檢測技術與儀表-5-壓力檢測課件

5壓力檢測自動檢測技術及儀表控制系統(tǒng)5壓力檢測自動檢測技術及儀表控制系統(tǒng)Contents5.1壓力單位及壓力檢測方法5.2常用壓力檢測儀表5.3測壓儀表的使用及壓力檢測系統(tǒng)Contents5.1壓力單位及壓力檢測方法5.2常用壓5.1.1壓力的單位1牛頓力垂直均勻地作用在1平方米面積上所形成的壓力為1“帕斯卡”，簡稱“帕”，符號為Pa。表5-1，常用壓力單位及換算。帕、巴、標準大氣壓、mmHg、psi、托(torr)5.1.1壓力的單位1牛頓力垂直均勻地作用在1平方米面積上5.1.2壓力的幾種表示方法1）絕對壓力：被測介質(zhì)作用在容器表面積上的全部壓力2）大氣壓力：由地球表面空氣柱重量形成的壓力3）表壓力：絕對壓力和大氣壓力之差4）真空度：絕對壓力小于大氣壓力時的表壓力的絕對值5）差壓：設備中兩處的壓力之差5.1.2壓力的幾種表示方法1）絕對壓力：被測介質(zhì)作用在容第三節(jié)壓力檢測儀表壓力的表示方式絕對壓力表壓力真空度差壓壓力范圍(Pa)壓力范圍(Pa)超高壓＞6×108粗真空103~105高壓107~6×108低真空10-1~103低壓105~107高真空10-6~10-1微壓0~105超高真空10-10~10-6極高真空＜10-10

壓力范圍劃分第三節(jié)壓力檢測儀表壓力的表示方式壓力范圍(Pa)壓力范圍壓力表壓力表5.1.3壓力檢測的主要方法及分類5.1.3.1重力平衡方法：1）液柱式壓力計：基于液體靜力學原理2）負荷式壓力計：基于重力平衡原理5.1.3.2機械力平衡方法5.1.3.3彈性力平衡方法5.1.3.4物性測量方法1）電測式壓力計2）其他新型壓力計，如集成式壓力計、光纖壓力計等5.1.3壓力檢測的主要方法及分類5.1.3.1重力平衡第三節(jié)壓力檢測儀表液體壓力計

工作原理

:通過液體產(chǎn)生或傳遞壓力來平衡被測壓力的方法。液柱式壓力計的形式：U形管單管斜管活塞式壓力表（常用作標準）U形壓力真空計第三節(jié)壓力檢測儀表液體壓力計U形壓力真空計△P=P1－P2=ρg(h1+h2)αU型管單管傾斜管⊿P=9.8LK(Pa)L···玻璃測量管液柱長度（mm）K···-傾斜常數(shù)（0.2、0.3、0.4、0.6、0.8）△P=P1－P2=ρg(h1+h2)αU型管⊿P=9.8單管傾斜管氣壓計微壓計單管氣壓計微壓計檢測技術與儀表-5-壓力檢測課件5.2.1彈性壓力計原理：彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓變形，其變形大小與外力成比例彈性壓力計的組成框圖5.2.1彈性壓力計原理：彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓變形，其5.2.1彈性壓力計5.2.1.1測壓彈性元件1）彈性膜片：外緣固定，圓形片狀，中心位移與壓力的關系表示彈性特性，線性關系良好2）波紋管：壁面具有多個同心環(huán)狀波紋，一端封閉，封閉端的位移和壓力在一定范圍內(nèi)呈線性關系3）彈簧管：圓弧狀，不等軸截面，金屬管5.2.1彈性壓力計5.2.1.1測壓彈性元件彈性元件彈性元件

它是根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移進行測量的儀表。常用的彈性元件有彈簧管、膜片和波紋管等。基于此原理工作的儀表有彈簧管式壓力表、膜片〔或膜盒式)壓力表、波紋管式壓力表等。此類儀表多用于現(xiàn)場指示壓力。

16膜片與膜盒波紋管是外周沿軸向有深槽形波紋狀皺褶，可沿軸向伸縮的薄壁管子。16膜片與膜盒波紋管是外周沿軸向有深槽形波紋狀皺褶，可沿軸向5.2.1彈性壓力計5.2.1.2彈簧管壓力計彈簧管壓力計結構1—彈簧管；2—連桿；3—扇形齒輪；4—底座；5—中心齒輪；6—游絲；7—表盤；8—指針；9—接頭；10橫斷面；11-靈敏度調(diào)整槽5.2.1彈性壓力計5.2.1.2彈簧管壓力計彈簧管壓力檢測技術與儀表-5-壓力檢測課件5.2.1彈性壓力計5.2.1.3波紋管差壓計雙波紋管差壓計結構示意1—高壓波紋管；2—補償波紋管；3—連桿；4—擋板；5—擺桿；6—扭力管；7—芯軸；8—保護閥；9—填充液；10—低壓波紋管；11—量程彈簧；12—阻尼閥；13—阻尼環(huán)；14—軸承5.2.1彈性壓力計5.2.1.3波紋管差壓計雙波紋管差5.2.1彈性壓力計5.2.1.4彈性測壓計信號的遠傳方式彈性元件的變形或位移轉(zhuǎn)換為電信號輸出，即可實現(xiàn)遠距離信號傳送電遠傳彈性壓力計結構原理5.2.1彈性壓力計5.2.1.4彈性測壓計信號的遠傳方21兩種霍爾式壓力傳感器結構0-20mA21兩種霍爾式壓力傳感器結構0-20mA霍爾式壓力計1、測量原理：利用霍爾元件測量彈性元件受力作用后產(chǎn)生的變形現(xiàn)象。霍爾效應：在一半導體薄片相對兩側面通以控制電流I，在薄片垂直方向加以磁場B，則在半導體另兩側面會產(chǎn)生一大小與I和B相乘積成正比的電動勢UH－－霍爾電勢。具有霍爾效應的元件稱霍爾元件。(鍺、銻化銦）霍爾式壓力計1、測量原理：利用霍爾元件測量彈性元件受力作用后霍爾效應演示

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側偏移，在半導體薄片A、B方向的端面之間建立起霍爾電勢。ABCD霍爾效應演示當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用BIfLfE++++----霍爾元件如圖，單位電荷受到的力：洛侖茲力fL=qvB電場作用力fE=qEH=VH/L平衡時，fL

＝fE

霍爾電勢

保持I、B其中一個一定，UH與另一個成線性關系。2、霍爾式壓力計的結構（參考圖5－5b）把霍爾元件固定在彈性元件的位移端，置于非均勻磁場中，當彈性元件受壓形變，產(chǎn)生位移使霍爾元件在非均勻磁場中移動，此時在元件中通一定的控制電流，則元件電極出現(xiàn)UH的大小與壓力成正比。壓力P位移霍爾電勢UH彈性元件霍爾元件變磁場BBIfLfE+++5.2.2力平衡式壓力計原理：反饋力平衡力平衡式壓力計的基本框圖5.2.2力平衡式壓力計原理：反饋力平衡力平衡式壓力計的基應變式壓力傳感器1、測量原理：P－ε－R，利用導體內(nèi)部應變大小與電阻的關系，通過應變片將壓力P轉(zhuǎn)換成電阻值R的變化。應變效應：導體在受壓或受拉時發(fā)生機械變形，其電阻將發(fā)生變化。ρ：電阻率L：長度A：橫截面積取對數(shù)、再求導定義：應變ε為長度變化量應變式壓力傳感器1、測量原理：P－ε－R，利用導體內(nèi)部應變大μ表明電阻絲沿軸向伸長時，直徑將縮小，兩者相對變化量之比電阻相對變化量dR/R由二部分決定：①幾何尺寸的變化(1+2μ)ε；②壓阻效應dρ/ρ。對于金屬導體對于半導體Π：壓阻系數(shù)E：楊氏彈性模量μ表明電阻絲沿軸向伸長時，直徑將縮小，兩者相對變化量之比電阻應變片靈敏度系數(shù)k金屬導體：k＝1+2μ半導體：k＝ΠE應變片靈敏度系數(shù)k金屬導體：k＝1+2μ半導體：k＝Π2、應變片結構張絲式支柱張絲電阻膜片P應變片式電阻絲（金屬薄膜）薄膜（紙基、膠基）張絲式：四根電阻絲作為測量橋路的四個橋臂。當P加上時，膜片產(chǎn)生位移s，支柱上項，使上部兩根電阻絲拉緊，下部二根放松，橋路上輸出差動應變信號，其大小與P成正比。應變片式：能得到較大的R，可以通以較大電流，提高靈敏度。尺寸小且薄，使用方便。由于環(huán)境溫度改變時，R受T的影響較大，所以使用時常用差動電橋來進行溫度補償。2、應變片結構張絲式支柱張絲電阻膜片P應變片式電阻絲（金屬薄3、測量電路：電橋電路⑴單臂電橋：電橋的一個臂接應變片，其它三個為固定電阻。當為等臂電橋時，其輸出為⑵雙臂電橋：一個差動對，典型例子：懸壁梁兩應變片同向貼梁的上、下部，r1為測量片、r2為溫度補償片，且r1＝

r2

，R1＝R2，電橋初始平衡，U＝0。環(huán)境溫度變化時，r1、r2同時變化，不會破壞電橋平衡條件。當F作用時，r1→r1＋△r（受拉），r2→r2－△r（受壓）r1r2FR1R2r1r2EUo3、測量電路：電橋電路⑵雙臂電橋：一個差動對，典型例子：懸壁⑶全橋：二個差動對構成等臂電橋，如下圖。應變電阻r1＝

r2＝

r3＝

r4

，r1

、r3受拉，r2

、r4受壓r1r2EUor4r3Fr1r2r3r4附：如圖5－7，四片應變片的貼法不一致，其中二片沿應變筒徑向貼，另二片沿應變筒軸向貼。當應變筒受壓力P作用時，一組受壓，另一組受拉，但應變并不相同，相差一泊松系數(shù)μ，即⑶全橋：二個差動對構成等臂電橋，如下圖。r1r2EUor4r5.2.3壓力傳感器5.2.3.1應變式壓力傳感器原理：導體和半導體材料發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化幾種應變式測量的結構示意5.2.3壓力傳感器5.2.3.1應變式壓力傳感器幾種應5.2.3壓力傳感器5.2.3.2壓阻式壓力傳感器原理：硅片受壓后，膜片的變形使擴散電阻的阻值發(fā)生變化橋式測量電路，橋臂電阻對稱布置，電阻變化時，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對應關系壓阻式壓力傳感器結構示意圖1—硅平膜片；2—低壓腔；3—高壓腔；4—硅杯；5—引線5.2.3壓力傳感器5.2.3.2壓阻式壓力傳感器壓阻式5.2.3壓力傳感器5.2.3.3電容式壓力傳感器原理：彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化

對于差動平板電容器，其電容變

化與板間距離變化的關系為兩室結構的電容式壓力傳感器1，4—隔離膜片；2，3—不銹鋼基座；5—玻璃絕緣層；6—固定電極；7—彈性膜片；8—引線5.2.3壓力傳感器5.2.3.3電容式壓力傳感器兩室結電容式差壓變送器高壓側進氣口低壓側進氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器高壓側進氣口低壓側進氣口電子線路位置內(nèi)部不電容式差壓變送器內(nèi)部結構

1—高壓側進氣口

2—低壓側進氣口

3—過濾片

4—空腔

5—柔性不銹鋼波紋隔離膜片

6—導壓硅油

7—凹形玻璃圓片

8—鍍金凹形電極

9—彈性平膜片

10—

腔電容式差壓變送器內(nèi)部結構1—高壓側進氣口各種電容式差壓變送器外形各種電容式差壓變送器外形電容式壓力傳感器P彈性元件位移變d變A改變電容如何測量、轉(zhuǎn)換電容的變化量⊿C？（1）交流電橋，⊿C→u（2）環(huán)形二極管充放電電路，⊿C→i目的：把電容量的小變化量進行放大并轉(zhuǎn)換成相應的電信號輸出基本電路：環(huán)形二極管電橋方法：充放電法測電容。用一高頻方波信號源，通過環(huán)形二極管電橋，對被測電容Cx進行充放電，輸出一個與Cx成正比的微安電流。電容式壓力傳感器P彈性元件位移變d變A改變電容如何測量、轉(zhuǎn)換如圖，由D1，D2，D3，D4構成環(huán)形二極管電橋，Cx為被測電容，Cd為調(diào)零電容，C’為濾波電容，M為uA表。E1E2C’CxMACCdBDD1D4D2D3i1i2i3i4用一高頻方波信號源，通過環(huán)形二極管電橋，對被測電容Cx和調(diào)零電容Cd進行充放電。工作過程：①方波由E1→E2，A、C為高電位點，D1、D3導通，D2

、D4截止，Cx、Cd同時被充電至E2。流經(jīng)M的電荷（A→C）為：q1=Cd(E2－E1)②方波由E2→E1，D1、D3截止，D2

、D4導通，Cx、Cd同時放電，流經(jīng)M的電荷（C→A）為：q2=Cx(E2－E1)，且與q1反向。環(huán)形二極管電橋如圖，由D1，D2，D3，D4構成環(huán)形二極管電橋，Cx5.2.3壓力傳感器5.2.3.4振頻式壓力傳感器原理：利用感壓元件本身的諧振頻率與壓力的關系，通過測量頻率信號的變化來檢測壓力在一定的壓力作用下，變化后的振筒頻率可以近似表示為

傳感器由振筒組件和激振電路組成振筒式壓力傳感器結構示意1—激振線圈；2—支柱；3—底座；4—引線；5—外殼；6—振動筒；7—檢測線圈；8—壓力入口5.2.3壓力傳感器5.2.3.4振頻式壓力傳感器振筒式5.2.3壓力傳感器5.2.3.5壓電式壓力傳感器原理：壓電材料受到壓力作用時產(chǎn)生電荷，外力去除后電荷消失，在彈性范圍內(nèi)，壓電元件產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關系q為電荷量，k為壓電常數(shù)，S為作用面積，p為壓力壓電式壓力傳感器結構示意1—絕緣體；2—壓電元件；3—殼體；4—膜片5.2.3壓力傳感器5.2.3.5壓電式壓力傳感器壓電式壓電式壓力傳感器1、壓電效應：某些介質(zhì)在施加壓力而發(fā)生機械形變時（壓縮或伸長），會引起物質(zhì)內(nèi)部的正負電荷中心發(fā)生相對位移，而產(chǎn)生電的極化現(xiàn)象，最后使介質(zhì)兩個表面上產(chǎn)生符號相反的束縛電荷，電荷的密度與施加的壓力大小成正比，即壓電效應。正向壓電效應：外力→電荷逆向壓電效應：電場作用→機械形變具有壓效應的物質(zhì)稱壓電材料：

壓電晶體：石英晶體

壓電陶瓷：鈦酸鋇、鋇酸鉛壓電半導體：硫化鋅、硫化鈣下面以石英晶體為例說明壓電效應。壓電式壓力傳感器1、壓電效應：某些介質(zhì)在施加壓力而發(fā)生機械形石英為規(guī)則的六角棱柱體、單晶體XYZX－X軸：電軸－－縱向壓電效應Y－Y軸：機械軸－－橫向壓電效應Z－Z軸：光軸－受力時不產(chǎn)生壓電效應壓電式壓力傳感器石英為規(guī)則的六角棱柱體、單晶體XYZX－X軸：電軸－－縱向壓YXFxFy當沿X、Y軸加壓Fx、Fy,會在X表面產(chǎn)生電荷。如圖XYFxFxXYXYFyXYFy壓電式壓力傳感器YXFxFy當沿X、Y軸加壓Fx、Fy,會在X表面產(chǎn)生電荷。2、居里點：壓電性能被破壞時的臨界溫度點。A、石英：SiO2

居里點t＝573℃，t＜573℃，d＝2.1×10－12C/N；t＞573℃，無壓電性能。熔點1750℃，密度為2.65×103Kg/m3

，有較大的機械強度和穩(wěn)定的機械性能。B、壓電陶瓷：人工合成的壓電材料，由許多細微的單晶各自按任意的方向排列，沒有極化前沒有壓電效應。一般在t＝100~170℃，加以高壓電場（1~4kV/mm)極化。使單晶排列整齊，使之具有壓電效應特性。常用的有：壓電式壓力傳感器2、居里點：壓電性能被破壞時的臨界溫度點。壓電式壓力傳感器鈦酸鋇(BaTiO3)：由BaCO3與TiO2在高溫下合成。其壓電系數(shù)較大，d＝107×10－12C/N，居里點低，t＝120℃。鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)：最常用，d＝(200~500)×10－12C/N，壓電系數(shù)大，居里點t＝300℃以上。壓電式壓力傳感器鈦酸鋇(BaTiO3)：由BaCO3與TiO2在高溫下合成。壓電式壓力傳感器：（如圖5－11）膜片壓力力壓電晶體電荷（電壓）壓電元件兩極有電荷產(chǎn)生，可等效為一電容。測出電容變化量的大小即可測得壓力。壓電式壓力傳感器常用作動態(tài)（交變）壓力的測量，而不適于靜態(tài)壓力的測量。原因：由于晶體表面電荷不能貯存，外力作用產(chǎn)生的電荷只在無泄漏的情況下，即輸入阻抗（測量電路）無限大的情況下才能保存，靜壓力不能連續(xù)不斷產(chǎn)生新的電荷，晶體表面電荷會很快消失，所以，要使壓電晶體有電荷（電壓）輸出，須加以交變的作用，電荷可以不斷地得到補償。壓電式壓力傳感器：（如圖5－11）膜片壓力力壓電晶體電荷（(并聯(lián))常用結構：并聯(lián)：兩片壓電材料的負電荷集中在中間電極上。串聯(lián)：正電荷在上極板，負電荷在下極板，中間極板由于正負相等而相互抵消(串聯(lián))壓電式壓力傳感器(并聯(lián))常用結構：并聯(lián)：兩片壓電材料的負電荷集中在中間電極上5.2.3壓力傳感器5.2.3.6集成式壓力傳感器可以同時檢測差壓、靜壓、溫度三個參數(shù)集成傳感器的敏感元件示意1—溫度元件；2—靜壓元件；3—差壓元件；4—硅杯；5—固定臺5.2.3壓力傳感器5.2.3.6集成式壓力傳感器集成傳5.2.3壓力傳感器預存針對此傳感器的修正公式，采入三種信號后進行處理，可以給出修正后的被測差壓值、靜壓值以及溫度值。集成傳感器的組成框圖5.2.3壓力傳感器預存針對此傳感器的修正公式，采入三種信5.3.1測壓儀表的使用5.3.1.1測壓儀表的選擇類型測量范圍測量精度5.3.1測壓儀表的使用5.3.1.1測壓儀表的選擇5.3.1測壓儀表的使用5.3.1.2測壓儀表的校驗標準儀表的選擇原則：其允許絕對誤差要小于被校儀表允許絕對誤差的1/3~1/5活塞式壓力校驗系統(tǒng)1—測量活塞；2—砝碼；3—活塞筒；4—螺旋壓力發(fā)生器；5—工作液；6—被校壓力表；7—手輪；8—絲桿；9—工作活塞；10—油杯；11—進油閥；a、b、c—切斷閥；d—進油閥5.3.1測壓儀表的使用5.3.1.2測壓儀表的校驗活塞壓力檢測系統(tǒng)一個完整的壓力檢測系統(tǒng)包括：取壓口；引壓管路和壓力檢測儀表設備取壓口壓力儀表引壓管路一個簡單的壓力檢測系統(tǒng)示意圖引壓管路中常用的一些附件截止閥隔離罐集氣器集液器冷凝器5.3.2壓力檢測系統(tǒng)壓力檢測系統(tǒng)設備取壓口壓力儀表引壓管路一個簡單的壓力檢測系統(tǒng)5.3.2壓力檢測系統(tǒng)5.3.2.1取壓點位置和取壓口形式取壓點的選取原則：1）取壓點位置避免處于管路彎曲、分叉、死角或流動形成渦流的區(qū)域。2）取壓口開孔的軸線應垂直設備的壁面，其內(nèi)端面與設備內(nèi)壁平齊，不應有毛刺或突出物。3）測量液體介質(zhì)的壓力時，取壓口應在管道下部，以避免氣體進入引壓管；測量氣體介質(zhì)的壓力時，取壓口應在管道上部，以避免液體進入引壓管。5.3.2壓力檢測系統(tǒng)5.3.2.1取壓點位置和取壓口形5.3.2壓力檢測系統(tǒng)取壓口選擇原則示意1—溫度計；2—擋板；3—閥；4—導流板；×--不適于做取壓口的地點；√--可用于做取壓口的地點5.3.2壓力檢測系統(tǒng)取壓口選擇原則示意5.3.2壓力檢測系統(tǒng)5.3.2.2引壓管路的敷設1）引壓管的內(nèi)徑、長度的選定與被測介質(zhì)有關；2）引壓管路水平敷設時，要保持一定的傾斜度，以避免液體（氣體）的積存；3）當被測介質(zhì)容易冷凝或凍結時，引壓管路需有保溫伴熱措施；4）根據(jù)被測介質(zhì)情況，在引壓管路上要加裝附件，如集液器、集氣器等；5）在取壓口與儀表之間要裝切斷閥，檢修時使用。5.3.2壓力檢測系統(tǒng)5.3.2.2引壓管路的敷設一些特殊介質(zhì)的取壓方式

氣固兩相流介質(zhì)吹氣取壓氣液兩相流介質(zhì)加分離罐高粘度、易結晶介質(zhì)法蘭引壓一些特殊介質(zhì)的取壓方式檢測技術與儀表-5-壓力檢測課件5.3.2壓力檢測系統(tǒng)引壓管路的敷設情況1—管道；2—測壓儀表；3—排液罐；4—排氣罐5.3.2壓力檢測系統(tǒng)引壓管路的敷設情況ThankYou!ThankYou!5壓力檢測自動檢測技術及儀表控制系統(tǒng)5壓力檢測自動檢測技術及儀表控制系統(tǒng)Contents5.1壓力單位及壓力檢測方法5.2常用壓力檢測儀表5.3測壓儀表的使用及壓力檢測系統(tǒng)Contents5.1壓力單位及壓力檢測方法5.2常用壓5.1.1壓力的單位1牛頓力垂直均勻地作用在1平方米面積上所形成的壓力為1“帕斯卡”，簡稱“帕”，符號為Pa。表5-1，常用壓力單位及換算。帕、巴、標準大氣壓、mmHg、psi、托(torr)5.1.1壓力的單位1牛頓力垂直均勻地作用在1平方米面積上5.1.2壓力的幾種表示方法1）絕對壓力：被測介質(zhì)作用在容器表面積上的全部壓力2）大氣壓力：由地球表面空氣柱重量形成的壓力3）表壓力：絕對壓力和大氣壓力之差4）真空度：絕對壓力小于大氣壓力時的表壓力的絕對值5）差壓：設備中兩處的壓力之差5.1.2壓力的幾種表示方法1）絕對壓力：被測介質(zhì)作用在容第三節(jié)壓力檢測儀表壓力的表示方式絕對壓力表壓力真空度差壓壓力范圍(Pa)壓力范圍(Pa)超高壓＞6×108粗真空103~105高壓107~6×108低真空10-1~103低壓105~107高真空10-6~10-1微壓0~105超高真空10-10~10-6極高真空＜10-10

壓力范圍劃分第三節(jié)壓力檢測儀表壓力的表示方式壓力范圍(Pa)壓力范圍壓力表壓力表5.1.3壓力檢測的主要方法及分類5.1.3.1重力平衡方法：1）液柱式壓力計：基于液體靜力學原理2）負荷式壓力計：基于重力平衡原理5.1.3.2機械力平衡方法5.1.3.3彈性力平衡方法5.1.3.4物性測量方法1）電測式壓力計2）其他新型壓力計，如集成式壓力計、光纖壓力計等5.1.3壓力檢測的主要方法及分類5.1.3.1重力平衡第三節(jié)壓力檢測儀表液體壓力計

工作原理

:通過液體產(chǎn)生或傳遞壓力來平衡被測壓力的方法。液柱式壓力計的形式：U形管單管斜管活塞式壓力表（常用作標準）U形壓力真空計第三節(jié)壓力檢測儀表液體壓力計U形壓力真空計△P=P1－P2=ρg(h1+h2)αU型管單管傾斜管⊿P=9.8LK(Pa)L···玻璃測量管液柱長度（mm）K···-傾斜常數(shù)（0.2、0.3、0.4、0.6、0.8）△P=P1－P2=ρg(h1+h2)αU型管⊿P=9.8單管傾斜管氣壓計微壓計單管氣壓計微壓計檢測技術與儀表-5-壓力檢測課件5.2.1彈性壓力計原理：彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓變形，其變形大小與外力成比例彈性壓力計的組成框圖5.2.1彈性壓力計原理：彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓變形，其5.2.1彈性壓力計5.2.1.1測壓彈性元件1）彈性膜片：外緣固定，圓形片狀，中心位移與壓力的關系表示彈性特性，線性關系良好2）波紋管：壁面具有多個同心環(huán)狀波紋，一端封閉，封閉端的位移和壓力在一定范圍內(nèi)呈線性關系3）彈簧管：圓弧狀，不等軸截面，金屬管5.2.1彈性壓力計5.2.1.1測壓彈性元件彈性元件彈性元件

它是根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移進行測量的儀表。常用的彈性元件有彈簧管、膜片和波紋管等?；诖嗽砉ぷ鞯膬x表有彈簧管式壓力表、膜片〔或膜盒式)壓力表、波紋管式壓力表等。此類儀表多用于現(xiàn)場指示壓力。

76膜片與膜盒波紋管是外周沿軸向有深槽形波紋狀皺褶，可沿軸向伸縮的薄壁管子。16膜片與膜盒波紋管是外周沿軸向有深槽形波紋狀皺褶，可沿軸向5.2.1彈性壓力計5.2.1.2彈簧管壓力計彈簧管壓力計結構1—彈簧管；2—連桿；3—扇形齒輪；4—底座；5—中心齒輪；6—游絲；7—表盤；8—指針；9—接頭；10橫斷面；11-靈敏度調(diào)整槽5.2.1彈性壓力計5.2.1.2彈簧管壓力計彈簧管壓力檢測技術與儀表-5-壓力檢測課件5.2.1彈性壓力計5.2.1.3波紋管差壓計雙波紋管差壓計結構示意1—高壓波紋管；2—補償波紋管；3—連桿；4—擋板；5—擺桿；6—扭力管；7—芯軸；8—保護閥；9—填充液；10—低壓波紋管；11—量程彈簧；12—阻尼閥；13—阻尼環(huán)；14—軸承5.2.1彈性壓力計5.2.1.3波紋管差壓計雙波紋管差5.2.1彈性壓力計5.2.1.4彈性測壓計信號的遠傳方式彈性元件的變形或位移轉(zhuǎn)換為電信號輸出，即可實現(xiàn)遠距離信號傳送電遠傳彈性壓力計結構原理5.2.1彈性壓力計5.2.1.4彈性測壓計信號的遠傳方81兩種霍爾式壓力傳感器結構0-20mA21兩種霍爾式壓力傳感器結構0-20mA霍爾式壓力計1、測量原理：利用霍爾元件測量彈性元件受力作用后產(chǎn)生的變形現(xiàn)象?；魻栃涸谝话雽w薄片相對兩側面通以控制電流I，在薄片垂直方向加以磁場B，則在半導體另兩側面會產(chǎn)生一大小與I和B相乘積成正比的電動勢UH－－霍爾電勢。具有霍爾效應的元件稱霍爾元件。(鍺、銻化銦）霍爾式壓力計1、測量原理：利用霍爾元件測量彈性元件受力作用后霍爾效應演示

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側偏移，在半導體薄片A、B方向的端面之間建立起霍爾電勢。ABCD霍爾效應演示當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用BIfLfE++++----霍爾元件如圖，單位電荷受到的力：洛侖茲力fL=qvB電場作用力fE=qEH=VH/L平衡時，fL

＝fE

霍爾電勢

保持I、B其中一個一定，UH與另一個成線性關系。2、霍爾式壓力計的結構（參考圖5－5b）把霍爾元件固定在彈性元件的位移端，置于非均勻磁場中，當彈性元件受壓形變，產(chǎn)生位移使霍爾元件在非均勻磁場中移動，此時在元件中通一定的控制電流，則元件電極出現(xiàn)UH的大小與壓力成正比。壓力P位移霍爾電勢UH彈性元件霍爾元件變磁場BBIfLfE+++5.2.2力平衡式壓力計原理：反饋力平衡力平衡式壓力計的基本框圖5.2.2力平衡式壓力計原理：反饋力平衡力平衡式壓力計的基應變式壓力傳感器1、測量原理：P－ε－R，利用導體內(nèi)部應變大小與電阻的關系，通過應變片將壓力P轉(zhuǎn)換成電阻值R的變化。應變效應：導體在受壓或受拉時發(fā)生機械變形，其電阻將發(fā)生變化。ρ：電阻率L：長度A：橫截面積取對數(shù)、再求導定義：應變ε為長度變化量應變式壓力傳感器1、測量原理：P－ε－R，利用導體內(nèi)部應變大μ表明電阻絲沿軸向伸長時，直徑將縮小，兩者相對變化量之比電阻相對變化量dR/R由二部分決定：①幾何尺寸的變化(1+2μ)ε；②壓阻效應dρ/ρ。對于金屬導體對于半導體Π：壓阻系數(shù)E：楊氏彈性模量μ表明電阻絲沿軸向伸長時，直徑將縮小，兩者相對變化量之比電阻應變片靈敏度系數(shù)k金屬導體：k＝1+2μ半導體：k＝ΠE應變片靈敏度系數(shù)k金屬導體：k＝1+2μ半導體：k＝Π2、應變片結構張絲式支柱張絲電阻膜片P應變片式電阻絲（金屬薄膜）薄膜（紙基、膠基）張絲式：四根電阻絲作為測量橋路的四個橋臂。當P加上時，膜片產(chǎn)生位移s，支柱上項，使上部兩根電阻絲拉緊，下部二根放松，橋路上輸出差動應變信號，其大小與P成正比。應變片式：能得到較大的R，可以通以較大電流，提高靈敏度。尺寸小且薄，使用方便。由于環(huán)境溫度改變時，R受T的影響較大，所以使用時常用差動電橋來進行溫度補償。2、應變片結構張絲式支柱張絲電阻膜片P應變片式電阻絲（金屬薄3、測量電路：電橋電路⑴單臂電橋：電橋的一個臂接應變片，其它三個為固定電阻。當為等臂電橋時，其輸出為⑵雙臂電橋：一個差動對，典型例子：懸壁梁兩應變片同向貼梁的上、下部，r1為測量片、r2為溫度補償片，且r1＝

r2

，R1＝R2，電橋初始平衡，U＝0。環(huán)境溫度變化時，r1、r2同時變化，不會破壞電橋平衡條件。當F作用時，r1→r1＋△r（受拉），r2→r2－△r（受壓）r1r2FR1R2r1r2EUo3、測量電路：電橋電路⑵雙臂電橋：一個差動對，典型例子：懸壁⑶全橋：二個差動對構成等臂電橋，如下圖。應變電阻r1＝

r2＝

r3＝

r4

，r1

、r3受拉，r2

、r4受壓r1r2EUor4r3Fr1r2r3r4附：如圖5－7，四片應變片的貼法不一致，其中二片沿應變筒徑向貼，另二片沿應變筒軸向貼。當應變筒受壓力P作用時，一組受壓，另一組受拉，但應變并不相同，相差一泊松系數(shù)μ，即⑶全橋：二個差動對構成等臂電橋，如下圖。r1r2EUor4r5.2.3壓力傳感器5.2.3.1應變式壓力傳感器原理：導體和半導體材料發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化幾種應變式測量的結構示意5.2.3壓力傳感器5.2.3.1應變式壓力傳感器幾種應5.2.3壓力傳感器5.2.3.2壓阻式壓力傳感器原理：硅片受壓后，膜片的變形使擴散電阻的阻值發(fā)生變化橋式測量電路，橋臂電阻對稱布置，電阻變化時，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對應關系壓阻式壓力傳感器結構示意圖1—硅平膜片；2—低壓腔；3—高壓腔；4—硅杯；5—引線5.2.3壓力傳感器5.2.3.2壓阻式壓力傳感器壓阻式5.2.3壓力傳感器5.2.3.3電容式壓力傳感器原理：彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化

對于差動平板電容器，其電容變

化與板間距離變化的關系為兩室結構的電容式壓力傳感器1，4—隔離膜片；2，3—不銹鋼基座；5—玻璃絕緣層；6—固定電極；7—彈性膜片；8—引線5.2.3壓力傳感器5.2.3.3電容式壓力傳感器兩室結電容式差壓變送器高壓側進氣口低壓側進氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器高壓側進氣口低壓側進氣口電子線路位置內(nèi)部不電容式差壓變送器內(nèi)部結構

1—高壓側進氣口

2—低壓側進氣口

3—過濾片

4—空腔

5—柔性不銹鋼波紋隔離膜片

6—導壓硅油

7—凹形玻璃圓片

8—鍍金凹形電極

9—彈性平膜片

10—

腔電容式差壓變送器內(nèi)部結構1—高壓側進氣口各種電容式差壓變送器外形各種電容式差壓變送器外形電容式壓力傳感器P彈性元件位移變d變A改變電容如何測量、轉(zhuǎn)換電容的變化量⊿C？（1）交流電橋，⊿C→u（2）環(huán)形二極管充放電電路，⊿C→i目的：把電容量的小變化量進行放大并轉(zhuǎn)換成相應的電信號輸出基本電路：環(huán)形二極管電橋方法：充放電法測電容。用一高頻方波信號源，通過環(huán)形二極管電橋，對被測電容Cx進行充放電，輸出一個與Cx成正比的微安電流。電容式壓力傳感器P彈性元件位移變d變A改變電容如何測量、轉(zhuǎn)換如圖，由D1，D2，D3，D4構成環(huán)形二極管電橋，Cx為被測電容，Cd為調(diào)零電容，C’為濾波電容，M為uA表。E1E2C’CxMACCdBDD1D4D2D3i1i2i3i4用一高頻方波信號源，通過環(huán)形二極管電橋，對被測電容Cx和調(diào)零電容Cd進行充放電。工作過程：①方波由E1→E2，A、C為高電位點，D1、D3導通，D2

、D4截止，Cx、Cd同時被充電至E2。流經(jīng)M的電荷（A→C）為：q1=Cd(E2－E1)②方波由E2→E1，D1、D3截止，D2

、D4導通，Cx、Cd同時放電，流經(jīng)M的電荷（C→A）為：q2=Cx(E2－E1)，且與q1反向。環(huán)形二極管電橋如圖，由D1，D2，D3，D4構成環(huán)形二極管電橋，Cx5.2.3壓力傳感器5.2.3.4振頻式壓力傳感器原理：利用感壓元件本身的諧振頻率與壓力的關系，通過測量頻率信號的變化來檢測壓力在一定的壓力作用下，變化后的振筒頻率可以近似表示為

傳感器由振筒組件和激振電路組成振筒式壓力傳感器結構示意1—激振線圈；2—支柱；3—底座；4—引線；5—外殼；6—振動筒；7—檢測線圈；8—壓力入口5.2.3壓力傳感器5.2.3.4振頻式壓力傳感器振筒式5.2.3壓力傳感器5.2.3.5壓電式壓力傳感器原理：壓電材料受到壓力作用時產(chǎn)生電荷，外力去除后電荷消失，在彈性范圍內(nèi)，壓電元件產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關系q為電荷量，k為壓電常數(shù)，S為作用面積，p為壓力壓電式壓力傳感器結構示意1—絕緣體；2—壓電元件；3—殼體；4—膜片5.2.3壓力傳感器5.2.3.5壓電式壓力傳感器壓電式壓電式壓力傳感器1、壓電效應：某些介質(zhì)在施加壓力而發(fā)生機械形變時（壓縮或伸長），會引起物質(zhì)內(nèi)部的正負電荷中心發(fā)生相對位移，而產(chǎn)生電的極化現(xiàn)象，最后使介質(zhì)兩個表面上產(chǎn)生符號相反的束縛電荷，電荷的密度與施加的壓力大小成正比，即壓電效應。正向壓電效應：外力→電荷逆向壓電效應：電場作用→機械形變具有壓效應的物質(zhì)稱壓電材料：

壓電晶體：石英晶體

壓電陶瓷：鈦酸鋇、鋇酸鉛壓電半導體：硫化鋅、硫化鈣下面以石英晶體為例說明壓電效應。壓電式壓力傳感器1、壓電效應：某些介質(zhì)在施加壓力而發(fā)生機械形石英為規(guī)則的六角棱柱體、單晶體XYZX－X軸：電軸－－縱向壓電效應Y－Y軸：機械軸－－橫向壓電效應Z－Z軸：光軸－受力時不產(chǎn)生壓電效應壓電式壓力傳感器石英為規(guī)則的六角棱柱體、單晶體XYZX－X軸：電軸－－縱向壓YXFxFy當沿X、Y軸加壓Fx、Fy,會在X表面產(chǎn)生電荷。如圖XYFxFxXYXYFyXYFy壓電式壓力傳感器YXFxFy當沿X、Y軸加壓Fx、Fy,會在X表面產(chǎn)生電荷。2、居里點：壓電性能被破壞時的臨界溫度點。A、石英：SiO2

居里點t＝573℃，t＜573℃，d＝2.1×10－12C/N；t＞573℃，無壓電性能。熔點1750℃，密度為2.65×103Kg/m3

，有較大的機械強度和穩(wěn)定的機械性能。B、壓電陶瓷：人工合成的壓電材料，由許多細微的單晶各自按任意的方向排列，沒有極化前沒有壓電效應。一般在t＝100~170℃，加以高壓電場（1~4kV/mm)極化。使單晶排列整齊，使之具有壓電效應特性。常用的有：壓電式壓力傳感器2、居里點：壓電性能被破壞時的臨界溫度點。壓電式壓力傳感器鈦酸鋇(BaTiO3)：由BaCO3與TiO2在高溫下合成。其壓電系數(shù)較大，d＝107×10－12C/N，居里點低，t＝120℃。鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)：最常用，d＝(200~500)×10－12C/N，壓電系數(shù)大，居里點t＝300℃以上。壓電式壓力傳感器鈦酸鋇(BaTiO3)：由BaCO3與TiO2在高溫下合成。壓電式壓力傳感器：（如圖5－11）膜片