檢測技術(shù)及儀表 教學(xué)課件 ppt 作者 樊春玲 第2章壓力測量

1、第2章 壓力測量,教學(xué)目的及要求：1、使學(xué)生了解壓力檢測的重要意義；2、明確壓力的基本概念及表示方法；3、壓力的測量方法及常用壓力表。,主要外語詞匯,pressure； meter； pressure unit；absolute pressure； gage pressure；atmospheric pressure；Bourdon tube; diaphragm; Bellowsdifferential p

2、ressure,主要內(nèi)容,2.1 壓力的基本概念2.2 液柱式壓力計(jì)2.3 彈性式壓力檢測儀表2.4 電氣式壓力檢測儀表 2.5 壓力表的選擇和校驗(yàn)2.6 壓力測量實(shí)例,壓力在化工生產(chǎn)過程中是最重要的工業(yè)參數(shù)之一，正確地測量和控制壓力是保證工藝生產(chǎn)過程良好地運(yùn)行，達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低耗及安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。并且壓力及差壓的測量還廣泛地應(yīng)用在流量和液位的測量中。,壓力檢測的意義,1、在化工生產(chǎn)過程中：壓力既影響物料平衡，也影響化學(xué)

3、反應(yīng)速度，是標(biāo)志生產(chǎn)過程能否正常進(jìn)行的重要參數(shù)。2、安全生產(chǎn)的需要從確保安全生產(chǎn)的角度，壓力檢測也是非常重要的。如：確保壓力容器內(nèi)的壓力在安全指標(biāo)之內(nèi)，確保易燃易爆介質(zhì)的壓力不超標(biāo)。,壓力檢測的意義（續(xù)）,3、其它工業(yè)生產(chǎn)中壓力檢測的作用在其它工業(yè)生產(chǎn)中壓力的檢測與控制也非常普遍和重要。?？梢姷揭恍┕I(yè)裝置上都裝有壓力表。 舉例：工業(yè)鍋爐 a）汽包壓力：壓力過高容易爆炸，壓力低動力不足；4、壓力也是間接

4、測量流量和物位的手段 a）用孔板測量流量僅能產(chǎn)生差壓，而這個差壓靠壓力檢測的方法來測取才能最終求出流量。 b）物位：液面的高度可以靠測取壓力的大小來表達(dá)。,壓力檢測的意義（續(xù)）,2.1 壓力的基本概念,1.定義：壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力，即物理學(xué)中常稱的壓強(qiáng)。2.公式：P=F/A F為均勻而垂直作用的力 單位：牛頓（N） A為受力面積 單位：平方米（m2 ）

5、 P為壓力 單位：帕斯卡（Pa）3.常用單位：工程大氣壓 、帕斯卡 、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 、毫米汞柱 、毫米水柱,4.壓力的幾種表示方法：,1）絕對壓力：以絕對真空為基準(zhǔn)的壓力表達(dá)，又稱總壓力或全壓力，常用P表示。 2）大氣壓力：地球表面的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力表達(dá)，常用Pa 表示。 3）表壓力（又稱表壓）：一般測壓儀表所指示的壓力常以p表示，當(dāng)絕對壓力大于大氣壓力時，它等于絕對壓力減大氣壓力

6、之差。即： 在被測介質(zhì)的絕對壓力大于大氣壓力時， 表壓＝絕對壓力－大氣壓力 4）負(fù)壓或真空度（又稱疏空壓力）：即在被測介質(zhì)的絕對壓力低于大氣壓力時的一種壓力表達(dá)。,,5. 壓力測量方法,根據(jù)壓力的定義直接測量單位面積上受力大小應(yīng)用壓力作用于物體后所產(chǎn)生的各種物理效應(yīng),（1）應(yīng)用液柱測量壓力（2）應(yīng)用彈性變形測量壓力（3）應(yīng)用電測法量壓力,2.2 液柱式壓力計(jì),2.2.1 工作原理

7、應(yīng)用液柱測量壓力的方法是以流體靜力學(xué)為基礎(chǔ)的。一般采用充有水或水銀等玻璃U型管或單管進(jìn)行測量。,一、U型管壓力計(jì) 1.結(jié)構(gòu)：一般常由一支U型玻璃管構(gòu)成充液介質(zhì)：水銀、水、酒精等,,2、原理：a）在U型管兩端同時通大氣，而未接被測壓力時，U型管兩邊管內(nèi)的液面高度相等，同處于標(biāo)尺0線上。b）當(dāng)將U型管的一端接入被測壓力P后，如果P大于，則U型管兩邊管內(nèi)的液面就會產(chǎn)生高度差，這個液柱的高度差就反映了U型管兩端所受壓力的差值。,

8、3.公式：根據(jù)流體的靜力學(xué)原理可知，在U型管2—2截面上，右邊被測壓力P作用在液面上的力應(yīng)為左邊這段高度為h的液柱和大氣壓力作用在液面上的力所平衡，即有： 有：,,即有：P－P0即為被測壓力的表壓所以，若被測壓力用表壓表達(dá)，則有：由于一旦U型管內(nèi)的充入介質(zhì)確定，則 、g均為定數(shù)。所以h可以直接反映被測壓力p的大小，此即為U型管測壓的基本原理。,,,4.應(yīng)用范圍：適用于低壓、負(fù)壓和壓力

9、差，讀數(shù)誤差可達(dá)1mm，測低壓相對誤差較大。,二、單管壓力計(jì)1、結(jié)構(gòu)：杯徑較管徑大得多。,2、原理：同U型管3、特點(diǎn)：由于杯徑>>管徑，所以 >> 有：即：杯內(nèi)的液位變化可忽略不計(jì)。一次性讀數(shù)，使用方便。4、應(yīng)用范圍：測量低壓、負(fù)壓和差壓，量程范圍一般在0～250，讀數(shù)誤差：?0.5mm較U型管好，因?yàn)閁型管壓力計(jì)要兩次讀數(shù),2.2.2液柱式壓力計(jì)的使用1、誤差問題 a）主要的測量誤差

10、是讀數(shù)誤差。直接讀：?1mm左右， 單管： ? 0.5mm， 光學(xué)放大鏡輔助讀： ? 0.05mm左右。 b）其它影響測量結(jié)果的因素： ①充液密度的影響（如充液不純，實(shí)際密度與理論密度不符） ②標(biāo)尺刻度誤差（刻度誤差及材料的膨脹、收縮，因?yàn)橛袦囟扔绊懀?③毛細(xì)管的吸附作用（對微壓有影響） ④使用的地點(diǎn)及環(huán)境溫度影響等（地點(diǎn)影響g，溫度易影響液體的脹、縮而致使h變化）必要時應(yīng)作修正。,2、

11、正確選擇充液介質(zhì) ①測低壓充低密度介質(zhì)（可使h大） ②測高壓充高密度介質(zhì)（否則冒頂） ③要避免充液與被測介質(zhì)有化學(xué)反應(yīng)3、常用的標(biāo)尺材料：玻璃、鋼、銅4、讀數(shù)的位置（見右圖）1）眼與液柱面水平2）水銀柱讀凸部3）水讀凹部5、應(yīng)垂直安裝，否則引入附加誤差。,2.3 彈性式壓力檢測儀表,彈性元件在受到被測壓力作用時，一般總要產(chǎn)生彈性形變，在彈性限度內(nèi)，一般說來彈性元件的形變程度與被測壓力的大小是有

12、對應(yīng)關(guān)系的 可以通過測量彈性元件的形變程度來測量壓力的大小，這是目前工業(yè)上進(jìn)行壓力檢測的主要形式。,2.3.1 彈性元件,1.彈性元件的結(jié)構(gòu)與特性彈性元件是壓力檢測中最常用的敏感元件。不同結(jié)構(gòu)、不同材料的彈性元件，在同一壓力下會產(chǎn)生不同的彈性形變，在彈性限度內(nèi)表現(xiàn)出不同的輸入—輸出特性,,常用的彈性元件彈簧管、膜片和波紋管。（1）膜片式彈性元件 （2）波紋管式彈性元件 （3）彈簧管式彈性元件,采用不同材料、不同形狀的彈性元件作

13、為感壓元件，可以適用于不同場合、不同范圍的壓力測量。目前廣泛使用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等。,彈性元件示意圖,圖中給出了一些常用彈性元件的示意圖。其中波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓和真空度的測量。,,2. 彈性元件的測壓原理 — 彈性元件所受的軸向外力； — 彈性元件的剛度系數(shù)，是與材料、結(jié)構(gòu)、幾何尺寸等有關(guān)的常數(shù)； — 彈性元件的中心位

14、移。,則：,,— 彈性元件承受壓力的有效面積；,3.影響彈性元件測壓性能的因素 1、彈性元件的材料、加工、熱處理等方面的質(zhì)量嚴(yán)重影響著彈性元件的基本性能特性。主要表現(xiàn)在：1）靈敏度： （定義式）：線性元件 （定義式） ：非線性元件,,2）不完全彈性。具體表現(xiàn)： a）彈性滯后：表現(xiàn)在壓力增加或減小時彈性元件的形變量不一樣。 b）彈性后效：在彈性極限內(nèi)，當(dāng)作用在彈性元

15、件上的壓力很快去掉時，它也不能立即恢復(fù)原狀，還有一個數(shù)值不大的，經(jīng)過一段時間才能恢復(fù)。 c）殘余變形：形成系統(tǒng)誤差。,,4、彈性元件的特性1、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉2、精度較好，安裝、使用方便3、測壓范圍較寬：所以用途很廣,,,2、溫度效應(yīng) 在溫度變化時，大多數(shù)彈性元件的彈性將減弱。 此亦是造成附加誤差的因素。一般彈性元件希望采用低溫度系數(shù)的恒彈性金屬材料。,2.3.2 彈簧管壓力表,1. 彈性式壓力表的組成

16、彈性式壓力表一般由彈性元件、機(jī)械傳動放大機(jī)構(gòu)、指示機(jī)構(gòu)和調(diào)整機(jī)構(gòu)組成 。,圖2-4 彈性式壓力表的組成,,2. 彈簧管壓力表（1）彈簧管壓力表結(jié)構(gòu),圖2-5 彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)1—彈簧管；2—拉桿；3—扇形齒輪；4—中心齒輪；5—指針；6—面板；7—游絲；8—調(diào)零螺釘；9—接頭,彈簧管壓力表在彈性式壓力表中更是歷史悠久，應(yīng)用廣泛。彈簧管壓力表中壓力敏感元件是彈簧管。彈簧管的橫截面呈非圓形（橢圓形或扁形），彎成圓弧形的空

17、心管子，如圖2-5所示。 管子的一端為封閉，作為位移輸出端，另一端為開口，為被測壓力輸入端。當(dāng)開口端通入被測壓力后，非圓橫截面在壓力p作用下將趨向圓形，并使彈簧管有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使,,單圈彈簧管結(jié)構(gòu),彈簧管的自由端由B移至B’ 而產(chǎn)生位移，輸入壓力越大，位移越大。（動畫）壓力檢測及儀表動畫\彈簧管壓力表.swf,彈簧管壓力表,彈簧管放大圖,,（2）彈簧管壓力表特點(diǎn)彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉；測壓范圍寬，

18、可以從真空到103MPa，但不能測量差壓；普通彈簧管壓力表精度為1～4級，精密彈簧管壓力表可達(dá)0.1級。彈簧管的材料因被測介質(zhì)的性質(zhì)、被測壓力的高低有所不同。對于普通介質(zhì)，當(dāng)≤20MPa時采用磷銅，當(dāng)＞20MPa時采用不銹鋼或合金鋼。對于腐蝕性介質(zhì)，一方面采用隔離膜或隔離液，另一方面可以采用防腐材料的彈簧管。如測量液氨壓力時采用不銹鋼彈簧管；測量氧氣壓力時嚴(yán)禁沾有油脂，確保使用安全。,2.4 電氣式壓力檢測儀表,電氣式壓力檢測儀表是利用

19、壓力傳感器將壓力經(jīng)一次或多次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮琛㈦娙?、電感、電荷（電壓）、頻率等形式的信號，配以相應(yīng)的測量電路輸出便于遠(yuǎn)傳的電壓、電流信號或標(biāo)準(zhǔn)信號（變送器），由顯示裝置（顯示儀表）指示或記錄被測壓力的大小。這類檢測儀表能夠滿足自動化生產(chǎn)中集中檢測和集中控制的需要。,2.4.1 應(yīng)變式壓力傳感器,應(yīng)變式壓力傳感器基于金屬導(dǎo)體的“應(yīng)變效應(yīng)”原理，將被測壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧淖兓M(jìn)而檢測壓力的大小。1. 應(yīng)變效應(yīng)金屬材料在外力作用下發(fā)生機(jī)械形

20、變時，幾何尺寸的變化引起電阻值的變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。,1.金屬導(dǎo)體的電阻R可表示為：對于一根圓截面的金屬電阻絲，當(dāng)受到軸向拉力作用F后 ，電阻的相對變化量為：,,(2-22),(2-23),,對于半徑為r的金屬絲，截面積為截面積的相對變化量為令 為金屬絲的軸向應(yīng)變、 為徑向應(yīng)變，由材料力學(xué)可知金屬絲的軸向伸長和徑向收縮的關(guān)系為：,,,(2-24),,,,(2-25),將式（2-25）代入式（2-2

21、4），再代入式（2-23）得：實(shí)驗(yàn)表明，金屬電阻絲在拉伸比例極限內(nèi)，電阻值的相對變化量與軸向應(yīng)變成正比。因此，可以認(rèn)為金屬電阻絲發(fā)生機(jī)械形變時，電阻的變化是由幾何尺寸的改變引起的，可用下式表示,,(2-26),,(2-27),一般把金屬材料制成電阻應(yīng)變片使用，將它粘貼于彈性元件表面，在外力作用下彈性元件的微小形變在其表面產(chǎn)生應(yīng)變，通過應(yīng)變片將該應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系為：因此，可以通過彈性元件將力、壓力、力

22、矩、加速度等物理量轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電阻來檢測，制成應(yīng)變式傳感器.,,,(2-28),2. 金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與材料（1）金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片的品種繁多、形式多樣，常見的有絲式和箔式。它們均由敏感柵、底基、覆蓋層（保護(hù)層）、引線等組成，其結(jié)構(gòu)形式如圖2-6所示 .,圖2-6,（2）金屬電阻應(yīng)變片材料敏感柵是電阻應(yīng)變片的核心，要求材料的電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)大，且在較大的應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)保持常數(shù)；電阻率大，即在同樣長

23、度、同樣截面積的金屬絲或金屬箔中具有較大的電阻初始值；電阻溫度系數(shù)小，即環(huán)境溫度變化引起的電阻變化要小；機(jī)械強(qiáng)度高且具有良好的機(jī)械加工性能，易于加工成細(xì)絲或箔片應(yīng)變片；焊接性能良好，與其它金屬材料的接觸電勢小。常用的敏感柵材料有銅鎳合金（康銅）、鎳鉻合金、鎳鉻鉛合金、鐵鎳鉻合金及貴金屬（鉑、鉑鎢合金）等。由于康銅的電阻溫度系數(shù)小，在絲式應(yīng)變片中大多采用康銅絲.,箔式應(yīng)變片的外形,半導(dǎo)體應(yīng)變片及金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體應(yīng)變片外形,金

24、屬絲式應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),3. 應(yīng)變式壓力傳感器（1）應(yīng)變式壓力傳感器結(jié)構(gòu)應(yīng)變式壓力傳感器是金屬應(yīng)變片粘貼于彈性元件表面形成的組合體，其中彈性元件是壓力敏感元件，應(yīng)變片是應(yīng)變－電阻轉(zhuǎn)換元件。,圖2-7 圓膜片、彈性梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變式壓力傳感器,（2）應(yīng)變式壓力傳感器特點(diǎn)應(yīng)變式壓力傳感器測壓范圍寬，可以從幾帕到幾百兆帕；測量精度高，最高可達(dá)0.05級；測量速度快，可適用于靜態(tài)和動態(tài)檢測。但是電阻信號變化微弱且受環(huán)境溫度的影響，抗干擾能力較差

25、，在大應(yīng)變狀態(tài)下有較大的非線性。,應(yīng)變效應(yīng) 應(yīng)變片式壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變原理構(gòu)成的。電阻應(yīng)變片有金屬應(yīng)變片(金屬絲或金屬箔) 和半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩類。被測壓力使應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變。當(dāng)應(yīng)變片壓縮應(yīng)變時, 其阻值減小；當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生拉伸應(yīng)變時，其阻值增加。應(yīng)變片阻值的變化，再通過橋式電路獲得相應(yīng)的毫伏級電勢輸出，并用毫伏計(jì)或其他記錄儀顯示被測壓力，從而組成應(yīng)變片式壓力表。 （動畫）壓力檢測及儀表動畫\應(yīng)變式壓力傳感器.sw

26、f,應(yīng)變片式壓力變送器有較好的動態(tài)性能，適用于快速變化的壓力測量。,圖應(yīng)變式壓力傳感器示意圖 1—應(yīng)變筒; 2—外殼; 3—密封膜片,2.4.2 壓阻式壓力傳感器,壓阻式壓力傳感器基于半導(dǎo)體材料的“壓阻效應(yīng)”原理，將被測壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧淖兓?，進(jìn)而檢測壓力的大小。1. 壓阻效應(yīng)對半導(dǎo)體材料施加應(yīng)力，其電阻率發(fā)生改變引起電阻的變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。,一個長度為l、截面積為A、電阻率為的半導(dǎo)體電阻體，在受到外力作用后其電阻的相對

27、變化量同樣可表示為：,,,因?yàn)榘雽?dǎo)體材料幾何尺寸變化對電阻相對變化量的影響很小，可以忽略不計(jì)，所以電阻的相對變化量主要由電阻率的相對變化量決定。而在半導(dǎo)體單晶沿縱向受力時，電阻率的相對變化量為：,,(2-29),半導(dǎo)體電阻的相對變化量可表示為,,(2-30),2. 壓阻元件采用半導(dǎo)體材料制成的應(yīng)變－電阻轉(zhuǎn)換元件成為壓阻元件。目前常用的有兩種，一種是粘貼式的半導(dǎo)體應(yīng)變片，另一種是硅杯膜片。以硅杯膜片最常見.,圖2-9 硅杯膜片結(jié)構(gòu),3.

28、 壓阻式壓力傳感器（1）壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)壓阻式壓力傳感器主要由固定在硅杯上的硅杯膜片和外殼組成。,圖2-10 壓阻式壓力傳感器,（2）壓阻式壓力傳感器特點(diǎn)壓阻式壓力傳感器靈敏度高，它的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片高50～100倍；頻率響應(yīng)快，不僅能檢測靜態(tài)壓力，還能檢測動態(tài)壓力（最高可達(dá)10kHz）；易于小型化和微型化，最小的傳感器可小至1.8mm，在生物學(xué)上可以測量血管內(nèi)壓和顱內(nèi)壓；測壓范圍很寬，可以低至10Pa的微壓（用于血壓測量

29、）、高至60MPa的高壓；工作可靠，測量精度可達(dá)±0.2%～±0.02%，高精度的產(chǎn)品可用于大型飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)的壓力檢測或作為標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油、化工、電站等工業(yè)領(lǐng)域，是一種比較理想、發(fā)展迅速、正在逐漸成為主選的壓力傳感器。,2.4.3 壓電式壓力傳感器,壓電式壓力傳感器基于電材料的“壓電效應(yīng)”原理，在外力作用下壓電材料表面產(chǎn)生電荷，通過測量電路檢測電荷量的大小測量被測壓力。1. 壓電效應(yīng)某些材料沿

30、一定方向受到外力（壓縮力或拉力）發(fā)生形變時，材料內(nèi)部的電荷分布發(fā)生改變，在其相對的兩個面上產(chǎn)生符號相反、絕對值相等的電荷，若將外力撤銷又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的功能材料稱為壓電材料，具有壓電效應(yīng)的器件稱為壓電元件。,天然的石英晶體，一般為六棱形，如下圖a所示。石英晶體在三個相互垂直的方向x x, y y, z z上的物理性質(zhì)是不同的。其中x x軸稱為電氣軸，y y軸稱為機(jī)械軸，z z軸稱為光軸。,,原

31、理：該晶塊的一對晶面ABCD、EFGH由于正交于x x軸，平行于y y軸和z z軸，所以當(dāng)沿著x x軸方向有力作用時，由于晶體的壓電效應(yīng)，結(jié)果會在ABCD和EFGH面上將有等量的異性電荷Qx與－Qx出現(xiàn)。如果用Ax表示晶塊的受力面積，用表示作用在Ax面積上的壓力，則：,如果我們沿晶塊的y y方向上施加壓力，則在平面ABCD和EFGH（而不是EABF、HDCG）平面上也會出現(xiàn)等量的異性電荷。但這種情況下在上述兩平面上所出現(xiàn)的電荷Qy（和

32、－Qy）在數(shù)量上除和壓力即受壓面積有關(guān)外，還與晶塊的厚度有關(guān)。沿z z軸方向上施加壓力，則沒有“壓電效應(yīng)”。,1）沿x軸方向施加作用力Fx，則在垂直于x軸的平面上（ABCD、EFGH）出現(xiàn)正、負(fù)電荷。此現(xiàn)象又稱為縱向壓電效應(yīng)，縱向壓電效應(yīng)于晶體的厚度無關(guān)（或：除與受力面積有關(guān)外，與晶體的其它尺寸無關(guān)）。,2）沿y軸方向施加作用力Fy，則此時電荷不是在y平面上產(chǎn)生，而是在x平面上產(chǎn)生，此稱為橫向壓電效應(yīng)。橫向壓電效應(yīng)除與作用力Fy有關(guān)外

33、，還與晶體的切片尺寸有關(guān)。,縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生正電荷的一面，在橫向壓電效應(yīng)下將產(chǎn)生負(fù)電荷,,2. 壓電材料目前壓電傳感器常用的壓電材料有壓電晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料，各有特點(diǎn) .,（一）石英晶體,天然形成的石英晶體外形,天然形成的石英晶體外形（續(xù)）,石英晶體切片及封裝,石英晶體薄片,雙面鍍銀并封裝,石英晶體振蕩器（晶振）,石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。,晶振,（二）壓電陶瓷,

34、壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷 。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷 （如BaTiO3等）。,壓電陶瓷外形,,無鉛壓電陶瓷及其換能器外形 （上海硅酸鹽研究所研制）,,高分子壓電薄膜及拉制,（三）高分子壓電材料,典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯

35、（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達(dá)80dB。,高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜,,可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板,,壓電式腳踏報(bào)警器,,3. 壓電式壓力傳感器（1）壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu) 壓電材料加工成塊狀或片狀，在能夠產(chǎn)生壓電電荷的兩個工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成兩個金屬膜電

36、極構(gòu)成壓電元件。,圖2-14 壓電式壓力傳感器1—膜片；2—壓電元件；3—絕緣體；4—?dú)んw,（2）壓電式壓力傳感器的特點(diǎn)壓電式壓力傳感器體積小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工作可靠、線形好、頻率響應(yīng)高、測壓范圍大。但是壓電元件相當(dāng)于以壓電材料為介質(zhì)的有源電容器，內(nèi)阻很大且輸出電荷量很?。ㄒ话闶瞧靵鰯?shù)量級），因此在測量電路中需要輸入阻抗很高的前置放大器（一般采用電荷放大器），經(jīng)放大、阻抗變換后進(jìn)行處理。由于壓電元件本身存在泄漏電阻，放大器的輸入阻

37、抗不可能無窮大，導(dǎo)致壓電元件上的電荷量無法保持不變，因此不適宜檢測靜態(tài)或頻率太低的壓力。對于變化較快的動態(tài)壓力，由于交變電荷量變化快，通電量相對較小，故適宜于檢測動態(tài)壓力。,2.4.4 電容式壓力傳感器,電容式壓力傳感器基于變電容原理，將彈性敏感元件的受壓形變經(jīng)電容元件轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為可以遠(yuǎn)傳的電壓、電流等信號，實(shí)現(xiàn)壓力檢測. 1. 電容元件兩平板組成電容器，忽略邊緣效應(yīng)其電容量為：,,（2-34）,（1

38、）變極距型電容元件 電容元件實(shí)際上是各種類型的可變電容器。平板狀變極距型電容元件的結(jié)構(gòu)原理如圖2-15所示。當(dāng)動極板產(chǎn)生位移時，改變極板間的距離或、，電容量或、將發(fā)生改變。 1）單邊式變極距型電容元件 2）差動式變極距型電容元件 （2）變面積型電容元件,圖2-15 平板狀變極距型電容元件,2. 影響電容元件性能的因素影響電容元件性能的因素主要是溫度和寄生電容。（1）溫度對電容元件性能的影響（2

39、）寄生電容對電容元件性能的影響電容元件除了極板間的電容之外，極板還可能與周圍物體之間產(chǎn)生寄生電容。由于電容元件本身的電容量很小，寄生電容的存在不可忽視。為了減小和消除寄生電容的影響，常采用“驅(qū)動電纜技術(shù)”和“屏蔽接地技術(shù)”。,,3. 電容式壓力傳感器 電容式壓力傳感器由彈性敏感元件與電容元件組成，大多采用變極距型和變面積型。,圖2-19 變極距型電容式差壓傳感器1、4—隔離膜片；2、3—不銹鋼基座；5、8—玻璃層；6、9—蒸

40、鍍金屬薄膜；7—測量膜片,電容式壓力變送器,電容式壓力變送器外形,電容式差壓變送器,高壓側(cè)進(jìn)氣口,低壓側(cè)進(jìn)氣口,電子線路位置,,內(nèi)部不銹鋼膜片的位置,,,,電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu),1—高壓側(cè)進(jìn)氣口2—低壓側(cè)進(jìn)氣口 3—過濾片 4—空腔5—柔性不銹鋼波 紋隔離膜片6—導(dǎo)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,各種電容式差壓變送器外形,各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）,（參考丹

41、東長隆 自控有限公司 資料）,法蘭,,各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）,三、利用電容差壓變送器測量液體的液位,差壓變送器,,施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：,p =? g h,電容差壓變送器用于測量液體的液位,投入式水位計(jì),其測量原理是將彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化。將測壓膜片作為電容器的可動極板，它與固定極板組成可變電容器。當(dāng)被測壓力變化時，由于測壓膜片的彈性變形產(chǎn)生位移改變了兩塊極板之間的距離，造成電容量發(fā)生變化。

42、 （動畫）壓力檢測及儀表動畫\電容式壓力傳感器.swf,電容式差壓變送器測量部件,1-隔離膜片；2，7-固定弧形電極；3-硅油；4-測量膜片；5-玻璃層；6-底座,2.4.5 霍爾式壓力傳感器,霍爾式壓力傳感器基于“霍爾效應(yīng)”原理，利用彈性敏感元件將壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰?，?jīng)霍爾元件轉(zhuǎn)換為霍爾電勢，實(shí)現(xiàn)壓力－位移－電勢的轉(zhuǎn)換。通過測量電路把霍爾電勢進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為可以遠(yuǎn)傳的電壓或電流等信號，實(shí)現(xiàn)壓力的檢測。,1. 霍爾效應(yīng)與霍爾元件（1）霍爾效

43、應(yīng) 置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)電流方向與磁場方向不一致時，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢稱為霍爾電勢。,半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I 流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。,磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時的情況,c,d,a,b,磁感應(yīng)強(qiáng)度B 較大時的情況,作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢也就越高?；魻?/p>

44、電勢EH可用下式表示： EH=KH IB,霍爾效應(yīng)演示,當(dāng)磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。,c,d,a,b,磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢,若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度? 時，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos?，這時的霍爾電勢為

45、 EH=KHIBcos?,結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。,霍爾電勢：令：則：,2.霍爾效應(yīng)在壓力測量中的應(yīng)用： 對于材料和結(jié)構(gòu)已定的霍爾片，其霍爾電勢僅與B和I有關(guān)。如果我們通過穩(wěn)壓電源確保流過霍爾片的直流電流I恒定，則霍爾電勢的大小就僅由通過霍爾片的磁感應(yīng)強(qiáng)度B來決定了。,圖2-22 霍

46、爾式位移檢測效應(yīng)原理,將霍爾片H置于兩對極靴間的中央平衡位置時，由于霍爾片兩半所通過的磁通大小相等、方向相反，相互對稱，故由兩個方向相反的磁場而產(chǎn)生的霍爾電勢大小相等，方向相反。因此在霍爾片兩端導(dǎo)出的總電勢為零。但在壓力測量中，如果我們首先由彈性元件將被測壓力變換成位移X，并把這個位置傳給霍爾片H，則霍爾片就會偏離平衡位置而產(chǎn)生位移△x,這時在霍爾片兩端所產(chǎn)生的兩個極性相反的電勢之和就不再為零，從而就有一個霍爾電勢輸出。從上圖

47、可以看到，由于磁場的分布為線性非均勻磁場，所以霍爾片由位移而產(chǎn)生的電勢與其偏移量△x成線性對應(yīng)關(guān)系，從而就實(shí)現(xiàn)了壓力→位移→電勢的轉(zhuǎn)換,霍爾元件在應(yīng)用中的問題：霍爾元件對溫度變化敏感，應(yīng)用中需采取恒溫或溫度補(bǔ)償措施。這是半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)。要確保恒流特性，否則會帶來較大誤差易存在不等位電勢，主要是由霍爾片電阻率不均勻，厚度不均勻，以及在工藝上無法保證A、B完全處于同一等位面上，由此都會產(chǎn)生測量誤差。,3. 霍爾式壓力傳感器若保持霍

48、爾元件的控制電流不變，霍爾元件置于一個均勻梯度的磁場中可以檢測位移量，如上圖2-22所示?；魻栐胤较蛞苿?，則輸出霍爾電勢為：,,（2-51）,（1）霍爾式壓力傳感器結(jié)構(gòu)霍爾式壓力傳感器由兩部分組成，一是彈性敏感元件，用來感受被測壓力；另一部分是霍爾元件和磁路系統(tǒng)。一種霍爾式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖2-23所示.,圖2-23 霍爾式壓力傳感器1—彈簧管；2—霍爾元件；3—磁極,（2）霍爾式壓力傳感器特點(diǎn)霍爾式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單

49、、體積小、靈敏度較高；由于它是彈性元件與霍爾元件的組合體，動態(tài)特性主要由彈性元件的性能決定。但是信號轉(zhuǎn)換效率低、溫度影響大，在測量精度要求較高的場合必須進(jìn)行不等位電勢和溫度補(bǔ)償。,2.5 壓力表的選擇和校驗(yàn),1、壓力表的選擇 壓力表的選擇主要包括儀表型式、量程范圍、精度和靈敏度、外形尺寸以及是否還需要遠(yuǎn)傳和其他功能，如指示、記錄、報(bào)警、控制等。選用的依據(jù)如下： （1）必須滿足工藝生產(chǎn)過程的要求，包括量程和精度

50、； 儀表量程的選擇： 為了保證彈性元件在彈性形變的安全范圍內(nèi)工作，在確定儀表量程時，必須考慮留有余力。,a.在被測壓力比較穩(wěn)定的情況下，最大壓力值應(yīng)不超過滿量程的3/4。b.在被測壓力波動較大的情況下，最大壓力值應(yīng)不超過滿量程的2/3。c.為了保證測量精度，被測壓力值應(yīng)不低于全量程的1/3.,精度等級的選擇 應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)允許的最大測量誤差來確定儀表的精度。一般在滿足生產(chǎn)要求的情況下，盡可能選用精度較低、價

51、廉耐用的壓力表。,（2）考慮被測介質(zhì)的性質(zhì)，如溫度、壓力、粘度、腐蝕性、易燃易爆程度等；（3）注意儀表安裝使用時所處的現(xiàn)場環(huán)境條件，如環(huán)境溫度、電磁場、振動等。,所謂校驗(yàn)，就是將被校壓力表與標(biāo)準(zhǔn)壓力表通以相同的壓力、比較它們的指示值。 常用的校驗(yàn)儀器是活塞式壓力計(jì)。,2、壓力表的校驗(yàn),活塞式壓力計(jì),圖2-28 活塞式壓力計(jì)a，b，c—切斷閥；d—進(jìn)油閥；1—測量活塞；2—荷重砝碼；3—活塞筒；4—螺旋壓力發(fā)生器；5—工

52、作液；6—被校壓力表；7—手輪；8—絲杠；9—工作活塞；10—油杯；11—針形進(jìn)油閥閥桿圖2-28 活塞式壓力計(jì),原理：經(jīng)手輪推動工作活塞擠壓工作液，經(jīng)工作液傳壓給測量活塞，并有測量活塞托起標(biāo)準(zhǔn)的荷重砝碼，以此測量工作液的壓力，該壓力同時傳入被校儀表，觀察儀表示值，看其是否與測量活塞上砝碼荷重一致。也可以在活塞式壓力計(jì)上接入標(biāo)準(zhǔn)壓力表。 壓力表具體的校驗(yàn)步驟，可參照我國頒發(fā)的“工業(yè)用單圈管彈簧式壓力表、真空表和壓力真空表檢定

53、規(guī)程JJG52-71”及“標(biāo)準(zhǔn)彈簧管式壓力表、真空表檢定規(guī)程JJG49-72”有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。,3、壓力表的安裝 （1）測壓點(diǎn)的選擇：應(yīng)選擇能反應(yīng)被測壓力真實(shí)情況的取壓點(diǎn)。 a、要選擇被測介質(zhì)直線流動的管段部分，不可選擇管路拐彎、分叉、死角或其它易形成漩渦的地方。 b、測量流動介質(zhì)壓力時，應(yīng)使取壓點(diǎn)與流動方向垂直，清除鉆孔毛刺。 c、測量液體壓力時，取壓點(diǎn)應(yīng)在管道下部，使導(dǎo)壓管不

54、積存氣體，測量氣體時，取壓點(diǎn)應(yīng)在管道上部，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存液體。,,(2)導(dǎo)壓管的鋪設(shè) a、導(dǎo)壓管粗細(xì)合適，內(nèi)徑一般取Ф6～10mm,長度3～50m,以短為宜，以減小滯后 b、被測介質(zhì)易冷凝或凍結(jié)時，必須加伴熱管 c、取壓口到壓力表之間應(yīng)裝切斷閥，靠近取壓口,,(3)取壓點(diǎn)的選擇 a、壓力表應(yīng)安裝在易觀察和檢修的地方 b、安裝地點(diǎn)應(yīng)力求避免振動和高溫影響 c、測量蒸汽壓力

55、時應(yīng)加裝冷凝液管，以防止高溫蒸汽直接和測壓元件接觸，對有腐蝕性介質(zhì)的情況，應(yīng)加裝充有中性介質(zhì)的隔離罐或采用法蘭式接頭?？傊瑢唧w情況，采用具體措施（如：高溫、低溫、腐蝕、結(jié)晶、沉淀、粘稠介質(zhì)等應(yīng)采取相應(yīng)措施）,,(4)壓力表連接處的密封墊選擇 低于80°及20 kgf/cm壓力，用石棉紙板或鉛片 溫度壓力較高（500 kgf/cm以下）用退火紫銅或鉛墊要考慮被測介質(zhì)的影響，測點(diǎn)不能用帶油或有機(jī)化合物

56、墊片（否則爆炸）測乙炔禁止用銅片。取壓導(dǎo)管中如有液注，要根據(jù)具體情況考慮到液注自身的壓力，而對儀表示值進(jìn)行修正。,2.6 壓力測量實(shí)例,2.6.1 應(yīng)變式壓力測量系統(tǒng)1. 系統(tǒng)組成該系統(tǒng)由應(yīng)變式壓力傳感器、動態(tài)應(yīng)變儀和記錄儀組成，如圖2-30所示，可以測量多路壓力。應(yīng)變式傳感器將壓力的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧淖兓?，?jīng)電橋轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號再經(jīng)動態(tài)應(yīng)變儀加工處理，由記錄儀記錄。多路電橋盒與多通道應(yīng)變儀配套使用，屬于多通道應(yīng)變儀的組成部分。

57、,圖2-30 多通道調(diào)制型應(yīng)變儀組成的壓力測量系統(tǒng),2. 應(yīng)變儀結(jié)構(gòu)框圖及各環(huán)節(jié)的波形該測量系統(tǒng)中采用交流應(yīng)變電橋進(jìn)行電阻-電壓轉(zhuǎn)換，使用載波調(diào)制式應(yīng)變儀進(jìn)行信號處理。載波調(diào)制式應(yīng)變儀的結(jié)構(gòu)框圖和各環(huán)節(jié)的波形變化如圖2-31所示。如果采用直流應(yīng)變電橋進(jìn)行電阻-電壓轉(zhuǎn)換，輸出的直流電壓信號經(jīng)放大器放大后易于產(chǎn)生零漂，因此該系統(tǒng)采用交流應(yīng)變電橋。,圖2-31 載波調(diào)制式動態(tài)應(yīng)變儀方框圖和各環(huán)節(jié)波形1—應(yīng)變電橋；2—載波式放大器；3

58、—相敏檢波器；4—低通濾波器；5—功率放大器；6—支流穩(wěn)壓電源；7—載波振蕩器（交流激勵源）,2.6.2 電容式壓力測量系統(tǒng)電容式壓力傳感器將被測壓力的變化轉(zhuǎn)變成電容量的變化，使用中需要后續(xù)測量電路和顯示儀表。1. 基于CS2001芯片的電容傳感器測量電路,（2）CS2001芯片的典型應(yīng)用,圖2-33 CS2001典型電路,2. 數(shù)值顯示將測量電路輸出的電壓信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換值再送顯示電路由顯示器顯示；也可以送數(shù)