自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)課件(第五章)

1、 第五章壓力檢測(cè)壓力檢測(cè) v 在工程上，壓力有幾種不同的表示方法，并且有相應(yīng)的測(cè)量儀表。v（1）絕對(duì)壓力：被測(cè)介質(zhì)作用在容器表面積上的全部壓力稱為絕對(duì)壓力，用符號(hào)pi表示。用來測(cè)量絕對(duì)壓力的儀表，稱為絕對(duì)壓力表。v （2）大氣壓力：由地球表面空氣柱重量形成的壓力。它隨地理緯度、海拔高度及氣象條件而變化，其值用氣壓計(jì)測(cè)定，用符號(hào)pd表示。v（3）表壓力：通常壓力測(cè)量儀表是處于大氣之中，則其測(cè)得的壓力值等于絕對(duì)壓力和大氣壓力之差，稱為表壓力，用符號(hào)pb 表示。有Pb=Pi-Pd 一般地說，常用的壓力測(cè)量儀表測(cè)得的壓力值均是表壓力。v（4）真空度：當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，表壓力為負(fù)值（負(fù)壓力），其

2、絕對(duì)值稱為真空度，用符號(hào)pz表示，可表示為：Pz=Pd-Pi 用來測(cè)量真空度的儀表稱為真空表。v（5）壓差 設(shè)備中兩處的壓力之差簡稱為差壓。生產(chǎn)過程中有時(shí)直接以差壓作為工藝參數(shù)，差壓測(cè)量還可作為流量和物位測(cè)量的間接手段。v 這幾種表示法的關(guān)系由示出。v此種方法利用彈性元件的彈性變形特性進(jìn)此種方法利用彈性元件的彈性變形特性進(jìn)行測(cè)量。行測(cè)量。v被測(cè)壓力使測(cè)壓彈性元件產(chǎn)生變形，因彈被測(cè)壓力使測(cè)壓彈性元件產(chǎn)生變形，因彈性變形而產(chǎn)生的彈性力與被測(cè)壓力相平衡，性變形而產(chǎn)生的彈性力與被測(cè)壓力相平衡，測(cè)量彈性元件的變形大小可知被測(cè)壓力。測(cè)量彈性元件的變形大小可知被測(cè)壓力。v此類壓力計(jì)有多種類型，可以測(cè)量壓力、

3、此類壓力計(jì)有多種類型，可以測(cè)量壓力、負(fù)壓、絕對(duì)壓力和差壓，其應(yīng)用最為廣泛。負(fù)壓、絕對(duì)壓力和差壓，其應(yīng)用最為廣泛。v基于在壓力的作用下，測(cè)壓元件的某些物基于在壓力的作用下，測(cè)壓元件的某些物理特性發(fā)生變化的原理。理特性發(fā)生變化的原理。v（1 1）電測(cè)式壓力計(jì)：利用測(cè)壓元件的壓）電測(cè)式壓力計(jì)：利用測(cè)壓元件的壓阻、壓電等特性或其他物理特性，將被測(cè)阻、壓電等特性或其他物理特性，將被測(cè)壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來測(cè)量。多種電壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來測(cè)量。多種電測(cè)式類型的壓力傳感器，可以適用于不同測(cè)式類型的壓力傳感器，可以適用于不同的測(cè)量場合。的測(cè)量場合。v（2 2）其他新型壓力計(jì)：如集成式壓力計(jì)、）其他新型壓

4、力計(jì)：如集成式壓力計(jì)、光纖壓力計(jì)等。光纖壓力計(jì)等。 v 彈性壓力計(jì)是利用彈性元件受壓變形的原理。彈性元件彈性壓力計(jì)是利用彈性元件受壓變形的原理。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。外在彈性限度內(nèi)受壓變形，其變形大小與外力成比例。外作用取消后，元件將恢復(fù)原有形狀。利用變形與外力的作用取消后，元件將恢復(fù)原有形狀。利用變形與外力的關(guān)系，對(duì)彈性元件的變形大小進(jìn)行測(cè)量，可以求得被測(cè)關(guān)系，對(duì)彈性元件的變形大小進(jìn)行測(cè)量，可以求得被測(cè)壓力。壓力。v 彈性壓力計(jì)的組成一般包括幾個(gè)主要環(huán)節(jié)，如下圖所示。彈性壓力計(jì)的組成一般包括幾個(gè)主要環(huán)節(jié)，如下圖所示。 v彈性元件：是感受壓力并產(chǎn)生彈性變形，彈性

5、元件：是感受壓力并產(chǎn)生彈性變形，是儀表的核心部分，彈性元件采用何種形是儀表的核心部分，彈性元件采用何種形式要根據(jù)測(cè)量要求進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)；式要根據(jù)測(cè)量要求進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)；v轉(zhuǎn)換放大機(jī)構(gòu)：是將彈性元件的變形進(jìn)行轉(zhuǎn)換放大機(jī)構(gòu)：是將彈性元件的變形進(jìn)行變換和放大；變換和放大；v指示機(jī)構(gòu)：如指針與刻度標(biāo)尺，用于給出指示機(jī)構(gòu)：如指針與刻度標(biāo)尺，用于給出壓力示值；壓力示值；v調(diào)整機(jī)構(gòu)：用于調(diào)整儀表的零點(diǎn)和量程。調(diào)整機(jī)構(gòu)：用于調(diào)整儀表的零點(diǎn)和量程。v 彈性元件主要有以下幾種形式。彈性元件主要有以下幾種形式。v（1 1）彈性膜片：這是一種外緣固定的圓形片狀彈性元件，）彈性膜片：這是一種外緣固定的圓形片狀彈性元件，

6、膜片的彈性特性一般由中心位移與壓力的關(guān)系表示。按膜片的彈性特性一般由中心位移與壓力的關(guān)系表示。按剖面形狀及特性，彈性膜片又分為平膜片、波紋膜片和剖面形狀及特性，彈性膜片又分為平膜片、波紋膜片和撓性膜片。撓性膜片。的使用位移很小，彈性特性有良好的線性關(guān)系。的使用位移很小，彈性特性有良好的線性關(guān)系。是壓有環(huán)狀同心波紋的圓膜片，波紋的形狀有是壓有環(huán)狀同心波紋的圓膜片，波紋的形狀有正弦形、鋸齒形、梯形等。其位移與壓力的關(guān)系，由波正弦形、鋸齒形、梯形等。其位移與壓力的關(guān)系，由波紋的形狀深度和波紋數(shù)確定。為了測(cè)量微小壓力，還可紋的形狀深度和波紋數(shù)確定。為了測(cè)量微小壓力，還可以制成膜盒，以增大膜片位移。以制

7、成膜盒，以增大膜片位移。僅作為隔離膜片使用，它要與測(cè)力彈簧配用。僅作為隔離膜片使用，它要與測(cè)力彈簧配用。v彈性元件通常的材彈性元件通常的材料有銅合金、彈性料有銅合金、彈性合金、不銹鋼等，合金、不銹鋼等，各適用于不同的測(cè)各適用于不同的測(cè)壓范圍和被測(cè)介質(zhì)。壓范圍和被測(cè)介質(zhì)。左表給出幾種彈性左表給出幾種彈性元件的結(jié)構(gòu)示意及元件的結(jié)構(gòu)示意及特性。各種彈性元特性。各種彈性元件組成了多種型式件組成了多種型式的彈性壓力計(jì)，他的彈性壓力計(jì)，他們通過各種傳動(dòng)放們通過各種傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)直接指示被大機(jī)構(gòu)直接指示被測(cè)壓力值。這類直測(cè)壓力值。這類直讀式測(cè)壓儀表有彈讀式測(cè)壓儀表有彈簧管壓力計(jì)、波紋簧管壓力計(jì)、波紋管差壓計(jì)、

8、膜盒式管差壓計(jì)、膜盒式壓力計(jì)等。壓力計(jì)等。 v彈簧管壓力計(jì)是最常用的直讀式測(cè)壓儀表，彈簧管壓力計(jì)是最常用的直讀式測(cè)壓儀表，其一般機(jī)構(gòu)如圖其一般機(jī)構(gòu)如圖5-3所示。所示。 被測(cè)壓力直接由接口引入，使彈簧管自由端被測(cè)壓力直接由接口引入，使彈簧管自由端產(chǎn)生位移，通過拉桿使扇形齒輪逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生位移，通過拉桿使扇形齒輪逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)嚙合的中心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與中心齒輪同并帶動(dòng)嚙合的中心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與中心齒輪同軸的指針將同時(shí)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并在面板的刻軸的指針將同時(shí)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并在面板的刻度標(biāo)尺上指示出被測(cè)壓力值。通過調(diào)整螺釘度標(biāo)尺上指示出被測(cè)壓力值。通過調(diào)整螺釘可以改變拉桿與扇形齒輪的接合點(diǎn)位置，從可以改變

9、拉桿與扇形齒輪的接合點(diǎn)位置，從而改變放大比，調(diào)整儀表的量程。轉(zhuǎn)動(dòng)軸上而改變放大比，調(diào)整儀表的量程。轉(zhuǎn)動(dòng)軸上裝有游絲，可以取消兩個(gè)齒輪嚙合的間隙，裝有游絲，可以取消兩個(gè)齒輪嚙合的間隙，減小儀表的變差。直接改變指針套在轉(zhuǎn)動(dòng)軸減小儀表的變差。直接改變指針套在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的角度，就可以調(diào)整儀表的機(jī)械零點(diǎn)。上的角度，就可以調(diào)整儀表的機(jī)械零點(diǎn)。v 彈簧管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價(jià)格彈簧管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價(jià)格低廉，測(cè)壓范圍寬，應(yīng)用十分廣泛。一般彈低廉，測(cè)壓范圍寬，應(yīng)用十分廣泛。一般彈簧管壓力計(jì)的測(cè)壓范圍為簧管壓力計(jì)的測(cè)壓范圍為-105109Pa；精度精度最高可達(dá)最高可達(dá)0.1%。v 采用膜片、膜盒、

10、波紋管等彈性元件可以制成差壓計(jì)。圖采用膜片、膜盒、波紋管等彈性元件可以制成差壓計(jì)。圖5-45-4給出給出雙波紋管差壓計(jì)機(jī)構(gòu)示意圖，雙波紋管差壓計(jì)是一種應(yīng)用較多的直雙波紋管差壓計(jì)機(jī)構(gòu)示意圖，雙波紋管差壓計(jì)是一種應(yīng)用較多的直讀式儀表。其測(cè)量機(jī)構(gòu)包括波紋管、量程彈簧組和扭力管組件等。讀式儀表。其測(cè)量機(jī)構(gòu)包括波紋管、量程彈簧組和扭力管組件等。儀表兩側(cè)的高壓波紋管和低壓波紋管為測(cè)量主體，感受引入的差壓儀表兩側(cè)的高壓波紋管和低壓波紋管為測(cè)量主體，感受引入的差壓信號(hào)，兩個(gè)波紋管由連桿連接，內(nèi)部填充液體用以傳遞壓力。差壓信號(hào)，兩個(gè)波紋管由連桿連接，內(nèi)部填充液體用以傳遞壓力。差壓信號(hào)引入后，低壓波紋管自由端帶動(dòng)

11、連桿位移，連桿上的擋板推動(dòng)信號(hào)引入后，低壓波紋管自由端帶動(dòng)連桿位移，連桿上的擋板推動(dòng)擺桿使扭力管機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)，扭力管芯軸的扭轉(zhuǎn)發(fā)生角度變化，扭轉(zhuǎn)角擺桿使扭力管機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)，扭力管芯軸的扭轉(zhuǎn)發(fā)生角度變化，扭轉(zhuǎn)角變化傳送給儀表的顯示機(jī)構(gòu)，可以給出相對(duì)應(yīng)的被測(cè)差壓值。量程變化傳送給儀表的顯示機(jī)構(gòu)，可以給出相對(duì)應(yīng)的被測(cè)差壓值。量程彈簧的彈性力和波紋管的彈性變形力與被測(cè)差壓的作用力相平衡，彈簧的彈性力和波紋管的彈性變形力與被測(cè)差壓的作用力相平衡，改變量程彈簧的彈性力大小可以調(diào)整儀表的量程。高壓波紋管與補(bǔ)改變量程彈簧的彈性力大小可以調(diào)整儀表的量程。高壓波紋管與補(bǔ)償波紋管相連，可以補(bǔ)償填充液因溫度變化而產(chǎn)生的體積膨

12、脹。差償波紋管相連，可以補(bǔ)償填充液因溫度變化而產(chǎn)生的體積膨脹。差壓計(jì)使用時(shí)要注意的問題是，儀表所引入的差壓信號(hào)中包含有測(cè)點(diǎn)壓計(jì)使用時(shí)要注意的問題是，儀表所引入的差壓信號(hào)中包含有測(cè)點(diǎn)處的工作壓力，又稱背景壓力。所以盡管需要測(cè)量的差壓值并不很處的工作壓力，又稱背景壓力。所以盡管需要測(cè)量的差壓值并不很高，但是差壓計(jì)要經(jīng)受的工作壓力，因此在差壓計(jì)使用中要避免側(cè)高，但是差壓計(jì)要經(jīng)受的工作壓力，因此在差壓計(jì)使用中要避免側(cè)壓力過載。壓力過載。v一般差壓計(jì)要裝配平衡附件，例如圖一般差壓計(jì)要裝配平衡附件，例如圖5-45-4所示的三個(gè)閥門組所示的三個(gè)閥門組合，在兩個(gè)截止閥間安裝一個(gè)平衡閥，平衡閥只在差壓計(jì)測(cè)合，在

13、兩個(gè)截止閥間安裝一個(gè)平衡閥，平衡閥只在差壓計(jì)測(cè)量時(shí)關(guān)閉，不工作時(shí)則打開，用以平衡正負(fù)壓側(cè)的壓力，避量時(shí)關(guān)閉，不工作時(shí)則打開，用以平衡正負(fù)壓側(cè)的壓力，避免單向過載。新型差壓計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均已考慮到單向過載保免單向過載。新型差壓計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均已考慮到單向過載保護(hù)功能。護(hù)功能。 v力平衡式采用反饋力平衡的原理，反饋力的平衡方式可以是彈性力平衡或電磁力平衡等。力平衡式壓力計(jì)的基本結(jié)構(gòu)如圖5-6所示，被測(cè)壓力或壓差作用于彈性敏感元件上，彈性敏感元件感受壓力作用并將其轉(zhuǎn)換為位移或力，并作用于力平衡系統(tǒng)，力平衡系統(tǒng)受力后將偏離原有的平衡狀態(tài)；由偏差檢測(cè)器輸出偏差值至放大器；放大器將信號(hào)放大并輸出電流（或電壓）

14、信號(hào)，電流信號(hào)控制反饋力或力矩發(fā)生機(jī)構(gòu)，使之產(chǎn)生反饋力；當(dāng)反饋力與作用力平衡時(shí)，儀表處于新的平衡狀態(tài)；顯示機(jī)構(gòu)可輸出與被測(cè)壓力或壓差相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。 v壓力傳感器是壓力檢測(cè)儀表的重要組成部分，它可以滿足自動(dòng)化系統(tǒng)集中檢測(cè)與控制的要求，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。v壓力傳感器：能夠檢測(cè)壓力值并提供遠(yuǎn)傳信號(hào)的裝置。v壓力傳感器的結(jié)構(gòu)型式多種多樣，常見的型式有應(yīng)變式、壓阻式、電容式、壓電式、振頻式壓力傳感器等。此外還有光電式、光纖式、超聲式壓力傳感器等。 v各種應(yīng)變?cè)c彈性元件配用，組成應(yīng)變式壓力傳感器。應(yīng)變?cè)墓ぷ髟砘趯?dǎo)體和半導(dǎo)體的“應(yīng)變效應(yīng)”，即當(dāng)導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將

15、發(fā)生變化。電阻值的相對(duì)變化與應(yīng)變有以下關(guān)系：v v式中為材料的應(yīng)變；K為材料的電阻應(yīng)變系數(shù)，金屬材料的K值約為26，半導(dǎo)體材料的K值可達(dá)60180。v應(yīng)變?cè)勺鞒山z狀、片狀或體狀。應(yīng)變絲或應(yīng)變片與彈性元件的裝配可以采用粘貼式或非粘貼式，在彈性元件受壓變形的同時(shí)應(yīng)變?cè)喟l(fā)生應(yīng)變，其電阻值將有相應(yīng)的改變。粘貼式壓力計(jì)通常采用個(gè)特性相同的應(yīng)變?cè)?，粘貼在彈性元件的適合位置上，并分別接入電橋的4個(gè)臂，則電橋輸出信號(hào)可以反映被測(cè)壓力的大小。為了提高測(cè)量靈敏度，通常使相對(duì)橋臂的兩對(duì)應(yīng)變?cè)謩e處于接受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的位置上。金屬應(yīng)變片分電阻絲式和金屬箔式RKR應(yīng)變片壓力傳感器示意圖v應(yīng)變式壓力傳感器所

16、有彈性元件可根據(jù)被測(cè)介質(zhì)和測(cè)量范圍的不同而采用各種型式，常見有圓膜片、彈性梁、應(yīng)變筒等。圖5-7給出幾種應(yīng)變式測(cè)量的結(jié)構(gòu)示意圖。各類應(yīng)變式壓力傳感器的精度較高，測(cè)量范圍可達(dá)幾百兆帕。v壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。它不同于應(yīng)變式壓力傳感器所有的體型應(yīng)變?cè)?，而是用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成擴(kuò)散壓敏電阻。硅平膜片在微小變形時(shí)有良好的彈性特性，當(dāng)硅片受壓后，膜片的變形使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。其相對(duì)電阻變化可表示為：v 式中 為壓阻系數(shù)； 為應(yīng)力。v硅平膜片上的擴(kuò)散電阻通常構(gòu)成橋式測(cè)量電路，相對(duì)的橋臂電阻是對(duì)稱布置的，電阻變化時(shí)，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對(duì)應(yīng)關(guān)系eRR

17、 ev如圖所示為一種壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圓形硅杯的底部即為硅平膜片，硅杯的內(nèi)外兩側(cè)輸入被測(cè)差壓或被測(cè)壓力及參考?jí)毫?。壓力差使膜片變形，膜片上的兩?duì)電阻阻值發(fā)生變化，使電橋輸出相應(yīng)壓力變化的信號(hào)。為了補(bǔ)償溫度效應(yīng)的影響，一般還在膜片上沿對(duì)壓力不敏感的晶向生成一個(gè)電阻，這個(gè)電阻只感受溫度變化，可接入橋路作為溫度補(bǔ)償電阻，以提高測(cè)量精度v壓阻式壓力傳感器的靈敏度高，頻率響應(yīng)高；結(jié)構(gòu)比較簡單，可以小型化；可用于靜態(tài)、動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量；應(yīng)用廣泛，測(cè)量范圍在00.0005MPa、00.002 MPa至0210 MPa；v其精確度為0.2% 0.02%。1基座；2單晶硅片；3導(dǎo)環(huán)；4螺母；5密封墊圈；

18、6等效電阻電容式壓力傳感器的測(cè)量原理是將彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化。以測(cè)壓膜片作為電容器的可動(dòng)極板，它與固定極板組成可變電容器。當(dāng)被測(cè)壓力變化時(shí)，測(cè)壓膜片產(chǎn)生位移而改變兩極板間的距離，測(cè)量相應(yīng)的電容量變化，可知被測(cè)壓力值。圖為一種兩室結(jié)構(gòu)感壓元件的示意圖，感壓元件是一個(gè)全焊接的差動(dòng)電容膜盒。玻璃絕緣層內(nèi)側(cè)的凹球面形金屬鍍膜作為固定電極，中間被夾緊的彈性平膜片作為可動(dòng)電極，從而組成兩個(gè)電容器。整個(gè)膜盒用隔離膜片密封，在其內(nèi)部充滿硅油。由隔離膜片感受兩側(cè)壓力的作用，通過硅油傳壓使彈性膜片產(chǎn)生位移，可動(dòng)極板將向低壓側(cè)靠近。電容極板間距離的變化，引起兩側(cè)電容器電容值的改變。v對(duì)于差動(dòng)平板電容器，

19、其電容變化與板間距離變化的關(guān)系可表示為：v式中 為初始電容值； 為極板間初始距離;v 為距離變化量。v此電容量的變化經(jīng)過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換電路，可以輸出標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（420mA）。這種傳感器結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)，靈敏度高，過載能力大；精度高，其精確度可達(dá)0.25%0.05%；可以測(cè)量壓力和差壓，儀表測(cè)量范圍00.00001 MPa至070 MPa。v有效保護(hù)膜片，壓力過大，膜片平滑地貼在凹面上，不易損壞，過載后恢復(fù)特性好，承載能力強(qiáng)，密封、抗振002dCCd0C0ddv振頻式壓力傳感器利用感壓元件本身的諧振頻率與壓力的關(guān)系，通過測(cè)量頻率信號(hào)的變化來檢測(cè)壓力。v這類傳感器有振筒、振弦、振膜、石英諧振等多種型式，以下舉

20、振筒式壓力傳感器為例。v振筒式壓力傳感器的感壓元件是一個(gè)薄壁金屬圓筒，圓柱筒本身具有一定的固有頻率，當(dāng)筒壁受壓張緊后，其剛度發(fā)生變化，固有頻率相應(yīng)改變。在一定的作用力下，變化后的振筒頻率可以近似表示為：v式中fp為受壓后的振筒頻率；f0為固有頻率；為結(jié)構(gòu)系數(shù)；p為被測(cè)壓力。01pffpv傳感器由振筒組件和激振電路組成，如圖5-10所示。振筒用低溫度系數(shù)的恒彈性材料制成，一端封閉為自由端，開口端固定在基座上，壓力由內(nèi)側(cè)引入，絕緣支架上固定著激振線圈和檢測(cè)線圈，二者空間位置互相垂直，以減少電磁耦合。激振線圈使振筒按固有的頻率振動(dòng)，受壓前后的頻率變化可由檢測(cè)線圈檢出。此種儀表體積小，輸出頻率信號(hào)，重

21、復(fù)性好耐振；精確度高，其精確度為0.1%和0.01%；測(cè)量范圍00.014 MPa至050 MPa；適用于氣體檢測(cè)。v壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的。v它是動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)中常用的傳感器，不適宜測(cè)量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。v由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時(shí)將產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去除后電荷將消失。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形關(guān)系。電荷輸出為：q=ksp;v式中q為電荷量；k為壓電常數(shù)；S為作用面積；p為壓力。測(cè)知電荷量可知被測(cè)壓力大小。 圖5-11為一種壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓電元件夾于兩個(gè)彈性膜片之間，壓電元件的一個(gè)側(cè)面與膜片接

22、觸并接地，另一側(cè)面通過金屬箔和引線將電荷引出。被測(cè)壓力均勻作用在膜片上，使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷。電荷量經(jīng)放大可以轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，輸出信號(hào)給出相應(yīng)的被測(cè)壓力值。壓電式壓力傳感器的壓電元件材料多為壓電陶瓷，也有用高分子材料或復(fù)合材料的合成膜，各適用于不同的傳感器型式。電荷量的測(cè)量一般配用電荷放大器。可以更換壓電元件以改變壓力的測(cè)量范圍，還可以用多個(gè)壓電元件疊加的方式提高儀表的靈敏度。v壓電式壓力傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠；頻率響應(yīng)高，不需要外加電源；測(cè)量范圍00.0007 MPa至070 MPa；測(cè)量精確度為1%，0.2%，0.06%。但是其輸出阻抗高，需要特殊信號(hào)傳輸導(dǎo)線；溫度效應(yīng)

23、較大。 v采用微機(jī)械加工技術(shù)與微電子集成工藝相結(jié)合的新型微結(jié)構(gòu)型式發(fā)展了集成化傳感器，進(jìn)而可以形成各種智能型儀表。v以壓阻式壓力傳感器為基礎(chǔ)的集成傳感器已有產(chǎn)品生產(chǎn)，它可以同時(shí)檢測(cè)差壓、靜壓、溫度三個(gè)參數(shù)。圖5-12所示為這種集成傳感器敏感元件的示意圖。硅杯底部為E形斷面，構(gòu)成作為敏感元件的硅膜片，在膜片斷面的減薄部分，沿應(yīng)力敏感度大的方向形成四個(gè)力敏電阻，以感受差壓引起的切向和徑向應(yīng)力變化；在膜片斷面的加厚部分也形成力敏電阻，以感受靜壓的作用；在加厚部分切向和徑向壓阻系數(shù)近于零的方向則形成溫敏電阻，以感受溫度的變化v設(shè)三個(gè)信號(hào)分別為差壓信號(hào)、靜壓信號(hào)、溫度信號(hào)，則有v根據(jù)制造階段預(yù)先測(cè)定的特

24、性數(shù)據(jù)，求解以上聯(lián)立方程，可以分別得到差壓、靜壓和溫度T的值。這就屬于一種復(fù)合檢測(cè)方式。1212(,)(,)(,)(,)(,)(,)( )dsssssTEhp p Thp Thp TEgp p Tgp Tgp TEs Tv圖5-13為儀表的組成框圖，采用適當(dāng)?shù)慕涌陔娐泛臀⑻幚砥飨到y(tǒng)，可以存入針對(duì)此傳感器特性的修正公式。采入三種信號(hào)后，經(jīng)過運(yùn)算處理就可以給出修正了的被測(cè)差壓值、靜壓值以及溫度值。這一類集成傳感器的測(cè)量精確度高，可達(dá)0.1%，并有高的穩(wěn)定性和可靠性。v繼壓阻式壓力傳感器實(shí)用化之后，以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，利用微機(jī)械和微電子加工技術(shù)，又開發(fā)出微電容式、微諧振式等型式的壓力傳感器，可以具有

25、重量輕，功耗低，響應(yīng)快和便于集成化等特點(diǎn)。各種新型壓力傳感器有很好的發(fā)展前景。 壓力計(jì)的選用壓力計(jì)的選用應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)過程對(duì)壓力測(cè)量應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)過程對(duì)壓力測(cè)量的要求，結(jié)合其他各方面的情況，加以全面的考的要求，結(jié)合其他各方面的情況，加以全面的考慮和具體的分析，慮和具體的分析， 一般考慮以下幾個(gè)問題。一般考慮以下幾個(gè)問題。v 選擇合適的儀表要根據(jù)生產(chǎn)過程提出的要求，結(jié)合各類壓力表的特點(diǎn)綜合進(jìn)行考慮。一般涉及類型、測(cè)量范圍和測(cè)量精度等方面。儀表類型的選擇應(yīng)滿足生產(chǎn)過程的要求，需要了解被測(cè)介質(zhì)情況、現(xiàn)場環(huán)境及生產(chǎn)過程對(duì)儀表的要求，如信號(hào)是否滿足需要遠(yuǎn)傳、控制、記錄或報(bào)警等。v 為了保證測(cè)壓儀表安全可

26、靠地工作，儀表的量程要根據(jù)被測(cè)壓力的大小及在測(cè)量過程中被測(cè)壓力變化的情況等條件來選取，選取儀表量程要留有余地，在測(cè)量穩(wěn)定壓力時(shí)，最大被測(cè)工作壓力不能超過測(cè)量上限值的2/3；在測(cè)量脈動(dòng)壓力時(shí)，最大被測(cè)工作壓力不能超過測(cè)量上限值的1/2；而在測(cè)量高壓時(shí)，最大被測(cè)工作壓力不能超過測(cè)量上限值的3/5。一般被測(cè)壓力的最小值，應(yīng)不低于測(cè)量上限值的1/3。根據(jù)被測(cè)壓力的最大值和最小值計(jì)算出儀表的上下限后，要按壓力儀表的標(biāo)準(zhǔn)系列選定量程。目前我國壓力（差壓）儀表測(cè)量范圍的標(biāo)準(zhǔn)系列是：-0.10.06、0.15kPa和01、1.6、2.5、4、6、1010nkPa（其中n為自然整數(shù)，可為正、負(fù)值）。v儀表的測(cè)量

27、精度也是根據(jù)使用要求確定的。生產(chǎn)過程允許的被測(cè)壓力的最大絕對(duì)誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差，可在規(guī)定的精度等級(jí)中確定儀表的精度。在確定儀表的精度時(shí)，要注意經(jīng)濟(jì)性，不必追求高精度，只需滿足使用要求即可。工業(yè)用測(cè)壓儀表的精度通常在0.5級(jí)以下。v測(cè)量差壓的儀表還應(yīng)注意工作壓力的選擇，應(yīng)使其與被測(cè)對(duì)象的工作壓力相對(duì)應(yīng)。v例 1 若選用彈簧管壓力表來測(cè)量某設(shè)備內(nèi)的壓力，已知被測(cè)壓力為（0.71)Mpa，要求測(cè)量的絕對(duì)誤差不超過0.02Mpa，試確定壓力表的測(cè)量范圍及精度等級(jí)。v（可供選的測(cè)量范圍有0 0.6，0 1,v 0 1.6, 0 2,5Mpa）v 0 1.6Mpa 1.0v2. 往復(fù)式壓縮機(jī)出口壓力

28、2528Mp，測(cè)量誤差不超過1Mp，選壓力表精度、測(cè)量范圍。供選16,25,40,60,100，精度1.0 、0.5 2.5 v測(cè)壓儀表在出廠前均需進(jìn)行檢定，使之符合精度等級(jí)要求。使用中的儀表則應(yīng)定期進(jìn)行校驗(yàn)，以保證測(cè)量結(jié)果有足夠的準(zhǔn)確度。使用的壓力校驗(yàn)儀器有液柱式壓力計(jì)、活塞式壓力計(jì)或配有高精度標(biāo)準(zhǔn)表的壓力校驗(yàn)泵。標(biāo)準(zhǔn)儀表的選用原則是，其允許絕對(duì)誤差要小于被校儀表絕對(duì)誤差的1/31/5，這樣可以認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)儀表的讀數(shù)就是真實(shí)值。如果被校儀表的讀數(shù)誤差小于規(guī)定誤差，則認(rèn)為它是合格的。 v圖5-14所示為一種活塞式壓力校驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理?；钊?、活塞筒和砝碼的重力作用于密閉系統(tǒng)內(nèi)的工作液體、當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)工

29、作液體的壓力與此重力相平衡時(shí)，活塞會(huì)浮起，并可旋轉(zhuǎn)。此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的壓力為：v式中為p系統(tǒng)內(nèi)的工作壓力；m為活塞與砝碼的總質(zhì)量；g為重力加速度；So為活塞的有效面積。omgpsv對(duì)于一定的活塞壓力計(jì)，其有效面積為常數(shù)。由螺旋壓力發(fā)生器推動(dòng)工作活塞，在承重托盤上加適當(dāng)?shù)捻来a，工作液體就可處于不同的平衡壓力下，此壓力可以作為標(biāo)準(zhǔn)壓力，用以校驗(yàn)壓力表。v為真實(shí)反映被測(cè)壓力的大小，要合理選擇取壓點(diǎn)，注意取壓口形式。工業(yè)系統(tǒng)中設(shè)置取壓點(diǎn)的選取原則遵循以下幾點(diǎn)。v（1）取壓點(diǎn)位置避免處于管路彎曲、分叉、死角或流動(dòng)形成渦流的區(qū)域。不要靠近有局部阻力或其他干擾的地點(diǎn)，當(dāng)管路中有突出物體時(shí)（如測(cè)溫元件），取壓點(diǎn)應(yīng)在其前方。需要在閥門前后取壓時(shí)，應(yīng)與閥門有必要的距離。v（2）取壓口開孔的軸線應(yīng)垂直設(shè)備的壁面，其內(nèi)端面與設(shè)備內(nèi)壁平齊，不應(yīng)有毛刺或突出物。v（3）測(cè)量液體介質(zhì)的壓力時(shí)，取壓口應(yīng)在管道下