自动检测与仪表-5.压力检测

1自动检测与仪表第二篇过程参数检测技术第二篇过程参数检测技术4温度检测7物位检测5压力检测8机械量检测6流量检测9成分分析仪表5.1压力单位及压力检测方法5.2常用压力检测仪表5.3测压仪表的使用及压力检测系统5压力检测2自动检测与仪表5压力检测5.1压力单位及压力检测方法5.1.1压力的单位5.1.2压力的几种表示方法5.1.3压力检测的主要方法及分类5.2常用压力检测仪表5.2.1弹性压力计5.2.2力平衡式压力计5.2.3压力传感器5.3测压仪表的使用及压力检测系统5.3.1测压仪表的使用5.3.2压力检测系统3自动检测与仪表5.1压力单位及压力检测方法5.1.1压力的单位SFp压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）211mNPaPaMPa61011表示受力面积。表示垂直作用力；表示压力；式中SFp:下面给出几种单位之间的换算关系表，以便了解国际单位制中的压力单位（Pa或MPa）与过去的单位之间的关系。4自动检测与仪表5.1压力单位及压力检测方法5.1.1压力的单位压力单位帕/Pa兆帕/MPa工程大气压/(kgf/cm2)物理大气压/atm汞柱/mmHg水柱/mH2O（磅/英寸2）/（1b/in2）巴/bar帕11×1061.0197×10-59.869×10-67.501×10-31.0197×10-41.450×10-41×10-5兆帕1×106110.1979.8697.501×1031.0197×1021.450×10210工程大气压9.807×1049.807×10-210.9678735.610.0014.220.9807物理大气压1.0133×1050.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱1.3332×1021.3332×10-41.3595×10-31.3158×10-310.01361.934×10-21.3332×10-3水柱9.806×1039.806×10-30.10000.0967873.5511.4220.09806（磅/英寸2）6.895×1036.895×10-30.070310.0680551.710.703110.06895巴1×1050.11.01970.9869750.110.19714.501各种压力单位换算表5自动检测与仪表5.1压力单位及压力检测方法5.1.2压力的几种表示方法大气压力绝对压力表压ppp在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。绝对压力大气压力真空度ppp当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。p表P真P绝P绝大气压力线零线绝对压力、表压、负压（真空度）的关系绝对压力是指物体实际所承受的全部压力。表压力是一个相对压力，在工程实际中，所说的压力通常是指表压，即压力表上的读数。6自动检测与仪表5.1压力单位及压力检测方法5.1.3压力检测的主要方法及分类①液柱式压力表液柱式压力表是根据静力学原理，将被测压力转换成液柱高度来测量压力的。这类仪表包括U型管压力计、单管压力计、斜管压力计等。②弹性式压力表弹性式压力表是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成元件的位移来测量压力的。常见的有弹簧管压力表、波纹管压力表、膜片（或膜盒）式压力表。测量压力的仪表种类很多，按其转换原理可大致分为以下四种：7自动检测与仪表5.1压力单位及压力检测方法5.1.3压力检测的主要方法及分类③活塞式压力计活塞式压力计是利用流体静力学中的液压传递原理，将被测压力转换成活塞上所加珐码的重量进行压力测量的。这类测压仪表的测量精度很高，允许误差可小到0.05％一0.2%，所以普遍用作标准压力发生器或标准仪器对其他压力表或压力传感器进行校验和标定。测量压力的仪表种类很多，按其转换原理可大致分为以下四种：8自动检测与仪表5.1压力单位及压力检测方法5.1.3压力检测的主要方法及分类④压力传感器和压力变送器压力传感器和压力变送器是利用物体某些物理特性，通过不同的转换元件将被测压力转换成各种电量信号，并根据这些信号的变化来间接测量压力。根据转换元件的不同，压力传感器和压力变送器可分为电阻式、电容式、应变式、电感式、压电式、霍尔片式等多种形式。测量压力的仪表种类很多，按其转换原理可大致分为以下四种：9自动检测与仪表5.1压力单位及压力检测方法5.1.3压力检测的主要方法及分类④压力传感器和压力变送器测量压力的仪表种类很多，按其转换原理可大致分为以下四种：③活塞式压力计①液柱式压力表②弹性式压力表10自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表5.2.1弹性压力计一、弹性元件弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。弹性元件示意图弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示。弹性压力计的组成框图P5911自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表5.2.1弹性压力计二、弹簧管压力表1—弹簧管；2—拉杆；3—扇形齿轮；4—中心齿轮；5—指针；6—面板；7—游丝；8—调整螺丝；9—接头分类使用的测压元件用途单圈弹簧管压力表、多圈弹簧管压力表。普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。12自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表5.2.1弹性压力计二、弹簧管压力表电接点信号压力表1，4—静触点；2—动触点；3—绿灯；5—红灯普通弹簧管压力表电远传弹性压力表的结构原理见P6213自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表5.2.1弹性压力计二、弹簧管压力表电远传弹性压力表的结构原理见P62霍尔元件★霍尔传感器霍尔元件是将一种半导体四端薄片（霍尔片），做成正方形，在薄片上焊有两对电极引出线，然后采用非导磁金属或陶瓷或环氧树脂封装制成的。14自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表5.2.1弹性压力计二、弹簧管压力表电远传弹性压力表的结构原理见P62霍尔效应★霍尔传感器在垂直于半导体薄片平面的上方，施加磁感应强度为B的磁场，在半导体薄片相对的两边通以控制电流I。当N型半导体中的载流子（电子）沿着电流I相反地方向运动时，受到洛仑兹力FL的作用，使电子偏向一端，产生负电荷的积聚，而另一端面则为正电荷积聚，产生了静电场，即霍尔电场。图示的一块N型半导体薄片，其长度为L，宽度为l，厚度为d。15自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表5.2.1弹性压力计二、弹簧管压力表电远传弹性压力表的结构原理见P62霍尔效应★霍尔传感器霍尔电场对电子的作用力FE与洛仑兹力FL方向相反，将阻止电子继续偏转，最后形成动态平衡。此时在半导体薄片电荷积聚的两边将产生一个与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，这一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势。图示的一块N型半导体薄片，其长度为L，宽度为l，厚度为d。16自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表5.2.1弹性压力计二、弹簧管压力表电远传弹性压力表的结构原理见P62霍尔位移传感器★霍尔传感器霍尔位移传感器如图示，在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。当控制电流I恒定不变时，霍尔电势UH与外磁感应强度成正比；若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dB/dx为一常数，则当霍尔元件沿x方向移动时，输出的霍尔电势为：UH＝Kx检测压力17自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表5.2.2力平衡式压力计△P测量部分Fi杠杆系统△M放大器反馈部分FfIoDDZ-III型差压变送器△P膜盒Fi杠杆系统△M位移检测放大器电磁反馈机构FfIo膜盒式差压变送器构成检测元件：膜盒或膜片工作原理：力矩平衡杠杆系统：单杠杆、双杠杆和矢量机构P6218自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表5.2.3压力传感器5.2.3.1应变式压力传感器5.2.3.2压阻式压力传感器5.2.3.3电容式压力传感器5.2.3.4振频式压力传感器5.2.3.5压电式压力传感器5.2.3.6集成式压力传感器★★★★㈠应变式传感器㈡压阻式传感器㈢电容式传感器㈣压电式传感器19自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表㈠应变式传感器5.2.3.1应变式压力传感器电阻应变效应电阻应变片的测量电路应变式传感器的应用☆应变式力传感器★应变式压力传感器☆应变式液体重量(或液位)传感器☆应变式加速度传感器8.4力的检测方法20自动检测与仪表1-电阻丝；2-基片；3-引出线；4-覆盖层5.2常用压力检测仪表㈠应变式传感器5.2.3.1应变式压力传感器电阻应变效应金属箔式应变片21自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表㈠应变式传感器5.2.3.1应变式压力传感器金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化，这种物理现象称为“应变效应”。应变片的工作过程：位移、力、力矩、加速度、压力弹性敏感元件应变外力作用被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化应变片电阻应变效应22自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表㈠应变式传感器5.2.3.1应变式压力传感器金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化，这种物理现象称为“应变效应”。dAldAAldlAdR2FΔl、ΔA、ΔρΔRAAllRR对于半径为r的圆导体，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r。又由材料力学可知，在弹性范围内，Errll/,/,/AlR＝电阻R；电阻率ρ长度l；截面积A)21(ERR电阻应变效应23自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表㈠应变式传感器5.2.3.1应变式压力传感器电阻的灵敏度系数/21RRK21/K由材料的几何尺寸变化引起由材料的电阻率ρ随应变引起（压阻效应）金属材料：K以前者为主，则K≈1+2μ＝1.7～3.6半导体：K值主要是由电阻率相对变化所决定/2121ERRKRR金属电阻丝的电阻相对变化率与轴向应变成正比。结论电阻应变效应24自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表㈠应变式传感器5.2.3.1应变式压力传感器★应变式压力传感器传感筒1-应变筒2-外壳3-密封膜片应变筒的上端与外壳固定在一起，下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，静态性能相同的应变片r1和r2用胶合剂贴紧在应变筒的外壁。r1沿轴向贴放，为测量片；r2沿径向贴放，为温度补偿片。当膜片受到外力作用时，弹性筒轴向受压，使应变片r1产生轴向应变，阻值变小；而应变片r2受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值变大。r2的变化量比r1的变化量要小，r2的主要作用是温度补偿。25自动检测与仪表UE－＋＋－r1r2R3R4AB测量电桥5.2常用压力检测仪表㈠应变式传感器5.2.3.1应变式压力传感器R3和R4是两个阻值相等的精密固定电阻不受压时r1=r2=r0R3=R4=r313412()U0RrUERRrr，不受压时若应变片受压，则：r1=r0+Δr1；r2=r0+Δr2(Δr1≠Δr2)0122011212010201201()24224rrrrrrrrrUEEEPrrrrrrrr可见，有压力作用时，r1和r2一减一增，使电桥有较大的输出；当环境温度发生变化时，r1、r2同时增减，不影响电桥的平衡。如果仪表能把电桥输出电压U进一步转换为标准信号输出，则该仪表即可称为应变式压力变送器。★应变式压力传感器26自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表㈠应变式传感器5.2.3.1应变式压力传感器★应变式压力传感器比较三种测量电桥输出电压U0当测量电桥时为等臂电桥。通常RRRRR4321RR半桥02iURUR0iRUUR全桥单臂电桥04iURUR（测量结构见P63）27自动检测与仪表5.2常用压力检测仪表5.2.3.2压阻式压力传感器㈡压阻式传感器压阻效应及压阻系数当在半导体材料上施加一作用力时