓性膜片撓性膜片兩種。兩種。n彈性膜片彈性膜片n一般由金屬制成，常用的彈性波紋膜片是一種壓有環(huán)狀一般由金屬制成，常用的彈性波紋膜片是一種壓有環(huán)狀同心波紋的圓形薄片；同心波紋的圓形薄片；n彈性波紋膜片的彈性波紋膜片的撓度與壓力的關(guān)系主要取決于波紋的形撓

19、度與壓力的關(guān)系主要取決于波紋的形狀、數(shù)目、深度和膜片的厚度、直徑，狀、數(shù)目、深度和膜片的厚度、直徑，而邊緣部分的波而邊緣部分的波紋情況則基本上決定了膜片的特性，中部波紋的影響很紋情況則基本上決定了膜片的特性，中部波紋的影響很小。小。n撓性膜片撓性膜片n只起隔離被測(cè)介質(zhì)的作用，它本身幾乎沒有彈性，是由只起隔離被測(cè)介質(zhì)的作用，它本身幾乎沒有彈性，是由固定在膜片上的彈簧的彈性力平衡被測(cè)壓力。固定在膜片上的彈簧的彈性力平衡被測(cè)壓力。膜盒式壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)膜盒式壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)膜式壓力計(jì)的使用范圍膜式壓力計(jì)的使用范圍n膜式壓力計(jì)的精度一般為膜式壓力計(jì)的精度一般為2.5級(jí)級(jí)n膜片壓力計(jì)的測(cè)量范圍膜片壓力計(jì)的測(cè)量范

20、圍 真空真空 或或 06106 Pan膜盒壓力計(jì)的測(cè)量范圍膜盒壓力計(jì)的測(cè)量范圍 04104 Pa3、波紋管式壓差計(jì)、波紋管式壓差計(jì)n波紋管式壓差計(jì)以波紋管為感壓元件測(cè)量壓差信號(hào)，波紋管式壓差計(jì)以波紋管為感壓元件測(cè)量壓差信號(hào)，有有單波紋管單波紋管和和雙波紋管雙波紋管兩種，主要用作流量和液位兩種，主要用作流量和液位測(cè)量的顯示儀表。測(cè)量的顯示儀表。波紋管是外周沿軸向有深槽形波波紋管是外周沿軸向有深槽形波紋狀皺褶，可沿鈾向伸縮的薄壁紋狀皺褶，可沿鈾向伸縮的薄壁管。它受壓時(shí)的線性輸出范圍比管。它受壓時(shí)的線性輸出范圍比受拉時(shí)的大，故常在壓縮狀態(tài)下受拉時(shí)的大，故常在壓縮狀態(tài)下使用。使用。雙波紋管壓差計(jì)結(jié)構(gòu)雙

21、波紋管壓差計(jì)結(jié)構(gòu)4、彈性壓力計(jì)的誤差、彈性壓力計(jì)的誤差環(huán)境影響、儀表的結(jié)構(gòu)、加工和彈性材料性能的不完善，會(huì)給壓環(huán)境影響、儀表的結(jié)構(gòu)、加工和彈性材料性能的不完善，會(huì)給壓力測(cè)量帶來各種誤差。力測(cè)量帶來各種誤差。1.遲滯誤差：遲滯誤差：相同壓力下，同一彈性元件正反行程的變形量不相同壓力下，同一彈性元件正反行程的變形量不同，也因而存在同，也因而存在遲滯誤差遲滯誤差。2.彈性后效誤差：彈性元件變形落后于被測(cè)壓力的變化；彈性后效誤差：彈性元件變形落后于被測(cè)壓力的變化；3.間隙誤差：間隙誤差：儀表的各種活動(dòng)部件之間有間隙，示值與彈性元儀表的各種活動(dòng)部件之間有間隙，示值與彈性元件的變形不完全對(duì)應(yīng)；件的變形不完

22、全對(duì)應(yīng)；4.摩擦誤差：摩擦誤差：儀表的活動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，相互間有摩擦力儀表的活動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，相互間有摩擦力；5.溫度誤差：溫度誤差：環(huán)境溫度改變會(huì)引起金屬材料彈性模量的變化。環(huán)境溫度改變會(huì)引起金屬材料彈性模量的變化。這些誤差的存在使一般的彈性壓力計(jì)的精度低于這些誤差的存在使一般的彈性壓力計(jì)的精度低于0.1。提高精度的主要途徑提高精度的主要途徑采用無遲滯誤差或遲滯誤差極小的采用無遲滯誤差或遲滯誤差極小的“全彈性全彈性”材料和溫度材料和溫度誤差很小的誤差很小的“恒彈性恒彈性”材料制造彈性元件，如材料制造彈性元件，如Ni42CrTi，Ni36CrTiA，熔凝石英；，熔凝石英；更精確的轉(zhuǎn)換技術(shù)，減少或取

23、消中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以減少間更精確的轉(zhuǎn)換技術(shù)，減少或取消中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以減少間隙誤差和摩擦誤差阻應(yīng)變轉(zhuǎn)換技術(shù)；隙誤差和摩擦誤差阻應(yīng)變轉(zhuǎn)換技術(shù)；限制彈性元件的位移量；限制彈性元件的位移量；采用無干摩擦的彈性支承或磁懸浮支承；采用無干摩擦的彈性支承或磁懸浮支承；采用更好的制造工藝，充分發(fā)揮材料的優(yōu)良性能。采用更好的制造工藝，充分發(fā)揮材料的優(yōu)良性能。5、彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性、彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性類別名稱示意圖壓力測(cè)量范圍 kPa輸出特性動(dòng)態(tài)性質(zhì)最小最大時(shí)間常數(shù)/s自振頻率/Hz薄膜式平薄膜010010510-510-210104波紋210-110102撓性膜010-501021

24、0-211102波波紋紋管管式式波波紋紋管管0 01010-3-30 010103 31010- -2 21010-1-1101010102 2彈彈簧簧管管式式單單圈圈彈彈簧簧管管0 01010-1-10 010106 610102 210103 3多多圈圈彈彈簧簧管管0 01010-2-20 010105 5101010102 2彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性5.1.3 Measurement of low pressures (vacuum)Vacuum tends to be used for pressures less than the atmospheric pressu

25、re, namely 1.013105 Pa. A unit that is often used for such pressure is the torr (乇）乇）, this being the pressure equivalent to that given by a column of mercury of height 1 mm. 1 mmHg=133.322 Pa=1 torr The lower the absolute pressure is, the higher the degree of vacuum is.真空劃分真空劃分(10-12105 Pa)粗真空：粗真空：

26、103105 Pa低真空：低真空：10310-1 Pa高真空：高真空：10-110-6 Pa超高真空：超高真空：10-610-12 Pa極高真空：極高真空：氣體傳熱性能不同氣體傳熱性能不同使溫差電動(dòng)勢(shì)不同使溫差電動(dòng)勢(shì)不同。l熱偶規(guī)管：由玻璃殼、鉑絲、熱電偶熱偶規(guī)管：由玻璃殼、鉑絲、熱電偶構(gòu)成。構(gòu)成。l鉑絲通以恒定電流，用于加熱熱電偶，鉑絲通以恒定電流，用于加熱熱電偶，其溫度為其溫度為100200 。l熱電偶是由鎳鉻熱電偶是由鎳鉻鎳硅、或鎳康銅鎳硅、或鎳康銅制成，其作用是在它的加熱端與冷端制成，其作用是在它的加熱端與冷端(非加熱端）溫度不同時(shí)，產(chǎn)生溫差電非加熱端）溫度不同時(shí)，產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。動(dòng)勢(shì)

27、。(b) (b) 熱電偶真空計(jì)（相對(duì)真空計(jì)熱電偶真空計(jì)（相對(duì)真空計(jì)）1-2 為加熱絲,3-4 為熱電偶通過測(cè)量溫差電動(dòng)勢(shì)，可間接測(cè)得真空度。通過測(cè)量溫差電動(dòng)勢(shì)，可間接測(cè)得真空度。熱偶計(jì)只能測(cè)量低的真空度，真空度較高時(shí)，壓強(qiáng)熱偶計(jì)只能測(cè)量低的真空度，真空度較高時(shí)，壓強(qiáng)變化與氣體熱傳導(dǎo)無關(guān)，故熱偶計(jì)不能用于高真空變化與氣體熱傳導(dǎo)無關(guān)，故熱偶計(jì)不能用于高真空測(cè)量。測(cè)量。 4、電離真空計(jì)、電離真空計(jì)n電離真空計(jì)廣泛使用在高真空區(qū)域。電離真空計(jì)廣泛使用在高真空區(qū)域。n電離真空計(jì)誕生于電離真空計(jì)誕生于1916年，其測(cè)量范圍達(dá)到年，其測(cè)量范圍達(dá)到1.310-2 1.310-5 Pa。n可以遠(yuǎn)距離測(cè)量，易于實(shí)

28、現(xiàn)自動(dòng)記錄及控制，可以遠(yuǎn)距離測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄及控制，由于有熾熱的燈絲，不適于測(cè)高氧氣體。由于有熾熱的燈絲，不適于測(cè)高氧氣體。4、電離真空計(jì)、電離真空計(jì)n電離真空計(jì)是電離真空計(jì)是通過在稀薄氣體中引起電離，通過在稀薄氣體中引起電離，然后利用離子電流測(cè)量壓力然后利用離子電流測(cè)量壓力。n在氣體中如果有動(dòng)能足夠大的電子與氣體分在氣體中如果有動(dòng)能足夠大的電子與氣體分子相碰撞，它可以從氣體分子中擊出一個(gè)或子相碰撞，它可以從氣體分子中擊出一個(gè)或幾個(gè)電子使氣體分子成為正離子。把這種正幾個(gè)電子使氣體分子成為正離子。把這種正離子收集到一個(gè)電極上使其產(chǎn)生離子電流，離子收集到一個(gè)電極上使其產(chǎn)生離子電流，在稀薄氣體

29、中，離子電流的大小與氣體壓力在稀薄氣體中，離子電流的大小與氣體壓力有關(guān)。有關(guān)。電離真空計(jì)結(jié)構(gòu)電離真空計(jì)結(jié)構(gòu)熱陰極電離真空計(jì)主要由圓筒式熱陰極電離真空計(jì)主要由圓筒式熱陰極電離規(guī)管熱陰極電離規(guī)管和測(cè)量和測(cè)量電路兩部分組成。電路兩部分組成。陰極陰極/ /燈絲燈絲柵極柵極/ /加速極加速極: :螺旋形螺旋形收集極收集極: :圓筒形圓筒形電離規(guī)管結(jié)構(gòu)電離規(guī)管結(jié)構(gòu)電離真空計(jì)原理電離真空計(jì)原理n測(cè)量時(shí)測(cè)量時(shí)電離電離規(guī)管與被測(cè)真空系統(tǒng)相連。規(guī)管與被測(cè)真空系統(tǒng)相連。n通電后陰極加熱所發(fā)射的電子在帶正電的加速極作通電后陰極加熱所發(fā)射的電子在帶正電的加速極作用下，加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電子的動(dòng)能足夠大，在飛向加用下，加速運(yùn)動(dòng)

30、，當(dāng)電子的動(dòng)能足夠大，在飛向加速極的路途中與管內(nèi)低壓氣體分子碰撞，即可使氣速極的路途中與管內(nèi)低壓氣體分子碰撞，即可使氣體分子電離。體分子電離。n電離產(chǎn)生的電子和正離子分別在加速極和收集極電離產(chǎn)生的電子和正離子分別在加速極和收集極(帶帶負(fù)電位負(fù)電位)上形成電流上形成電流Ie和離子流和離子流Ii。式中，式中，k為規(guī)管的靈敏度。由于用電離真空計(jì)為規(guī)管的靈敏度。由于用電離真空計(jì)測(cè)量壓力時(shí)，電子電流保持不變，故測(cè)量壓力時(shí)，電子電流保持不變，故當(dāng)壓力足夠低當(dāng)壓力足夠低(低于低于10-1Pa)時(shí)，離子電流時(shí)，離子電流Ii與電與電子電流子電流Ie之比正比于氣體的壓力之比正比于氣體的壓力p，即，即iekPIIi

31、eIkPI5 、彈性變形式真空計(jì)、彈性變形式真空計(jì)（1）彈性式真空表（粗真空）彈性式真空表（粗真空）（2）電容式薄膜真空計(jì)（）電容式薄膜真空計(jì)（10-2105 Pa）5.2 壓力信號(hào)的電變送方法壓力信號(hào)的電變送方法(壓力傳感器壓力傳感器)5.2 壓力信號(hào)的電變送方法壓力信號(hào)的電變送方法(壓力傳感器壓力傳感器)n壓力傳感器：測(cè)量壓力并提供遠(yuǎn)傳電信號(hào)的裝置。壓力傳感器：測(cè)量壓力并提供遠(yuǎn)傳電信號(hào)的裝置。n壓力傳感器可以直接將被測(cè)壓力變換成各種形式壓力傳感器可以直接將被測(cè)壓力變換成各種形式的電信號(hào)，適合于自動(dòng)化系統(tǒng)集中檢測(cè)與控制的的電信號(hào)，適合于自動(dòng)化系統(tǒng)集中檢測(cè)與控制的要求。要求。n壓力傳感器結(jié)構(gòu)型

32、式多種多樣，常見的型式有壓力傳感器結(jié)構(gòu)型式多種多樣，常見的型式有壓壓阻式、壓電式、應(yīng)變式、電容式、電感式、振頻阻式、壓電式、應(yīng)變式、電容式、電感式、振頻式式、光電式、光纖式、超聲式壓力傳感器等。、光電式、光纖式、超聲式壓力傳感器等。壓力傳感器的類型壓力傳感器的類型1.壓阻式壓阻式2.壓電式壓電式3.應(yīng)變式應(yīng)變式4.電容式電容式5.電感式電感式6.力平衡式力平衡式7.諧振式諧振式5.2.1 壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器n壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)n物質(zhì)受外力作用，電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。物質(zhì)受外力作用，電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。n利用壓阻效應(yīng)測(cè)量壓力的傳感器叫壓阻式壓力傳感器。利用壓阻效應(yīng)測(cè)量壓力的傳感器叫

33、壓阻式壓力傳感器。常用的壓阻材料是常用的壓阻材料是硅硅和和鍺鍺。n類型類型1.應(yīng)變式壓力傳感器，應(yīng)變式壓力傳感器，利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼式的應(yīng)變片，與彈性敏感元件一起組成式的應(yīng)變片，與彈性敏感元件一起組成粘貼型壓阻式壓粘貼型壓阻式壓力傳感器力傳感器；2.在單晶硅基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，此基片在單晶硅基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，此基片既是壓力敏感元件，又是變換元件，這類傳感器叫做既是壓力敏感元件，又是變換元件，這類傳感器叫做擴(kuò)擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器散型壓阻式壓力傳感器。簡(jiǎn)稱。簡(jiǎn)稱壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器或或固態(tài)固態(tài)壓力傳感器壓力傳感器

34、。壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖n硅平膜片在圓形硅杯的底部，其硅平膜片在圓形硅杯的底部，其兩邊有兩個(gè)壓力腔，分別輸入被兩邊有兩個(gè)壓力腔，分別輸入被測(cè)差壓或被測(cè)壓力與參考?jí)毫?。測(cè)差壓或被測(cè)壓力與參考?jí)毫Α８邏呵唤颖粶y(cè)壓力，低壓腔與大高壓腔接被測(cè)壓力，低壓腔與大氣連通或接參考?jí)毫?。氣連通或接參考?jí)毫?。n膜片上的兩對(duì)電阻，一對(duì)位于受膜片上的兩對(duì)電阻，一對(duì)位于受壓應(yīng)力區(qū)，另一對(duì)位于受拉應(yīng)力壓應(yīng)力區(qū)，另一對(duì)位于受拉應(yīng)力區(qū)，當(dāng)壓力差使膜片變形，膜片區(qū)，當(dāng)壓力差使膜片變形，膜片上的兩對(duì)電阻阻值發(fā)變化，使電上的兩對(duì)電阻阻值發(fā)變化，使電橋輸出相應(yīng)壓力變化的信號(hào)。橋輸出相應(yīng)壓力變化的信號(hào)。壓

35、阻式壓力傳感器的特點(diǎn)壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn)n靈敏度高，比金屬絲式應(yīng)變片靈敏度高靈敏度高，比金屬絲式應(yīng)變片靈敏度高50100倍；倍；n頻率響應(yīng)高，可測(cè)頻率響應(yīng)高，可測(cè)300500 kHz以下的脈動(dòng)壓力；以下的脈動(dòng)壓力；n測(cè)量范圍寬，測(cè)量范圍寬，10 Pa60 MPa；n精度高，可達(dá)精度高，可達(dá)0.02；n易于微小型化，國(guó)內(nèi)已生產(chǎn)出易于微小型化，國(guó)內(nèi)已生產(chǎn)出1.8 mm的微型壓阻式的微型壓阻式壓力傳感器。壓力傳感器。5.2.2 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器n壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)沿著某一個(gè)方向受力而發(fā)生機(jī)械變形某些電介質(zhì)沿著某一個(gè)方向受力而發(fā)生機(jī)械變形(壓縮或伸長(zhǎng)壓縮或伸長(zhǎng))時(shí)，其內(nèi)部將

36、發(fā)生極化現(xiàn)象，并在時(shí)，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，并在其某些表面產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)重其某些表面產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為新回到不帶電的狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)”。kSpQ 式中式中 Q為電荷量；為電荷量；k為壓電常數(shù)；為壓電常數(shù)；S為作用面積；為作用面積；p為壓力。通過測(cè)量電荷量可知被測(cè)壓力大小。為壓力。通過測(cè)量電荷量可知被測(cè)壓力大小。常用的壓電材料常用的壓電材料n天然或人造的天然或人造的單晶體單晶體n如石英晶體，其性能穩(wěn)定，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的如石英晶體，其性能穩(wěn)定，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性很好，在常溫范圍內(nèi)幾乎不隨溫度變化。溫度

37、穩(wěn)定性很好，在常溫范圍內(nèi)幾乎不隨溫度變化。n機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能好；機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能好；n價(jià)格昂貴一般只用于精度要求很高的傳感器中。價(jià)格昂貴一般只用于精度要求很高的傳感器中。n人造人造多晶體多晶體（壓電陶瓷壓電陶瓷）n如鈦酸鋇、鉻鈦酸鉛。如鈦酸鋇、鉻鈦酸鉛。n受力作用時(shí)，在垂直于極化方向的平面上產(chǎn)生電荷，受力作用時(shí)，在垂直于極化方向的平面上產(chǎn)生電荷，其電荷量與壓電系數(shù)和作用力成正比。其電荷量與壓電系數(shù)和作用力成正比。n壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大，且價(jià)格低廉，壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大，且價(jià)格低廉，被廣泛用作傳感器的壓電元件。被廣泛用作傳感器的壓電元件。壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

38、壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖n壓電元件夾于兩個(gè)彈性膜片之壓電元件夾于兩個(gè)彈性膜片之間，壓電元件的一個(gè)側(cè)面與膜間，壓電元件的一個(gè)側(cè)面與膜片接觸并接地，另一側(cè)面通過片接觸并接地，另一側(cè)面通過引線將電荷量引出。引線將電荷量引出。n被測(cè)壓力均勻作用在膜片上，被測(cè)壓力均勻作用在膜片上，使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷。使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷。n電荷量一般用電荷放大器或電電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器放大，轉(zhuǎn)換為電壓或壓放大器放大，轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，輸出信號(hào)與被測(cè)壓電流輸出，輸出信號(hào)與被測(cè)壓力值相對(duì)應(yīng)。力值相對(duì)應(yīng)。壓電傳感器的信號(hào)輸出壓電傳感器的信號(hào)輸出n壓電傳感器產(chǎn)生的信號(hào)非常微弱，輸出阻抗很高，必須經(jīng)

39、過壓電傳感器產(chǎn)生的信號(hào)非常微弱，輸出阻抗很高，必須經(jīng)過前置放大，把微弱的信號(hào)放大，并把高輸出阻抗變換成低輸前置放大，把微弱的信號(hào)放大，并把高輸出阻抗變換成低輸出阻抗，才能為一般的測(cè)量?jī)x器接受。出阻抗，才能為一般的測(cè)量?jī)x器接受。n電壓信號(hào)輸出電壓信號(hào)輸出n電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，工作可靠，但對(duì)檢入電容的變化電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，工作可靠，但對(duì)檢入電容的變化很敏感，很敏感，不能隨意更換出廠配套的電纜。不能隨意更換出廠配套的電纜。n電荷信號(hào)輸出電荷信號(hào)輸出n不受輸入電容的影響，因此可用很長(zhǎng)的連接電纜；不受輸入電容的影響，因此可用很長(zhǎng)的連接電纜；n價(jià)格高，電路復(fù)雜，調(diào)整困難。價(jià)格高，電路復(fù)雜，調(diào)整困難。壓電

40、式壓力傳感器的特點(diǎn)壓電式壓力傳感器的特點(diǎn)n體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠；體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠；n測(cè)量范圍寬，可測(cè)測(cè)量范圍寬，可測(cè)100 MPa以下的壓力；以下的壓力；n測(cè)量精度較高；頻率響應(yīng)高，可達(dá)測(cè)量精度較高；頻率響應(yīng)高，可達(dá)30 kHz，是動(dòng)態(tài)，是動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)中常用的傳感器；壓力檢測(cè)中常用的傳感器；n不適宜測(cè)量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力（不適宜測(cè)量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力（why？）。？）。5.2.3 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器n應(yīng)變式壓力傳感器是一種通過測(cè)量各種彈性元件的應(yīng)變式壓力傳感器是一種通過測(cè)量各種彈性元件的應(yīng)變應(yīng)變來間接測(cè)量壓力的傳感器。來間接測(cè)量壓力的傳感器。n應(yīng)變?cè)?/p>

41、的工作原理基于導(dǎo)體和半導(dǎo)體的應(yīng)變?cè)墓ぷ髟砘趯?dǎo)體和半導(dǎo)體的“應(yīng)變效應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)”，即當(dāng)導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其，即當(dāng)導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化。電阻值將發(fā)生變化。n根據(jù)制作材料的不同，應(yīng)變?cè)梢苑譃榻饘俸桶敫鶕?jù)制作材料的不同，應(yīng)變?cè)梢苑譃榻饘俸桶雽?dǎo)體兩大類。導(dǎo)體兩大類。電阻值的相對(duì)變化與應(yīng)變的關(guān)系電阻值的相對(duì)變化與應(yīng)變的關(guān)系n電阻值的相對(duì)變化與應(yīng)變有以下關(guān)系：電阻值的相對(duì)變化與應(yīng)變有以下關(guān)系： 式中式中為材料的應(yīng)變；為材料的應(yīng)變；K為材料的電阻應(yīng)變系數(shù)，即單為材料的電阻應(yīng)變系數(shù)，即單位應(yīng)變引起的電阻相對(duì)變化量。位應(yīng)變引起的電阻相對(duì)變化量。n金屬：金屬

42、：K26n半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：K60180KRR電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片n應(yīng)變片由應(yīng)變應(yīng)變片由應(yīng)變敏感元件、基片和覆蓋層、引出線敏感元件、基片和覆蓋層、引出線三部三部分組成。分組成。n應(yīng)變敏感元件應(yīng)變敏感元件n核心部分，由金屬絲、金屬箔或半導(dǎo)體材料組成，核心部分，由金屬絲、金屬箔或半導(dǎo)體材料組成，作用是將彈性壓力敏感元件的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻作用是將彈性壓力敏感元件的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。的變化。n基片和覆蓋層基片和覆蓋層固定和保護(hù)應(yīng)變敏感元件、傳遞應(yīng)變和電氣絕緣。固定和保護(hù)應(yīng)變敏感元件、傳遞應(yīng)變和電氣絕緣。電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式1絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片n絲式應(yīng)變片由金屬絲柵絲式應(yīng)變

43、片由金屬絲柵(亦稱亦稱敏感柵敏感柵)、基底、引線、保護(hù)、基底、引線、保護(hù)膜等組成。膜等組成。n敏 感 柵 一 般 采 用 直 徑敏 感 柵 一 般 采 用 直 徑0.0150.05mm的金屬絲，用的金屬絲，用粘 合 劑 固 定 在 厚 度粘 合 劑 固 定 在 厚 度0.020.04mm的紙或膠膜基底的紙或膠膜基底上。上。n引線是由直徑引線是由直徑0.10.2mm低阻低阻鍍錫銅線制成，用于將敏感柵鍍錫銅線制成，用于將敏感柵與測(cè)量電路相連。與測(cè)量電路相連。電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式2箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片n箔式應(yīng)變片的敏感柵是用厚箔式應(yīng)變片的敏感柵是用厚度為度為310um的金屬箔經(jīng)光

44、刻、的金屬箔經(jīng)光刻、腐蝕等工藝制成的。腐蝕等工藝制成的。n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n表面積與截面積之比大，表面積與截面積之比大，散熱條件好，能承受較大散熱條件好，能承受較大電流和較高電壓電流和較高電壓;n輸出靈敏度高輸出靈敏度高;n可制成各種需要的形狀，可制成各種需要的形狀，便于大批量生產(chǎn)。便于大批量生產(chǎn)。n由于上述優(yōu)點(diǎn)，它已逐漸由于上述優(yōu)點(diǎn)，它已逐漸取代絲式應(yīng)變片。取代絲式應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式3半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片的大幾數(shù)比金屬應(yīng)變片的大幾十倍，且體積小、機(jī)械十倍，且體積小、機(jī)械滯后?。粶笮。籲缺點(diǎn)：

45、缺點(diǎn)：n熱穩(wěn)定性比金屬應(yīng)變片熱穩(wěn)定性比金屬應(yīng)變片差，應(yīng)變較大時(shí)非線性差，應(yīng)變較大時(shí)非線性嚴(yán)重。嚴(yán)重。應(yīng)變式壓力傳感器的主要結(jié)構(gòu)型式應(yīng)變式壓力傳感器的主要結(jié)構(gòu)型式n應(yīng)變片與彈性元件的裝配可以采用應(yīng)變片與彈性元件的裝配可以采用粘貼式粘貼式或或非粘貼式非粘貼式；n為了提高測(cè)量靈敏度，通常采用兩對(duì)應(yīng)變片，并使相對(duì)為了提高測(cè)量靈敏度，通常采用兩對(duì)應(yīng)變片，并使相對(duì)橋臂的應(yīng)變片分別處于接受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的位置。橋臂的應(yīng)變片分別處于接受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的位置。n所用彈性元件可根據(jù)被測(cè)介質(zhì)和測(cè)量范圍的不同采用所用彈性元件可根據(jù)被測(cè)介質(zhì)和測(cè)量范圍的不同采用圓圓膜片、彈性梁、應(yīng)變筒膜片、彈性梁、應(yīng)變筒等各種型式等各種

46、型式 。電阻應(yīng)變的溫度補(bǔ)償電阻應(yīng)變的溫度補(bǔ)償n應(yīng)變敏感元件的電阻隨溫度的變應(yīng)變敏感元件的電阻隨溫度的變化而變化；化而變化；n彈性元件和應(yīng)變片的線膨脹系數(shù)彈性元件和應(yīng)變片的線膨脹系數(shù)不完全一樣，由于它們粘貼在一不完全一樣，由于它們粘貼在一起，溫度變化時(shí)就產(chǎn)生附加應(yīng)變。起，溫度變化時(shí)就產(chǎn)生附加應(yīng)變。n因此，電阻應(yīng)變式壓力傳感器要因此，電阻應(yīng)變式壓力傳感器要采取溫度補(bǔ)償措施。采取溫度補(bǔ)償措施。5.2.4 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器n工作原理工作原理n電容器的電容量由兩個(gè)極板的大小、形狀、電容器的電容量由兩個(gè)極板的大小、形狀、相對(duì)位置和電介質(zhì)的介電常數(shù)決定。相對(duì)位置和電介質(zhì)的介電常數(shù)決定。n如果

47、一個(gè)極板固定不動(dòng)，另一個(gè)極板感受如果一個(gè)極板固定不動(dòng)，另一個(gè)極板感受壓力，并隨著壓力的變化而改變極板間的壓力，并隨著壓力的變化而改變極板間的相對(duì)位置，則電容量的變化就反映了被測(cè)相對(duì)位置，則電容量的變化就反映了被測(cè)壓力的變化。壓力的變化。電容式壓力傳感器原理電容式壓力傳感器原理n平行板電容器的電容量表達(dá)式平行板電容器的電容量表達(dá)式AC (5-19)式中式中為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A為兩平行板相對(duì)面為兩平行板相對(duì)面積；積；為兩平行板間距。為兩平行板間距。在實(shí)際測(cè)量中，大多采用保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改在實(shí)際測(cè)量中，大多采用保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變變A或或一個(gè)

48、參數(shù)的方法，把參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變一個(gè)參數(shù)的方法，把參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。因此，電容量的變化與被測(cè)參數(shù)的大小成比例?；?。因此，電容量的變化與被測(cè)參數(shù)的大小成比例。1、差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器、差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器n改變電容兩平行板間距改變電容兩平行板間距的測(cè)量方式有較高的的測(cè)量方式有較高的靈敏度，但當(dāng)位移較大時(shí)，其非線性嚴(yán)重。靈敏度，但當(dāng)位移較大時(shí)，其非線性嚴(yán)重。n采用差動(dòng)電容法可以改善非線性、提高靈敏采用差動(dòng)電容法可以改善非線性、提高靈敏度，并可減小因度，并可減小因受溫度影響引起的不穩(wěn)定性。受溫度影響引起的不穩(wěn)定性。差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器n

49、對(duì)于差動(dòng)變極距式平板電容器，其電容變化與板間對(duì)于差動(dòng)變極距式平板電容器，其電容變化與板間距離變化的關(guān)系可表示為：距離變化的關(guān)系可表示為： 式中式中 C0為初始電容值；為初始電容值； 為極板間初始距離；為極板間初始距離； 為距離變化量。為距離變化量。n此電容量的變化經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，可以轉(zhuǎn)換此電容量的變化經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，可以轉(zhuǎn)換成反映被測(cè)差壓的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。成反映被測(cè)差壓的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。02CC電容式差壓傳感器的結(jié)構(gòu)電容式差壓傳感器的結(jié)構(gòu)n不銹鋼基座內(nèi)有玻璃絕緣層，其內(nèi)不銹鋼基座內(nèi)有玻璃絕緣層，其內(nèi)側(cè)的凹形球面上除邊緣部分外鍍有側(cè)的凹形球面上除邊緣部分外鍍有金屬膜作為金屬膜作為固定

50、電極固定電極，中間被夾緊，中間被夾緊的彈性膜片作為的彈性膜片作為可動(dòng)測(cè)量電極可動(dòng)測(cè)量電極;n組成左、右兩個(gè)電容器。組成左、右兩個(gè)電容器。n不銹鋼基座和玻璃絕緣層中心開有不銹鋼基座和玻璃絕緣層中心開有小孔，不銹鋼基座兩邊外側(cè)焊上了小孔，不銹鋼基座兩邊外側(cè)焊上了波紋密封隔離膜片，測(cè)量電極將空波紋密封隔離膜片，測(cè)量電極將空間分隔成左、右兩個(gè)腔室，其中充間分隔成左、右兩個(gè)腔室，其中充滿硅油。滿硅油。圖圖5-16n當(dāng)隔離膜片感受兩側(cè)壓力的作用時(shí)，通過硅油將差壓傳遞到當(dāng)隔離膜片感受兩側(cè)壓力的作用時(shí)，通過硅油將差壓傳遞到彈性測(cè)量膜片的兩側(cè)從而使膜片產(chǎn)生位移。電容極板間距離彈性測(cè)量膜片的兩側(cè)從而使膜片產(chǎn)生位移

51、。電容極板間距離的變化，將引起兩側(cè)電容器電容值的改變。的變化，將引起兩側(cè)電容器電容值的改變。2、變面積式電容壓力傳感器、變面積式電容壓力傳感器n被測(cè)壓力作用在金屬膜片上，通過被測(cè)壓力作用在金屬膜片上，通過中心柱和支撐簧片，使可動(dòng)電極隨中心柱和支撐簧片，使可動(dòng)電極隨簧片中心位移而動(dòng)作。簧片中心位移而動(dòng)作。n可動(dòng)電極與固定電極均是金屬同心可動(dòng)電極與固定電極均是金屬同心多層圓筒，斷面呈梳齒形，其電容多層圓筒，斷面呈梳齒形，其電容量取決于兩電極交錯(cuò)重疊部分的面量取決于兩電極交錯(cuò)重疊部分的面積。積。n固定電極與外殼之間絕緣，可動(dòng)電固定電極與外殼之間絕緣，可動(dòng)電極則與外殼導(dǎo)通。極則與外殼導(dǎo)通。n壓力引起的

52、極間電容變化由中心柱壓力引起的極間電容變化由中心柱引至適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，轉(zhuǎn)換成反引至適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，轉(zhuǎn)換成反映被測(cè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。映被測(cè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。變面積式電容壓力傳感器的結(jié)構(gòu)變面積式電容壓力傳感器的結(jié)構(gòu) n金屬膜片為不銹鋼材質(zhì)，金屬膜片為不銹鋼材質(zhì)，膜片后設(shè)有帶波紋面的擋膜片后設(shè)有帶波紋面的擋塊，限制膜片過大變形，塊，限制膜片過大變形，以保護(hù)膜片在過載時(shí)不至以保護(hù)膜片在過載時(shí)不至于損壞。于損壞。膜片中心位移不膜片中心位移不超過超過0.3mm，膜片背面為，膜片背面為無硅油的封閉空間，不與無硅油的封閉空間，不與被測(cè)介質(zhì)接觸，可視為恒被測(cè)介質(zhì)接觸，可視為恒定的大氣壓，故定的大氣壓

53、，故僅適用于僅適用于壓力測(cè)量，而不能測(cè)量壓壓力測(cè)量，而不能測(cè)量壓差差。 電容式壓力傳感器特點(diǎn)電容式壓力傳感器特點(diǎn)n結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)實(shí)，能在惡劣環(huán)境下工作；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)實(shí)，能在惡劣環(huán)境下工作；n精度高，其精確度可達(dá)精度高，其精確度可達(dá)0.250.05；n所需輸入能量小，沒有摩擦；所需輸入能量小，沒有摩擦；n動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高；n可以測(cè)量壓力和差壓；可以測(cè)量壓力和差壓；n過載能力強(qiáng)過載能力強(qiáng) 。測(cè)量精度的主要影響因素測(cè)量精度的主要影響因素1.線路寄生電容；線路寄生電容；2.電纜電容和溫度；電纜電容和溫度；3.濕度；濕度；4.絕緣和屏蔽。絕緣和屏蔽。5.2.5 電感式壓力傳感器電感式

54、壓力傳感器n測(cè)量原理測(cè)量原理n電感式壓力傳感器以電感式壓力傳感器以電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，為基礎(chǔ)，利用磁性材料和空氣的導(dǎo)磁率不同，把彈利用磁性材料和空氣的導(dǎo)磁率不同，把彈性元件的位移量轉(zhuǎn)換為電路中電感量的變性元件的位移量轉(zhuǎn)換為電路中電感量的變化或互感量的變化，再通過測(cè)量線路轉(zhuǎn)變化或互感量的變化，再通過測(cè)量線路轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電流或電壓信號(hào)。為相應(yīng)的電流或電壓信號(hào)。差動(dòng)式電感壓力傳感器工作原理差動(dòng)式電感壓力傳感器工作原理電感式壓力傳感器的特點(diǎn)電感式壓力傳感器的特點(diǎn)n靈敏度高、輸出功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作靈敏度高、輸出功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠；可靠；n頻響慢，動(dòng)態(tài)性能較差，較笨重，不適合頻響慢

55、，動(dòng)態(tài)性能較差，較笨重，不適合于測(cè)量高頻脈動(dòng)壓力；于測(cè)量高頻脈動(dòng)壓力；n精度：精度：0.51級(jí)級(jí)；n二次儀表：二次儀表：毫伏計(jì)毫伏計(jì)或或自動(dòng)平衡電子差動(dòng)儀自動(dòng)平衡電子差動(dòng)儀；n產(chǎn)生測(cè)量誤差的主要原因：產(chǎn)生測(cè)量誤差的主要原因：n環(huán)境溫度的變化，電源電壓和頻率的波動(dòng)，線環(huán)境溫度的變化，電源電壓和頻率的波動(dòng)，線圈的電氣參數(shù)、幾何參數(shù)不對(duì)稱，導(dǎo)磁材料不圈的電氣參數(shù)、幾何參數(shù)不對(duì)稱，導(dǎo)磁材料不對(duì)稱、不均質(zhì)等。對(duì)稱、不均質(zhì)等。5.2.6 力平衡式壓力變送器力平衡式壓力變送器n測(cè)量原理測(cè)量原理n力平衡式壓力變送器采用反饋力平衡的原力平衡式壓力變送器采用反饋力平衡的原理，反饋力的平衡方式可以是彈性力平衡理，反

56、饋力的平衡方式可以是彈性力平衡或電磁力平衡等?；螂姶帕ζ胶獾?。彈性力平衡式壓力測(cè)量系統(tǒng)的原理彈性力平衡式壓力測(cè)量系統(tǒng)的原理n由測(cè)壓波紋管（彈性敏感元件）、杠桿、差動(dòng)電容變由測(cè)壓波紋管（彈性敏感元件）、杠桿、差動(dòng)電容變換器、伺服放大器換器、伺服放大器A、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)M、減速器和反饋彈、減速器和反饋彈簧等元部件組成?；傻仍考M成。工作過程工作過程n被測(cè)壓力被測(cè)壓力p1 、p2分別導(dǎo)入波紋管和密封殼體內(nèi)，測(cè)壓波紋分別導(dǎo)入波紋管和密封殼體內(nèi)，測(cè)壓波紋管將壓力差管將壓力差p= p1 -p2轉(zhuǎn)換為集中力轉(zhuǎn)換為集中力Fp使杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)，差動(dòng)使杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)，差動(dòng)電容變換器的動(dòng)極片偏離零位，電橋輸出電壓電容變換

57、器的動(dòng)極片偏離零位，電橋輸出電壓uc，其幅值，其幅值與杠桿的轉(zhuǎn)角成比例，而相位與杠桿偏轉(zhuǎn)的方向與杠桿的轉(zhuǎn)角成比例，而相位與杠桿偏轉(zhuǎn)的方向(即壓力即壓力差的方向差的方向)相對(duì)應(yīng)。相對(duì)應(yīng)。n電壓電壓uc經(jīng)伺服放大器放大后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速經(jīng)伺服放大器放大后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速器后，一方面帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，指示出杠桿轉(zhuǎn)角的大??；器后，一方面帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，指示出杠桿轉(zhuǎn)角的大小；另一方面使螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，從而壓縮和拉長(zhǎng)反饋彈簧另一方面使螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，從而壓縮和拉長(zhǎng)反饋彈簧(螺栓使螺栓使彈簧產(chǎn)生的位移量為彈簧產(chǎn)生的位移量為x)，改變反饋彈簧施加在杠桿上的力，改變反饋彈簧施加在杠桿上的力Fxs。n當(dāng)集中

58、力當(dāng)集中力Fp產(chǎn)生的力矩與反饋力產(chǎn)生的力矩與反饋力Fxs產(chǎn)生的力矩相平衡時(shí)，產(chǎn)生的力矩相平衡時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。由于反饋力系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。由于反饋力Fxs與壓力差與壓力差p產(chǎn)生的集產(chǎn)生的集中力成比例，則彈簧的位移中力成比例，則彈簧的位移x與壓力差與壓力差p所產(chǎn)生的集中力所產(chǎn)生的集中力Fp成比例，故輸出軸轉(zhuǎn)角成比例，故輸出軸轉(zhuǎn)角與壓力差與壓力差p成比例。成比例。力平衡式壓力變送器的特點(diǎn)力平衡式壓力變送器的特點(diǎn)n影響力平衡式變送器測(cè)量精度的因素主要有：影響力平衡式變送器測(cè)量精度的因素主要有：n各元件的非線性造成的各元件的非線性造成的非線性誤差非線性誤差；n環(huán)境溫度變化引起的環(huán)境溫度變化引起的放

59、大器零點(diǎn)漂移放大器零點(diǎn)漂移；n各元件性能改變而產(chǎn)生的各元件性能改變而產(chǎn)生的溫度附加誤差溫度附加誤差。n測(cè)量精度高，可達(dá)測(cè)量精度高，可達(dá)0.5級(jí)級(jí)；n結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大；n由于使用了杠桿等質(zhì)量較大的部件而使得彈性系統(tǒng)由于使用了杠桿等質(zhì)量較大的部件而使得彈性系統(tǒng)剛度小，其剛度小，其動(dòng)態(tài)性能較差動(dòng)態(tài)性能較差。5.2.7 諧振式壓力傳感器諧振式壓力傳感器n測(cè)量原理測(cè)量原理n諧振式壓力傳感器是靠被測(cè)壓力所形成的應(yīng)力改諧振式壓力傳感器是靠被測(cè)壓力所形成的應(yīng)力改變彈性元件的諧振頻率，通過測(cè)量頻率信號(hào)的變變彈性元件的諧振頻率，通過測(cè)量頻率信號(hào)的變化來檢測(cè)壓力?；瘉頇z測(cè)壓力。n特別適合與計(jì)算機(jī)配合使用，組成高精度的測(cè)量、特別適合與計(jì)