第05章壓力測(cè)量1-彈簧管,傳感器

第5章壓力測(cè)量5.0概述5.1常規(guī)測(cè)壓方法與儀表5.2壓力信號(hào)的電變送方法（壓力傳感器）5.3氣流的壓力測(cè)量5.4壓力檢測(cè)儀表的使用與校準(zhǔn)5.0概述

壓力測(cè)量的重要性：熱力系統(tǒng)與設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；熱力機(jī)械的運(yùn)行狀況的必要參數(shù)；深入研究其內(nèi)部的工作過程的需要。壓力的表示方法根據(jù)測(cè)量方法和參照點(diǎn)的不同，在工程上壓力的表示方法：絕對(duì)壓力以絕對(duì)真空作為零點(diǎn)壓力標(biāo)準(zhǔn)。表壓力以大氣壓作為零點(diǎn)壓力標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)壓力（差壓力）以大氣壓以外的任意壓力為零點(diǎn)壓力標(biāo)準(zhǔn)。負(fù)壓力或真空低于大氣壓的壓力。壓力的表示方法Absolutepressure:usedforthepressuremeasuredrelativetozeropressure.Gaugepressure:thepressuremeasuredrelativetotheatmosphericpressure.Thedifferentialpressurebetweentheabsolutepressureandtheatmosphericpressure.Positivepressure:thegaugepressurewhentheabsolutepressureishigherthantheatmosphericpressure.Negativepressure:thegaugepressurewhentheabsolutepressureislowerthantheatmosphericpressure.Vacuum:theabsolutepressurelowerthanatmosphere.壓力檢測(cè)的基本方法根據(jù)工作原理的不同，壓力檢測(cè)方法可分為：(1)重力平衡法利用工作液體產(chǎn)生的重力或砝碼的重量與被測(cè)壓力相平衡，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度或平衡砝碼的重量。例：液柱式壓力計(jì)、活塞式壓力計(jì)。

(2)彈性力平衡法利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性變形產(chǎn)生的彈性力與被測(cè)壓力相平衡，將壓力轉(zhuǎn)換成位移，通過測(cè)量彈性元件位移變形的大小測(cè)出被測(cè)壓力。類型多，應(yīng)用廣泛，可測(cè)量正壓、負(fù)壓和壓差。壓力檢測(cè)的基本方法(3)機(jī)械力平衡方法將被測(cè)壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)集中力，用外力與之平衡，通過測(cè)量平衡時(shí)的外力測(cè)知被測(cè)壓力。特點(diǎn)：精度較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

(4)物性測(cè)量方法在壓力的作用下，利用敏感元件的某些物理特性與壓力成確定關(guān)系變化的原理，將被測(cè)壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來測(cè)量。例：應(yīng)變式、壓電式、電容式壓力傳感器。5.1常規(guī)測(cè)壓方法與儀表5.1.1液柱式壓力計(jì)5.1.2彈性式壓力計(jì)5.1.3其他形式測(cè)壓儀表5.1.4真空測(cè)量5.1.1液柱式壓力計(jì)液柱式壓力計(jì)以流體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)。通常采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管、單管或斜管進(jìn)行壓力測(cè)量；結(jié)構(gòu)形式(1)、U形管壓力計(jì)在U形管兩端接入不同壓力，U形管兩邊管內(nèi)液柱差h與被測(cè)壓力的關(guān)系為

被測(cè)壓差或壓力可以用工作液高度h表示。h—兩液面的高度差；d—玻璃管直徑；D—大容器直徑。由于D>>d，故d2/D2可以忽略不計(jì)，則上式為(2)、單管壓力計(jì)單管壓力計(jì)的精度高于U型管壓力計(jì)。相當(dāng)于將U形管的一端換成一個(gè)大直徑的容器，當(dāng)大容器一側(cè)接被測(cè)壓力，管一側(cè)接大氣壓時(shí)，滿足關(guān)系：管內(nèi)工作液面上升的高度h即可表示被測(cè)壓力的大小。(3)、斜管壓力計(jì)用U形管或單管壓力計(jì)來測(cè)量微壓時(shí)，液柱高度變化很小，讀數(shù)困難，為了提高靈敏度，減小誤差，可將單管壓力計(jì)的玻璃管制成斜管。大容器通入被測(cè)壓力p1，斜管通大氣壓力p2，則p1與液柱之間的關(guān)系為：式中L—斜管內(nèi)液柱的長(zhǎng)度；—斜管傾斜角。由于L>h，所以斜管壓力計(jì)比單管壓力計(jì)的精度更高。2、液柱式壓力計(jì)測(cè)量誤差及其修正(1)環(huán)境溫度(2)重力加速度(3)毛細(xì)現(xiàn)象(1)、環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度偏離規(guī)定溫度時(shí)，封液密度、標(biāo)尺長(zhǎng)度發(fā)生變化。封液的體膨脹系數(shù)比標(biāo)尺的線膨脹系數(shù)大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)；工業(yè)測(cè)量——考慮溫度變化引起的封液密度變化對(duì)壓力測(cè)量的影響；精密測(cè)量——修正標(biāo)尺長(zhǎng)度變化的影響。環(huán)境溫度偏離規(guī)定溫度20℃后，封液密度改變對(duì)壓力計(jì)讀數(shù)影響的修正公式為：h20：20℃封液液柱高度；h：溫度為t時(shí)封液液柱高度b：封液的體膨脹系數(shù)；t：測(cè)量時(shí)的實(shí)際溫度。（5-7）(2)、重力加速度變化的修正儀器使用地點(diǎn)的重力加速度gj：（5-8）H,j: 使用地點(diǎn)海拔高度(m)和緯度;gN: 標(biāo)準(zhǔn)重力加速度（9.80665m.s-2）R： 地球的公稱半徑(緯度45°海平面處)，6356766m；(3)、毛細(xì)現(xiàn)象造成的誤差毛細(xì)現(xiàn)象使封液表面彎曲，引起液柱的升高或降低，產(chǎn)生讀數(shù)誤差。這種誤差與封液的表面張力、管徑、管內(nèi)壁的潔凈度等因素有關(guān)，難以精確確定。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常通過加大管徑的方法減小毛細(xì)現(xiàn)象的影響。酒精： d＞3mm水、水銀：d＞8mm5.1.2彈性壓力計(jì)當(dāng)被測(cè)壓力作用于彈性元件時(shí)，彈性元件便產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形。根據(jù)變形量的大小，可以測(cè)得被測(cè)壓力。彈性壓力計(jì)的組成環(huán)節(jié)彈性元件，感受壓力并產(chǎn)生彈性變形，彈性元件采用何種形式要根據(jù)測(cè)量要求選擇和設(shè)計(jì)；變換放大機(jī)構(gòu)，將彈性元件的變形進(jìn)行變換和放大；指示機(jī)構(gòu)，(如指針與刻度標(biāo)尺)用于給出壓力示值；調(diào)整機(jī)構(gòu)，用于調(diào)整零點(diǎn)和量程。彈性元件同樣的壓力下，不同結(jié)構(gòu)、不同材料的彈性元件會(huì)產(chǎn)生不同的彈性變形。常用的彈性元件有彈簧管、波紋管、薄膜等。波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測(cè)量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓或真空度的測(cè)量。彈簧管截面為非圓形（橢圓形或扁圓形），并彎成圓弧狀的空心管；一端為封閉（自由端），一端為開口（固定端）1、彈簧管壓力計(jì)彈簧管壓力計(jì)的特點(diǎn)單圈彈簧管自由端的位移量一般不超過2～5mm。為了提高彈簧管的靈敏度，增加自由端的位移量，可采用回形(S形)彈簧管或螺旋形彈簧管。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：把自由端的線位移轉(zhuǎn)換成指針的角位移，使指針能明顯地指示出被測(cè)值。其上的可調(diào)螺釘，用以改變連桿和扇形齒輪的鉸合點(diǎn)，從而改變指針的指示范圍。轉(zhuǎn)動(dòng)軸處裝著一根游絲，用來消除齒輪嚙合處的間隙。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)阻力要盡可能小，以免影響儀器的精度。彈簧管壓力計(jì)的量程和精度等級(jí)單圈彈簧管壓力表的精度等級(jí)普通型：1.0、1.6、2.5、4級(jí)；精密型：0.16、0.25、0.4級(jí)。測(cè)量范圍:我國(guó)的測(cè)壓儀表按系列生產(chǎn)，從真空到109Pa，其標(biāo)尺上限的刻度值為(1，1.6，2.5，4，6.3)×10nMPa(其中n為正、負(fù)整數(shù))。使用范圍：儀表工作在正常允許的壓力范圍內(nèi)。對(duì)于波動(dòng)較大的壓力，儀表的示值應(yīng)經(jīng)常處于量程的1/2；被測(cè)壓力波動(dòng)小，儀表示值可在量程的2/3，但被測(cè)壓力值一般不應(yīng)低于量程的1/3。精密壓力表YB-150B(0－1.6MPa)

精密微壓表YB-150B(0－0.06MPa)精密壓力真空表YB-150B(-0.1－0.5MPa)

精密真空表YB-150B(-0.1－0MPa)2、膜式壓力計(jì)膜式壓力計(jì)的分類膜片壓力計(jì)：測(cè)量腐蝕性介質(zhì)或非凝固、非結(jié) 晶的粘性介質(zhì)的壓力；膜盒壓力計(jì)：測(cè)量氣體的微壓和負(fù)壓。膜片的分類膜片可分為彈性膜片和撓性膜片兩種。彈性膜片一般由金屬制成，常用的彈性波紋膜片是一種壓有環(huán)狀同心波紋的圓形薄片；彈性波紋膜片的撓度與壓力的關(guān)系主要取決于波紋的形狀、數(shù)目、深度和膜片的厚度、直徑，而邊緣部分的波紋情況則基本上決定了膜片的特性，中部波紋的影響很小。撓性膜片只起隔離被測(cè)介質(zhì)的作用，它本身幾乎沒有彈性，是由固定在膜片上的彈簧的彈性力平衡被測(cè)壓力。膜盒式壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)膜式壓力計(jì)的使用范圍膜式壓力計(jì)的精度一般為2.5級(jí)膜片壓力計(jì)的測(cè)量范圍

真空或0～6×106Pa膜盒壓力計(jì)的測(cè)量范圍

0～±4×104Pa3、波紋管式壓差計(jì)波紋管式壓差計(jì)以波紋管為感壓元件測(cè)量壓差信號(hào)，有單波紋管和雙波紋管兩種，主要用作流量和液位測(cè)量的顯示儀表。波紋管是外周沿軸向有深槽形波紋狀皺褶，可沿鈾向伸縮的薄壁管。它受壓時(shí)的線性輸出范圍比受拉時(shí)的大，故常在壓縮狀態(tài)下使用。雙波紋管壓差計(jì)結(jié)構(gòu)4、彈性壓力計(jì)的誤差環(huán)境影響、儀表的結(jié)構(gòu)、加工和彈性材料性能的不完善，會(huì)給壓力測(cè)量帶來各種誤差。遲滯誤差：相同壓力下，同一彈性元件正反行程的變形量不同，也因而存在遲滯誤差。彈性后效誤差：彈性元件變形落后于被測(cè)壓力的變化；間隙誤差：儀表的各種活動(dòng)部件之間有間隙，示值與彈性元件的變形不完全對(duì)應(yīng)；摩擦誤差：儀表的活動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，相互間有摩擦力；溫度誤差：環(huán)境溫度改變會(huì)引起金屬材料彈性模量的變化。這些誤差的存在使一般的彈性壓力計(jì)的精度低于0.1％。提高精度的主要途徑采用無遲滯誤差或遲滯誤差極小的“全彈性”材料和溫度誤差很小的“恒彈性”材料制造彈性元件，如Ni42CrTi，Ni36CrTiA，熔凝石英；更精確的轉(zhuǎn)換技術(shù)，減少或取消中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以減少間隙誤差和摩擦誤差阻應(yīng)變轉(zhuǎn)換技術(shù)；限制彈性元件的位移量；采用無干摩擦的彈性支承或磁懸浮支承；采用更好的制造工藝，充分發(fā)揮材料的優(yōu)良性能。5、彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性類別名稱示意圖壓力測(cè)量范圍kPa輸出特性動(dòng)態(tài)性質(zhì)最小最大時(shí)間常數(shù)/s自振頻率/Hz薄膜式平薄膜0～100～10510-5～10-210～104波紋膜0～10-30～10310-2～10-110～102撓性膜0～10-50～10210-2～11～102波紋管式波紋管0～10-30～10310-2～10-110～102彈簧管式單圈彈簧管0～10-10～106－102～103多圈彈簧管0～10-20～105－10～102彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性5.1.3Measurementoflowpressures(vacuum)Vacuumtendstobeusedforpressureslessthantheatmosphericpressure,namely1.013×105Pa.Aunitthatisoftenusedforsuchpressureisthetorr(乇）,thisbeingthepressureequivalenttothatgivenbyacolumnofmercuryofheight1mm.

1mmHg=133.322Pa=1torrThelowertheabsolutepressureis,thehigherthedegreeofvacuumis.真空劃分(10-12~105Pa)粗真空：103～105Pa低真空：103～10-1Pa高真空：10-1～10-6Pa超高真空：10-6～10-12Pa極高真空：<10-12Pa

真空測(cè)量方法的分類

現(xiàn)在真空技術(shù)在生產(chǎn)、科研中的用途愈來愈廣，在整個(gè)真空范圍內(nèi)所采用的測(cè)量方法也是多種多樣的。按測(cè)量原理可以分為：基于力的作用原理：U形管，波登管式，波紋管式，膜片式；基于壓縮作用原理：麥克勞真空計(jì)；基于導(dǎo)熱作用原理：電阻真空計(jì)，熱電偶真空計(jì)；基于電離作用原理：熱陰極式，冷陰極式，放射性真空計(jì)。1、U形管真空計(jì)最簡(jiǎn)單的真空計(jì)。U形管中盛有液體（水銀或油），一端接到真空系統(tǒng)上，另一端通大氣。兩管中液面的高度差，就可測(cè)得真空系統(tǒng)中的真空度，P=Pa-h，其中P為系統(tǒng)中真空度，Pa為大氣壓值，h為兩液面之差。2、壓縮真空計(jì)根據(jù)波義耳定律，將被測(cè)真空系統(tǒng)中一定的殘余氣體壓縮，比較壓縮前后體積、壓力的變化，即能得到真空度。玻義耳－馬略特定律： 對(duì)于一定質(zhì)量的氣體，在其溫度保持不變時(shí)，它的壓強(qiáng)和體積成反比，即

PV=C（常數(shù)）（T不變時(shí)）或

P1V1＝P2V2=…=PnVn實(shí)際氣體只是在壓強(qiáng)不太高、溫度不太低的條件下才服從這一定律。麥克勞真空計(jì)絕對(duì)真空計(jì)。麥克勞1874年研制，簡(jiǎn)稱麥?zhǔn)嫌?jì)。測(cè)量范圍1.3*10-8Pa~1.3*103

Pa；精度高，可作為其它真空計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。由毛細(xì)管A、毛細(xì)管B、玻璃泡、導(dǎo)液管、水銀瓶構(gòu)成。A、B兩部分在N處連通，當(dāng)水銀杯R升高，水銀上升越過刻線N后，原B、C中的氣體全被壓入測(cè)量毛細(xì)管C中。壓縮過程可作為等溫過程；A和D部分與真空系統(tǒng)連通，真空系統(tǒng)容積遠(yuǎn)大于A和D，因此A和D可認(rèn)為是定壓過程。A、D；B、C兩部分氣體的壓強(qiáng)差可由毛細(xì)管C、D水銀柱的高度差h表示。以V表示N以上BC的總體積，VC為C管中壓縮后氣體的體積，根據(jù)玻義耳定律：pV=(p+h)Vc其中p為真空系統(tǒng)中壓強(qiáng)。

3、熱導(dǎo)式真空計(jì)－測(cè)量低真空一種測(cè)量低真空的相對(duì)真空計(jì)。原理：在低壓強(qiáng)下氣體熱導(dǎo)率與其壓力之間的關(guān)系?；跉怏w壓強(qiáng)P低于某一定值時(shí)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)K與P成正比，即：

K=bP，b：比例常數(shù)假設(shè)燈絲由導(dǎo)熱損失的熱量與加熱電流I所產(chǎn)生的熱量平衡時(shí)，燈絲溫度不變。其平衡方程為：R：燈絲電阻；E1：氣體分子遷移熱量；E2：輻射遷移熱量；E3：引出導(dǎo)線的遷移熱量。若由于壓力減小而使E1減小，則當(dāng)I不變時(shí)，平衡方程將失去平衡，使燈絲溫度變化。由此可根據(jù)燈絲溫度來衡量壓力的變化。即熱導(dǎo)真空計(jì)通過測(cè)量燈絲溫度來得到壓力大小。熱導(dǎo)真空計(jì)的工作原理

熱導(dǎo)式真空計(jì)的分類根據(jù)測(cè)定氣體熱傳導(dǎo)方法的不同，熱導(dǎo)式真空計(jì)可分為：電阻真空計(jì)熱電偶真空計(jì)(a)電阻真空計(jì)電阻真空計(jì)，又稱皮喇尼真空計(jì)。主要由電阻式規(guī)管和測(cè)量電路兩部分組成。在電阻規(guī)管內(nèi)封裝一只電阻溫度系數(shù)較大的電阻絲，常用的有鎢絲和鉑絲。規(guī)管與被測(cè)真空計(jì)系統(tǒng)相連。在較低的壓力(小于13.3Pa)時(shí)，熱電阻絲的電阻值取決于周圍氣體的壓強(qiáng)。真空度不同－>氣體傳熱性能不同－>使溫差電動(dòng)勢(shì)不同。熱偶規(guī)管：由玻璃殼、鉑絲、熱電偶構(gòu)成。鉑絲通以恒定電流，用于加熱熱電偶，其溫度為100～200℃。熱電偶是由鎳鉻—鎳硅、或鎳－康銅制成，其作用是在它的加熱端與冷端(非加熱端）溫度不同時(shí)，產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。(b)熱電偶真空計(jì)（相對(duì)真空計(jì)）1-2為加熱絲,3-4為熱電偶通過測(cè)量溫差電動(dòng)勢(shì)，可間接測(cè)得真空度。熱偶計(jì)只能測(cè)量低的真空度，真空度較高時(shí)，壓強(qiáng)變化與氣體熱傳導(dǎo)無關(guān)，故熱偶計(jì)不能用于高真空測(cè)量。

4、電離真空計(jì)電離真空計(jì)廣泛使用在高真空區(qū)域。電離真空計(jì)誕生于1916年，其測(cè)量范圍達(dá)到1.3×10-2~1.3×10-5Pa。可以遠(yuǎn)距離測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄及控制，由于有熾熱的燈絲，不適于測(cè)高氧氣體。4、電離真空計(jì)電離真空計(jì)是通過在稀薄氣體中引起電離，然后利用離子電流測(cè)量壓力。在氣體中如果有動(dòng)能足夠大的電子與氣體分子相碰撞，它可以從氣體分子中擊出一個(gè)或幾個(gè)電子使氣體分子成為正離子。把這種正離子收集到一個(gè)電極上使其產(chǎn)生離子電流，在稀薄氣體中，離子電流的大小與氣體壓力有關(guān)。電離真空計(jì)結(jié)構(gòu)熱陰極電離真空計(jì)主要由圓筒式熱陰極電離規(guī)管和測(cè)量電路兩部分組成。陰極/燈絲柵極/加速極:螺旋形收集極:圓筒形電離規(guī)管結(jié)構(gòu)電離真空計(jì)原理測(cè)量時(shí)電離規(guī)管與被測(cè)真空系統(tǒng)相連。通電后陰極加熱所發(fā)射的電子在帶正電的加速極作用下，加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電子的動(dòng)能足夠大，在飛向加速極的路途中與管內(nèi)低壓氣體分子碰撞，即可使氣體分子電離。電離產(chǎn)生的電子和正離子分別在加速極和收集極(帶負(fù)電位)上形成電流Ie和離子流Ii。式中，k為規(guī)管的靈敏度。由于用電離真空計(jì)測(cè)量壓力時(shí)，電子電流保持不變，故當(dāng)壓力足夠低(低于10-1Pa)時(shí)，離子電流Ii與電子電流Ie之比正比于氣體的壓力p，即5、彈性變形式真空計(jì)（1）彈性式真空表（粗真空）（2）電容式薄膜真空計(jì)（10-2～105Pa）5.2壓力信號(hào)的電變送方法(壓力傳感器)5.2壓力信號(hào)的電變送方法(壓力傳感器)壓力傳感器：測(cè)量壓力并提供遠(yuǎn)傳電信號(hào)的裝置。壓力傳感器可以直接將被測(cè)壓力變換成各種形式的電信號(hào)，適合于自動(dòng)化系統(tǒng)集中檢測(cè)與控制的要求。壓力傳感器結(jié)構(gòu)型式多種多樣，常見的型式有壓阻式、壓電式、應(yīng)變式、電容式、電感式、振頻式、光電式、光纖式、超聲式壓力傳感器等。壓力傳感器的類型壓阻式壓電式應(yīng)變式電容式電感式力平衡式諧振式5.2.1壓阻式壓力傳感器壓阻效應(yīng)物質(zhì)受外力作用，電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。利用壓阻效應(yīng)測(cè)量壓力的傳感器叫壓阻式壓力傳感器。常用的壓阻材料是硅和鍺。類型應(yīng)變式壓力傳感器，利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼式的應(yīng)變片，與彈性敏感元件一起組成粘貼型壓阻式壓力傳感器；在單晶硅基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，此基片既是壓力敏感元件，又是變換元件，這類傳感器叫做擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器。簡(jiǎn)稱壓阻式壓力傳感器或固態(tài)壓力傳感器。壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖硅平膜片在圓形硅杯的底部，其兩邊有兩個(gè)壓力腔，分別輸入被測(cè)差壓或被測(cè)壓力與參考?jí)毫?。高壓腔接被測(cè)壓力，低壓腔與大氣連通或接參考?jí)毫?。膜片上的兩?duì)電阻，一對(duì)位于受壓應(yīng)力區(qū)，另一對(duì)位于受拉應(yīng)力區(qū)，當(dāng)壓力差使膜片變形，膜片上的兩對(duì)電阻阻值發(fā)變化，使電橋輸出相應(yīng)壓力變化的信號(hào)。壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn)靈敏度高，比金屬絲式應(yīng)變片靈敏度高50～100倍；頻率響應(yīng)高，可測(cè)300～500kHz以下的脈動(dòng)壓力；測(cè)量范圍寬，10Pa～60MPa；精度高，可達(dá)±0.02％；易于微小型化，國(guó)內(nèi)已生產(chǎn)出φ1.8mm的微型壓阻式壓力傳感器。5.2.2壓電式壓力傳感器壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)沿著某一個(gè)方向受力而發(fā)生機(jī)械變形(壓縮或伸長(zhǎng))時(shí)，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，并在其某些表面產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。式中Q為電荷量；k為壓電常數(shù)；S為作用面積；p為壓力。通過測(cè)量電荷量可知被測(cè)壓力大小。常用的壓電材料天然或人造的單晶體如石英晶體，其性能穩(wěn)定，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性很好，在常溫范圍內(nèi)幾乎不隨溫度變化。機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能好；價(jià)格昂貴．一般只用于精度要求很高的傳感器中。人造多晶體（壓電陶瓷）如鈦酸鋇、鉻鈦酸鉛。受力作用時(shí)，在垂直于極化方向的平面上產(chǎn)生電荷，其電荷量與壓電系數(shù)和作用力成正比。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大，且價(jià)格低廉，被廣泛用作傳感器的壓電元件。壓電式壓力傳感器結(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)面與膜片接觸并接地，另一側(cè)面通過引線將電荷量引出。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。電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器放大，轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，輸出信號(hào)與被測(cè)壓力值相對(duì)應(yīng)。壓電傳感器的信號(hào)輸出壓電傳感器產(chǎn)生的信號(hào)非常微弱，輸出阻抗很高，必須經(jīng)過前置放大，把微弱的信號(hào)放大，并把高輸出阻抗變換成低輸出阻抗，才能為一般的測(cè)量?jī)x器接受。電壓信號(hào)輸出電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，工作可靠，但對(duì)檢入電容的變化很敏感，不能隨意更換出廠配套的電纜。電荷信號(hào)輸出不受輸入電容的影響，因此可用很長(zhǎng)的連接電纜；價(jià)格高，電路復(fù)雜，調(diào)整困難。壓電式壓力傳感器的特點(diǎn)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠；測(cè)量范圍寬，可測(cè)100MPa以下的壓力；測(cè)量精度較高；頻率響應(yīng)高，可達(dá)30kHz，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（why？）。5.2.3應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器是一種通過測(cè)量各種彈性元件的應(yīng)變來間接測(cè)量壓力的傳感器。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)，其電阻值將發(fā)生變化。根據(jù)制作材料的不同，應(yīng)變?cè)梢苑譃榻饘俸桶雽?dǎo)體兩大類。電阻值的相對(duì)變化與應(yīng)變的關(guān)系電阻值的相對(duì)變化與應(yīng)變有以下關(guān)系：

式中ε為材料的應(yīng)變；K為材料的電阻應(yīng)變系數(shù)，即單位應(yīng)變引起的電阻相對(duì)變化量。金屬：K＝2～6半導(dǎo)體：K＝60～180電阻應(yīng)變片應(yīng)變片由應(yīng)變敏感元件、基片和覆蓋層、引出線三部分組成。應(yīng)變敏感元件核心部分，由金屬絲、金屬箔或半導(dǎo)體材料組成，作用是將彈性壓力敏感元件的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化?；透采w層 固定和保護(hù)應(yīng)變敏感元件、傳遞應(yīng)變和電氣絕緣。電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式1－絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片由金屬絲柵(亦稱敏感柵)、基底、引線、保護(hù)膜等組成。敏感柵一般采用直徑0.015~0.05mm的金屬絲，用粘合劑固定在厚度0.02~0.04mm的紙或膠膜基底上。引線是由直徑0.1~0.2mm低阻鍍錫銅線制成，用于將敏感柵與測(cè)量電路相連。電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式2－箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片的敏感柵是用厚度為3～10um的金屬箔經(jīng)光刻、腐蝕等工藝制成的。優(yōu)點(diǎn)：表面積與截面積之比大，散熱條件好，能承受較大電流和較高電壓;輸出靈敏度高;可制成各種需要的形狀，便于大批量生產(chǎn)。由于上述優(yōu)點(diǎn)，它已逐漸取代絲式應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式3－半導(dǎo)體應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)：半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片的大幾十倍，且體積小、機(jī)械滯后小；缺點(diǎn)：熱穩(wěn)定性比金屬應(yīng)變片差，應(yīng)變較大時(shí)非線性嚴(yán)重。應(yīng)變式壓力傳感器的主要結(jié)構(gòu)型式應(yīng)變片與彈性元件的裝配可以采用粘貼式或非粘貼式；為了提高測(cè)量靈敏度，通常采用兩對(duì)應(yīng)變片，并使相對(duì)橋臂的應(yīng)變片分別處于接受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的位置。所用彈性元件可根據(jù)被測(cè)介質(zhì)和測(cè)量范圍的不同采用圓膜片、彈性梁、應(yīng)變筒等各種型式。電阻應(yīng)變的溫度補(bǔ)償應(yīng)變敏感元件的電阻隨溫度的變化而變化；彈性元件和應(yīng)變片的線膨脹系數(shù)不完全一樣，由于它們粘貼在一起，溫度變化時(shí)就產(chǎn)生附加應(yīng)變。因此，電阻應(yīng)變式壓力傳感器要采取溫度補(bǔ)償措施。5.2.4電容式壓力傳感器工作原理電容器的電容量由兩個(gè)極板的大小、形狀、相對(duì)位置和電介質(zhì)的介電常數(shù)決定。如果一個(gè)極板固定不動(dòng)，另一個(gè)極板感受壓力，并隨著壓力的變化而改變極板間的相對(duì)位置，則電容量的變化就反映了被測(cè)壓力的變化。電容式壓力傳感器原理平行板電容器的電容量表達(dá)式(5-19)式中ε為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A為兩平行板相對(duì)面積；δ為兩平行板間距。在實(shí)際測(cè)量中，大多采用保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變A或δ一個(gè)參數(shù)的方法，把參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。因此，電容量的變化與被測(cè)參數(shù)的大小成比例。1、差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器改變電容兩平行板間距δ的測(cè)量方式有較高的靈敏度，但當(dāng)位移較大時(shí)，其非線性嚴(yán)重。采用差動(dòng)電容法可以改善非線性、提高靈敏度，并可減小因ε受溫度影響引起的不穩(wěn)定性。差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器對(duì)于差動(dòng)變極距式平板電容器，其電容變化與板間距離變化的關(guān)系可表示為：

式中C0為初始電容值；δ為極板間初始距離；

△δ為距離變化量。此電容量的變化經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，可以轉(zhuǎn)換成反映被測(cè)差壓的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。電容式差壓傳感器的結(jié)構(gòu)不銹鋼基座內(nèi)有玻璃絕緣層，其內(nèi)側(cè)的凹形球面上除邊緣部分外鍍有金屬膜作為固定電極，中間被夾緊的彈性膜片作為可動(dòng)測(cè)量電極;組成左、右兩個(gè)電容器。不銹鋼基座和玻璃絕緣層中心開有小孔，不銹鋼基座兩邊外側(cè)焊上了波紋密封隔離膜片，測(cè)量電極將空間分隔成左、右兩個(gè)腔室，其中充滿硅油。圖5-16當(dāng)隔離膜片感受兩側(cè)壓力的作用時(shí)，通過硅油將差壓傳遞到彈性測(cè)量膜片的兩側(cè)從而使膜片產(chǎn)生位移。電容極板間距離的變化，將引起兩側(cè)電容器電容值的改變。2、變面積式電容壓力傳感器被測(cè)壓力作用在金屬膜片上，通過中心柱和支撐簧片，使可動(dòng)電極隨簧片中心位移而動(dòng)作?？蓜?dòng)電極與固定電極均是金屬同心多層圓筒，斷面呈梳齒形，其電容量取決于兩電極交錯(cuò)重疊部分的面積。固定電極與外殼之間絕緣，可動(dòng)電極則與外殼導(dǎo)通。壓力引起的極間電容變化由中心柱引至適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，轉(zhuǎn)換成反映被測(cè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。變面積式電容壓力傳感器的結(jié)構(gòu)金屬膜片為不銹鋼材質(zhì)，膜片后設(shè)有帶波紋面的擋塊，限制膜片過大變形，以保護(hù)膜片在過載時(shí)不至于損壞。膜片中心位移不超過0.3mm，膜片背面為無硅油的封閉空間，不與被測(cè)介質(zhì)接觸，可視為恒定的大氣壓，故僅適用于壓力測(cè)量，而不能測(cè)量壓差。電容式壓力傳感器特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)實(shí)，能在惡劣環(huán)境下工作；精度高，其精確度可達(dá)±0.25％～±0.05％；所需輸入能量小，沒有摩擦；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高；可以測(cè)量壓力和差壓；過載能力強(qiáng)。測(cè)量精度的主要影響因素線路寄生電容；電纜電容和溫度；濕度；絕緣和屏蔽。5.2.5電感式壓力傳感器測(cè)量原理電感式壓力傳感器以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，利用磁性材料和空氣的導(dǎo)磁率不同，把彈性元件的位移量轉(zhuǎn)換為電路中電感量的變化或互感量的變化，再通過測(cè)量線路轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電流或電壓信號(hào)。差動(dòng)式電感壓力傳感器工作原理電感式壓力傳感器的特點(diǎn)靈敏度高、輸出功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠；頻響慢，動(dòng)態(tài)性能較差，較笨重，不適合于測(cè)量高頻脈動(dòng)壓力；精度：0.5~1級(jí)；二次儀表：毫伏計(jì)或自動(dòng)平衡電子差動(dòng)儀；產(chǎn)生測(cè)量誤差的主要原因：環(huán)境溫度的變化，電源電壓和頻率的波動(dòng)，線圈的電氣參數(shù)、幾何參數(shù)不對(duì)稱，導(dǎo)磁材料不對(duì)稱、不均質(zhì)等。5.2.6力平衡式壓力變送器測(cè)量原理力平衡式壓力變送器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。彈性力平衡式壓力測(cè)量系統(tǒng)的原理由測(cè)壓波紋管（彈性敏感元件）、杠桿、差動(dòng)電容變換器、伺服放大器A、伺服電機(jī)M、減速器和反饋彈簧等元部件組成。工作過程被測(cè)壓力p1

、p2分別導(dǎo)入波紋管和密封殼體內(nèi)，測(cè)壓波紋管將壓力差Δp=p1-p2轉(zhuǎn)換為集中力Fp使杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)，差動(dòng)電容變換器的動(dòng)極片偏離零位，電橋輸出電壓uc，其幅值與杠桿的轉(zhuǎn)角成比例，而相位與杠桿偏轉(zhuǎn)的方向(即壓力差的方向)相對(duì)應(yīng)。電壓uc經(jīng)伺服放大器放大后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速器后，一方面帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，指示出杠桿轉(zhuǎn)角的大?。涣硪环矫媸孤菟ㄞD(zhuǎn)動(dòng)，從而壓縮和拉長(zhǎng)反饋彈簧(螺栓使彈簧產(chǎn)生的位移量為x)，改變反饋彈簧施加在杠桿上的力Fxs。當(dāng)集中力Fp產(chǎn)生的力矩與反饋力Fxs產(chǎn)生的力矩相平衡時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。由于反饋力Fxs與壓力差Δp產(chǎn)生的集中力成比例，則彈簧的位移x與壓力差Δp所產(chǎn)生的集中力Fp成比例，故輸出軸轉(zhuǎn)角β與壓力差Δp成比例。力平衡式壓力變送器的特點(diǎn)影響力平衡式變送器測(cè)量精度的因素主要有：各元件的非線性造成的非線性誤差；環(huán)境溫度變化引起的放大器零點(diǎn)漂移；各元件性能改變而產(chǎn)生的溫度附加誤差。測(cè)量精度高，可達(dá)0.5級(jí)；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大；由于使用了杠桿等質(zhì)量較大的部件而使得彈性系統(tǒng)剛度小，其動(dòng)態(tài)性能較差。5.2.7諧振式壓力傳感器測(cè)量原理諧振式壓力傳感器是靠被測(cè)壓力所形成的應(yīng)力改變彈性元件的諧振頻率，通過測(cè)量頻率信號(hào)的變化來檢測(cè)壓力。特別適合與計(jì)算機(jī)配