檢測(cè)技術(shù)與儀表-5-壓力檢測(cè)課件

5壓力檢測(cè)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)5壓力檢測(cè)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)Contents5.1壓力單位及壓力檢測(cè)方法5.2常用壓力檢測(cè)儀表5.3測(cè)壓儀表的使用及壓力檢測(cè)系統(tǒng)Contents5.1壓力單位及壓力檢測(cè)方法5.2常用壓5.1.1壓力的單位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為1“帕斯卡”，簡(jiǎn)稱“帕”，符號(hào)為Pa。表5-1，常用壓力單位及換算。帕、巴、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、mmHg、psi、托(torr)5.1.1壓力的單位1牛頓力垂直均勻地作用在1平方米面積上5.1.2壓力的幾種表示方法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(duì)壓力和大氣壓力之差4）真空度：絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)的表壓力的絕對(duì)值5）差壓：設(shè)備中兩處的壓力之差5.1.2壓力的幾種表示方法1）絕對(duì)壓力：被測(cè)介質(zhì)作用在容第三節(jié)壓力檢測(cè)儀表壓力的表示方式絕對(duì)壓力表壓力真空度差壓壓力范圍(Pa)壓力范圍(Pa)超高壓＞6×108粗真空103~105高壓107~6×108低真空10-1~103低壓105~107高真空10-6~10-1微壓0~105超高真空10-10~10-6極高真空＜10-10

壓力范圍劃分第三節(jié)壓力檢測(cè)儀表壓力的表示方式壓力范圍(Pa)壓力范圍壓力表壓力表5.1.3壓力檢測(cè)的主要方法及分類5.1.3.1重力平衡方法：1）液柱式壓力計(jì)：基于液體靜力學(xué)原理2）負(fù)荷式壓力計(jì)：基于重力平衡原理5.1.3.2機(jī)械力平衡方法5.1.3.3彈性力平衡方法5.1.3.4物性測(cè)量方法1）電測(cè)式壓力計(jì)2）其他新型壓力計(jì)，如集成式壓力計(jì)、光纖壓力計(jì)等5.1.3壓力檢測(cè)的主要方法及分類5.1.3.1重力平衡第三節(jié)壓力檢測(cè)儀表液體壓力計(jì)

工作原理

:通過液體產(chǎn)生或傳遞壓力來平衡被測(cè)壓力的方法。液柱式壓力計(jì)的形式：U形管單管斜管活塞式壓力表（常用作標(biāo)準(zhǔn)）U形壓力真空計(jì)第三節(jié)壓力檢測(cè)儀表液體壓力計(jì)U形壓力真空計(jì)△P=P1－P2=ρg(h1+h2)αU型管單管傾斜管⊿P=9.8LK(Pa)L···玻璃測(cè)量管液柱長(zhǎng)度（mm）K···-傾斜常數(shù)（0.2、0.3、0.4、0.6、0.8）△P=P1－P2=ρg(h1+h2)αU型管⊿P=9.8單管傾斜管氣壓計(jì)微壓計(jì)單管氣壓計(jì)微壓計(jì)檢測(cè)技術(shù)與儀表-5-壓力檢測(cè)課件5.2.1彈性壓力計(jì)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彈性壓力計(jì)的組成框圖5.2.1彈性壓力計(jì)原理：彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓變形，其5.2.1彈性壓力計(jì)5.2.1.1測(cè)壓彈性元件1）彈性膜片：外緣固定，圓形片狀，中心位移與壓力的關(guān)系表示彈性特性，線性關(guān)系良好2）波紋管：壁面具有多個(gè)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(guān)系3）彈簧管：圓弧狀，不等軸截面，金屬管5.2.1彈性壓力計(jì)5.2.1.1測(cè)壓彈性元件彈性元件彈性元件

它是根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成位移進(jìn)行測(cè)量的儀表。常用的彈性元件有彈簧管、膜片和波紋管等?；诖嗽砉ぷ鞯膬x表有彈簧管式壓力表、膜片〔或膜盒式)壓力表、波紋管式壓力表等。此類儀表多用于現(xiàn)場(chǎng)指示壓力。

16膜片與膜盒波紋管是外周沿軸向有深槽形波紋狀皺褶，可沿軸向伸縮的薄壁管子。16膜片與膜盒波紋管是外周沿軸向有深槽形波紋狀皺褶，可沿軸向5.2.1彈性壓力計(jì)5.2.1.2彈簧管壓力計(jì)彈簧管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)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(diào)整槽5.2.1彈性壓力計(jì)5.2.1.2彈簧管壓力計(jì)彈簧管壓力檢測(cè)技術(shù)與儀表-5-壓力檢測(cè)課件5.2.1彈性壓力計(jì)5.2.1.3波紋管差壓計(jì)雙波紋管差壓計(jì)結(jié)構(gòu)示意1—高壓波紋管；2—補(bǔ)償波紋管；3—連桿；4—擋板；5—擺桿；6—扭力管；7—芯軸；8—保護(hù)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5.2.1彈性壓力計(jì)5.2.1.3波紋管差壓計(jì)雙波紋管差5.2.1彈性壓力計(jì)5.2.1.4彈性測(cè)壓計(jì)信號(hào)的遠(yuǎn)傳方式彈性元件的變形或位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳送電遠(yuǎn)傳彈性壓力計(jì)結(jié)構(gòu)原理5.2.1彈性壓力計(jì)5.2.1.4彈性測(cè)壓計(jì)信號(hào)的遠(yuǎn)傳方21兩種霍爾式壓力傳感器結(jié)構(gòu)0-20mA21兩種霍爾式壓力傳感器結(jié)構(gòu)0-20mA霍爾式壓力計(jì)1、測(cè)量原理：利用霍爾元件測(cè)量彈性元件受力作用后產(chǎn)生的變形現(xiàn)象?；魻栃?yīng)：在一半導(dǎo)體薄片相對(duì)兩側(cè)面通以控制電流I，在薄片垂直方向加以磁場(chǎng)B，則在半導(dǎo)體另兩側(cè)面會(huì)產(chǎn)生一大小與I和B相乘積成正比的電動(dòng)勢(shì)UH－－霍爾電勢(shì)。具有霍爾效應(yīng)的元件稱霍爾元件。(鍺、銻化銦）霍爾式壓力計(jì)1、測(cè)量原理：利用霍爾元件測(cè)量彈性元件受力作用后霍爾效應(yīng)演示

當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，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A、B方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。ABCD霍爾效應(yīng)演示當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用BIfLfE++++----霍爾元件如圖，單位電荷受到的力：洛侖茲力fL=qvB電場(chǎng)作用力fE=qEH=VH/L平衡時(shí)，fL

＝fE

霍爾電勢(shì)

保持I、B其中一個(gè)一定，UH與另一個(gè)成線性關(guān)系。2、霍爾式壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)（參考圖5－5b）把霍爾元件固定在彈性元件的位移端，置于非均勻磁場(chǎng)中，當(dāng)彈性元件受壓形變，產(chǎn)生位移使霍爾元件在非均勻磁場(chǎng)中移動(dòng)，此時(shí)在元件中通一定的控制電流，則元件電極出現(xiàn)UH的大小與壓力成正比。壓力P位移霍爾電勢(shì)UH彈性元件霍爾元件變磁場(chǎng)BBIfLfE+++5.2.2力平衡式壓力計(jì)原理：反饋力平衡力平衡式壓力計(jì)的基本框圖5.2.2力平衡式壓力計(jì)原理：反饋力平衡力平衡式壓力計(jì)的基應(yīng)變式壓力傳感器1、測(cè)量原理：P－ε－R，利用導(dǎo)體內(nèi)部應(yīng)變大小與電阻的關(guān)系，通過應(yīng)變片將壓力P轉(zhuǎn)換成電阻值R的變化。應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體在受壓或受拉時(shí)發(fā)生機(jī)械變形，其電阻將發(fā)生變化。ρ：電阻率L：長(zhǎng)度A：橫截面積取對(duì)數(shù)、再求導(dǎo)定義：應(yīng)變?chǔ)艦殚L(zhǎng)度變化量應(yīng)變式壓力傳感器1、測(cè)量原理：P－ε－R，利用導(dǎo)體內(nèi)部應(yīng)變大μ表明電阻絲沿軸向伸長(zhǎng)時(shí)，直徑將縮小，兩者相對(duì)變化量之比電阻相對(duì)變化量dR/R由二部分決定：①幾何尺寸的變化(1+2μ)ε；②壓阻效應(yīng)dρ/ρ。對(duì)于金屬導(dǎo)體對(duì)于半導(dǎo)體Π：壓阻系數(shù)E：楊氏彈性模量μ表明電阻絲沿軸向伸長(zhǎng)時(shí)，直徑將縮小，兩者相對(duì)變化量之比電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)k金屬導(dǎo)體：k＝1+2μ半導(dǎo)體：k＝ΠE應(yīng)變片靈敏度系數(shù)k金屬導(dǎo)體：k＝1+2μ半導(dǎo)體：k＝Π2、應(yīng)變片結(jié)構(gòu)張絲式支柱張絲電阻膜片P應(yīng)變片式電阻絲（金屬薄膜）薄膜（紙基、膠基）張絲式：四根電阻絲作為測(cè)量橋路的四個(gè)橋臂。當(dāng)P加上時(shí)，膜片產(chǎn)生位移s，支柱上項(xiàng)，使上部?jī)筛娮杞z拉緊，下部二根放松，橋路上輸出差動(dòng)應(yīng)變信號(hào)，其大小與P成正比。應(yīng)變片式：能得到較大的R，可以通以較大電流，提高靈敏度。尺寸小且薄，使用方便。由于環(huán)境溫度改變時(shí)，R受T的影響較大，所以使用時(shí)常用差動(dòng)電橋來進(jìn)行溫度補(bǔ)償。2、應(yīng)變片結(jié)構(gòu)張絲式支柱張絲電阻膜片P應(yīng)變片式電阻絲（金屬薄3、測(cè)量電路：電橋電路⑴單臂電橋：電橋的一個(gè)臂接應(yīng)變片，其它三個(gè)為固定電阻。當(dāng)為等臂電橋時(shí)，其輸出為⑵雙臂電橋：一個(gè)差動(dòng)對(duì)，典型例子：懸壁梁兩應(yīng)變片同向貼梁的上、下部，r1為測(cè)量片、r2為溫度補(bǔ)償片，且r1＝

r2

，R1＝R2，電橋初始平衡，U＝0。環(huán)境溫度變化時(shí)，r1、r2同時(shí)變化，不會(huì)破壞電橋平衡條件。當(dāng)F作用時(shí)，r1→r1＋△r（受拉），r2→r2－△r（受壓）r1r2FR1R2r1r2EUo3、測(cè)量電路：電橋電路⑵雙臂電橋：一個(gè)差動(dòng)對(duì)，典型例子：懸壁⑶全橋：二個(gè)差動(dòng)對(duì)構(gòu)成等臂電橋，如下圖。應(yīng)變電阻r1＝

r2＝

r3＝

r4

，r1

、r3受拉，r2

、r4受壓r1r2EUor4r3Fr1r2r3r4附：如圖5－7，四片應(yīng)變片的貼法不一致，其中二片沿應(yīng)變筒徑向貼，另二片沿應(yīng)變筒軸向貼。當(dāng)應(yīng)變筒受壓力P作用時(shí)，一組受壓，另一組受拉，但應(yīng)變并不相同，相差一泊松系數(shù)μ，即⑶全橋：二個(gè)差動(dòng)對(duì)構(gòu)成等臂電橋，如下圖。r1r2EUor4r5.2.3壓力傳感器5.2.3.1應(yīng)變式壓力傳感器原理：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)生變化幾種應(yīng)變式測(cè)量的結(jié)構(gòu)示意5.2.3壓力傳感器5.2.3.1應(yīng)變式壓力傳感器幾種應(yīng)5.2.3壓力傳感器5.2.3.2壓阻式壓力傳感器原理：硅片受壓后，膜片的變形使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化橋式測(cè)量電路，橋臂電阻對(duì)稱布置，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)系壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1—硅平膜片；2—低壓腔；3—高壓腔；4—硅杯；5—引線5.2.3壓力傳感器5.2.3.2壓阻式壓力傳感器壓阻式5.2.3壓力傳感器5.2.3.3電容式壓力傳感器原理：彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化

對(duì)于差動(dòng)平板電容器，其電容變

化與板間距離變化的關(guān)系為兩室結(jié)構(gòu)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5.2.3壓力傳感器5.2.3.3電容式壓力傳感器兩室結(jié)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—

腔電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)1—高壓側(cè)進(jìn)氣口各種電容式差壓變送器外形各種電容式差壓變送器外形電容式壓力傳感器P彈性元件位移變d變A改變電容如何測(cè)量、轉(zhuǎn)換電容的變化量⊿C？（1）交流電橋，⊿C→u（2）環(huán)形二極管充放電電路，⊿C→i目的：把電容量的小變化量進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)輸出基本電路：環(huán)形二極管電橋方法：充放電法測(cè)電容。用一高頻方波信號(hào)源，通過環(huán)形二極管電橋，對(duì)被測(cè)電容Cx進(jìn)行充放電，輸出一個(gè)與Cx成正比的微安電流。電容式壓力傳感器P彈性元件位移變d變A改變電容如何測(cè)量、轉(zhuǎn)換如圖，由D1，D2，D3，D4構(gòu)成環(huán)形二極管電橋，Cx為被測(cè)電容，Cd為調(diào)零電容，C’為濾波電容，M為uA表。E1E2C’CxMACCdBDD1D4D2D3i1i2i3i4用一高頻方波信號(hào)源，通過環(huán)形二極管電橋，對(duì)被測(cè)電容Cx和調(diào)零電容Cd進(jìn)行充放電。工作過程：①方波由E1→E2，A、C為高電位點(diǎn)，D1、D3導(dǎo)通，D2

、D4截止，Cx、Cd同時(shí)被充電至E2。流經(jīng)M的電荷（A→C）為：q1=Cd(E2－E1)②方波由E2→E1，D1、D3截止，D2

、D4導(dǎo)通，Cx、Cd同時(shí)放電，流經(jīng)M的電荷（C→A）為：q2=Cx(E2－E1)，且與q1反向。環(huán)形二極管電橋如圖，由D1，D2，D3，D4構(gòu)成環(huán)形二極管電橋，Cx5.2.3壓力傳感器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(guān)系，通過測(cè)量頻率信號(hào)的變化來檢測(cè)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

傳感器由振筒組件和激振電路組成振筒式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意1—激振線圈；2—支柱；3—底座；4—引線；5—外殼；6—振動(dòng)筒；7—檢測(cè)線圈；8—壓力入口5.2.3壓力傳感器5.2.3.4振頻式壓力傳感器振筒式5.2.3壓力傳感器5.2.3.5壓電式壓力傳感器原理：壓電材料受到壓力作用時(shí)產(chǎn)生電荷，外力去除后電荷消失，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性關(guān)系q為電荷量，k為壓電常數(shù)，S為作用面積，p為壓力壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意1—絕緣體；2—壓電元件；3—?dú)んw；4—膜片5.2.3壓力傳感器5.2.3.5壓電式壓力傳感器壓電式壓電式壓力傳感器1、壓電效應(yīng)：某些介質(zhì)在施加壓力而發(fā)生機(jī)械形變時(shí)（壓縮或伸長(zhǎng)），會(huì)引起物質(zhì)內(nèi)部的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移，而產(chǎn)生電的極化現(xiàn)象，最后使介質(zhì)兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的束縛電荷，電荷的密度與施加的壓力大小成正比，即壓電效應(yīng)。正向壓電效應(yīng)：外力→電荷逆向壓電效應(yīng)：電場(chǎng)作用→機(jī)械形變具有壓效應(yīng)的物質(zhì)稱壓電材料：

壓電晶體：石英晶體

壓電陶瓷：鈦酸鋇、鋇酸鉛壓電半導(dǎo)體：硫化鋅、硫化鈣下面以石英晶體為例說明壓電效應(yīng)。壓電式壓力傳感器1、壓電效應(yīng)：某些介質(zhì)在施加壓力而發(fā)生機(jī)械形石英為規(guī)則的六角棱柱體、單晶體XYZX－X軸：電軸－－縱向壓電效應(yīng)Y－Y軸：機(jī)械軸－－橫向壓電效應(yīng)Z－Z軸：光軸－受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)壓電式壓力傳感器石英為規(guī)則的六角棱柱體、單晶體XYZX－X軸：電軸－－縱向壓YXFxFy當(dāng)沿X、Y軸加壓Fx、Fy,會(huì)在X表面產(chǎn)生電荷。如圖XYFxFxXYXYFyXYFy壓電式壓力傳感器YXFxFy當(dāng)沿X、Y軸加壓Fx、Fy,會(huì)在X表面產(chǎn)生電荷。2、居里點(diǎn)：壓電性能被破壞時(shí)的臨界溫度點(diǎn)。A、石英：SiO2

居里點(diǎn)t＝573℃，t＜573℃，d＝2.1×10－12C/N；t＞573℃，無壓電性能。熔點(diǎn)1750℃，密度為2.65×103Kg/m3

，有較大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能。B、壓電陶瓷：人工合成的壓電材料，由許多細(xì)微的單晶各自按任意的方向排列，沒有極化前沒有壓電效應(yīng)。一般在t＝100~170℃，加以高壓電場(chǎng)（1~4kV/mm)極化。使單晶排列整齊，使之具有壓電效應(yīng)特性。常用的有：壓電式壓力傳感器2、居里點(diǎn)：壓電性能被破壞時(shí)的臨界溫度點(diǎn)。壓電式壓力傳感器鈦酸鋇(BaTiO3)：由BaCO3與TiO2在高溫下合成。其壓電系數(shù)較大，d＝107×10－12C/N，居里點(diǎn)低，t＝120℃。鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)：最常用，d＝(200~500)×10－12C/N，壓電系數(shù)大，居里點(diǎn)t＝300℃以上。壓電式壓力傳感器鈦酸鋇(BaTiO3)：由BaCO3與TiO2在高溫下合成。壓電式壓力傳感器：（如圖5－11）膜片壓力力壓電晶體電荷（電壓）壓電元件兩極有電荷產(chǎn)生，可等效為一電容。測(cè)出電容變化量的大小即可測(cè)得壓力。壓電式壓力傳感器常用作動(dòng)態(tài)（交變）壓力的測(cè)量，而不適于靜態(tài)壓力的測(cè)量。原因：由于晶體表面電荷不能貯存，外力作用產(chǎn)生的電荷只在無泄漏的情況下，即輸入阻抗（測(cè)量電路）無限大的情況下才能保存，靜壓力不能連續(xù)不斷產(chǎn)生新的電荷，晶體表面電荷會(huì)很快消失，所以，要使壓電晶體有電荷（電壓）輸出，須加以交變的作用，電荷可以不斷地得到補(bǔ)償。壓電式壓力傳感器：（如圖5－11）膜片壓力力壓電晶體電荷（(并聯(lián))常用結(jié)構(gòu)：并聯(lián)：兩片壓電材料的負(fù)電荷集中在中間電極上。串聯(lián)：正電荷在上極板，負(fù)電荷在下極板，中間極板由于正負(fù)相等而相互抵消(串聯(lián))壓電式壓力傳感器(并聯(lián))常用結(jié)構(gòu)：并聯(lián)：兩片壓電材料的負(fù)電荷集中在中間電極上5.2.3壓力傳感器5.2.3.6集成式壓力傳感器可以同時(shí)檢測(cè)差壓、靜壓、溫度三個(gè)參數(shù)集成傳感器的敏感元件示意1—溫度元件；2—靜壓元件；3—差壓元件；4—硅杯；5—固定臺(tái)5.2.3壓力傳感器5.2.3.6集成式壓力傳感器集成傳5.2.3壓力傳感器預(yù)存針對(duì)此傳感器的修正公式，采入三種信號(hào)后進(jìn)行處理，可以給出修正后的被測(cè)差壓值、靜壓值以及溫度值。集成傳感器的組成框圖5.2.3壓力傳感器預(yù)存針對(duì)此傳感器的修正公式，采入三種信5.3.1測(cè)壓儀表的使用5.3.1.1測(cè)壓儀表的選擇類型測(cè)量范圍測(cè)量精度5.3.1測(cè)壓儀表的使用5.3.1.1測(cè)壓儀表的選擇5.3.1測(cè)壓儀表的使用5.3.1.2測(cè)壓儀表的校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)儀表的選擇原則：其允許絕對(duì)誤差要小于被校儀表允許絕對(duì)誤差的1/3~1/5活塞式壓力校驗(yàn)系統(tǒng)1—測(cè)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(jìn)油閥；a、b、c—切斷閥；d—進(jìn)油閥5.3.1測(cè)壓儀表的使用5.3.1.