傳感器與檢測技術(3)

壓力檢測壓力計石化事故(大連，2011)目錄5.1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)5.1壓力單位及壓力測量壓力:在工程上，垂直均勻地作用于單位面積上的力。5.1.1壓力的單位

1“帕斯卡”

：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。符號為Pa。千帕(kPa),兆帕(MPa)

標準大氣壓：1.01325*105Pa

毫米水柱(mmH2O)毫米汞柱(mmHg)5.1.2壓力的幾種表示方法1）絕對壓力：被測介質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。5.1.3.1重力平衡方法1）液柱式壓力計：基于液體靜力學原理。5.1.3壓力檢測的主要方法及分類優(yōu)點：結構簡單，讀數(shù)直觀。缺點：就地測量，測量上限不超過0.1MPa-0.2MPa。Δp=p1-p2=ρgh

2）負荷式壓力計基于重力平衡原理(活塞式壓力計)壓力轉換成砝碼重量來測量。優(yōu)點：性能穩(wěn)定，測量范圍大。用作壓力校驗儀表。5.1.3.2機械力平衡方法被測壓力經(jīng)變換元件轉換成集中力→外力與集中力平衡→測外力大小5.1.3.3彈性力平衡方法被測壓力使彈性元件變形→彈性力與被測壓力平衡→測量元件變形程度5.1.3.4物性測量方法壓力作用下，測壓元件某些物理特性變化。1）電測式壓力計(電阻、電容)2）其他新型壓力計，如集成式壓力計、光纖壓力計等5.2常用壓力檢測儀表5.2.1彈性壓力計彈性壓力計的組成框圖核心：彈性元件。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。用指針或刻度尺給出壓力示值感受壓力，產(chǎn)生變形(核心部分)調整儀表的零點和量程將彈性元件的變形進行變換和放大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。彈性特性由中心位移與壓力的關系表示，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）彈簧管橫截面呈非園形（橢圓形或扁形），彎成園弧形的空心金屬管。

對于單圈彈簧管,中心角變化量Δθ比較小,要提Δθ，可采用多圈彈簧管。

開口端通入被測壓力→

非圓橫截面在壓力p作用下將趨向圓形→使彈簧管有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩→使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移,同時改變中心角。

5.2.1.2彈簧管壓力計

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-靈敏度調整槽工作原理測壓范圍：-105~109Pa5.2.1.3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—軸承改變量程彈簧的彈性力可調整儀表量程。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換為電信號輸出，即可實現(xiàn)遠距離信號傳送。1）電位器式應用：滑線電位器。特點：簡單，有良好線性輸出，結構可靠性差。2）霍爾元件式霍爾效應磁場磁力線與薄片垂直1-2通電流i3-4感生電動勢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5.2.3壓力傳感器壓力傳感器：能夠檢測壓力值并提供遠傳信號的裝置常見形式：應變片式、壓阻式(電阻傳感器)

電容式(電容傳感器)、壓電式、振頻式等主要思路：工作原理、測量電路、應用(壓力)電阻式傳感器

基本原理：將被測量的變化轉換成電阻值的變化，再經(jīng)過轉換電路變成電信號輸出。特點：結構簡單、使用方便、性能穩(wěn)定、可靠、靈敏度高和測量速度快等諸多優(yōu)點，被廣泛應用于航空、機械、電力、化工、建筑、醫(yī)學等許多領域測量對象：力、壓力、位移、應變、扭矩、加速度等，是目前使用最廣泛的傳感器之一。分類：電位式、應變片式、壓阻式電阻應變片式傳感器一、工作原理應變效應：當應變元件（導體或半導體）在外力作用下發(fā)生機械變形時其電阻值將發(fā)生變化的現(xiàn)象。F→Δl、ΔS、Δρ→ΔR軸向應變：μ為電阻絲材料的泊松比，一般金屬μ=0.3~0.5；徑向應變：σ：應力值；E：材料的彈性模量；對于彈性元件：又因為λ：壓阻系數(shù)，與材質有關；其中，K為應變片的靈敏系數(shù)：單位應變所引起的電阻相對變化量一般金屬材料：K以前者為主，則K≈1+2μ=2~6半導體：K值主要是由電阻率相對變化所決定。最終有電阻應變片的靈敏度K=2.0，沿縱向粘貼于直徑為0.05m的圓形鋼柱表面，鋼材的E=2.0×1011N/m2，u=0.3。求鋼柱受10噸拉力作用時，應變片電阻的相對變化量。又若應變片沿鋼柱圓周方向粘貼，受同樣拉力作用時，應變片電阻的相對變化量為多少？應變元件種類1．絲式應變片1—基底；2—電阻絲；3—覆蓋層；4—引線敏感柵是實現(xiàn)應變與電阻轉換的敏感元件，由直徑為0.015～0.05

mm的金屬細絲繞成柵狀，將其用黏結劑黏結在各種絕緣基底上，并用引線引出，再蓋上既可保持敏感柵和引線形狀與相對位置的、又可保護敏感柵的蓋片。電阻應變片的電阻值有60

、120

、200

等幾種規(guī)格，其中120

最為常用。2．箔式應變片

在絕緣基底上，將厚度為0.003～0.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀。優(yōu)點：①制造技術能保證敏感柵尺寸準確、線條均勻，可以制成任意形狀以適應不同的測量要求。②敏感柵薄而寬，黏結情況好，傳遞試件應變性能好。③散熱性能好，允許通過較大的工作電流，從而可增大輸出信號。④敏感柵彎頭橫向效應可以忽略。⑤蠕變、機械滯后較小，疲勞壽命高。3．薄膜應變片

薄膜應變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，將電阻材料在基底上制成一層各種形狀的敏感柵，敏感柵的厚度在0.1

m以下。薄膜應變片具有靈敏系數(shù)高，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的特點，是一種很有前途的新型應變片。彈性元件的形式幾種應變式測量的結構示意εtεr膜片PεrεtR1R2R3R4εrεt膜片式等截面梁結構簡單，易加工，靈敏度高適合于測5000N以下的載荷b0R1R2l0lFbh①等截面懸臂梁彈性梁b0R1R2XlFbh②等強度懸臂梁彈性梁③雙端固定梁彈性梁薄壁圓筒式二：電阻應變片測量電路直流電橋：R交流電橋:R、L、C電源雙臂應變電橋單臂應變電橋全臂應變電橋工作臂應變片測量電橋(直流電橋)初始平衡條件：或此時

R1R2R3R4UsILRL當RL→∞時，電橋輸出電壓為：

（1）應變片單臂工作直流電橋

設橋臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，則上式可寫為：

（1）應變片單臂工作直流電橋

相對靈敏度:①

電橋相對靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，靈敏度越高，但供電電壓受到應變片允許功耗限制，所以要適當選擇；②

電橋相對靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。(n取何值，K最高？)分析：思路：dKU/dn=0求KU的最大值

因此n=1時，KU為最大值。即Us確定后，當R1=R2=R3=R4時，電橋相對靈敏度最高，此時有：

結論1：當電源電壓Us和電阻相對變化量ΔR/R一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關。

結論2：應變片電橋電路一般采用等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R當ΔRi<<R(i=1,2,3,4)時，略去上式中的高階微量，則

應變片工作時，其電阻變化ΔR，則輸出為

U0R1＋⊿R1R3＋⊿R3R4＋⊿R4UsR2＋⊿R2（2）應變片雙臂直流電橋（半橋）

雙臂差動：相鄰橋臂變化相同方向相反，或者相對橋臂變化相同方向相同。相鄰橋臂工作Case1：相鄰橋臂工作（2）應變片雙臂直流電橋（半橋）

相對橋臂工作Case2：相對橋臂工作U0R1＋⊿R1R3＋⊿R3R4UR2結論：半橋電路中一般采用相鄰橋臂工作，不存在近似！

（3）應變片全臂直流電橋需滿足前提:相鄰橋臂應變片變化量相同方向相反。應用一：稱重計

圖

電子秤結構示意圖應用二：汽車衡F外形圖內(nèi)部圖展開圖荷重傳感器上的應變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長原理演示應用三：加速度它由端部固定并帶有慣性質量塊m的懸臂梁及貼在粱根部的應變片、基座及外殼等組成，是一種慣性式傳感器。

測量時，根據(jù)所測振動體加速度的方向，把傳感器固定在被測部位。當被測點的加速度沿圖中箭頭n所示方向時，懸臂粱自由端受慣性力F硼的作用，質量塊向箭頭。相反的方向相對于基座運動，使梁發(fā)生彎曲變形，應變片電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號，輸出信號大小與加速度成正比。

質量塊M案例：振動式地音入侵探測器適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現(xiàn)。

固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應稱為壓阻效應。半導體電阻率對半導體材料而言，πeσ>>(1+μ)ε，故(1+μ)項可以忽略一般材料:壓阻式傳感器橋式測量電路，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—引線測量橋路及溫度補償

為了減少溫度影響，壓阻器件一般采用恒流源供電.零點溫度漂移是由于四個擴散電阻的阻值及其溫度系數(shù)不一致造成的。

R2R4R1R3USCRpBCDARSEDi零點溫度補償Rs:調零作用Rp:補償作用

靈敏度溫度漂移是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起的。溫度升高時，壓阻系數(shù)變?。混`敏度降低。靈敏度溫度補償

串聯(lián)二極管的方法。溫度變化時改變電橋的電源電壓。

R2R4R1R3USCRpBCDARSEDi

電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉換成電容變化量的一種傳感器。利用電容器的原理將被測非電量轉換為電容量的變化，實現(xiàn)非電量到電量的轉化。根據(jù)電容器變化的參數(shù)不同，電容傳感器可以分為：變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式。應用：不但廣泛的應用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量,而且可以用于壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方面的測量。電容式傳感器一、工作原理及類型dSε

當被測參數(shù)變化使得S、d或ε發(fā)生變化時，電容量C也隨之變化。電容式傳感器可分為變間隙（極距）型、變面積型和變介電常數(shù)（介質）型三種。εr

——介質的相對介電常數(shù)；ε0——真空中的介電常數(shù)，ε0=8.85×10-12[F/m]；

S——兩極板正對面積，m2；

d——兩極板之間的距離，m。1.變面積型電容傳感器SdaxbΔx線位移型電容傳感器原理圖線位移型動極板沿定極板移動Δx，則電容量變化為：式中；C0=ε0εr

ba/d

為初始電容，電容相對變化量為：顯然，ΔC與動極板位移Δx呈線性關系SdaxbΔx線位移型(2)角位移型θ動極板定極板電容式角位移傳感器原理圖當動極板產(chǎn)生角位移θ時,與定極板間的有效覆蓋面積改變,兩極板間的電容量改變。當θ=0時,

當θ≠0時,則:可見，電容的變化ΔC=-C0(θ/π)與角位移θ成線性關系。θ動極板定極板(2)角位移型(3)圓柱位移型d

D

H

Δh圓柱位移型電容傳感器原理結構示意圖當Δh=0時,

于是：

可見，電容量的變化ΔC與高度的變化Δh

呈線性關系δ

D

H

Δh(3)圓柱位移型變極距型電容式傳感器d02.變極距型電容傳感器初始電容量C0為

若電容器極板間距離由初始值d0縮小了Δd，電容量增大了ΔC2.變極距型電容傳感器若Δd/d0<<1時，則展成級數(shù)：2.變極距型電容傳感器①所以變極距型電容式傳感器只有在Δd/d0很小時，才有近似的線性關系。

②另外，電容式傳感器的靈敏度為：可見，要提高靈敏度，應減小d0。但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，常用提高介電常數(shù)的方法，即在兩級板間加云母、塑料膜等介質。相對非線性誤差δ：上述等式成立的條件是：Δd/d0<<1時，高次項省略，若保留二次項，則有：可得其相對非線性誤差為：可見，要提高靈敏度，須減小起始間隙d0，但此時相對非線性誤差δ增大。所以為使二者兼得，常采用差動式結構，即使其中一個電容器的電容C1隨位移△d增加，而另一個電容器的電容C2則減小。差動式電容傳感器若電極位移△d，d＝2d0電容值總的變化量為：電容值相對變化量為：在Δd/d

0<<1時，按級數(shù)展開：≈差動式電容傳感器若只保留上式中的線性項和三次項,電容式傳感器的相對非線性誤差θ為：差動式電容傳感器靈敏度是原來的2倍零點附近的非線性誤差大大降低。

差動式電容傳感器相當于兩電容并聯(lián)：其中：取x=0時電容為C0，有3.變介質型電容傳感器電容與x的關系推導如下：結論：電容與位移x之間呈線性關系。運算放大器式電路

Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號

uC-ACx∑～u0測量電路變間隙電容傳感器的測量電路為運算放大器電路，如圖所示。C0=200pF，傳感器的起始電容量Cx0=20pF,定動極板距離d0=1.5mm,運算放大器為理想放大器(即K→∞,Zi→∞),

輸入電壓u1=5sinωtV。求當電容傳感動極板上輸入一位移量△x=0.15mm使

d0減小時,電路輸出電壓u0

為多少?(2)二極管雙T型電路

U0iC1iC2±UED1D2RRC1C2RL電源為正半周D1短路，D2開路，電源為正半周D1短路，D2開路.測量電路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—引線彈性膜片和固定電極組成差動電容器。硅油傳壓→彈性膜片產(chǎn)生位移→兩側電容改變。應用一：壓力電容傳聲器核心是平板電容器，振動膜片是一片表面經(jīng)過金屬化處理的輕質彈性薄膜，當膜片隨著聲波的壓力的大小產(chǎn)生振動時，膜片與后極板之間的相對距離發(fā)生變化，膜片與極板所構成電容器的量就發(fā)生變化。極板上的電荷隨之變化，電路中的電流也相應變化，負載電阻上也就有相應的電壓輸出，從而完成了聲音信號與電信號的轉換。應用二：電容聲傳感器應用三：電容加速度傳感器加速度傳感器在汽車中的應用裝有傳感器的假人氣囊常規(guī)的鍵盤有機械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關是無觸點非接觸式的，磨損率極小。應用四：電腦鍵盤圖為IBMThinkpadT42/T43

的指紋識別傳感器應用五：指紋識別傳感器指紋識別所需電容傳感器包含一個大約有數(shù)萬個金屬導體的陣列，其外面是一層絕緣的表面。當用戶的手指放在上面時，金屬導體陣列/絕緣物/皮膚就構成了相應的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠的）與金屬導體之間的距離不同而變化。優(yōu)點：體積小、成本低、成像精度高、耗電量很小，因此非常適合在消費類電子產(chǎn)品中使用。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5.2.3.5壓電式壓力傳感器

正壓電效應（順壓電效應）逆壓電效應（電致伸縮效應）壓電效應壓電材料壓電晶體：如石英等；壓電陶瓷：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電半導體：如硫化鋅、碲化鎘等。壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的極化等效電路及信號變換電路其電容量為：

電壓大小為：。壓電式傳感器的等效電路

(a)等效為一個電荷源Q與一個電容Ca并聯(lián)的電路(b)等效成一個電源U=Q/Ca

和一個電容Ca的串聯(lián)電路

壓電式傳感器的信號調節(jié)電路關鍵：高阻抗的前置放大器前置放大器兩個作用:把壓電式傳感器的微弱信號放大；把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。Ca：傳感器的固有電容；Ci：前置放大器輸入電容；Cc：連線電容；Ra：傳感器的漏電阻；Ri：前置放大器輸入電阻。前置放大器輸入電壓：

輸出信號分析壓電元件的力F=Fmsinωt壓電元件的壓電系數(shù)為k，產(chǎn)生的電荷為Q=k·F。壓力傳感器結構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—膜片步態(tài)分析跑臺縱跳訓練分析裝置5.3測壓儀表的使用及壓力檢測系統(tǒng)5.3.1測壓儀表的使用5.3.1.1測壓儀表的選擇1）精度等級選擇2）量程選擇穩(wěn)定壓力：最大被測壓力不超過測量上限的2/3。脈動壓力：最大被測壓力不超過測量上限的1/2。高壓：最大被測壓力不超過測量上限的3/5。最小被測壓力一般不小于測量上限的1/3。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?；钊綁毫πｒ炏到y(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—進油閥有一臺空壓機的緩沖罐，其工作壓力變化范圍為13.5～16MPa

，工藝要求最大測量誤差為0.8MPa，并可就地觀察及高低限報警。試選一合適的壓力表（包括測量范圍、精度等級）。測量范圍選擇為:0~20Mpa、0~40MPa、0~60