化工测量及仪表第3章.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,3,章 压力测量,化学工业出版社,本章要点,压力的定义和表示,弹性元件和弹性压力计,电阻（应变）式压力计,电容式压力计,电感式压力计,霍尔式压力计,其他常见的压力测量方法,压力仪表的选用原则,3.1,压力检测概述,3.1.1,压力定义及单位,3.1.2,压力的几种表示方法,3.1.1,压力定义及单位,压力定义,压力的单位,其他单位：公斤力、,bar,、,Psig,、,mmH2O,、,mmHg,、工程大气压,工程上的压力定义是垂直而均匀地作用于单位面积上的力。,相当于物理上的压强定义。,压力的国际标准单位为,Pa(,帕斯卡,),，,1Pa,的定义是在,1m2,的面积上有,1N,（牛顿）的作用力。但是该单位表示的力较小，因此，工程上更多的是使用,kPa(,千帕斯卡,/,千帕,),或,MPa,（兆帕斯卡,/,兆帕）作为压力表示单位。,3.1.2,压力的几种表示方法,3.2,弹性压力计,3.2.1,弹性元件,3.2.2,弹性元件在压力测量中的应用,3.2.1,弹性元件,弹性元件的测量原理,当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件受到其轴向外力的作用，产生弹性形变，形成拉伸或压缩的位移信号，在弹性形变的范围内，其受力和形变的关系可表示为：,式中,F,轴向外力,X,弹性元件的位移,C,弹性元件的刚度系数,根据弹性元件的形变大小，可以确定被测压力的大小。,3.2.1,弹性元件,弹性元件种类和特性,常用的弹性元件类型有膜片、弹簧管、波纹管等类型，可将压力信号转换为位移信号。,膜片和膜盒,弹簧管,波纹管,2026/10/24,11,2,、弹簧管压力表结构,（,1,）弹簧管,扁平、中空，横截面为椭圆形，一端固定，另一端为自由端,弧度为,270,。,（,2,）齿轮、杠杆传动机构,（,3,）游丝：克服齿轮间的间隙,减少变差,(,说明变差产生原因,),。,（,4,）指针、表盘：显示,原理图,2026/10/24,12,讨论,1.,弹簧管压力表的量程与哪些因素有关？,2.,当弹簧管刚度、几何形状确定，量程应如何调整？,弹簧管初始几何形状（角度、截面）、,刚度（材料、壁厚）,改变放大机构的放大倍数。,调整拉杆与扇形齿轮连接点（调整螺钉）,3.,具有均匀壁厚的圆形弹簧管能,否,作为测压元件,？,不能,3.3,电阻式压力计,3.3.1,应变效应和压阻效应的原理,3.3.2,金属应变片与应变式压力传感器,3.3.3,压阻元件和压阻式压力传感器,3.3.4,电阻信号的测量电路,3.3,电阻式压力计,电阻式压力计利用传感器将弹性元件受压力影响产生的形变转换为电阻信号，再利用对电阻信号的转换处理获得被测的压力值。常用的传感器有金属应变片和半导体硅杯，以这类传感器的工作原理是应变效应，即金属或半导体材料的电阻，在受到外力作用产,微小形变的同时，其电阻值也会发生变化，以金属应变片或硅杯作为传感元件制造的压力计分别称为应变式压力计和压阻式压力计。,应变式压力传感器,3.3.1,应变效应和压阻效应的原理,金属导体的应变效应,金属导体的电阻可以表示为：,式中：,电阻率,L,导体长度,A,导体横截面积,对于一根圆截面的金属电阻丝，当受到轴向外力,F,作用后，电阻丝的长度伸长了,d,L,，截面积缩小了,d,A,，电阻率的变化为,d,，电阻的相对变化量则为：,3.3.1,应变效应和压阻效应的原理,金属导体的应变效应,因为圆截面的电阻丝,A=D,2,/,4,，故可以得出,式中,材料的泊松系数,d,L,L,金属电阻丝的轴向应变。,电阻的相对变化量,忽略电阻率变化影响,式中,D,电阻丝直径。,又根据材料力学可知：,3.3.1,应变效应和压阻效应的原理,半导体的压阻效应,半导体材料受力后的电阻变化同样可以表示为,对于半导体材料而言，因为半导体材料几何尺寸对电阻的变化率影响很小，故上式的后两项可以忽略不计，也就是说，半导体电阻的变化率主要是由,d,引起的，这一现象也称为压阻效应。,对于半导体单晶在沿纵向受力时，电阻率的变化为：,半导体材料的压阻系数；,E,材料的弹性模量：,纵向应变。,所以应变引起的电阻变化率为,式中,K=E,，称为半导体灵敏系数,3.3.2,金属应变片与应变式压力传感器,应变片结构,利用金属材料的应变效应，可将形变转换为电阻变化，工程上使用的传感器的传感器称为金属应变片，简称应变片，它是利用极细的金属丝附着在绝缘的薄片上制造而成的。,应变片使用时有方向性，测量时应变方向应该与敏感栅的轴向（纵向）一致，这样才能产生较大的信号输出，如果应变方向垂直于敏感栅的轴向，应变片产生的电阻变化非常微小，无法测量。,纵向（轴向）,横向,3.3.2,金属应变片与应变式压力传感器,应变式压力传感器,应变式压力传感器的结构有许多种形式，现仅以应变筒的结构为例介绍其测压原理。如图所示，应变筒,1,的上端与外壳,2,固定在一起，它的下端与不锈钢密封膜片,3,紧密接触，两片应变片,R,1,和,R,2,分别用粘合剂粘贴在应变筒的外壁上。,R,l,沿应变筒的径向贴放，,R,2,沿应变筒的轴向贴放，要求应变片与筒体之间不会发生滑动现象，并且保持电气绝缘。,当被测压力,p,作用于不锈钢膜片,3,上而使应变筒作轴向受压变形时，沿轴向贴放的应变片,R,2,，产生轴向压缩应变，其阻值变小；而应变筒在受到轴向压缩变形的同时，径向产生拉伸变形，那么沿着径向贴放的应变片,R,l,将引起拉伸应变，其阻值增大。利用两个应变片，结合固定电阻构成直流惠斯登电桥，可将应变片的电阻变化转换为与之成正比的直流电压信号进行远传和标准化处理。,3.3.3,压阻元件和压阻式压力传感器,压阻元件,利用半导体材料制造的应变,-,电阻转换元件称为压阻元件，硅杯膜片是较为常见一种压阻元件，它是在一个周边固定的弹性膜片上面扩散有硅应变电阻的硅膜片。形状有圆形、方形和矩形等。,在波纹膜片上的不同位置，在受到压力影响产生形变时，会产生不同的变化趋势，,R1,、,R4,应变片位置产生的应变方向与,R2,、,R3,应变片位置的应变方向相反，而变化量相同，利用这一特点，可以选用不同数量的应变片组成测量桥路，以改善传感器的特性。,3.3.3,压阻元件和压阻式压力传感器,压阻式压力传感器,压阻式压力传感器主要由压阻芯片和外壳组成。如图所示为典型的压阻式压力传感器的结构原理图。压阻芯片采用周边固定的硅杯结构，封装在外壳内，硅膜片上的扩散电阻接成电桥形式，用引线引出。构成全桥的四片电阻条中，有两片位于受压应力区，另外两片位于受拉应力区，彼此的位置相互对称于膜片中心。硅膜片两边有两个压力腔，一个是和被测压力相连接的高压腔，另一个是低压腔，通常是小管和大气相通。,3.3.4,电阻信号的测量电路,测量电路的作用,无论是应变式压力传感器还是压阻式压力传感器，产生的电阻信号需进一步转换为电压或电流信号，以便于进行测量信号的远传和处理。常用的方法是采用直流或交流电桥，将电阻变化转换为电压信号，提高了测量的精度和灵敏度，减少环境因素带来的测量误差,。,3.3.4,电阻信号的测量电路,应变片的温度误差,由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素是由于材料的电阻温度特性和受温度影响产生的热胀冷缩现象。,(1),电阻温度系数的影响,金属电阻丝多采用铜材料，其阻值随温度变化的关系可用下式表示：,式中：,R,0,温度为,t,0,时的电阻值；,R,t,温度为,t,时的电阻值；,0,金属丝的电阻温度系数；,t,温度变化值，,t=t,-,t,0,半导体材料制造的压阻元件，其阻值同样会受到温度的影响，所以当温度变化时，应变式传感器的电阻会随着温度的变化发生改变，产生附加的误差。,3.3.4,电阻信号的测量电路,应变片的温度误差,(2),弹性构件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响,应变片使用时必须和可产生形变的弹性构件粘贴在一起。当弹性构件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。当弹性构件和电阻丝线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。,当二者粘贴在一起时，由于受温度变化,t,影响产生的变形不同，电阻丝产生的附加电阻变化,R,L,为,式中,K,0,为与材料有关的固定系数，,R,0,为应变片的初始阻值。,设电阻丝和弹性构件在温度为,0,时的长度均为,L,0,，它们的线膨胀系数分别为,S,和,g,。,3.3.4,电阻信号的测量电路,应变片的温度误差,由于温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为：,S,和,g,分别为应变片和弹性构件的线膨胀系数，,0,为电阻丝材料的温度系数。,由上式可知，因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数以及弹性构件线膨胀系数有关。,为了避免环境温度对测量的影响，需要在进行应变片信号转换时，通过测量电路进行温度补偿，以减小环境温度带来的系统误差。,(2),弹性构件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响,3.3.4,电阻信号的测量电路,测量桥路,应变式传感器电阻信号的处理多采用不平衡电桥电路。电桥有直流电桥与交流电桥之分。如果采用正弦波电压对电桥供电，这种电桥称为交流电桥；如果采用直流电对电桥供电，这种电桥则称为直流电桥。,交流电桥易受传输线分布电容的影响，调平衡困难，通频带较窄，因此传输电缆不宜过长。随着集成电路技术的进步，各种低噪声；低漂移、高效益、高精度、高共模抑制比的运算放大器不断出现，专用信号处理电路模块和高精度的直流电源模块也相继制造成功，直流电桥的应用越来越多。这种新型直流电桥电路的最大优点是频率响应特性好、精度高、不需繁琐地调平衡，允许使用的传感器电缆引线长度远大于交流电桥允许的引线长度。采用直流电桥及相应的二次仪表，比采用载频式交流电桥及二次仪表更为经济。以下重点对不平衡直流电桥的应用进行说明。,3.3.4,电阻信号的测量电路,测量桥路,当输出端,ab,间开路时，则有电流,如,图所示，桥路电源电压,U,为直流，,4,个桥臂阻值分别为,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,，当,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,时，称为等臂电桥；当,R,1,=,R,2,=,R,及,R,3,=,R,4,=,R,0,（,R,R,0,）时，称为输出对称电桥；当,R,1,=,R,4,=,R,及,R,2,=,R,3,=,R,0,（,R,R,0,）时，称为电源对称电桥。,在电阻,R,1,及,R,3,，上的电压降分别为,电路分析,?,3.3.4,电阻信号的测量电路,测量桥路,所以，桥路输出可表示为,上式称为直流电桥的平衡条件，电桥达到平衡时其相邻两臂的电阻比值相等。设,当,U,o,=0,时，称为电桥平衡，此时,式中,n,桥臂电阻比。,3.3.4,电阻信号的测量电路,测量桥路,假设电桥各桥臂电阻,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,，都发生变化，其阻值的变化量分别为,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,，电桥的输出近似可得,右端分子、分母向时除以,R,1,2,，则有,3.3.4,电阻信号的测量电路,测量桥路,输出信号的电压灵敏度为：,由此可见当,n=1,时，桥路输出的灵敏度最大，此时有,R,1,=R,2,=R,3,=R,4,，即电桥为全等臂电桥，因此全等臂电桥是应变式传感器中常采用的形式。,当,f,(n)=0,时，,K,u,有最大值，故有,全等臂直流电桥常见形式有单臂电桥、双臂电桥、全桥。,3.3.4,电阻信号的测量电路,测量桥路,单臂电桥,电桥的输出信号与应变片电阻变化率近似成正比。可见电桥可利用其输出电压与应变的函数关系，将压力信号转换为可远传的电信号。,如图所示为单臂电桥。桥路结构中只有一个桥臂是测量应变片，其他为固定电阻，且,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,=,R,，单臂工作时，应变片传感器电阻发生变化，即,R,1,=,R,+,R,，其他电阻,R,=0,，,电桥输出为：,当,R,R,时，令,1+,R,/2,R,1,，则有,3.3.4,电阻信号的测量电路,测量桥路,双臂电桥,差动电桥有两种结构，分别称为半桥和全桥。,半桥电路又称双臂电桥，结构如图所示，相邻桥臂为两个相同类型的应变片传感器，分别定位于弹性构件适当的位置上。当弹性构件产生形变时，两个应变片受到效果相反的作用，即一个应变片受拉伸作用时，另一个应变片受变化量相同的压缩作用。其电阻变化情况，一臂为,R,1,+,R,1,，而另一臂为,R,2,R,2,。由于,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,=,R,，而,R,1,=,R,2,=,R,，所以,可见，由于差动的补偿作用，从理论角度而言，引起非线性误差的因素互相抵消；同时输出信号的灵敏度较单臂电桥提高了一倍。,3.3.4,电阻信号的测量电路,测量桥路,全桥,四个桥臂均由参与测量的应变片元件组成，其相邻桥臂的应变片，在弹性构件产生形变时，两个应变片受到效果相反的作用。桥路输出与应变片阻值变化的关系为：,可见全桥电路的灵敏度是半桥的,2,倍，同时全桥电路同样具有差动电桥的非线性误差和温度误差的补偿功能。,3.3.4,电阻信号的测量电路,测量桥路信号的后续处理,通常，传感器输出的电信号是微弱的，且与电路之间的连接具有一定的距离，因此需要进行信号放大。按测量放大电路的结构原理可分为差动直接耦合式、调制式和自动稳定式三大类。其中，差动直接耦合式包括了单端输入,(,同相或反相,),运算放大电路、电桥放大电路、电荷放大电路一等测量放大电路。按元件的制造方式可分为分立元件结构形式、通用集成运算放大器组成形式和单片集成测量放大器三种。在三种方式中，单片集成测量放大器具有体积小、精度高、使用方便的特点。随着集成工艺的发展，单片集成测量放大器的应用在日益增多。以下以多功能信号调理电路,AD963,为例，介绍这类放大器的使用特点。,3.3.4,电阻信号的测量电路,测量桥路信号的后续处理,AD693,是,ADI,公司推出的一种单片信号调理器，它具有高精度、多功能的特点。其用途十分广泛，使用也非常灵活，不仅可用作小信号,u,I,转换器，还可作为各种传感器,(,例如铂热电阻、热电偶、电阻应变片测量电桥,),的信号调理器。,AD693,适用于传感测试系统、工业过程控制及自动化仪表领域。,AD693,的性能特点,1),内含可编程输入放大器、,U,I,转换器和多路输出式基准电压源。,2),输出电流有三种形式：,420 mA(,单极性,),，,020 mA(,单极性,),，,128mA(,双极性,),。,3),输入电压范围和电流零点均可单独调节，二者互不影响。,4),高精度。,5),利用芯片中的备用放大器，可对由铂热电阻,(PRTD),、各种热电偶及电阻应变片桥路所产生的信号进行调理,(,包括缓冲、放大、与其他信号进行组合等,),。备用放大器具有电流输出和电压输出两种能力，能为外部传感器提供激励。,6),具有过电流保护和反向过电压保护功能。,3.3.4,电阻信号的测量电路,测量桥路信号的后续处理,AD693,内部结构原理图：,可编程输入放大器,(A,1,),U,I,转换器,输出级,(,晶体管,VT,1,),基准电压及精密分压器、保护二极管,(VD),备用放大器,(A,2,),备用输出级,(,高增益达林顿管,VT,2,),。,3.3.4,电阻信号的测量电路,测量桥路信号的后续处理,3.4,电容式压力计,3.4.1,电容传感器的原理,3.4.2,电容式压力传感器,3.4.3,电容信号的变送处理,3.4,电容式压力计,电容式压力计的敏感元件，可将弹性元件受压力影响产生的形变转换为电容量的变化。这类传感器具有结构简单、适应性强、具有良好的动态特性、本身发热小、信号可以非接触测量等特点，随着电子技术的不断发展、电容传感器的应用技术也在不断的完善，从而得到更广泛的应用。,电容式压力传感器,3.4.1,电容传感器的原理,转换原理,式中,C,x,角位移为时的电容量，即被测压力对应的电容量。,当无被测压力时，,=,0,，两极板面积重合，其电容量为：,当有被测压力时，,0,，则,(1),改变极板相对覆盖面积,A,如图所示，,1,为动极板，,2,为定极板，为被测压力引起的电容器动极板的角位移。当动极板有一个角位移变化时，与定极板的覆盖面积改变，从而改变了两极板之间的电容量。,3.4.1,电容传感器的原理,转换原理,(2),改变极板间极距,d,如图,3-4-2(b),所示，,1,为动极板，,2,为定极板，,3,为弹性元件，,p,为被测压力。当动极板产生,x,的位移变化时，改变了两极板的间距，从而会引起电容量的变化。电容量,C,与极板间距,d,不是线性关系，而是双曲线关系。,此时,C,x,与位移,x,近似线性关系，当,d,较小时，对于同样,x,变化所引起的电容变化量,C,可增大，使传感器的灵敏度提高。,当,p=0,时，动极板的位移,x=0,，两极板间距为,d,，电容量为,C,0,，表达式同式,(3-4-2),。当,p,0,时，动极板会产生位移，使极板间距减小,x,，则电容量为,当,x,d,时，可近似为,3.4.2,电容式压力传感器,变极距式电容压力传感器,变极距式电容传感器利用弹性元件的形变改变电容极距，以产生于形变相关的电容变化。它具有较高的灵敏度，但是极距,d,与电容量,C,之间的函数关系是非线性的，如果采用近似线性化的处理方法，会产生一定的非线性误差。,为了进一步提高测量的精度和灵敏度，常采用差动结构来组成传感器。采用差动电容法的好处是灵敏度高、可以减小非线性影响，并且可以减小由于介电常数,受温度影响引起的不稳定性。,差动式电容原理如右图所示。,3.4.2,电容式压力传感器,变极距式电容压力传感器,总输出电容为两电容串联，即,设初始时,C,l,=C,2,=C,0,，当中间的动极板移动,x,时，一边极距减小，,C,l,-,C,；一边极距增大，,C,2,+,C,。,电容,C,2,的容量变化为,：,电容,C,1,的容量变化为：,当,x,d,l,时，可利用泰勒级数将上两式展开,可见，式中不含有奇次项，故非线性影响大大减小，而灵敏度却提高了,1,倍。,3.4.2,电容式压力传感器,变极距式电容压力传感器,基于上述特点，变极距式压力传感器基本上采用了差动方式。,电容式差压传感器的如右图所示。左右对称的不锈钢基座,2,和,3,的外侧加工成环状波纹沟槽，并焊上波纹隔离膜片,1,和,4,。基座内侧有玻璃层,5,，基座和玻璃层中央开有孔，使隔离膜片,1,、,4,与测量膜片,7,连通。玻璃层内表面磨成凹球面，球面除边缘部分外镀有一层金属膜,6,，金属膜电容的左、右定极板经导线引出，与测量膜片,7(,即动极板,),构成两个串联电容,C,1,和,C,2,。测量膜片为弹性子膜片被夹入和焊接在基座中央，将空间分隔成左、右两部分，并在测量膜片分离的左、右空间中充,入硅油。,隔离膜片与壳体构成左、右两个测量室，称为正、负压室,(,即高、低压室,),。当分别承受高压,p,1,和低压,p,2,时，硅油的不可压缩性和流动性便将差压,p,=,p,1,-,p,2,，传递到测量膜片的两侧。,3.4.2,电容式压力传感器,无压差时，左、右两侧初始电容均为,C,0,；有压差时，动极板变形到虚线位置，它与初始位置之间的假想电容为,C,A,，虚线位置与低压侧固定极板之间的电容为,C,2,，与高压侧定极板之间的电容为,C,1,，因此由电容串联公式可得,差动电容的变化值与压力差成正比,变极距式电容压力传感器,3.4.2,电容式压力传感器,变面积式电容压力传感器,变面积式压力传感器原理如下图所示。被测压力作用在金属膜片,1,上，通过中心柱,2,和支撑簧片,3,，使可动电极,4,随簧片中心位移而动作。可动电极,4,与固定电极,5,都是金属材质加工成的同心多层圆筒构成的，断面呈梳齿形，其电容量由两电极交错重叠部分的面积所决定。,固定电极的中心柱,6,经绝缘支架,7,与外壳之间绝缘，可动电极则与外壳导通。压力引起的极间电容变化由中心柱引至电子线路，变为,420mA,直流信号输出。,。,3.4.2,电容式压力传感器,电容式传感器的等效电路,对于电容式传感器的灵敏度和非线性的分析，在一定情况下都可以将电容式传感器看作为纯电容器。通常，多数的电容器的损耗可以忽略，在工作频率低的时候其电感效应也是可以忽略的。当电容器的损耗和电感效应不能被忽略的时候，电容式传感器的等效电路就要重新考虑。,上图所示从左至右依次为电容传感器在一般情况、低频信号、高频信号情况下的等效电路。,3.4.3,电容信号的变送处理,调频测量电路,调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当被测量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。,虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此加入鉴频器，将频率的变化转换为振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录下来。调频测量电路原理框图如下图所示。,3.4.3,电容信号的变送处理,调频测量电路,调频信号的频率变化与电容变化成一定的函数关系。,当被测信号为零时，,C,=0,，振荡器存在固有振荡频率,f,0,：,调频振荡器原理图如右图所示，其振荡频率为,式中：,L,振荡回路的电感；,C,振荡回路的总电容，,C=,C,1,+,C,i,+,C,0,C,；,C,1,+,C,i,振荡回路固有电容和,传感器引线分布电容；,C,0,C,传感器的电容。,当电容容量发生变化时，,C,0,，振荡器振荡频率为,f,3.4.3,电容信号的变送处理,交流电桥,含紧耦合电感臂的交流电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响小，大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前在测量电容中较多采用。下图（,A,）为两种交流电桥的结构示意图，（,B,）为电桥测量电路的原理框图。,（,A,）,（,B,）,3.4.3,电容信号的变送处理,运算放大器式电路,运算放大器的放大倍数,K,非常大，而且输入阻抗,Z,i,很高。运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。右图是运算放大器式电路原理图。,C,x,为电容式传感器，,C,为固定电容，,u,是交流电源电压，,u,o,是输出信号电压。由运算放大器工作原理可知,可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离,d,成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。如果电容传感器是变面积式或变介电常数式，可交换,C,和,C,x,在电路中的位置，仍可使,u,o,与被测参数的函数关系为线性。,又因为,所以,3.4.3,电容信号的变送处理,双,T,交流电桥,二极管双,T,型交流电桥电路原理图如上图所示。,U,E,是高频电源，它提供幅值为,U,i,的对称方波，,D,1,、,D,2,为特性完全相同的两个二极管，,R,1,=,R,2,=,R,，,C,1,、,C,2,为传感器的两个差动电容。当传感器没有输入时，,C,1,=,C,2,。电路工作原理如下：,当,U,E,为正半周时，二极管,D,1,导通、,D,2,截止，于是电容,C,1,充电；在随后负半周出现时，电容,C,1,上的电荷通过电阻,R,l,，负载电阻,R,L,放电，流过,R,L,的电流为,I,1,。在负半周内，,D,2,导通、,D,1,截止，则电容,C,2,充电；在随后出现正半周时，,C,2,通过电阻,R,2,负载电阻,R,L,放电，流过,R,L,的电流为,I,2,。,3.4.3,电容信号的变送处理,双,T,交流电桥,输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与,T,形网络中的电容,C,1,、,C,2,的差值有关。当电源电压确定后，输出电压只是电容,C,1,和,C,2,的函数。,在负载,R,L,上产生的电压为,差动脉冲调宽电路又称脉冲调制电路，如右图所示，利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。当,C,1,=,C,2,时，输出电压,U,o,为等宽矩形波；当,C,1,C,2,时，,U,o,为不等宽矩形波，其占空比的变化和差动电容的容量变化有关。通过低通滤波器就能得到对应被测电容量变化的直流信号。,3.4.3,电容信号的变送处理,差动脉宽调制电路,设传感器为差动电容传感器，分别为,C,1,和,C,2,。当双稳触发器的输出端,A,为高电位时，,B,端为低电位，则其通过,R,1,对,C,1,充电。当充到,C,点电位高于参比电位,U,f,时，比较器,A,1,翻转，将使触发器翻转。在翻转前，,B,点为低电位，电容,C,2,通过二极管,V,D2,迅速放电，,D,点电位迅速降为零值。一旦双稳触发器翻转后，,A,点变为低电位，,B,点变为高电位。这时将在反方向上重复上述过程，即,C,2,充电，,C,1,放电。,3.4.3,电容信号的变送处理,差动脉宽调制电路,对于脉冲宽度调制电路，不论是改变差动平行板电容的极板间距离，还是改变差动电容极板面积，其变化量与输出电压之间均成线性关系。,当,R,1,=,R,2,时，可推导出电路中,A,、,B,两点之间电压的直流分量,U,o,为,式中,U,1,双稳触发器的高电平电压。,当差动电容传感器为变间隙式时,当差动电容传感器为变面积式时,3.4.3,电容信号的变送处理,单片电容传感器信号调理电路,CS2001,CS2001,是集成化的电容传感器专用信号调理电路，可将传感器的电容量直接转换成直流电压信号输出，外围电路简单，使用方便。它采用电荷补偿反馈环的原理，当电容传感器为差动形式且中心值为,25pF,时，灵敏度最高，达,200mV,pF,，对于单电容传感器，只需再加一个相同标称值的固定参比电容，即可构成准差分输入式的电容传感测量电路。,CS200l,的典型应用电路,3.4.3,电容信号的变送处理,单片电容传感器信号调理电路,CS2001,其内部电路框图如上图所示，主要包括加法器、放大器,A1,、定时器、低通滤波器和放大器,A2,。各引脚的功能如下：,U,DD,、,U,SSD,分别接电源的正、负极。,U,SSA,为模拟电路的负电源端，该端与,U,SSD,端可一同接到电源的负极,U,SS,上。,AGND,为模拟地。,U,o,为模拟电压输出端，,U,M,为充电补偿回路的输出端,(,未经过缓冲器,),。,CF,为带宽调节端，在,U,M,、,CF,端之间接上电容,C,F,即可调节带宽。,OFADJ,为失调电压调整端。,C,1,、,C,2,分别接电容式传感器的高端、低端，,CM,为,C,1,、,C,2,的公共端。,2026/10/24,59,3.4.5,、,3051,系列智能型变送器,2026/10/24,60,罗斯蒙特技术和产品应用于电力、石油、化工等领域。,3051S,压力变送器系列,1,工业标准产品，提供无以匹敌的性能与可靠性；,2,同类产品性能最优，精度高达,0.025%,；,3,规模可变平台，具有,HART,、基金会现场总线，过程诊断与安全认证证书；,4,共面法兰设计把阀组，密封件（膜盒）与一次元件一体化成为单个组合件,.3051C,型差压、表压与绝压变送器,1,性能优异：精度,0.04%2,总体性能高达,0.125%,，五年稳定性,3,共平面平台允许将阀组、一次元件和远传装置一体化,4,校验量程从,0.1inH2O,至,4000psia(25Pa,到,27.6mPa)5,过程隔离膜片：,316L,不锈钢，哈氏合金,C,，蒙乃尔，钽（仅限,CD,，,CG,）及镀金蒙及尔，镀金不锈钢,6,设计小巧、坚固而质轻，易于安装,7,复合量程（仅限,CD,、,CG,），可测量负压,2026/10/24,61,3.4.6,、信号制式与连接,信号：统一信号,连接：四线制、两线制 两线制与四线制变送器相比，具有三个优点：,1,、节省电缆和安装费用。,2,、只需用一根穿线管道。,3,、易燃易爆的环境中，只需另配一只安全栅。,要实现两线制传输，必须采用有活零点的电流信号，当变送器输出为零信号时，应保证它内部的半导体器件必须有正常的工作点。国际统一电流信号采用,4,20mADC,。,2026/10/24,62,63,两线制变送器要正常工作必须满足如下条件：,1,、变送器正常工作电流,IIomin(4mA),2,、在下列电压条件下，变送器能保持正常工作,V,T,（,Emin,Iomax(R,L,max+r),）,V,T,变送器最小端电压,V,T,12V,Emin,电源电压的最小值,Iomax,输出电流的上限值,R,L,max,变送器的最大负载电阻值,r,连接导线的电阻值,如果负载电阻要增加，电源电压需增大；反之，电源电压可减少。,例如：电容式差压变送器负载电阻为,0,600,时，电源,24V,；,负载电阻为,0,1650,时，电源,45V,。,3,、变送器的最小有效功率,P Iomin(Emin,IominRLmax),2026/10/24,64,3.4.7,、关于现场总线及,HART,协议,现场总线技术是当前自动检测技术的热点之一，是控制、计算机、通信、网络等技术发展的必然结果；而智能仪表则为现场总线的出现和应用奠定了基础。自,1983,年,Honeywell,推出智能仪表,-Smar,变送器之后，世界各厂家都相继推出各有特色的智能仪表。目前有影响的现场总线技术有：基金会现场总线、,LonWorks,、,PROFIBUS,、,CAN,、,HART,，除,HART,外，均为全数字化现场总线协议。,HART,采用频移键控（,FSK,）技术。它基于,Bell202,通信标准，在,4,20mA,模拟信号上叠加不同的频率信号（,2200Hz,表示,“,0,”,，,1200Hz,表示,“,1,”,）来传送数字信号。,HART,协议的数据传输速率为,1200bps,（位,/,秒）。,HART,提供设备描述语言（,DDL,），以确保互操作性。应该指出，,HART,被认为是事实上的工业标准，但它本身并不算现场总线（模拟和数字的混合），只能说是现场总线的雏形，是一种过渡协议。由于,4,20mA,模拟信号标准将在今后相当长的时间内存在，所以研究,HART,协议仍具有重要意义。,2026/10/24,65,3.5,电感式压力计,3.5.1,自感式传感器,3.5.2,互感式差动传感器,3.5,电感式压力计,电感式压力计采用的敏感元件是电感式压力传感器，利用电磁感应原理，把被测压力转换成自感或互感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流输出。它的种类很多，以下介绍常用的自感或互感式两种传感器。,3.5.1,自感式传感器,工作原理,简单的自感式传感器结构原理如图所示。它由线圈、铁心和衔铁三部分组成。铁心和衔铁均由导磁材料制成。在铁心与衔铁之间为空气隙，气隙厚度为,。压力传感元件与衔铁相连，传感元件的位移会引起空气隙变化，从而改变磁路的磁阻，使线圈电感值发生变化。由电工学可知，线圈中的电感可以表示为,式中,l,导磁体的长度；,导磁体的导磁率,0,空气的导磁率；,A,1,导磁体的截面积,A,气隙的截面积；,气隙的厚度。,式中,N,线圈匝数；,R,M,磁路总磁阻。,当空气隙厚度,较小时，可以忽略磁路的铁损，总磁阻可以表示为,3.5.1,自感式传感器,工作原理,一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比要小的多，所以线圈的磁路总磁阻可以近似表示为,由上式可知，当线圈匝数,N,确定之后，只要改变,和,A,均可以引起电感,L,的变化，因此自感式传感器可分为改变气隙厚度,和改变气隙面积两种，改变气隙厚度使用较广泛。,而线圈的电感可表示为,工作原理,下面分析变气隙式电感传感器的输出特性。设衔铁处于起始位置时，初始气隙厚度为,0,，对应的初始电感为：,当衔铁上移,时，传感器的气隙减小,=,0,-,，对应的电感量为,电感的变化量为,电感的相对变化量为,3.5.1,自感式传感器,若,/,越小，非线性误差越小，但这样又会使得传感器的测量范围减小。自感式传感器一般取,/,=,0.10.2,。,工作原理,当,/,0,1,时，上式可展开成级数形式,同理，当衔铁下移,时，传感器的气隙增大，,=,0,+,，电感的变化量为,同样,L,/,L,0,可展开成级数,由上式可知,L,/,L,0,与,/,0,为非线性特性。但当,/,0,1,，若忽略二次项以上的高次项，则有,3.5.1,自感式传感器,3.5.1,自感式传感器,差动式自感压力传感器,流电桥的相邻桥臂，与另外两个固定电阻,组成交流电桥。,U,为桥路交流电源，,U,0,为桥路交流输出。,为了减少变气隙式传感器的非线性误差，常采用限制测量范围即减小衔铁移动范围的方法，构成如图所示的差动结构。,起始位置时，衔铁处于中间位置，上、下两侧气隙相同，即,1,=,2,=,0,，则,Z,1,=Z,2,=Z,0,，故桥路输出电压,U,o,=0,，电桥处于平衡状态。,它的特点是上、下两个完全对称的自感传感器合用一个活动衔铁，传感器的两只电感线圈作为交,3.5.1,自感式传感器,差动式自感压力传感器,当衔铁偏离中间位置，向上或者向下移动时，使两只电感线圈的电感量一个增一个减，,1,2,。此时传感器的电感变化量为：,式中,L,0,为衔铁在中间位置时，单个线圈的初始电感量。,由于不存在偶数项，显然其非线性远小于单个电感传感器。同时，它比单个传感器的灵敏度提高了,1,倍。,当电桥失去平衡，桥路输出,U,0,的大小与衔铁移动的大小成比例，其相位则与衔铁移动的方向有关。,3.5.1,自感式传感器,差动式自感压力传感器,对于高,Q,值,(,Q,=,L,0,/,R,0,，它是自感传感器的品质因数，,Q,值大表明线圈制造质量好,),的差动式传感器，桥路输出可近似表示为：,桥路输出电压可表示为：,式中,激励电压的角频率；,Z,0,单个电感线圈阻抗；,R,0,单个电感线圈电阻,上式表明桥路输出电压幅值与衔铁位移量,成正比，相位则与衔铁移动方向有关。,3.5.1,自感式传感器,电感信号的测量电路,变压器式交流电桥,变压器式电桥结构如右图所示。图中相邻两工作臂为,Z,1,、,Z,2,，是差动电感传感器的两个线圈的阻抗；另两臂为变压器次级线圈的两半,(,每臂电压为,U,/2),，输出电压取自,A,、,B,两点。,假定,0,点为零电位，且传感器线圈为高,Q,值，其线圈电阻远远小于其感抗，即,r,L,，则可以推导其输出特性公式为,在初始位置，即衔铁位于差动电感传感器中间时，由于两线圈完全对称，因此,Z,1,=,Z,2,=,Z,0,，此时桥路平衡，即。,3.5.1,自感式传感器,电感信号的测量电路,变压器式交流电桥,当衔铁上移时，上线圈阻抗增加，即,Z,1,=,Z,+,Z,，而下线圈阻抗减少，为,Z,1,=,Z,-,Z,，此时输出电压为,因为在,Q,值很高时，线圈内阻可以忽略，所以,同理衔铁下移时，可推导出,由此可见，衔铁上移和下移时，输出电压相位相反，且随,L,的变化输出电压也相应地改变。据此，经适当电路处理可判别位移的大小及方向。,3.5.1,自感式传感器,电感信号的测量电路,调幅电路,右图（,a,）为将感抗变化转换为交流信号幅值的调幅电路。传感器,L,与固定电容,C,、变压器,T,串联在一起，接入外接电源,u,后，变压器的次级将有电压,u,0,输出。输出电压的频率与电源频率相同，幅值随,L,变化。,图,(b),所示为输出电压与电感,L,的关系曲线，其中,L,0,为谐振点的电感值。实际应用时，可以使用特性曲线一侧接近线性的一段。这种电路的灵敏度很高，但线性度差，适用于对线性度要求不高的场合。,(a)(b),3.5.1,自感式传感器,电感信号的测量电路,调频电路,右图（,a,）为将感抗变化转换为交流信号幅值的调频电路。把传感器电感,L,和一个固定电容,C,接入一个振荡回路中，其振荡频率为,当,L,变化时，振荡频率随之变化，根据频率大小即可测出被测量值。图（,b,）为频率和电感变化的关系。,(a)(b),