压力测量仪表及变送器的安装、校验与维护.ppt

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Company Logo,*,Click to edit Master title style,压力测量仪表及变送器的安装、校验与维护,任务四：压力测量仪表及变送器的安装、校验与维护,压力的概念与压力单位,1,2,弹性式压力计,3,电测式压力计,4,压力仪表的分类,压力计的选择、校验与安装,5,任务四：压力测量仪表及变送器的安装、校验与维护,工业生产中许多工艺过程只有在一定的压力条件下进行，才能取得预期的效果。如高压聚乙烯要在,150MPa,或更高的压力下才能完成聚合；炼油厂减压蒸馏，则要在比大气压力低很多的负压条件下才能进行。但所有工艺设备的承压能力都是有限的，超过设备的额定压力容易造成设备的损坏，甚至造成爆炸事故。在工业生产中使用较多有弹性式压力计，电感式、应变式、压电式、电容式等压力、差压变送器等。,4.1,压力的概念与压力单位,（一）压力的概念,工程上统称介质垂直作用在单位面积上的力为压力。压力是由分子的重量和分子运动对器壁撞击而产生的，它由受力面积和垂直作用力的大小决定，方向则指向受压物体，其数学表达式为,P=F/S (4.1),式中,P,压力；,F,一垂直作用力；,S,一受力面积。,（二）压力的单位,在国际单位制中，定义,1,牛顿力垂直均匀地作用在,1,平方米面积上所形成的压力为,1“,帕斯卡”，简称“帕”，符号为,Pa,。我国规定帕斯卡为压力的法定单位。因帕斯卡的单位太小，工程上常用千帕（,kPa,）、兆帕（,MPa,）等单位。,根据流体静力学原理，对于密度为,、高度为,H,的流体由于其自身重力在底部所产生的压力为,P=Hg (4.2),式中，,g,为重力加速度。所以，对于密度一定的流体，可以用液柱高度表示压力的大小。实行国际单位制以前常用,mmH2O,、,mmHg,表示压力，以前使用的压力单位还有工程大气压、物理大气压、巴等。为了便于换算，下表给出了各压力单位之间的换算关系。,注：,mmH2O(,毫米水柱,),单位为温度为,4,时的值，重力加速度规定为,9.80665m/s2,；,mmHg,（毫米汞柱）单位为温度为,0,时的值，重力加速度规定为,9.80665 m/s2,；,磅力英寸,2(lbf/in2,）单位可缩写为,psi,。,（三）压力的表示方法,压力测量中常有大气压力、表压力、绝对压力和负压力（或真空度）之分，如图所示。,绝对压力,P,以绝对真空为零点计算的压力，为介质的真实压力。,表压力,p,表压力为绝对压力与当地大气压力之差，即超出大气压力的那部分压力。表压力、绝对压力和大气压力之间的关系也可用数学式表示如下,p=P-Pa (4.3),负压力。由上式可见，当绝对压力低于当地大气压力时，表压将出现负值，此,时表压力称为负压力。负压力又称为真空，在数值上等于表压力的绝对值，表示如下,(4.4),因为各种工艺设备和测量仪表都处于大气之中，为便于调零，压力仪表指示的压力均为表压力或真空，所以工程上都用表压力或真空表示压力的大小。如不特别说明，一般提到的压力均为表压力。需测量绝对压力时，可以将压力计表壳或差压变送器的低压室抽成真空来实现。,差压。两个压力之差，用表示。差压计和差压变送器广泛应用于节流式流量计和静压式液位计中。,4.2,压力仪表的分类,为了测量方便，习惯上会根据所测压力的高低不同，把压力划分成不同的区间。在不同的压力区间压力的测量方法有所不同，下面所列压力范围的划分不是绝对的。,（一）压力范围的划分,微压,00.1MPa,。,低压,0.11.6MPa,。,中压,1.610MPa,。,高压,1032MPa,。,超高压,32MPa,。,（二）压力仪表的分类,按测量原理的不同，可以将压力仪表分为以下四类。,液柱式压力计。根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。液柱式压力计有,U,型管压力计、单管压力计和斜管压力计三种。这类压力计结构简单，使用方便，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空或压力差。,弹性式压力计。利用弹性元件受到压力作用时产生的弹性变形的大小间接测量被测压力。弹性元件有多种类型，覆盖了很宽的压力范围，所以此类压力计在压力测量中的应用非常普遍。,活塞式压力计。根据流体静力学原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡祛码的质量进行测量。活塞式压力计的测量精度很高，可以达到,0.050.02,级。其结构复杂，价格较贵，一般作为标准仪表，校验其他压力计。,电测式压力计。通过机械和电气元件将被测压力转换成电压、电流、频率等电量进行测量，实现压力信号的远传。电测式压力计一般由压力敏感元件、转换元件、测量电路等组成。压力敏感元件一般是弹性元件，被测压力通过压力敏感元件转换成一个与压力有确定关系的非电量（如弹性变形、应变力或机械位移），通过转换元件的某种物理效应将这一非电量转换成电阻、电感、电容、电势等电量。测量电路则将转换元件输出的电量进行放大与转换，变成易于传送的电压、电流或频率信号输出。,根据转换元件所基于的物理效应不同，电测式压力计有电阻式、电感式、电容式、霍尔式、应变式、压阻式、压磁式压力计等多种。,应当指出，有的电测式压力计的压力敏感元件和转换元件是同一个元件；有的则仅包含压力敏感元件和转换元件，而测量电路置于显示、控制仪表中。,4.3,弹性式压力计,弹性式压力计结构简单、价格低廉、使用方便、测量范围宽，若增加附加装置，如记录机构、电气变换装置、控制元件等，可以实现压力的记录、远传、信号报警、自动控制等。弹性式压力计可以用来测量几百帕到数百兆帕范围内的压力，是应用最为广泛的一种测压仪表。,一、弹性元件,弹性元件是弹性式压力计的测压敏感元件，压力计的性能主要取决于弹性元件的弹性特性，与弹性元件的材料、形状、加工和热处理质量有关，而且对温度敏感性较强。,不同形状的弹性元件所适用的测压范围不同。常用弹性压力计所使用的弹性元件有以下几种，如下图,4-2,所示。,弹簧管。由法国工程师波登发明，所以又称为波登管。它是一根弯曲成圆弧形的、扁圆截面的金属管子，固定端开口，自由端封闭。当被测压力从固定端输入后，它的自由端会产生位移，通过位移大小测量压力。弹簧管式压力计结构简单，测量范围很广，最高可达,109Pa,。弹簧管有单圈和多圈之分，多圈弹簧管自由端位移量较大，灵敏度高。,波纹管。形状为周围有褶皱的圆柱形薄壁桶，用金属材料滚压或叠焊制成。自由端封闭，另一端通入压力。在压力作用下，其自由端受力产生伸缩变形。波纹管的变形主要是各层波纹的弯曲产生，其特点是刚度小，位移量大，压力灵敏度高，可以用来测量较低的压力。,膜片膜盒。膜片用金属薄片或橡胶膜制成，在现代固态传感器中，一般用硅材料制作膜片，其形式分为平膜片、波纹膜片和挠性膜片几种。其中，平膜片可以承受较大的被测压力，变形量较小，灵敏度不高，一般在测量较大的压力而且要求变形较小时使用；波纹膜片刚度小，位移量大，灵敏度较高，常用在低压测量中；挠性膜片一般不单独作为弹性元件使用，而是与线性较好的弹簧相连，在测量较低压力时使用。,在差压计和差压变送器中，为提高弹性元件的稳定性，提高抗过载能力，通常把两张相同的金属波纹膜片面对面焊接在圆形基座上，做成膜盒，如图,(g),所示。膜盒内充液体（如硅油），用以传递压力。当被测压力（差压）超过测量上限、膜片位移过大时，膜片会贴紧在基座上，避免过载而损坏。,为了保证仪表的精度、可靠性及良好的线性特性，弹性元件必须工作在弹性限度范围内，且弹性元件的弹性后效和弹性滞后要小，温度系数也要低。,二、弹簧管压力表,弹簧管式压力表是工业生产上应用非常广泛的一种测压仪表，其中应用最多的是单圈弹簧管压力表。,（一）基本测量原理,单圈弹簧管是一根弯成,270,圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端,B,封闭，另一端固定在接头上。当通入被测的压力,p,后，由于椭圆形截面在压力,p,的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端,B,产生位移。输入压力,p,越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端,B,的位移成正比，所以只要测得,B,点的位移量，就能反映压力,p,的大小。,注意：弹簧管自由端,B,的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。,（二）弹簧管压力表的组成原理,单圈弹簧管压力表主要由弹簧管、传动放大机构（包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮等）、指示装置（指针和表盘），以及外壳等几部分组成，如下图,4-4,所示。,被测压力由引压接头,9,通入弹簧管内腔，使弹簧管,1,产生弹性变形，自由端向右上方位移。通过连杆,2,使扇形齿轮,3,做逆时针偏转，进而带动中心齿轮,4,做顺时针偏转，于是固定在中心齿轮上的指针,5,也做顺时针偏转，从而指出被测压力的数值。由于自由端的位移量与被测压力之间成正比关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是均匀的。,调整螺钉,8,将连杆,2,的轴固定在扇形齿轮的长槽孔中，其位置可变，以改变传动放大机构的放大倍数，实现压力表量程的调整。向扇形齿轮轴,10,处移动调整螺钉，传动放大倍数增大，指针偏转角越大，压力表量程范围减小。,游丝,7,是一种微型螺旋盘簧，一端固定在表壳支架上，另一端固定在中心齿轮轴上，始终给中心齿轮施加一个微小的力矩，使中心齿轮和扇形齿轮不管向哪个方向转动，始终只有一侧齿面相啮合，可以克服齿轮传动啮合间隙而产生的仪表变差。,（三）弹簧管压力表的形式,弹簧管压力表的测压范围很广，品种规格繁多。按弹簧管结构，有单圈弹簧管压力表、多圈弹簧管压力表；按其测量精度不同，有工业用普通压力表（,0.5,级以下）、校验用精密压力表；按其用途不同，有耐腐蚀压力表、耐震压力表、隔膜压力表，氧气压力表、氨用压力,表等专用压力表。它们的外形与结构基本相同，只是所用的材料有所不同。,例如，测量氨气压力时必须采用能耐腐蚀的不锈钢弹簧管；测量乙炔压力时不得用铜制弹簧管；测量氧气压力时则严禁沾有油脂，否则将有爆炸危险；测量危险气体的压力表，一般用规定颜色涂刷外壳，并注明特殊介质名称，如测量氧气（天蓝）、氢气（深绿）、氨（黄）、氯气（褐）、乙炔（白）、可燃气体（红）、惰性气体（黑）等。,（三）弹簧管压力表的形式,弹簧管压力表的测压范围很广，品种规格繁多。按弹簧管结构，有单圈弹簧管压力表、多圈弹簧管压力表；按其测量精度不同，有工业用普通压力表（,0.5,级以下）、校验用精密压力表；按其用途不同，有耐腐蚀压力表、耐震压力表、隔膜压力表，氧气压力表、氨用压力,表等专用压力表。它们的外形与结构基本相同，只是所用的材料有所不同。,例如，测量氨气压力时必须采用能耐腐蚀的不锈钢弹簧管；测量乙炔压力时不得用铜制弹簧管；测量氧气压力时则严禁沾有油脂，否则将有爆炸危险；测量危险气体的压力表，一般用规定颜色涂刷外壳，并注明特殊介质名称，如测量氧气（天蓝）、氢气（深绿）、氨（黄）、氯气（褐）、乙炔（白）、可燃气体（红）、惰性气体（黑）等。,耐震压力表常用于各类压缩机、柱塞泵等剧烈波动压力的测量，以利于提高压力表寿命，方便读数。耐震压力表一般采用密封表壳，表壳内灌充液压油等阻尼液。弹簧管及齿轮机构浸没在阻尼液中，除了传动机构得到润滑外，设备振动和压力波动造成的机件震动能量被阻尼液吸收。有的耐震压力表接头上装有阻尼器，被测介质通过阻尼器细长通道时，流动阻力减缓了压力的急剧变化，有效改善指针抖动现象。,耐腐蚀压力表，除了采用耐腐蚀弹性材料外，一般用耐腐蚀波纹膜片将弹簧管用隔离油密封，与腐蚀性被测介质隔开，结构如图,4-5(f,）所示。,弹簧管压力表的外形依压力接头的方向与安装环边不同，分为径向（压力表接头在表盘径向）、轴向（压力表接头在指针轴向）、直接安装式（没有安装环）、凸装式（指后部带有安袋环，俗称带后边）、嵌装式（指前部带有安装环，俗称带前边）等几种，如下图所示。图中型号首字母,Y,表示压力表（真空表为,Z,、压力真空表为,YZ,、标准表为,YB,、隔膜压力表为,YP,、远传信号压力表为,YX,等），后缀字母,T,、,Q,、,Z,分别表示有后边、有前边、轴向接头，中间数字表示压力表公称直径（,40,、,60,、,100,、,50,、,250,）。,压力计的测量范围，常用的有,01.0,、,1.6,、,2.5,、,4.0,、,6.010n,五个系列。精度等级一般有,4.0,、,2.5,、,3 2,、,1.5,、,1.0,、,0.5,、,0.4,、,0.25,、,0.2,、,0.1,级等。,三、电接点压力表,在许多工业生产过程中，当压力低于或高于规定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险，因此常常需要把压力控制在某一范围内。利用电接点压力表能简便地在压力超出设定范围时发出报警信号，以便提醒操作人员注意，或通过中间继电器实现某种连锁控制，以防止发生严重的事故。,如下图,4-6,所示，电接点信号压力表是在普通弹簧管压力表上附加触点机构而成的。压力表指针,2,上有动触点,B,，表盘上另有两个可调节的上、下限设定指针,1,、,3,，上面分别有上限静触点,A,和下限静触点,C,。当压力超过上限设定值时，动触点,B,和静触点,A,接触，红色信号灯,LH,的电路被接通，使红灯点亮；若压力低到下限设定值时，动触点,B,与静触点,C,接触，绿色信号灯,LL,的电路接通，绿灯亮，依次警示压力超限。,为了防止压力超限时静触点挡死指针,2,，出现较大的指示误差。上、下限指针,1,、,3,上的静触点,A,、,C,是用游丝弹簧与转轴连接的。当压力超限时，指针,2,会推动静触点,A,、,C,一起偏转，并保持接触。而当压力回到上（下）限以内时，静触点被上（下）限指针,1(3,）挡住，动、静触点脱离接触。信号灯均不亮。上、下限指针的位置可根据需要从表外调节。,实际应用时，可以在指示灯上并联电铃、继电器，以便在压力超限时，实现声光报警或连锁控制。,4.4,电测式压力计,一、霍尔式压力计,霍尔式压力计由霍尔式压力传感器和显示仪组成，根据霍尔效应，利用霍尔元件将弹性元件产生的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。,（一）霍尔效应,如图,4-7,所示，霍尔元件是置于磁场中的一个半导体材料片。在磁场中，磁力线沿,z,方向垂直穿过霍尔元件。在,y,方向通入恒定电流,I,以后，自由电子要作与电流,I,方向相反的运动。由于受洛伦磁力,F,的作用，自由电子的运动方向会发生偏移，从而造成霍尔片的,-x,方向端面上有电子积累，,+x,方向端面上正电荷过剩，于是在霍尔片的,x,方向出现电位差,e,，此电位差就是“霍尔电势”。,这种现象叫做霍尔效应，其霍尔电势为,(4.5),式中,霍尔系数，与半导体材料、尺寸和温度有关；,B,磁感应强度；,I,电流；,H,霍尔片厚度；,l,霍尔片电势导出端宽度；,b,霍尔片电流输入端宽度；,灵敏度系数；,霍尔片尺寸系数。,当霍尔片确定以后，霍尔电势仅与磁感应强度,B,和电流,I,有关。在电流,I,恒定的情况下，若压力的变化改变了,B,的大小，霍尔电势随之改变，据此可以测出压力的大小。利用霍尔效应还可以制成测量电流、磁场、位移、转速、转角等物理量的传感器。,目前常用的霍尔材料有锗（,Ge,）、硅（,Si,）、锑化铟（,Insb,）、砷化铟（,InAs,）等，半导体片由陶瓷或环氧树脂封装。,（二）霍尔片式压力传感器,将霍尔元件与弹簧管或其他弹性元件配合，就可以构成霍尔片式压力传感器，其结构及原理如下图,4-8(a),所示。,在霍尔元件的四个端面引出四条导线，其中与磁钢相平行的两条导线与直流恒流电源相连，另两条导线用来输出信号。将弹簧管的自由端与霍尔元件相连，在霍尔元件的上、下端垂直安放两对磁极，使霍尔元件处于两对磁极形成的非均匀磁场中。,两个完全相同的磁铁相对安装，磁钢两对极靴形状特殊，使磁极间形成的磁场成线性分布，两侧方向相反，磁感应强度分布如图,4-8(b,）所示。,引入被测压力后，在被测压力的作用下，弹簧管的自由端带动霍尔片位移，从而改变了霍尔元件在非均匀磁场中的位置。当被测压力为零时，霍尔片处于极靴中央位置，左右两半磁场方向相反、互相对称，霍尔片总电势之和为零。当被测压力大于零时，弹簧管带动霍尔片左移，两边产生极性相反的电势大小不等，霍尔片总电势大于零。当输入压力是负压时，霍尔元件向右移动，霍尔电势为负，并且压力越大，霍尔片偏移越大，输出电势也越大。此霍尔电势与被测压力成比例，利用该电势即可实现压力信号的远传。,霍尔式压力传感器采用非接触方式实现转换作用，输出,m,级电压信号，便于远传。测量精度受弹性元件和霍尔元件的限制，一般不高于,1.0,级。,国产,YSH,型霍尔式压力传感器采用弹簧管作压力敏感元件，所测压力范围较宽。,HWY,型霍尔式压力传感器以膜盒作为压力敏感元件，用于测量,-0.02 0.02MPa,的压力。,二、电感式压力传感器,电感式压力传感器，将压力弹性元件的变形位移，通过电感器件转换为电感量的变化，进而转换为输出电压来进行测量。,如下图,4-9,所示为由膜盒,2,与差动变压器,5,结合组成的电感式远传微压力计的结构图，被测压力,p,由接头,l,送入膜盒,2,。在无压力时，膜盒处于初始状态，与膜盒中心处连接的铁芯,6,位于差动变压器的电气零点处，因而输出电压为零。当被测压力,p,增加时，膜盒产生变形，产生轴向位移，带动铁芯在差动变压器线圈中移动，从而使差动变压器产生正比于被测压力的电压输出。如图所示测量电路框图。由于差动变压器输出信号较大，所以线路中可不用放大器。这种微压力计的测量范围为,06104Pa,，可测正负压力。输出电压满量程为,050mV,。,如图,4-10,所示是一种差动变压器式差压传感器。它的弹性敏感元件是膜片,11,。当,pl,、,p2,经高、低压导管,1,、,2,分别进入高、低压室,12,、,17,时，推动膜片向低压侧移动（最大行程,1mm,）。膜片通过连杆,19,带动铁芯,20,在差动变压器绕组,6,内右移，差动变压器有电压信号输出，此输出电压的大小与所测的差压成比例关系。,当差压太大或操作失误时，膜片有可能承受过大的单向压力，所以必须有保护装置。为此，在高、低压室的两侧分别装保护环,13,和保护挡板,14,、,15,，当膜片单向受压时，保护挡,板压紧在保护环上，封闭高、低压室，利用工作液的不可压缩性，防止膜片继续变形损坏。,三、应变式压力计,应变式压力计利用导体或半导体的“应变效应”，由“应变片”将被测压力转换成电阻值的变化，通过桥式测量电路，获得相应的毫伏级电压信号输出，如果配上相应的显示仪表就可显示被测介质的压力。应变式压力传感器适用于测量快速变化的压力和高压力。,（一）应变效应,应变式压力传感器的检测元件是应变片，它是由金属导体或半导体材料制成的电阻体。,应变是一个物体在压力的作用下产生的相对变形。导体在产生机械变形时，电阻要发生变化，如当金属材料拉伸时，电阻值增大；金属材料受到压缩时，电阻减小。这种现象就是所谓的应变效应。,设应变片电阻丝为圆形截面导体，长度为,L,，截面积为,A,，材料电阻率为。在未受力时，原始电阻为,（,4.6,）,当电阻丝受到轴向拉力作用时，尺寸发生变化：长度增加，横截面积减小，并且也会变化，因而引起电阻值的变化。对上式两边取对数，得,（,4.7,）,再取微分得,（,4.8,）,而,(r,为金属丝半径），则,（,4.9,）,式中，为电阻丝的轴向应变，为电阻丝的径向应变。根据材料力学原理，在弹性变形时，电阻丝的径向应变等于轴向应变与泊松系数的乘积，即 （,4.10,）,式中，负号表示径向应变与轴向应变方向相反。泊松系数小于,1,，一般为,00.5,。,根据式（,4.9,）、式（,4.10,）得到,（,4.11,）,式中，项是由于材料变形，其尺寸,L,、,r,变化，产生的电阻变化，为电阻的几何效应。,项是由于材料内部晶格结构改变，使电阻率改变引起的电阻变化，称为压阻效应。,对于金属材料，电阻率的相对变化很小，即,1,，可略去不计。,（,4.12,）,K,为其灵敏度系数。说明金属电阻相对变化率与应变成正比，它们之间呈线性关系。用于制造电阻应变片金属丝的灵敏度,K,多在,1.73.6,之间。,对于半导体材料，。根据理论分析，半导体材料电阻率相对变化正比于其应变，即,（,4.13,）,式中，为纵向压阻系数，,E,为材料弹性模量，,K,为灵敏度系数。常用硅、锗半导体材料灵敏度,K,多在,100170,之间，但依半导体变形的晶向不同，,K,有正有负。,（二）应变片,1,、金属应变片,金属电阻应变片主要有丝式应变片和箔式应变片两种结构，如图,4-11,所示。,丝式应变片由往复回绕成栅状的金属丝（称为敏感栅）、基底、引线、保护膜等组成。敏感栅一般采用直径为,0.0150.05mm,的金属丝，用黏合剂固定在厚,0.020.04mm,的纸或胶膜基底上。敏感栅电阻丝常用材料有康铜（,Ni45Cu55,）、镍铬合金（,Ni80Cr20,）、铁铬铝合金（,Fe70Cr25Ai5,）等。引线是由直径为,0.10.2mm,的低阻镀锡铜线或银线制成，用于与测量电路相连。,箔式应变片的敏感栅是用预先粘贴在绝缘基片上的厚度为,0.0030.01mm,的金属箔经光刻、腐蚀等工艺制成。其优点是表面积与截面积之比大，散热条件好，能承受较大电流和较高电压，因而输出灵敏度高，并可制成各种需要的形状，便于大批量生产。由于上述优点，它已逐渐取代丝式应变片。,2,、半导体应变片,半导体应变片由硅或锗等半导体材料制成，有体型半导体应变片、薄膜型半导体应变片、扩散型半导体应变片三种，半导体应变片灵敏系数大、频率响应快、机械滞后小、阻值范围宽，体积小。但此类应变片的热稳定性能较差，需要进行温度补偿。,应变片与弹性元件的装配可以采用粘贴或压贴方式。在弹性元件受压变形的同时应变片也发生应变，其电阻值随之改变。,（三）应变电阻测量桥路,电阻应变片工作时，其电阻变化微小，需要用电桥电路将应变,片电阻转换成电压或电流输出。如图,4-12,所示，电桥由四个电阻相,互连接而成，电源和输出电压分别从电桥的相对节点引出。根据电,源性质，电桥有直流、交流之分。,一般情况下，电桥负载为放大器，具有较高的输入阻抗。为分,析方便，设电桥输出开路。负载为无穷大时，电桥输出电压为,（,4.14,）,当电桥满足条件时，电桥平衡，输出电压为零。,如果电桥中仅有一个桥臂为应变片电阻,R4,，其余三个桥臂电阻为固定电阻，且满足。当应变电阻,R4,产生电阻变化时，电桥失去平衡，输出电压,（,4.15,）,对于等臂电桥，,Rl=R3=R2=R4=R,，并考虑时，桥路输出电压,（,4.16,）,根据应变效应,（,4.17,）,同理可以推出，当等臂电桥的四个桥臂均为应变电阻时，输出电压,（,4.18,）,由上式可以看出，当各桥臂应变片电阻应变极性一致（同为拉应变或同为压应变）时，,电桥输出电压为相邻桥臂应变电压之差，相对桥臂应变电压之和。利用此原理，就可以将相邻桥臂应变片分别置于弹性元件的拉、压应变区，以成倍提高电桥灵敏度。另外将相同的应变片置于相邻的桥臂上，当测量环境温度变化使应变电阻产生电阻变化时，对输出电压的影响相互抵消，可以实现温度补偿作用。,（四）应变片式压力传感器,应变片式压力传感器由弹性元件、应变片、外壳和引线接头组成，结构形式多样，其常用形式有膜片式和应变筒式两种。以应变筒式压力传感器为例介绍。,国产,BPR,型应变式压力传感器是典型的应变筒式压力传感器，如下图所示，有多种型号，测量范围有,01MPa,、,010MPa,直到,0500MPa,多种。应变筒式压力传感器有较好的动态特性，适用于快速变化的压力测量。传感器的非线性及滞后误差较小，测量精度优于,1,。,如图,4-13(a,）所示为,BPR-3,型压力传感器，弹性应变筒,3,的上端与外壳固定在一起，下端与不锈钢密封膜片,1,紧密地接触。两片,PJ-320,型康铜丝应变片,Rl,、,R4,用胶合剂粘贴在应变筒的外壁上。,测量应变片,Rl,沿应变筒轴向粘贴，补偿应变片,R2,沿应变筒圆周方向粘贴。采用特殊胶合剂，保证应变片与筒体之间不发生相对滑动现象，并且保持电气绝缘。当被测压力,p,作用于膜片时，产生向上作用力使膜片凸起，压缩应变筒产生轴向变形，应变筒径向变粗、轴向变短。沿轴向贴放的应变片,Rl,随应变筒轴向压缩应变而压缩，于是,Rl,阻值变小；而沿径向贴放的应变片,R4,随应变筒径向拉伸应变而拉伸，,R4,阻值变大。但是由于，故,Rl,、,R4,的电阻变化量、不同。将,Rl,和,R4,按图,4-12,方式接入测量桥路，另外两个电阻,R2,和,R3,为固定电阻。电桥由稳压电源,ES,供电，电桥输出电压,V,从,a,、,c,端引出。为了提高工作温度，,BPR-3,型压力传感器采用了水冷式结构。冷却水从左边水咀引入，直接通过应变筒内部，再从应变筒底端开孔处流到应变筒外，最后经右边水咀流出。冷却水可以直接冷却应变筒和膜片，应变筒和膜片工作温度最高可达,1100,。由于应变片浸在水中，必须保证其电绝缘性。因此在应变筒贴好应变片后，需在外层封一层环氧树脂和防水橡胶膜。,图,4-13(b,）所示为,BPR-10,型压力传感器，是一种应变筒式高压传感器。应变筒由整体加工而成，一端为盲孔，另一端开孔，直接引入被测介质，使筒体产生“鼓形”变形。应变筒上贴有两片测量应变片,R1,和,R3,，在压力作用下产生与被测压力成正比的电阻变化。实心筒体部分贴有两片补偿应变片,R2,和,R4,，在压力作用下,R2,和,R4,电阻不变，置于测量桥路中起温度补偿作用。,图,4-13 BPR,应变式压力传感器,四、压阻式压力传感器,压阻式压力传感器是基于半导体材料（单晶硅）的压阻效应制成的传感器，具有灵敏度高、动态相应快、测量精度高、稳定性好、体积精巧和便于批量生产等特点，因此得到了广泛的应用。新型固态压阻式压力传感器利用集成电路工艺直接在硅膜片上制成多个扩散压敏电阻，连接成测量电桥，并把补偿电路、信号转换电路集成在同一片硅片上，甚至将计算处理电路与传感器集成在一起，制成智能型传感器。,由于制作传感器应变电阻的硅膜片本身又作为弹性元件使用，省去了金属弹性元件及应变片粘贴，结构更加简单，可靠性高，互换性强，是一种很有前途的传感器。,（一）压阻式压力传感器的工作原理与结构,如图,4-14,所示为一种压阻式压力传感器的结构示意图。,硅平膜片很薄，膜厚,50500m,直径约为,1.810mm,。,环形边缘较厚，形如浅杯，故称“硅杯”。硅杯及膜片,一般采用,N,型单晶硅制造，采用扩散技术在特定区域,内将,P,型杂质扩散到,N,型硅片上，形成,P,型扩散电阻。硅杯底部的硅膜片将传感器分成两个压力腔。高压腔接被测压力，低压腔与大气连通，或分别输入高、低压力以测压差。当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。膜片上的四个扩散电阻构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。,（二）扩散硅压阻式压力变送器,扩散硅压阻式压力变送器包括半导体硅杯、电桥检测电路、信号放大电路和标准电流输出电路。由于扩散电阻用半导体扩散工艺制成，为消除应变电阻受温度的影响，往往将温度补偿电路和电桥电路集成在硅膜片上。这样不仅体积小，成本低，而且补偿元件和电阻敏感元件的温度一致性好，容易取得较好的补偿效果。,扩散硅压阻式压力变送器的测量元件结构比较简单，如图,4-15,所示。核心元件硅杯是由两片研磨后胶合而成的杯状硅片组成，其上扩散电阻及其他集成电路外引线穿过基座上的玻璃状密封体引到转换电路。硅杯浸在工作液中，工作液一般为硅油，用以传递压力、隔离被测介质。硅油与被测介质间有金属隔离膜片隔开。被测压力引入变送器后，通过隔离膜片压缩硅油，传递到硅杯上。,扩散硅差压变送器主要性能指标如下：,基本误差：一般为士,025%FS,；,灵敏限：,0.02%FS,；,电源：,DC24(l,士,5%)V,；,允许负载电阻：,0750,；,允许温度：,-40107,；环境温度：,-4093,；,环境湿度：,0,100%RH,。,五、压电式压力计,压电式压力传感器是一种发电型传感器。它是以某些材料的压电效应为基础的，有很高的灵敏度和固有频率，是目前压力传感器中动态性能较好的一种压力传感器。,（一）压电效应与压电材料,某些电介质，当沿着一定的方向对其施加压力或拉力而使它变形时，就会引起该物质内部的正、负电荷中心发生相对位移，因而产生极化现象，使介质两个表面上产生符号相反的电荷，并且电荷量的大小与所施加的压力或拉力成正比。当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”。相反，如果把具有压电效应的电介质置于外电场中，由于电场的作用，也将会使介质内部的正、负电荷中心产生相对位移，这一位移又将导致介质的形变，这种现象称为“逆压电效应”。,电介质是否具有压电效应，主要决定于它的分子结构。具有压电效应的物体叫做“压电材料”，常见的压电材料有压电晶体和压电陶瓷两类，前者典型的代表材料为石英晶体；后者是人工制造的多晶材料，如钦酸钡和钛酸铅等。,1,压电晶体,下面以石英晶体为例，说明压电晶体的压电效应。,石英是一种结晶的二氧化硅（,SiO2),，因为它的透明度好，所以人们也常称它为水晶。自然形态的石英晶体如图,4-16,所示，它是一个正六面体，图中,z,轴、,x,轴、,y,轴分别称为光轴、电轴、机械轴。,（,a,）,(b),图,4-16,石英晶体,像图,4-16(b,）那样从石英晶体上切下的平行六面体压电晶体切片，沿之轴方向加压力，不产生压电效应产生。而沿,x,轴方向施加压力,Fx,时，在施加压力的表面会出现正、负电荷，且电荷极性随受力方向变化，如图,4-17(a,）、图,4-17(b,）所示。如果沿,y,轴方向施加压力，电荷仍然出现在垂直于,x,轴的平面上，只是这时的电荷的正负正好与直接沿,x,轴方向加压的符号相反，如图,4-17(c,）、图,4-17(d,）所示。我们把沿电轴,x,方向加压产生的压电效应称为纵向压电效应，而沿,y,轴方向加压产生的压电效应称为横向压电效应。,图,4-17,石英晶体表面电荷极性与受力关系,当作用力,F,作用在石英晶体表面上时，该表面上会产生电荷,Q,，并且它的大小与作用力,F,成正比关系，即,（,4.19,）,式中，,Kd,为压电系数。,这里应说明一点在晶体不同方向，其压电系数也是不同的。而在压电式压力传感器中主要是利用纵向压电效应，如不特别指明，均指,x,轴方向受力及在,x,轴方向产生电荷时的压电系数。对石英晶体而言，（库仑牛顿）。,如果垂直于,x,轴的晶体面积为,A,、上垂直均匀地作用有压力,p,时,（,4.20,）,式（,4.20,）还可表达为,（,4.21,）,式中，是晶体面上的电荷密度。,上式表明：晶体表面产生的电荷的密度与作用在晶体上的压力成正比，与晶体的几何尺寸（厚度、面积）无关。,石英晶体在压电式压力传感器中应用最广，主要是因为它的机械强度较大，稳定性好，不易潮解。其缺点是灵敏度较低。,除了石英晶体外，属于单晶材料的压电晶体还有水溶性压电晶体。它们易受潮，机械强度低，但突出的优点是灵敏度比石英高，如酒石酸钾钠的压电系数 。,2,压电陶瓷,压电陶瓷不是单晶体，是人工制造的多晶压电材料，如钛酸钡、锆钛酸铅陶瓷、铌酸盐淘瓷、三元体系压电陶瓷等。,压电陶瓷往往是铁电体，为了使这种铁电多晶体具有压电效应，必须进行人工极化，即在晶体两面加以相当强的电场，使电畴整齐排列。外电场去掉后，电畴方向基本保持同向排列不变。当有外加力作用到晶片上对，电畴错位，将出现与压力成正比的电荷变化。,压电陶瓷有很多优点，如烧制方便，易于成形，机械强度高，耐温耐湿等，而且部分压电陶瓷有较高的压电常数，如锆钛酸铅 ，所以应用也较广泛。压电陶瓷的主要问题是存在特性老化问题，压电常数下降。,（二）压电传感器的测量电路,压电元件在压力或拉力作用下，会产生电荷，因此它相当于一个电荷发生器。当压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，因为压电传感器既是电荷源又是电容器，其等效电路可以认为是两者并联，如图,4-18(a),所示，电容器上的电压,Ua,、电荷量,Q,与电容,Ca,三者关系为,（,4.22,）,压电元件也可以等效为一个电压源，它的等效电路如图,4-18(b,）所示。只有外电路负载,RL,无穷大，内部也无漏电时，受力所产生的电压才能长期保存下来。压电元件本身的内阻抗很高，而输出的能量又很微弱，因此其测量电路必须是一个高输入阻抗的放大器。通常是将传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器，然后方可采用一般的放大、检波、指示。因而，测量电路的关键就在于高阻抗前置放大器。,图,4-18,压电传感器的等效电路,压电传感器的前置放大器有两个作用，一是把压电传感器输出的微弱信号加以放大，二是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。根据压电式传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是电压信号也可以是电荷信号。因此，前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。,（三）压电式压力传感器的典型结构,压电式压力传感器主要用于变化快的动态压力，不适用于压力变化缓慢和静态压力的测量。在内燃机燃烧室内的压力测量、空气或水下爆炸冲击波压力的测量、风洞压力的测量，以及各种高压容器和高压管道内腔压力的动态测量等方面，都广泛采用压电式压力传感器。,压电式压力传感器种类繁多，本节列出一些典型的传感器简要介绍。,1.,活塞式压电压力传感器,如图,4-19,所示是一种适合于测量瞬态超高压的压电传感器的结构图，其测量压力的上限达,300400MPa,。被测压力作用在活塞的端面，通过活塞杆的传递作用，在活塞的另一头由砧盘将压力传到压电晶体上。为了保证在测量条件下，不会超越压电晶体的允许应力，又能获得较大的灵敏度，必须合理选择活塞杆的端面积与晶体片工作面积之比，砧盘的作用是保证晶体片上的受压较为均匀。,上述压电传感器的动态特性受到活塞质量和刚度的影响，而且还与传感器零件的加工精度与测压油的黏度有关。一般自振频率最高是,30kHz,，实际可以测量动态信号的频率上限为几千赫兹。,2.,膜片式压电压力传感器,膜片式传感器是为了克服活塞式传感器动态特性差的缺点发展起来的。如图,4-20,所示是一种膜片式传感器的结构图，用金属膜片取代了活动的活塞。膜片起到了传递限力，实现预压和密封的作用。由于膜片质量很小，而且与压电元件相比刚度很小，因此，传感器的自振频率可以很高，可达,100kHz,以上。,膜片直径一般为,1015mm,。为了提高灵敏度，保证有较大的输出电荷，一般不是采用增大晶片面积的办法，而是采用多晶片结构，构成所谓“压电元件堆”。,4-19,活塞式压电压力传感器结构图,图,4-20,膜片式压电压力传感器结构图,压电元件的压力与输出电荷之间具有线性关系，但实际传感器在低压段线性不好，这主要是由于传感器受力传递的非线性所致。为了改善这一特性，可以在力传递系统中加入预加力，消除间隙及非刚性接触。产生预加力的方法有多种，有时直接在安装时用螺纹固紧，有的采用预紧弹簧。,六、电容式差压变送器,电容式差压变送器采用变电容测量原理，将由被测压力差引起的弹性元件的变形转变为电容的变化，用测量电容的方法测出电容量，便可知道被测压差的大小。包括差动电容传感器和变送器两部分。,根据平行板电容器的电容量表达式,（,4.23,）,式中一电容极板间介质的介电常数；,两平行板相对面积；,一两平行板间距。,由式可知，改变、,A,、,d,其中任意一个参数都可以使电容量发生变化。在实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变,A,或,d,一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。,电容式差压变送器如下图,4-21,所示，由检测部分（差动电容传感器）和转换部分（变送器）组成，其组成原理方框图如下图,4-22,所示。检测部分