第四章 压力的测量.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,*,*,本章学习,各种压力传感器,的原理、应用。,2026/4/7 周二,1,第四章 压力的测量,一、压力和差压,压力：垂直均匀作用在单位面积上的力（压强）,2026/4/7 周二,2,常用压力形式：,绝对压力,大气压力,相对压力,差压,第一节 压力的基本概念,二、压力的单位,国际单位为“帕斯卡”（,牛顿,/,米,2,N/m,2,）,，简称“帕”（,Pa,）。,除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如“工程大气压”、“标准大气压”、“毫米汞柱”，气象学中还用“巴”（,bar,）和“托”为压力单位。,2026/4/7 周二,3,第一节 压力的基本概念,压力单位转换对照表,2026/4/7 周二,4,一、液柱式压力计,基于流体静力学原理，适用于低压、负压或差压的测量。,2026/4/7 周二,5,第二节 传统压力测量法,一般是采用充有水或水银等液体的玻璃,U,形管、单管或斜管进行压力测量的，其结构形式如图所示。,(,1)U,形管压力计,(2)单管压力计,(3)斜管压力计,二、弹性式压力表,当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形(即机械位移)。,根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。,弹性压力计的组成环节如图,4-3,所示,:,弹性元件,是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和设计；,变换放大机构,，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；,指示机构,(如指针与刻度标尺)用于给出压力示值；调整机构用于调整零点和量程。,图,4-3,弹性压力计组成框图,(1),弹性元件,同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。常用的弹性元件有,弹簧管、波纹管、薄膜,等，如表,4-2,所示。,其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；,单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压或真空度的测量。,表,4-2,弹性元件的结构和特性,类别,名,称,示 意 图,压力测量范围,kPa,输出特性,动态性质,最小,最大,时间常数/,s,自振频率/,Hz,薄,膜,式,平,薄,膜,010,010,5,10,-5,10,-2,1010,4,波,纹,膜,010,-3,010,3,10,-2,10,-1,1010,2,挠,性,膜,010,-5,010,2,10,-2,1,110,2,波,纹,管,式,波,纹,管,010,-3,010,3,10,-2,10,-1,1010,2,弹,簧,管,式,单,圈,弹,簧,管,010,-1,010,6,10,2,10,3,多,圈,弹,簧,管,010,-2,010,5,1010,2,弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适用于不同的测压范围和被测介质。,通过各种传动放大机构直接指示被测压力值。这类直读式测压仪表有,弹簧管压力计,、,波纹管差压计,、,膜盒式压力计,等。,(2)弹簧管压力计,弹簧管式压力计是工业生产上应用很广泛的一种直读式测压仪表，以单圈弹簧管结构应用最多。其一般结构如图,4-4,所示。,被测压力由接口引入，使弹簧管自由端产生位移，通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，并带动啮合的中心齿轮转动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转，并在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。,图,4-4,弹簧管压力计结构,1-弹簧管；2-连杆；3-扇形齿轮；4-底座；5-中心齿轮；6-游丝；7-表盘；8-指针；9-接头；10-横断面；11-灵敏度调整槽,通过调整螺钉可以改变拉杆与扇形齿轮的接合点位置，从而改变放大比，调整仪表的量程。转动轴上装有,游丝,，用以消除两个齿轮啮合的间隙，减小仪表的变差。直接改变指针套在转动轴上的角度，就可以调整仪表的机械零点。,弹簧管压力计结构简单,使用方便，价格低廉，测压范围宽，应用十分广泛。一般弹簧管压力计的测压范围为-10,5,10,9,Pa；,精确度最高可达0.1。,三、差动变压器,1.,原理：将压力引起的位移变化转换成电感的变化。,次,级,次,级,骨架,初,级,衔,铁,次,级,次,级,初,级,螺管型差动变压器结构图,两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路。,2.,基本特性,根据差动变压器等效电路。当,次级开路,时,式中：,U,初级线圈激励电压；,激励电压,U,的角频率；,I,1,初级线圈激励电流；,r,1,、,L,1,初级线圈直流电阻和电感。,.,.,根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式分别为,由于次级两绕组,反相串联,，且考虑到次级开路，则由以上关系可得,上式说明，当激磁电压的幅值,U,和角频率,、,初级绕组的直流电阻,r,1,及电感,L,1,为定值时，,差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。,只要求出互感,M,1,和,M,2,对活动衔铁位移,x,的关系式，可得到螺线管式差动变压,器的基本特性表达式。,输出电压的,有效值,为,分析,活动衔铁处于,中间位置,时,M,1,=,M,2,=,M,故,U,o,=0,活动衔铁,向上移动,时,M,1,=,M,+,M,，,M,2,=,M,-,M,故,与,E,2,a,同极性。,.,活动衔铁,向下移动,时,M,1,=,M,-,M,，,M,2,=,M+,M,故,与,E,2,b,同极性。,.,3.,差动变压器式传感器测量电路,问题,：,（,1,）差动变压器的输出是,交流电压,(,用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向,);,（,2,）测量值中将包含,零点残余电压,。,衔铁位移,x,与电桥输出电压,U,o,有效值的关系曲线，如右图所示。,虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为,零点残余电压,，并用,e,0,表示。,零残电压过大带来的影响：,灵敏度下降、非线性误差增大,测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。,产生的原因,：两电感线圈的等效参数不对称,减小零点残余电动势的方法：,1.,从制造工艺上减小残余电动势。,2.,选择利于消除残余电动势的测量电路。,3.,采用,补偿电路,调整元件参数,消除残余电动势。,减小残余电动势的,补偿电路,为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。,(1),差动整流电路,这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。,从图（,c,）,电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容,C,1,的电流方向总是从,2,到,4,，流经电容,C,2,的电流方向总是从,6,到,8,，故整流电路的输出,电压为,当衔铁在零位时，因为,U,24,=,U,68,，,所以,U,2,=0,；,当衔铁在零位以上时，因为,U,24,U,68,，则,U,2,0,；,当衔铁在零位以下时，则有,U,24,U,68,，则,U,2,1,，,故上式可以近似为,结论,:,1),当输入信号频率,=0,时,电压放大器输入信号为零,即,Ui,=0,所以压电传感器不能测量静态物理量,.,2),电压放大器的主频响应好,动态性好,这是电压放大器的突出优点,.,3),从式,Ku=,d/(Ca+Cc+Ci,),可见,连接电缆的分布电容,Cc,影响传感器灵敏度,仪器使用时只要更换电缆就要重新标定,测量系统对电缆长度变化很敏感,.,（,2,）电荷放大器,能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达,10,10,10,12,，输出阻抗小于,100,。,电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电路如图。若放大器的开环增益,K,足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路,C,f,与,R,f,。,压电传感器与电荷放大器连接等效电路,理想情况下,放大器的输入电阻和反馈电阻都等于无穷大,因此可忽略,电荷放大器电压近似为反馈电容上电压,即,充电电压接近等于放大器的输出电压,几点结论,：,1,、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，,而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，,2,、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量,Q,变化成,线形关系的输出电压。,3,、反馈电容,C,f,小，输出就大，,4,、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。,5,、输出电压与电缆电容无关条件：,（,1+K,）,C,f,（,C,a,+,C,cC,i,）,四通道电荷放大器外形,.,2026/4/7 周二,109,上图所示的四通道电荷放大器指标,（参考东方振动和噪声技术研究所资料）,灵 敏 度：,0.1,1000mV/pC,频率范围：,0.3,100KHz,噪声,(,最大增益,),：折合至输入端小于,5V,准 确 度：,1%,最大输出：,10V/10mA,电源：,220V/50Hz,控制方式：计算机或手动,2026/4/7 周二,110,焊接式,电荷放大器,超小型电荷放大器模块,主要指标,:,灵 敏 度：,1,、,10,、,100mV/pC(,任选一档,),频率范围：,0.3,100KHz(,上、下限可选,),噪声,(,最大灵敏度,),：输出端小于,1mV,归 一 化：外接电阻调整线性误差：,1%,最大输出：,5V,或,10V,电源：,6V,15V,特点：可组成经济的多点测试系统,2026/4/7 周二,111,其他电荷放大器外形,2026/4/7 周二,112,面板式电荷放大器,其他电荷放大器外形（续）,2026/4/7 周二,113,2026/4/7 周二,114,1.,玻璃打碎报警装置,将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,压电传感器的应用,高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器,质量块,2026/4/7 周二,115,将厚约,0.2mm,左右的,PVDF,薄膜裁制成,10,20mm,大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。,使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷,Q,，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,2,压电式周界报警系统,（用于重要位置出入口、周界安全防护等）,将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行,对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。,2026/4/7 周二,116,3.,交通监测,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。,2026/4/7 周二,117,高分子压电电缆的应用演示,将两根高分子压电电缆相距,若干米,，平行埋设于柏油公路的路面下约,5cm,，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。,2026/4/7 周二,118,压电式动态力传感器以及在 车床中用于动态切削力的测量,2026/4/7 周二,119,压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用,2026/4/7 周二,120,压电式步态分析跑台,压电式纵跳 训练分析装置,压电传感器测量双腿跳的动态力,三 电容式传感器,优点,：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。,由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。,应用,：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。,电容器是电子技术的三大类无源元件,(,电阻、电感和电容,),之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。,各种电容式传感器,电容式接近开关电容式指纹传感器,电容式变送器,差压传感器,（一）,工作原理与类型,工作原理,用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容,C,为,S,极板相对覆盖面积；,极板间距离；,r,相对介电常数；,0,真空介电常数，,0,8.85,p,F/m,；,电容极板间介质的介电常数。,、,S,和,r,中的某一项或几项有变化时，就改变了电容,C,0,、,或,S,的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；,r,的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。,S,类型,变极距型传感器,变面积型传感器,变介质型传感器,1,、变极距式电容传感器,当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离,d,，从而使电容量发生变化。,2026/4/7 周二,125,a,）,结构示意图,b,）电容量与极板距离的关系,1,定极板,2,动极板,显然，时，于是,2,、变面积式电容传感器,图,a,是平板形直线位移式结构，其中极板,1,可以左右移动，称为动极板。极板,2,固定不动，称为定极板。,图,b,是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。,图,c,是一个角位移式的结构。极板,2,的轴由被测物体带动而旋转一个角位移,度时，两极板的遮盖面积,A,就减小，因而电容量也随之减小。,2026/4/7 周二,127,电容：,电容增量：,测量灵敏度：,变面积式电容传感器的特性,变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。,2026/4/7 周二,129,3,、变介质型电容传感器,因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。,2026/4/7 周二,130,几种介质的相对介电常数,2026/4/7 周二,131,相当于两电容并联：,其中：,取,x=0,时,电容为,C,0,，,有,电容与,x,的关系推导如下：,结论：电容与位移,x,之间呈线形关系。,（二）特性,1.,等效电路,2.,静电引力,3.,寄生电容,4.,温度影响,2026/4/7 周二,133,（三）测量电路,1,、运算放大器式测量电路,2,、脉冲调制电路,原,1,充电,原,0,升压,变,1,0,1,初始,C1=C2,，,M,、,N,等间隔,0,、,1,翻转，输出平均电压为,0,。,如果,C1,、,C2,不等，,M,、,N,翻转将不再等间隔，输出平均电压会向正（或负）偏离：,输出限幅,3,、变压器电桥,如果变压器电桥的,Z1,、,Z2,采用两个变间隙电容，有,（四）电容式压力传感器应用,1,、,电容式差压变送器,2026/4/7 周二,143,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线路位置,内部不锈钢膜片的位置,电容式差压变送器内部结构,1,高压侧进气口,2,低压侧进气口,3,过滤片,4,空腔,5,柔性不锈钢波 纹隔离膜片,6,导压硅油,7,凹形玻璃圆片,8,镀金凹形电极,9,弹性平膜片,10,腔,2026/4/7 周二,144,各种电容式差压变送器外形,2026/4/7 周二,145,各种电容式压力变送器外形（续）,2026/4/7 周二,146,（参考,丹东长隆 自控有限公司,资料）,法兰,各种电容式压力变送器外形（续）,2026/4/7 周二,147,2,、利用电容差压变送器测量液体的液位,差压变送器,2026/4/7 周二,148,施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：,p,=,g h,电容差压变送器用于测量液体的液位,2026/4/7 周二,149,投入式水位计,四、,压阻式传感器,是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。,优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。,（一）,压阻效应,固体材料在应力作用下发生形变时，其电阻率发生变化的现象被称为压阻效应。,对半导体材料,对金属材料,电阻相对变化量,压阻系数,应力,E,弹性模量,由于,E,一般都比（,1+2,）,大几十倍甚至上百倍，因此，引起压阻效应的主要原因是,半导体材料电阻相对变化,，则上式可近似写成,式中,压阻系数；,E,弹性模量；,应力；,应变。,上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。,扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是,各向异性材料,，取向不同其特性不一样。而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。,（二）扩散型压阻式压力传感器,压阻式压力传感器结构简图,1,低压腔,2,高压腔,3,硅杯,4,引线,5,硅膜片,采用,N,型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜,工作原理：,膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。,四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，,输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。,四个电阻的配置位置,：,按膜片上径向应力,r,和切向应力,t,的分布情况确定。,设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。,扩散型压阻式压力传感器 特点,优点,:,体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。,测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。,Thanks!,2026/4/7 周二,155,