化工測(cè)量及儀表壓力市公開(kāi)課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第3章壓力測(cè)量

化工測(cè)量及儀表壓力第1頁(yè)本章關(guān)鍵點(diǎn)壓力定義和表示彈性元件和彈性壓力計(jì)電阻（應(yīng)變）式壓力計(jì)電容式壓力計(jì)電感式壓力計(jì)霍爾式壓力計(jì)其它常見(jiàn)壓力測(cè)量方法壓力儀表選取標(biāo)準(zhǔn)化工測(cè)量及儀表壓力第2頁(yè)3.1壓力檢測(cè)概述

3.1.1壓力定義及單位

3.1.2壓力幾個(gè)表示方法

化工測(cè)量及儀表壓力第3頁(yè)3.1.1壓力定義及單位壓力定義壓力單位工程上壓力定義是垂直而均勻地作用于單位面積上力。相當(dāng)于物理上壓強(qiáng)定義。壓力國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位為Pa(帕斯卡)，1Pa定義是在1m2面積上有1N（牛頓）作用力。不過(guò)該單位表示力較小，所以，工程上更多是使用kPa(千帕斯卡/千帕)或MPa（兆帕斯卡/兆帕）作為壓力表示單位?；y(cè)量及儀表壓力第4頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第5頁(yè)=======3-1化工測(cè)量及儀表壓力第6頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第7頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第8頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第9頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第10頁(yè)3.1.2壓力幾個(gè)表示方法

表壓力與真空度：絕對(duì)壓力:被測(cè)量壓力與真空差值稱為絕對(duì)壓力。被測(cè)壓力大于大氣壓力時(shí)，稱被測(cè)壓力與大氣壓力差值為表壓力，當(dāng)被測(cè)壓力小于大氣壓力時(shí)，稱其差值為真空度或負(fù)壓?；y(cè)量及儀表壓力第11頁(yè)3.2彈性壓力計(jì)

3.2.1彈性元件3.2.2彈性元件在壓力測(cè)量中應(yīng)用化工測(cè)量及儀表壓力第12頁(yè)3.2.1彈性元件

彈性元件測(cè)量原理

當(dāng)被測(cè)壓力作用于彈性元件時(shí)，彈性元件受到其軸向外力作用，產(chǎn)生彈性形變，形成拉伸或壓縮位移信號(hào)，在彈性形變范圍內(nèi)，其受力和形變關(guān)系可表示為：式中F——軸向外力

X——彈性元件位移

C——彈性元件剛度系數(shù)依據(jù)彈性元件形變大小，能夠確定被測(cè)壓力大小?；y(cè)量及儀表壓力第13頁(yè)彈性元件種類和特征慣用彈性元件類型有膜片、彈簧管、波紋管等類型，可將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào)。膜片和膜盒彈簧管波紋管化工測(cè)量及儀表壓力第14頁(yè)膜片主要用于低壓測(cè)量，壓力增大時(shí)，膜片圓心處硬心會(huì)產(chǎn)生直線位移。在壓力測(cè)量中，慣用兩片膜片沿周?chē)鷮?duì)焊起來(lái)，組成膜盒結(jié)構(gòu)。膜片可直接帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)就地顯示，但因?yàn)槟て灰戚^小，靈敏度低，更多是與壓力變送器配合使用。波紋管在管內(nèi)壓力增大時(shí)，側(cè)壁上褶皺曲率改變，產(chǎn)生自由端水平位移，因?yàn)椴y管位移相對(duì)較大，普通可直接帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，就地顯示。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，但波紋管遲滯誤差較大，其輸出水平位移比彈簧管大，但位移和壓力線性度不如彈簧管。彈簧管又稱波登管，管橫截面為橢圓形，當(dāng)管內(nèi)壓力變大時(shí)，橢圓截面在壓力作用下趨向于圓形，使整個(gè)彎管曲率發(fā)生改變，其自由端產(chǎn)生向外位移，在位移量不大時(shí)，可近似看作直線運(yùn)動(dòng)，且位移大小與壓力近似成正比。彈簧管還有多圈盤(pán)狀或螺旋狀結(jié)構(gòu)，能夠增大輸出位移量。常見(jiàn)彈性元件位移輸出和壓力信號(hào)關(guān)系如表3-2-2所表示。化工測(cè)量及儀表壓力第15頁(yè)3-2化工測(cè)量及儀表壓力第16頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第17頁(yè)3.2.2彈性元件在壓力測(cè)量中應(yīng)用彈簧管壓力表實(shí)物示例被測(cè)壓力由接頭9引入，迫使彈簧管1自由端B向右上方擴(kuò)張移動(dòng)。自由端B彈性變形位移由拉桿2使扇形齒輪3做逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，于是指針5經(jīng)過(guò)同軸中心齒輪4帶動(dòng)而做順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，從而在面板6刻度標(biāo)尺上顯示出被測(cè)壓力p數(shù)值。因?yàn)樽杂啥宋灰婆c被測(cè)壓力之間含有百分比關(guān)系，所以彈簧管壓力表刻度標(biāo)尺是線性。3-4量程調(diào)整減小變差游絲7是用來(lái)克服扇形齒輪和中心齒輪間隙所產(chǎn)生儀表變差。改變調(diào)整螺釘8位置(即改變機(jī)械傳動(dòng)放大倍數(shù))，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力表量程調(diào)整?；y(cè)量及儀表壓力第18頁(yè)3-3化工測(cè)量及儀表壓力第19頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第20頁(yè)P(yáng)為壓力，即單位面積上力，N/m2化工測(cè)量及儀表壓力第21頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第22頁(yè)3.2.2彈性元件在壓力測(cè)量中應(yīng)用壓力變送器結(jié)構(gòu)原理如圖所表示，由測(cè)量和轉(zhuǎn)換兩部分組成。測(cè)量部分包含測(cè)量室、測(cè)量元件(膜片或膜盒)、主杠桿；轉(zhuǎn)換部分包含主杠桿、矢量機(jī)構(gòu)、副杠桿、反饋機(jī)構(gòu)、差動(dòng)變壓器、調(diào)零裝置及放大器?；y(cè)量及儀表壓力第23頁(yè)如圖所表示。矢量機(jī)構(gòu)把主杠桿水平方向力Fl分解為垂直方向力F2和矢量角方向力F3，其中分力F2則作用于副杠桿上，其值等于Fltgθ。副杠桿以M點(diǎn)為支點(diǎn)，將F2傳遞到反饋動(dòng)圈12處，形成作用力F4，它與反饋動(dòng)圈在磁場(chǎng)中所受到反饋力Ff相比較其差值ΔF使副杠桿繞M點(diǎn)偏轉(zhuǎn)，這使得固定在副杠抨上位移檢測(cè)片8與差動(dòng)變壓器9之間距離改變?chǔ)，引發(fā)差動(dòng)變壓器輸出改變?chǔ)，經(jīng)放大器放大并轉(zhuǎn)換成4~20mADC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)I0，作為變送器輸出信號(hào)；I0同時(shí)又作為反饋電流經(jīng)反饋動(dòng)圈，產(chǎn)生電磁反饋力Ff，使副杠桿作相反方向偏轉(zhuǎn)。當(dāng)輸入力與反饋力對(duì)杠桿系統(tǒng)所產(chǎn)生力矩到達(dá)平衡時(shí)，F(xiàn)f=F4，變送器重新到達(dá)一個(gè)新穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，變送器輸出電流I0與被測(cè)信號(hào)Δp成正比?；y(cè)量及儀表壓力第24頁(yè)3.3電阻式壓力計(jì)

3.3.1應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng)原理

3.3.2金屬應(yīng)變片與應(yīng)變式壓力傳感器

3.3.3壓阻元件和壓阻式壓力傳感器

3.3.4電阻信號(hào)測(cè)量電路

化工測(cè)量及儀表壓力第25頁(yè)3.3電阻式壓力計(jì)電阻式壓力計(jì)利用傳感器將彈性元件受壓力影響產(chǎn)生形變轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)，再利用對(duì)電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換處理取得被測(cè)壓力值。慣用傳感器有金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體硅杯，所以這類傳感器工作原理是應(yīng)變效應(yīng)，即金屬或半導(dǎo)體材料電阻，在受到外力作用產(chǎn)微小形變同時(shí)，其電阻值也會(huì)發(fā)生改變，以金屬應(yīng)變片作為傳感元件制造壓力計(jì)稱為應(yīng)變式壓力計(jì)，以硅杯作為傳感元件制造壓力計(jì)稱為壓阻式壓力計(jì)。應(yīng)變式壓力傳感器化工測(cè)量及儀表壓力第26頁(yè)3.3.1應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng)原理金屬導(dǎo)體應(yīng)變效應(yīng)

金屬導(dǎo)體電阻能夠表示為：式中：ρ—電阻率L—導(dǎo)體長(zhǎng)度A—導(dǎo)體橫截面積對(duì)于一根圓截面金屬電阻絲，當(dāng)受到軸向外力F作用后，電阻絲長(zhǎng)度伸長(zhǎng)了dL，截面積縮小了dA，電阻率改變?yōu)閐ρ，電阻相對(duì)改變量則為：化工測(cè)量及儀表壓力第27頁(yè)和幾何尺寸相關(guān)和電阻率相關(guān)電阻率(resistivity)：是指單位長(zhǎng)度、單位截面某種物質(zhì)電阻，慣用單位為“歐姆·米”，其倒數(shù)為電導(dǎo)率?；y(cè)量及儀表壓力第28頁(yè)因?yàn)閳A截面電阻絲A=πD2/4，故能夠得出式中μ—材料泊松系數(shù)dL／L—金屬電阻絲軸向應(yīng)變。式中D——電阻絲直徑。又依據(jù)材料力學(xué)可知：化工測(cè)量及儀表壓力第29頁(yè)電阻相對(duì)改變量忽略電阻率改變影響因?yàn)椴牧蠋缀纬叽绺淖円l(fā)電阻改變現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。K=1+2μ稱為金屬電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)。線性關(guān)系化工測(cè)量及儀表壓力第30頁(yè)半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料受力后電阻改變一樣能夠表示為對(duì)于半導(dǎo)體材料而言，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料幾何尺寸對(duì)電阻改變率影響很小，故上式后兩項(xiàng)能夠忽略不計(jì)，也就是說(shuō)，半導(dǎo)體電阻改變率主要是由dρ／ρ引發(fā)，這一現(xiàn)象也稱為壓阻效應(yīng)。對(duì)于半導(dǎo)體單晶在沿縱向受力時(shí)，電阻率改變?yōu)椋害小雽?dǎo)體材料壓阻系數(shù)；E—材料彈性模量；

ε—縱向應(yīng)變。σ=πE。所以應(yīng)變引發(fā)電阻改變率為

式中K=πE，稱為半導(dǎo)體靈敏系數(shù)化工測(cè)量及儀表壓力第31頁(yè)金2.4*10-3銀1.62*10-3

青銅13-18*10-3金屬應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù)為2～3化工測(cè)量及儀表壓力第32頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第33頁(yè)3.3.2金屬應(yīng)變片與應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變片結(jié)構(gòu)利用金屬材料應(yīng)變效應(yīng)，可將形變轉(zhuǎn)換為電阻改變，工程上使用傳感器稱為金屬應(yīng)變片，簡(jiǎn)稱應(yīng)變片，它是利用極細(xì)金屬絲附著在絕緣薄片上制造而成。應(yīng)變片使用時(shí)有方向性，測(cè)量時(shí)應(yīng)變方向應(yīng)該與敏感柵軸向（縱向）一致，這么才能產(chǎn)生較大信號(hào)輸出，假如應(yīng)變方向垂直于敏感柵軸向，應(yīng)變片產(chǎn)生電阻改變非常微小，無(wú)法測(cè)量?？v向（軸向）橫向化工測(cè)量及儀表壓力第34頁(yè)直徑：0.015~0.05mm厚：0.02~0.04mm,紙或膠膜直徑：0.1~0.2mm銅線,又叫敏感柵為何要重復(fù)繞置電阻絲？0.003~0.01mm金屬箔，光刻、腐蝕而成。特點(diǎn)：表面積大，散熱好，能承受大電流和大電壓，靈敏度高，便于批量生產(chǎn)?；y(cè)量及儀表壓力第35頁(yè)應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器結(jié)構(gòu)有許各種形式，現(xiàn)僅以應(yīng)變筒結(jié)構(gòu)為例介紹其測(cè)壓原理。如圖所表示，應(yīng)變筒1上端與外殼2固定在一起，它下端與不銹鋼密封膜片3緊密接觸，兩片應(yīng)變片R1和R2分別用粘合劑粘貼在應(yīng)變筒外壁上。R1沿應(yīng)變筒徑向貼放，R2沿應(yīng)變筒軸向貼放，要求應(yīng)變片與筒體之間不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象，而且保持電氣絕緣。當(dāng)被測(cè)壓力p作用于不銹鋼膜片3上而使應(yīng)變筒作軸向受壓變形時(shí)，沿軸向貼放應(yīng)變片R2，產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)變，其阻值變小；而應(yīng)變筒在受到軸向壓縮變形同時(shí)，徑向產(chǎn)生拉伸變形，那么沿著徑向貼放應(yīng)變片R1將引發(fā)拉伸應(yīng)變，其阻值增大。利用兩個(gè)應(yīng)變片，結(jié)合固定電阻組成直流惠斯登電橋，可將應(yīng)變片電阻改變轉(zhuǎn)換為與之成正比直流電壓信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)傳和標(biāo)準(zhǔn)化處理。化工測(cè)量及儀表壓力第36頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第37頁(yè)3.3.3壓阻元件和壓阻式壓力傳感器壓阻元件利用半導(dǎo)體材料制造應(yīng)變-電阻轉(zhuǎn)換元件稱為壓阻元件，硅杯膜片是較為常見(jiàn)一個(gè)壓阻元件，它是在一個(gè)周?chē)潭◤椥阅て厦鏀U(kuò)散有硅應(yīng)變電阻硅膜片。形狀有圓形、方形和矩形等。

在波紋膜片上不一樣位置，在受到壓力影響產(chǎn)生形變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不一樣改變趨勢(shì)，R1、R4應(yīng)變片位置產(chǎn)生應(yīng)變方向與R2、R3應(yīng)變片位置應(yīng)變方向相反，而改變量相同，利用這一特點(diǎn)，能夠選取不一樣數(shù)量應(yīng)變片組成測(cè)量橋路，以改進(jìn)傳感器特征。化工測(cè)量及儀表壓力第38頁(yè)圓形硅杯模片r=0.635r0時(shí)，徑向應(yīng)力為零；r<0.635r0時(shí)，徑向應(yīng)力大于零，為拉應(yīng)力；r>0.635r0時(shí)，徑向應(yīng)力小于零，為壓應(yīng)力；化工測(cè)量及儀表壓力第39頁(yè)壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器主要由壓阻芯片和外殼組成。如圖所表示為經(jīng)典壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。壓阻芯片采取周?chē)潭ü璞Y(jié)構(gòu)，封裝在外殼內(nèi)，硅膜片上擴(kuò)散電阻接成電橋形式，用引線引出。組成全橋四片電阻條中，有兩片位于受壓應(yīng)力區(qū)，另外兩片位于受拉應(yīng)力區(qū)，彼此位置相互對(duì)稱于膜片中心。硅膜片兩邊有兩個(gè)壓力腔，一個(gè)是和被測(cè)壓力相連接高壓腔，另一個(gè)是低壓腔，通常是小管和大氣相通?；y(cè)量及儀表壓力第40頁(yè)3.3.4電阻信號(hào)測(cè)量電路測(cè)量電路作用不論是應(yīng)變式壓力傳感器還是壓阻式壓力傳感器，產(chǎn)生電阻信號(hào)需深入轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)，方便于進(jìn)行測(cè)量信號(hào)遠(yuǎn)傳和處理。慣用方法是采取直流或交流電橋，將電阻改變轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，提升了測(cè)量精度和靈敏度，降低環(huán)境原因帶來(lái)測(cè)量誤差。

化工測(cè)量及儀表壓力第41頁(yè)應(yīng)變片溫度誤差因?yàn)闇y(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度改變而給測(cè)量帶來(lái)附加誤差，稱為應(yīng)變片溫度誤差。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差主要原因是因?yàn)椴牧想娮铚囟忍卣骱褪軠囟扔绊懏a(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象。

(1)電阻溫度系數(shù)影響

金屬電阻絲多采取銅材料，其阻值隨溫度改變關(guān)系可用下式表示：式中：R0——

溫度為t0℃時(shí)電阻值；

Rt

——

溫度為t℃時(shí)電阻值；

α0——金屬絲電阻溫度系數(shù)；

Δt——

溫度改變值，t=t-t0化工測(cè)量及儀表壓力第42頁(yè)半導(dǎo)體材料制造壓阻元件，其阻值一樣會(huì)受到溫度影響，其溫度-電阻特征為

所以當(dāng)溫度改變時(shí)，應(yīng)變式（壓變式）傳感器電阻會(huì)伴隨溫度改變發(fā)生改變，產(chǎn)生附加誤差。化工測(cè)量及儀表壓力第43頁(yè)

(2)彈性構(gòu)件材料和電阻絲材料線膨脹系數(shù)影響

應(yīng)變片使用時(shí)必須和可產(chǎn)生形變彈性構(gòu)件粘貼在一起。當(dāng)彈性構(gòu)件與電阻絲材料線膨脹系數(shù)相同時(shí)，不論環(huán)境溫度怎樣改變，電阻絲變形仍和自由狀態(tài)一樣，不會(huì)產(chǎn)生附加變形。當(dāng)彈性構(gòu)件和電阻絲線膨脹系數(shù)不一樣時(shí)，因?yàn)榄h(huán)境溫度改變，電阻絲會(huì)產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻。設(shè)電阻絲和彈性構(gòu)件在溫度為0℃時(shí)長(zhǎng)度均為L(zhǎng)0，它們線膨脹系數(shù)分別為βS和β

g。當(dāng)不貼在一起時(shí)，溫度改變?chǔ)時(shí)它們長(zhǎng)度分別為

Ls=L0（1+βS

Δt）

Lg=L0（1+βg

Δt）化工測(cè)量及儀表壓力第44頁(yè)當(dāng)二者粘貼在一起時(shí)，因?yàn)槭軠囟雀淖儲(chǔ)影響產(chǎn)生變形不一樣，電阻絲產(chǎn)生附加變形ΔL、附加應(yīng)變?chǔ)纽?、和附加電阻改變?chǔ)?/p>

RL為分別為

ΔL=LS-Lg=(βS-βg)L0Δt

εβ=ΔL/L0=(βS-βg)Δt式中K0為與材料相關(guān)固定系數(shù)，R0為應(yīng)變片初始阻值?；y(cè)量及儀表壓力第45頁(yè)

因?yàn)闇囟雀淖兌l(fā)應(yīng)變片總電阻相對(duì)改變量為：βS和βg分別為應(yīng)變片和彈性構(gòu)件線膨脹系數(shù)，α0為電阻絲材料溫度系數(shù)。由上式可知，因環(huán)境溫度改變而引發(fā)附加電阻相對(duì)改變量，除了與環(huán)境溫度相關(guān)外，還與應(yīng)變片本身性能參數(shù)以及彈性構(gòu)件線膨脹系數(shù)相關(guān)。為了防止環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量影響，需要在進(jìn)行應(yīng)變片信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，經(jīng)過(guò)測(cè)量電路進(jìn)行溫度賠償，以減小環(huán)境溫度帶來(lái)系統(tǒng)誤差。化工測(cè)量及儀表壓力第46頁(yè)測(cè)量橋路應(yīng)變式傳感器電阻信號(hào)處理多采取不平衡電橋電路。電橋有直流電橋與交流電橋之分。假如采取正弦波電壓對(duì)電橋供電，這種電橋稱為交流電橋；假如采取直流電對(duì)電橋供電，這種電橋則稱為直流電橋。交流電橋易受傳輸線分布電容影響，調(diào)平衡困難，通頻帶較窄，所以傳輸電纜不宜過(guò)長(zhǎng)。伴隨集成電路技術(shù)進(jìn)步，各種低噪聲、低漂移、高效益、高精度、高共模抑制比運(yùn)算放大器不停出現(xiàn)，專用信號(hào)處理電路模塊和高精度直流電源模塊也相繼制造成功，直流電橋應(yīng)用越來(lái)越多。這種新型直流電橋電路最大優(yōu)點(diǎn)是頻率響應(yīng)特征好、精度高、不需繁瑣地調(diào)平衡，允許使用傳感器電纜引線長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于交流電橋允許引線長(zhǎng)度。采取直流電橋及對(duì)應(yīng)二次儀表，比采取載頻式交流電橋及二次儀表更為經(jīng)濟(jì)。以下重點(diǎn)對(duì)不平衡直流電橋應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明?；y(cè)量及儀表壓力第47頁(yè)

當(dāng)輸出端ab間開(kāi)路時(shí)，則有電流如圖所表示，橋路電源電壓U為直流，4個(gè)橋臂阻值分別為R1、R2、R3、R4，當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，稱為等臂電橋；當(dāng)R1=R2=R及R3=R4=R0

（R≠R0）時(shí)，稱為輸出對(duì)稱電橋；當(dāng)R1=R4=R及R2=R3=R0（R≠R0）時(shí)，稱為電源對(duì)稱電橋。在電阻R1及R3，上電壓降分別為化工測(cè)量及儀表壓力第48頁(yè)所以，橋路輸出可表示為

上式稱為直流電橋平衡條件，電橋到達(dá)平衡時(shí)其相鄰兩臂電阻比值相等。設(shè)當(dāng)Uo=0時(shí)，稱為電橋平衡，此時(shí)式中

n——橋臂電阻比。

化工測(cè)量及儀表壓力第49頁(yè)

假設(shè)電橋各橋臂電阻R1、R2、R3、R4，都發(fā)生改變，其阻值改變量分別為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，電橋輸出近似可得右端分子、分母同時(shí)除以R12，則有化工測(cè)量及儀表壓力第50頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第51頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第52頁(yè)輸出信號(hào)電壓靈敏度為：

由此可見(jiàn)當(dāng)n=1時(shí)，橋路輸出靈敏度最大，此時(shí)有R1=R2=R3=R4，即電橋?yàn)槿缺垭姌?，所以全等臂電橋是?yīng)變式傳感器中常采取形式。當(dāng)f’(n)=0時(shí)，Ku有最大值，故有全等臂直流電橋常見(jiàn)形式有單臂電橋、雙臂電橋、全橋。

化工測(cè)量及儀表壓力第53頁(yè)

電橋輸出信號(hào)與應(yīng)變片電阻改變率近似成正比?？梢?jiàn)電橋可利用其輸出電壓與應(yīng)變函數(shù)關(guān)系，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為可遠(yuǎn)傳電信號(hào)。如圖所表示為單臂電橋。橋路結(jié)構(gòu)中只有一個(gè)橋臂是測(cè)量應(yīng)變片，其它為固定電阻，且R1=R2=R3=R4=R，單臂工作時(shí)，應(yīng)變片傳感器電阻發(fā)生改變，即R1=R+ΔR，其它電阻ΔR=0，電橋輸出為：當(dāng)ΔR<<R時(shí)，令1+ΔR/2R≈1，則有測(cè)量橋路——單臂電橋化工測(cè)量及儀表壓力第54頁(yè)測(cè)量橋路——雙臂電橋

差動(dòng)電橋有兩種結(jié)構(gòu)，分別稱為半橋和全橋。

半橋電路又稱雙臂電橋，結(jié)構(gòu)如圖所表示，相鄰橋臂為兩個(gè)相同類型應(yīng)變片傳感器，分別定位于彈性構(gòu)件適當(dāng)位置上。當(dāng)彈性構(gòu)件產(chǎn)生形變時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片受到效果相反作用，即一個(gè)應(yīng)變片受拉伸作用時(shí)，另一個(gè)應(yīng)變片受改變量相同壓縮作用。其電阻改變情況，一臂為R1+ΔR1，而另一臂為R2－ΔR2。因?yàn)镽1=R2=R3=R4=R，而ΔR1=ΔR2=ΔR，所以

可見(jiàn)，因?yàn)椴顒?dòng)賠償作用，從理論角度而言，引發(fā)非線性誤差原因相互抵消；同時(shí)輸出信號(hào)靈敏度較單臂電橋提升了一倍。

化工測(cè)量及儀表壓力第55頁(yè)環(huán)境溫度改變影響這時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變電阻改變方式相同，即

R1+ΔR1

R2+ΔR2且ΔR1=ΔR2=ΔR若電橋原處于平衡狀態(tài)，有所以，環(huán)境溫度影響大大減小。

電阻溫度系數(shù)影響和電阻絲材料線膨脹系數(shù)影響均大大減小?；y(cè)量及儀表壓力第56頁(yè)測(cè)量橋路——全橋四個(gè)橋臂均由參加測(cè)量應(yīng)變片元件組成，其相鄰橋臂應(yīng)變片，在彈性構(gòu)件產(chǎn)生形變時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片受到效果相反作用。橋路輸出與應(yīng)變片阻值改變關(guān)系為：可見(jiàn)全橋電路靈敏度是半橋2倍，同時(shí)全橋電路一樣含有差動(dòng)電橋非線性誤差和溫度誤差賠償功效。化工測(cè)量及儀表壓力第57頁(yè)測(cè)量橋路信號(hào)后續(xù)處理

通常，傳感器輸出電信號(hào)是微弱，且與電路之間連接含有一定距離，所以需要進(jìn)行信號(hào)放大。按測(cè)量放大電路結(jié)構(gòu)原理可分為差動(dòng)直接耦合式、調(diào)制式和自動(dòng)穩(wěn)定式三大類。其中，差動(dòng)直接耦合式包含了單端輸入(同相或反相)運(yùn)算放大電路、電橋放大電路、電荷放大電路等測(cè)量放大電路。按元件制造方式可分為分立元件結(jié)構(gòu)形式、通用集成運(yùn)算放大器組成形式和單片集成測(cè)量放大器三種。在三種方式中，單片集成測(cè)量放大器含有體積小、精度高、使用方便特點(diǎn)。伴隨集成工藝發(fā)展，單片集成測(cè)量放大器應(yīng)用在日益增多。以下以多功效信號(hào)調(diào)理電路AD693為例，介紹這類放大器使用特點(diǎn)。化工測(cè)量及儀表壓力第58頁(yè)

AD693是AD企業(yè)推出一個(gè)單片信號(hào)調(diào)理器，它含有高精度、多功效特點(diǎn)。其用途十分廣泛，使用也非常靈活，不但可用作小信號(hào)U／I轉(zhuǎn)換器，還可作為各種傳感器(比如鉑熱電阻、熱電偶、電阻應(yīng)變片測(cè)量電橋)信號(hào)調(diào)理器。AD693適合用于傳感測(cè)試系統(tǒng)、工業(yè)過(guò)程控制及自動(dòng)化儀表領(lǐng)域。AD693性能特點(diǎn)1)內(nèi)含可編程輸入放大器、U／I轉(zhuǎn)換器和多路輸出式基準(zhǔn)電壓源。2)輸出電流有三種形式：4~20mA(單極性)，0~20mA(單極性)，12±8mA(雙極性)。3)輸入電壓范圍和電流零點(diǎn)均可單獨(dú)調(diào)整，二者互不影響。4)高精度。5)利用芯片中備用放大器，可對(duì)由鉑熱電阻(PRTD)、各種熱電偶及電阻應(yīng)變片橋路所產(chǎn)生信號(hào)進(jìn)行調(diào)理(包含緩沖、放大、與其它信號(hào)進(jìn)行組合等)。備用放大器含有電流輸出和電壓輸出兩種能力，能為外部傳感器提供激勵(lì)。6)含有過(guò)電流保護(hù)和反向過(guò)電壓保護(hù)功效。

化工測(cè)量及儀表壓力第59頁(yè)AD693內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖：可編程輸入放大器(A1)U／I轉(zhuǎn)換器輸出級(jí)(晶體管VT1)基準(zhǔn)電壓及精密分壓器、保護(hù)二極管(VD)備用放大器(A2)備用輸出級(jí)(高增益達(dá)林頓管VT2)。化工測(cè)量及儀表壓力第60頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第61頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第62頁(yè)測(cè)量橋路信號(hào)后續(xù)處理AD693作為電阻應(yīng)變片測(cè)量信號(hào)處理電路連接原理圖化工測(cè)量及儀表壓力第63頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第64頁(yè)3.4電容式壓力計(jì)

3.4.1電容傳感器原理

3.4.2電容式壓力傳感器

3.4.3電容信號(hào)變送處理

化工測(cè)量及儀表壓力第65頁(yè)3.4電容式壓力計(jì)電容式壓力計(jì)敏感元件，可將彈性元件受壓力影響產(chǎn)生形變轉(zhuǎn)換為電容量改變。這類傳感器含有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、含有良好動(dòng)態(tài)特征、本身發(fā)燒小、信號(hào)能夠非接觸測(cè)量等特點(diǎn)，伴隨電子技術(shù)不停發(fā)展、電容傳感器應(yīng)用技術(shù)也在不停完善，從而得到更廣泛應(yīng)用。電容式壓力傳感器化工測(cè)量及儀表壓力第66頁(yè)3.4.1電容傳感器原理轉(zhuǎn)換原理式中Cx——角位移為θ時(shí)電容量，即被測(cè)壓力對(duì)應(yīng)電容量。當(dāng)無(wú)被測(cè)壓力時(shí)，

θ

=0，兩極板面積重合，其電容量為：當(dāng)有被測(cè)壓力時(shí)，θ

≠

0，則(1)改變極板相對(duì)覆蓋面積A

如圖所表示，1為動(dòng)極板，2為定極板，為被測(cè)壓力引發(fā)電容器動(dòng)極板角位移。當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移改變時(shí)，與定極板覆蓋面積改變，從而改變了兩極板之間電容量。(3-39)(3-41)化工測(cè)量及儀表壓力第67頁(yè)(2)改變極板間極距d如圖3-4-2(b)所表示，1為動(dòng)極板，2為定極板，3為彈性元件，p為被測(cè)壓力。當(dāng)動(dòng)極板產(chǎn)生x位移改變時(shí)，改變了兩極板間距，從而會(huì)引發(fā)電容量改變。電容量C與極板間距d不是線性關(guān)系，而是雙曲線關(guān)系。

此時(shí)Cx與位移x近似線性關(guān)系，當(dāng)d較小時(shí)，對(duì)于一樣x改變所引發(fā)電容改變量ΔC增大，使傳感器靈敏度提升。

當(dāng)p=0時(shí)，動(dòng)極板位移x=0，兩極板間距為d，電容量為C0，表示式同式(3-39)。當(dāng)p≠0時(shí)，動(dòng)極板會(huì)產(chǎn)生位移，使極板間距減小x，則電容量為當(dāng)x<<d時(shí)，可近似為(3-39)化工測(cè)量及儀表壓力第68頁(yè)靈敏度增加注意選擇適當(dāng)工作區(qū)化工測(cè)量及儀表壓力第69頁(yè)3.4.2電容式壓力傳感器變極距式電容壓力傳感器變極距式電容傳感器利用彈性元件形變改變電容極距，以產(chǎn)生與形變相關(guān)電容改變。它含有較高靈敏度，不過(guò)極距d與電容量C之間函數(shù)關(guān)系是非線性，假如采取近似線性化處理方法，會(huì)產(chǎn)生一定非線性誤差。為了深入提升測(cè)量精度和靈敏度，常采取差動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)組成傳感器。采取差動(dòng)電容法好處是靈敏度高、能夠減小非線性影響，而且能夠減小因?yàn)榻殡姵?shù)ε受溫度影響引發(fā)不穩(wěn)定性。

差動(dòng)式電容原理如右圖所表示?；y(cè)量及儀表壓力第70頁(yè)總輸出電容為兩電容串聯(lián)，即設(shè)初始時(shí)Cl=C2=C0

，當(dāng)中間動(dòng)極板移動(dòng)x時(shí)，一邊極距減小，C2+Δ

C；一邊極距增大，Cl-ΔC。電容C2容量改變?yōu)椋弘娙軨1容量改變?yōu)椋寒?dāng)x／d<<l時(shí)，可利用泰勒級(jí)數(shù)將上兩式展開(kāi)可見(jiàn)，式中不含有奇次項(xiàng)，故非線性影響大大減小，而靈敏度卻提升了1倍?；y(cè)量及儀表壓力第71頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第72頁(yè)基于上述特點(diǎn)，變極距式壓力傳感器基本上采取了差動(dòng)方式。電容式差壓傳感器如右圖所表示。左右對(duì)稱不銹鋼基座2和3外側(cè)加工成環(huán)狀波紋溝槽，并焊上波紋隔離膜片1和4。基座內(nèi)側(cè)有玻璃層5，基座和玻璃層中央開(kāi)有孔，使隔離膜片1、4與測(cè)量膜片7連通。玻璃層內(nèi)表面磨成凹球面，球面除邊緣部分外鍍有一層金屬膜6，金屬膜電容左、右定極板經(jīng)導(dǎo)線引出，與測(cè)量膜片7(即動(dòng)極板)組成兩個(gè)串聯(lián)電容C1和C2。測(cè)量膜片為彈性子膜片被夾入和焊接在基座中央，將空間分隔成左、右兩部分，并在測(cè)量膜片分離左、右空間中充入硅油。隔離膜片與殼體組成左、右兩個(gè)測(cè)量室，稱為正、負(fù)壓室(即高、低壓室)。當(dāng)分別承受高壓p1和低壓p2時(shí)，硅油不可壓縮性和流動(dòng)性便將差壓p=p1-p2，傳遞到測(cè)量膜片兩側(cè)。化工測(cè)量及儀表壓力第73頁(yè)無(wú)壓差時(shí)，左、右兩側(cè)初始電容均為C0；有壓差時(shí)，動(dòng)極板變形到虛線位置，它與初始位置之間假想電容為CA，虛線位置與低壓側(cè)固定極板之間電容為C2，與高壓側(cè)定極板之間電容為C1，所以由電容串聯(lián)公式可得

差動(dòng)電容改變值與壓力差成正比

化工測(cè)量及儀表壓力第74頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第75頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第76頁(yè)化工測(cè)量及儀表壓力第77頁(yè)變面積式電容壓力傳感器

變面積式壓力傳感器原理以下列圖所表示。被測(cè)壓力作用在金屬膜片上，經(jīng)過(guò)中心柱2和支撐簧片3，使可動(dòng)電極4隨簧片中心位移而動(dòng)作?？蓜?dòng)電極4與固定電極5都是金屬材質(zhì)加工成同心多層圓筒組成，斷面呈梳齒形，其電容量由兩電極交織重合部分面積所決定。固定電極中心柱6經(jīng)絕緣支架7與外殼之間絕緣，可動(dòng)電極則與外殼導(dǎo)通。壓力引發(fā)極間電容改變由中心柱引至電子線路，變?yōu)?~20mA直流信號(hào)輸出。。化工測(cè)量及儀表壓力第78頁(yè)外形兩線制，4-20mA位移0.3mm,不能測(cè)差壓

絕緣電子線路裝在同一殼中適合用于測(cè)壓力；精度：0.25-0.5級(jí)；可采取兩線制?；y(cè)量及儀表壓力第79頁(yè)電容式傳感器等效電路

對(duì)于電容式傳感器靈敏度和非線性分析，在一定情況下都能夠?qū)㈦娙菔絺鞲衅骺醋鳛榧冸娙萜鳌Ｍǔ?，多?shù)電容器損耗能夠忽略，在工作頻率低時(shí)候其電感效應(yīng)也是能夠忽略。當(dāng)電容器損耗和電感效應(yīng)不能被忽略時(shí)候，電容式傳感器等效電路就要重新考慮。

上圖所表示從左至右依次為電容傳感器在普通情況、低頻信號(hào)、高頻信號(hào)情況下等效電路?；y(cè)量及儀表壓力第80頁(yè)總寄生電容極間漏電阻等效集總電阻Ce=C+C0re≈r等效電感化工測(cè)量及儀表壓力第81頁(yè)3.4.3電容信號(hào)變送處理

調(diào)頻測(cè)量電路

調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路一部分。當(dāng)被測(cè)量造成電容量發(fā)生改變時(shí)，振蕩器振蕩頻率就發(fā)生改變。即使可將頻率作為測(cè)量系統(tǒng)輸出量，用以判斷被測(cè)非電量大小，但此時(shí)系統(tǒng)是非線性，不易校正，所以加入鑒頻器，將頻率改變轉(zhuǎn)換為振幅改變，經(jīng)過(guò)放大就能夠用儀器指示或統(tǒng)計(jì)下來(lái)。調(diào)頻測(cè)量電路原理框圖以下列圖所表示。化工測(cè)量及儀表壓力第82頁(yè)調(diào)頻信號(hào)頻率改變與電容改變成一定函數(shù)關(guān)系。

當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，ΔC=0，振蕩器存在固有振蕩頻率f0：調(diào)頻振蕩器原理圖如右圖所表示，其振蕩頻率為式中：

L

——

振蕩回路電感；C——

振蕩回路總電容，C=C1+Ci+C0±ΔC；C1+Ci——

振蕩回路固有電容和傳感器引線分布電容；

C0±ΔC——

傳感器電容。當(dāng)電容容量發(fā)生改變時(shí)，ΔC≠0，振蕩器振蕩頻率為f可測(cè)至0.001μm化工測(cè)量及儀表壓力第83頁(yè)交流電橋

含緊耦合電感臂交流電橋含有較高靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響小，大大簡(jiǎn)化了電橋屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。變壓器電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，所以當(dāng)前在測(cè)量電容中較多采取。下列圖（A）為兩種交流電橋結(jié)構(gòu)示意圖，（B）為電橋測(cè)量電路原理框圖。

（A）（B）高輸入阻抗化工測(cè)量及儀表壓力第84頁(yè)運(yùn)算放大器式電路

運(yùn)算放大器放大倍數(shù)K非常大，而且輸入阻抗Zi很高。運(yùn)算放大器這一特點(diǎn)能夠使其作為電容式傳感器比較理想測(cè)量電路。右圖是運(yùn)算放大器式電路原理圖。Cx為電容式傳感器，C為固定電容，u是交流電源電壓，uo是輸出信號(hào)電壓。由運(yùn)算放大器工作原理可知

可見(jiàn)運(yùn)算放大器輸出電壓與動(dòng)極板板間距離d成正比。運(yùn)算放大器電路處理了單個(gè)變極距型電容傳感器非線性問(wèn)題。這就從原理上確保了變極距型電容式傳感器線性。假如電容傳感器是變面積式或變介電常數(shù)式，可交換C和Cx在電路中位置，仍可使uo與被測(cè)參數(shù)函數(shù)關(guān)系為線性。又因?yàn)樗曰y(cè)量及儀表壓力第85頁(yè)雙T交流電橋

二極管雙T型交流電橋電路原理圖如上圖所表示。UE是高頻電源，它提供幅值為Ui對(duì)稱方波，D1、D2為特征完全相同兩個(gè)二極管，R1=R2=R，C1、C2為傳感器兩個(gè)差動(dòng)電容。當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入時(shí)，C1=C2。電路工作原理以下：當(dāng)UE為正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，于是電容C1充電；在隨即負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容C1上電荷經(jīng)