检测技术及仪表 教学课件 ppt 作者 樊春玲 第2章压力测量

第2章 压力测量 教学目的及要求：教学目的及要求： 1 1、使学生了解压力检测的重要意义；、使学生了解压力检测的重要意义； 2 2、明确压力的基本概念及表示方法；、明确压力的基本概念及表示方法； 3 3、压力的测量方法及常用压力表。、压力的测量方法及常用压力表。 主要外语词汇 pressure； meter； pressure unit；absolute pressure； gage pressure； atmospheric pressure； Bourdon tube; diaphragm; Bellows differential pressure 主要内容 2.1 压力的基本概念 2.2 液柱式压力计 2.3 弹性式压力检测仪表 2.4 电气式压力检测仪表 2.5 压力表的选择和校验 2.6 压力测量实例 压力在化工生产过程中是最重要的工业参 数之一，正确地测量和控制压力是保证工艺生 产过程良好地运行，达到高产优质低耗及安全 生产的重要环节。并且压力及差压的测量还广 泛地应用在流量和液位的测量中。 压力检测的意义压力检测的意义 1、在化工生产过程中： 压力既影响物料平衡，也影响化学反应速度 ，是标志生产过程能否正常进行的重要参数 。 2、安全生产的需要 从确保安全生产的角度，压力检测也是非常 重要的。如：确保压力容器内的压力在安全 指标之内，确保易燃易爆介质的压力不超标 。 压力检测的意义（续）压力检测的意义（续） 3、其它工业生产中压力检测的作用 在其它工业生产中压力的检测与控制也非常普遍和重要。常 可见到一些工业装置上都装有压力表。 举例：工业锅炉 a）汽包压力：压力过高容易爆炸，压力低动力不足； 4、压力也是间接测量流量和物位的手段 a）用孔板测量流量仅能产生差压，而这个差压靠压力检 测的方法来测取才能最终求出流量。 b）物位：液面的高度可以靠测取压力的大小来表达。 压力检测的意义（续）压力检测的意义（续） 2.1 2.1 压力的基本概念压力的基本概念 1.定义：压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力 ，即物理学中常称的压强。 2.公式：P=F/A F为均匀而垂直作用的力 单位：牛顿（N） A为受力面积 单位：平方米（m2 ） P为压力 单位：帕斯卡（Pa） 3.常用单位：工程大气压 、帕斯卡 、标准大气压 、 毫米汞柱 、毫米水柱 4.压力的几种表示方法： 1）绝对压力：以绝对真空为基准的压力表达，又称总压 力或全压力，常用P表示。 2）大气压力：地球表面的空气柱重量所产生的压力表达 ，常用Pa 表示。 3）表压力（又称表压）：一般测压仪表所指示的压力常 以p表示，当绝对压力大于大气压力时，它等于绝对压力 减大气压力之差。即： 在被测介质的绝对压力大于大气压力时， 表压绝对压力大气压力 4）负压或真空度（又称疏空压力）：即在被测介质的绝 对压力低于大气压力时的一种压力表达。 5. 压力测量方法 根据压力的定义直接测量单位面积上 受力大小 应用压力作用于物体后所产生的各种 物理效应 （1）应用液柱测量压力 （2）应用弹性变形测量压力 （3）应用电测法量压力 2.2 液柱式压力计 2.2.1 工作原理 应用液柱测量压力的方法是以流体静力学为 基础的。 一般采用充有水或水银等玻璃U型管或单管 进行测量。 一、U型管压力计 1.结构：一般常由一支U型玻璃管构成 充液介质：水银、水、酒精等 2、原理： a）在U型管两端同时通大气，而未接 被测压力时，U型管两边管内的液面高 度相等，同处于标尺0线上。 b）当将U型管的一端接入被测压力P 后，如果P大于，则U型管两边管内的 液面就会产生高度差，这个液柱的高 度差就反映了U型管两端所受压力的差 值。 3.公式：根据流体的静力学原理可知，在U 型管22截面上，右边被测压力P作用在液 面上的力应为左边这段高度为h的液柱和大 气压力作用在液面上的力所平衡，即有： 有： 即有： PP0即为被测压力的表压 所以，若被测压力用表压表达，则有： 由于一旦U型管内的充入介质确定，则 、g均为定数。所以h可以直接反映被测压力 p的大小，此即为U型管测压的基本原理。 4.应用范围：适用于低压、负压和压 力差，读数误差可达1mm，测低压相对 误差较大。 二、单管压力计 1、结构：杯径较管径大得多。 2、原理：同U型管 3、特点：由于杯径管径，所以 有： 即：杯内的液位变化可忽略不计。一次 性读数，使用方便。 4、应用范围：测量低压、负压和差压， 量程范围一般在0250， 读数误差：0.5mm较U型管好，因为U型 管压力计要两次读数 2.2.2液柱式压力计的使用 1、误差问题 a）主要的测量误差是读数误差。直接读：1mm左右 ， 单管： 0.5mm， 光学放大镜辅助读： 0.05mm左右。 b）其它影响测量结果的因素： 充液密度的影响（如充液不纯，实际密度与理论 密度不符） 标尺刻度误差（刻度误差及材料的膨胀、收缩， 因为有温度影响） 毛细管的吸附作用（对微压有影响） 使用的地点及环境温度影响等（地点影响g，温度 易影响液体的胀、缩而致使h变化）必要时应作修正 。 2、正确选择充液介质 测低压充低密度介质（可使h大 ） 测高压充高密度介质（否则冒顶 ） 要避免充液与被测介质有化学反 应 3、常用的标尺材料： 玻璃、钢、铜 4、读数的位置（见右图） 1）眼与液柱面水平 2）水银柱读凸部 3）水读凹部 5、应垂直安装，否则引入附加误差 。 2.3 弹性式压力检测仪表 弹性元件在受到被测压力作用时，一 般总要产生弹性形变，在弹性限度内 ，一般说来弹性元件的形变程度与被 测压力的大小是有对应关系的 可以通过测量弹性元件的形变程度来 测量压力的大小，这是目前工业上进 行压力检测的主要形式。 2.3.1 弹性元件 1.弹性元件的结构与特性 弹性元件是压力检测中最常用的敏感 元件。不同结构、不同材料的弹性元 件，在同一压力下会产生不同的弹性 形变，在弹性限度内表现出不同的输 入输出特性 常用的弹性元件弹簧管、膜片和波纹 管。 （1）膜片式弹性元件 （2）波纹管式弹性元件 （3）弹簧管式弹性元件 采用不同材料、不同形状的弹性元件作为 感压元件，可以适用于不同场合、不同范围的压 力测量。目前广泛使用的弹性元件有弹簧管、波 纹管和膜片等。 弹性元件示意图 图中给出了一些常用弹性元件的示意图。其中波图中给出了一些常用弹性元件的示意图。其中波 纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和 多圈弹簧管可用于多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的测量高、中、低压和真空度的测量 。 2. 弹性元件的测压原理 弹性元件所受的轴向外力； 弹性元件的刚度系数，是与材料、结构、几何尺寸 等有关的常数； 弹性元件的中心位移。 则： 弹性元件承受压力的有效面积； 3.影响弹性元件测压性能的因素 1、弹性元件的材料、加工、热处理等方面的 质量严重影响着弹性元件的基本性能特性。 主要表现在： 1）灵敏度： （定义式）：线性元件 （定义式） ：非线性元 件 2）不完全弹性。具体表现： a）弹性滞后：表现在压力增加或减小时弹性 元件的形变量不一样。 b）弹性后效：在弹性极限内，当作用在弹性 元件上的压力很快去掉时，它也不能立即恢 复原状，还有一个数值不大的，经过一段时 间才能恢复。 c）残余变形：形成系统误差。 4、弹性元件的特性 1、结构简单、造价低廉 2、精度较好，安装、使用方便 3、测压范围较宽： 所以用途很广 2、温度效应 在温度变化时，大多数弹性元件的弹性 将减弱。 此亦是造成附加误差的因素。一般弹性 元件希望采用低温度系数的恒弹性金 属材料。 2.3.2 弹簧管压力表 1. 弹性式压力表的组成 弹性式压力表一般由弹性元件、机械 传动放大机构、指示机构和调整机构 组成 。 图2-4 弹性式压力表的组成 2. 弹簧管压力表 （1）弹簧管压力表结构 图2-5 弹簧管压力表的结构 1弹簧管；2拉杆；3 扇形齿轮； 4中心齿轮； 5指针；6面板； 7游丝； 8调零螺钉；9接头 弹簧管压力表在弹性式压力表中更是历史 悠久，应用广泛。弹簧管压力表中压力敏感元 件是弹簧管。弹簧管的横截面呈非圆形（椭圆 形或扁形），弯成圆弧形的空心管子，如图2-5 所示。 管子的一端为封闭，作为位移输出端， 另一端为开口，为被测压力输入端。当开口端 通入被测压力后，非圆横截面在压力p作用下将 趋向圆形，并使弹簧管有伸直的趋势而产生力 矩，其结果使 单圈弹簧管结构 弹簧管的自由端 由B移至B 而产生 位移，输入压力越 大，位移越大。（ 动画）压力检测及 仪表动画弹簧管压 力表.swf 弹簧管压力表 弹簧管放大图 （2）弹簧管压力表特点 弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉；测压范围宽， 可以从真空到103MPa，但不能测量差压；普通弹簧管压力表 精度为14级，精密弹簧管压力表可达0.1级。弹簧管的材料 因被测介质的性质、被测压力的高低有所不同。对于普通介质 ，当20MPa时采用磷铜，当20MPa时采用不锈钢或合金钢 。对于腐蚀性介质，一方面采用隔离膜或隔离液，另一方面可 以采用防腐材料的弹簧管。如测量液氨压力时采用不锈钢弹簧 管；测量氧气压力时严禁沾有油脂，确保使用安全。 2.4 电气式压力检测仪表 电气式压力检测仪表是利用压力传感器将压 力经一次或多次转换，转变为电阻、电容、 电感、电荷（电压）、频率等形式的信号， 配以相应的测量电路输出便于远传的电压、 电流信号或标准信号（变送器），由显示装 置（显示仪表）指示或记录被测压力的大小 。这类检测仪表能够满足自动化生产中集中 检测和集中控制的需要。 2.4.1 应变式压力传感器 应变式压力传感器基于金属导体的“应 变效应”原理，将被测压力转变为电阻 的变化，进而检测压力的大小。 1. 应变效应 金属材料在外力作用下发生机械形变 时，几何尺寸的变化引起电阻值的变 化，这种现象称为应变效应。 1.金属导体的电阻R可表示为： 对于一根圆截面的金属电阻丝，当受 到轴向拉力作用F后 ，电阻的相对变 化量为： (2-22) (2-23) 对于半径为r的金属丝，截面积为 截面积的相对变化量为 令 为金属丝的轴向应变、 为径向 应变，由材料力学可知金属丝的轴向伸长和 径向收缩的关系为： (2-24) (2-25) 将式（2-25）代入式（2-24），再代入式（2 -23）得： 实验表明，金属电阻丝在拉伸比例极限内，电阻值 的相对变化量与轴向应变成正比。因此，可以认为 金属电阻丝发生机械形变时，电阻的变化是由几何 尺寸的改变引起的，可用下式表示 (2-26) (2-27) 一般把金属材料制成电阻应变片使用，将它粘贴于 弹性元件表面，在外力作用下弹性元件的微小形变 在其表面产生应变，通过应变片将该应变转换为电 阻的变化。应力与应变之间的关系为： 因此，可以通过弹性元件将力、压力、力矩、加速 度等物理量转变为应变，再通过应变片转换为电阻 来检测，制成应变式传感器. (2-28) 2. 金属电阻应变片的结构与材料 （1）金属电阻应变片结构 金属电阻应变片的品种繁多、形式多样，常见的有 丝式和箔式。它们均由敏感栅、底基、覆盖层（保 护层）、引线等组成，其结构形式如图2-6所示 . 图2-6 （2）金属电阻应变片材料 敏感栅是电阻应变片的核心，要求材料的电阻应变灵敏系数大 ，且在较大的应变范围内应保持常数；电阻率大，即在同样长 度、同样截面积的金属丝或金属箔中具有较大的电阻初始值； 电阻温度系数小，即环境温度变化引起的电阻变化要小；机械 强度高且具有良好的机械加工性能，易于加工成细丝或箔片应 变片；焊接性能良好，与其它金属材料的接触电势小。 常用的敏感栅材料有铜镍合金（康铜）、镍铬合金、镍铬铅合 金、铁镍铬合金及贵金属（铂、铂钨合金）等。由于康铜的电 阻温度系数小，在丝式应变片中大多采用康铜丝. 箔式应变片的外形 半导体应变片及金属丝 式应变片的结构 半导体应 变片外 形 金属丝式应变片的 内部结构 3. 应变式压力传感器 （1）应变式压力传感器结构 应变式压力传感器是金属应变片粘贴于弹性元件表 面形成的组合体，其中弹性元件是压力敏感元件， 应变片是应变电阻转换元件。 图2-7 圆膜片、弹性梁结构应变式压力传感器 （2）应变式压力传感器特点 应变式压力传感器测压范围宽，可以从几帕到几百 兆帕；测量精度高，最高可达0.05级；测量速度快 ，可适用于静态和动态检测。但是电阻信号变化微 弱且受环境温度的影响，抗干扰能力较差，在大应 变状态下有较大的非线性。 应变效应 应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。 电阻应变片有金属应变片(金属丝或金属箔) 和半导体 应变片式两类。被测压力使应变片产生应变。当应变片 压缩应变时, 其阻值减小；当应变片产生拉伸应变时， 其阻值增加。应变片阻值的变化，再通过桥式电路获得 相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪显示 被测压力，从而组成应变片式压力表。 （动画）压力检测及仪表动画应变式压力传感器 .swf 应变片式压力变送器有较好的动态性能，适用于 快速变化的压力测量。 图应变式压力传感器示意图 1应变筒; 2外壳; 3密封膜片 2.4.2 压阻式压力传感器 压阻式压力传感器基于半导体材料的“ 压阻效应”原理，将被测压力转变为电 阻的变化，进而检测压力的大小。 1. 压阻效应 对半导体材料施加应力，其电阻率发 生改变引起电阻的变化，这种现象称 为压阻效应。 一个长度为l、截面积为A、电阻率为 的半导体电阻体，在受到外力作用后 其电阻的相对变化量同样可表示为： 因为半导体材料几何尺寸变化对电阻 相对变化量的影响很小，可以忽略不 计，所以电阻的相对变化量主要由电 阻率的相对变化量决定。而在半导体 单晶沿纵向受力时，电阻率的相对变 化量为： (2-29) 半导体电阻的相对变化量可表示为 (2-30) 2. 压阻元件 采用半导体材料制成的应变电阻转换元件 成为压阻元件。目前常用的有两种，一种是 粘贴式的半导体应变片，另一种是硅杯膜片 。以硅杯膜片最常见. 图2-9 硅杯膜片结构 3. 压阻式压力传感器 （1）压阻式压力传感器结构 压阻式压力传感器主要由固定在硅杯上的硅 杯膜片和外壳组成。 图2-10 压阻式压力传感器 （2）压阻式压力传感器特点 压阻式压力传感器灵敏度高，它的灵敏系数比金属应变片高50 100倍；频率响应快，不仅能检测静态压力，还能检测动态 压力（最高可达10kHz）；易于小型化和微型化，最小的传感 器可小至1.8mm，在生物学上可以测量血管内压和颅内压；测 压范围很宽，可以低至10Pa的微压（用于血压测量）、高至 60MPa的高压；工作可靠，测量精度可达0.2%0.02%，高 精度的产品可用于大型飞机大气数据的压力检测或作为标准压 力计。目前已经广泛应用于石油、化工、电站等工业领域，是 一种比较理想、发展迅速、正在逐渐成为主选的压力传感器。 2.4.3 压电式压力传感器 压电式压力传感器基于电材料的“压电效应”原理， 在外力作用下压电材料表面产生电荷，通过测量电 路检测电荷量的大小测量被测压力。 1. 压电效应 某些材料沿一定方向受到外力（压缩力或拉力）发 生形变时，材料内部的电荷分布发生改变，在其相 对的两个面上产生符号相反、绝对值相等的电荷， 若将外力撤销又重新回到不带电状态，这种现象称 为压电效应。明显呈现压电效应的功能材料称为压 电材料，具有压电效应的器件称为压电元件。 天然的石英晶体，一般为六棱形，如下图a所示。石 英晶体在三个相互垂直的方向x x, y y, z z上的物 理性质是不同的。其中x x轴称为电气轴，y y轴称 为机械轴，z z轴称为光轴。 原理： 该晶块的一对晶面ABCD、EFGH由于正交 于x x轴，平行于y y轴和z z轴，所以当 沿着x x轴方向有力作用时，由于晶体的 压电效应，结果会在ABCD和EFGH面上将 有等量的异性电荷Qx与Qx出现。如果 用Ax表示晶块的受力面积，用表示作用 在Ax面积上的压力，则： 如果我们沿晶块的y y方向上施加压力，则 在平面ABCD和EFGH（而不是EABF、HDCG）平 面上也会出现等量的异性电荷。但这种情况 下在上述两平面上所出现的电荷Qy（和Qy ）在数量上除和压力即受压面积有关外，还 与晶块的厚度有关。 沿z z轴方向上施加压力，则没有“压电效 应”。 1）沿x轴方向施加作用力Fx，则在垂直于 x轴的平面上（ABCD、EFGH）出现正、 负电荷。此现象又称为纵向压电效应，纵 向压电效应于晶体的厚度无关（或：除与 受力面积有关外，与晶体的其它尺寸无关 ）。 2）沿y轴方向施加作用力Fy，则此时电 荷不是在y平面上产生，而是在x平面上 产生，此称为横向压电效应。横向压电 效应除与作用力Fy有关外，还与晶体的 切片尺寸有关。 纵向压电效应产生正电荷的一面，在 横向压电效应下将产生负电荷 2. 压电材料 目前压电传感器常用的压电材料有压 电晶体、压电陶瓷和高分子压电材料 ，各有特点 . （一）石英晶体 天然形成的石英晶体外形 天然形成的石英晶体外形（续） 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 双面镀银并封装 石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡电 路中工作时，压电效应与 逆压电效应交替作用，从 而产生稳定的振荡输出频 率。 晶振 （二）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电 材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得 多，而制造成本却较低，因此目前国内 外生产的压电元件绝大多数都采用压电 陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸 铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电 陶瓷 （如BaTiO3等）。 压电陶瓷外形 无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制） 高分子压电薄膜及拉制 （三）高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟 乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF ）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种 柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或 电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水 性，可以大量连续拉制，制成较大面积或 较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较 宽，测量动态范围可达80dB。 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器 3. 压电式压力传感器 （1）压电式压力传感器结构 压电材料加工成块状或片状，在能够 产生压电电荷的两个工作面上进行金 属蒸镀，形成两个金属膜电极构成压 电元件。 图2-14 压电式压力传感器 1膜片；2压电元件；3绝缘体；4壳体 （2）压电式压力传感器的特点 压电式压力传感器体积小、结构简单紧凑，工作可靠、线形好 、频率响应高、测压范围大。但是压电元件相当于以压电材料 为介质的有源电容器，内阻很大且输出电荷量很小（一般是皮 库仑数量级），因此在测量电路中需要输入阻抗很高的前置放 大器（一般采用电荷放大器），经放大、阻抗变换后进行处理 。由于压电元件本身存在泄漏电阻，放大器的输入阻抗不可能 无穷大，导致压电元件上的电荷量无法保持不变，因此不适宜 检测静态或频率太低的压力。对于变化较快的动态压力，由于 交变电荷量变化快，通电量相对较小，故适宜于检测动态压力 。 2.4.4 电容式压力传感器 电容式压力传感器基于变电容原理，将弹性敏感元 件的受压形变经电容元件转换为电容量的变化，通 过测量电路进一步转换为可以远传的电压、电流等 信号，实现压力检测. 1. 电容元件 两平板组成电容器，忽略边缘效应其电容量为： （2-34） （1）变极距型电容元件 电容元件实际上是各种类型的可变电容器。平板状 变极距型电容元件的结构原理如图2-15所示。当动 极板产生位移时，改变极板间的距离或、，电容量 或、将发生改变。 1）单边式变极距型电容元件 2）差动式变极距型电容元件 （2）变面积型电容元件 图2-15 平板状变极距型电容元件 2. 影响电容元件性能的因素 影响电容元件性能的因素主要是温度和寄生电容。 （1）温度对电容元件性能的影响 （2）寄生电容对电容元件性能的影响 电容元件除了极板间的电容之外，极板还可能与周 围物体之间产生寄生电容。由于电容元件本身的电 容量很小，寄生电容的存在不可忽视。为了减小和 消除寄生电容的影响，常采用“驱动电缆技术”和“屏 蔽接地技术”。 3. 电容式压力传感器 电容式压力传感器由弹性敏感元件 与电容元件组成，大多采用变极距型 和变面积型。 图2-19 变极距型电容式差压传感器 1、4隔离膜片；2、3不锈钢基座；5 、8玻璃层；6、9蒸镀金属薄膜；7 测量膜片 电容式压力变送器 电容式压力变送器外形 电容式差压变送器 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 各种电容式差 压变送器外形 各种电容式压力变送器外形（续） （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） 三、利用电容差压变送器 测量液体的液位 差压变送器 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 投入式水位计 其测量原理是将弹性元件的位移转换为电容量的变 化。将测压膜片作为电容器的可动极板，它与固定极板 组成可变电容器。当被测压力变化时，由于测压膜片的 弹性变形产生位移改变了两块极板之间的距离，造成电 容量发生变化。 （动画）压力检测及仪表动画电容式压力传感器.swf 电容式差压变送器测量部件 1-隔离膜片； 2，7-固定弧 形电极；3-硅 油；4-测量膜 片；5-玻璃层 ；6-底座 2.4.5 霍尔式压力传感器 霍尔式压力传感器基于“霍尔效应”原理 ，利用弹性敏感元件将压力转变为位 移，经霍尔元件转换为霍尔电势，实 现压力位移电势的转换。通过测 量电路把霍尔电势进一步转换为可以 远传的电压或电流等信号，实现压力 的检测。 1. 霍尔效应与霍尔元件 （1）霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体，当电流方向与 磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流 和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种 现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势。 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中， 磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时， 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH ，这种现象称为霍尔效应。 磁感应强度B为零时的情况 c d a b 磁感应强度B 较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度B越强， 霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表 示： EH=KH IB 霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑 兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c 、d方向的端面之间建立起霍尔电势。 c d a b 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是 与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍 尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（ 与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时 的霍尔电势为 EH=KHIBcos 结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正 比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变 。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频 率的交变电势。 霍尔电势： 令： 则： 2.霍尔效应在压力测量中的应 用： 对于材料和结构已定的霍尔 片，其霍尔电势仅与B和I有 关。如果我们通过稳压电源 确保流过霍尔片的直流电流 I恒定，则霍尔电势的大小 就仅由通过霍尔片的磁感应 强度B来决定了。 图2-22 霍尔式位移检测效应原理 将霍尔片H置于两对极靴间的中央平衡位置时，由于 霍尔片两半所通过的磁通大小相等、方向相反，相 互对称，故由两个方向相反的磁场而产生的霍尔电 势大小相等，方向相反。因此在霍尔片两端导出的 总电势为零。 但在压力测量中，如果我们首先由弹性元件将被测 压力变换成位移X，并把这个位置传给霍尔片H，则 霍尔片就会偏离平衡位置而产生位移x,这时在霍 尔片两端所产生的两个极性相反的电势之和就不再 为零，从而就有一个霍尔电势输出。从上图可以看 到，由于磁场的分布为线性非均匀磁场，所以霍尔 片由位移而产生的电势与其偏移量x成线性对应关 系，从而就实现了压力位移电势的转换 霍尔元件在应用中的问题： 霍尔元件对温度变化敏感，应用中需采取恒温或 温度补偿措施。这是半导体材料的特点。 要确保恒流特性，否则会带来较大误差 易存在不等位电势，主要是由霍尔片电阻率 不均匀，厚度不均匀，以及在工艺上无法保 证A、B完全处于同一等位面上，由此都会产 生测量误差。 3. 霍尔式压力传感器 若保持霍尔元件的控制电流不变，霍 尔元件置于一个均匀梯度的磁场中可 以检测位移量，如上图2-22所示。霍尔 元件沿方向移动，则输出霍尔电势为 ：（2-51） （1）霍尔式压力传感 器结构 霍尔式压力传感器由 两部分组成，一是弹 性敏感元件，用来感 受被测压力；另一部 分是霍尔元件和磁路 系统。一种霍尔式压 力传感器的结构原理 如图2-23所示. 图2-23 霍尔式压力传感器 1弹簧管；2霍尔元件；3磁极 （2）霍尔式压力传感器特点 霍尔式压力传感器结构简单、体积小 、灵敏度较高；由于它是弹性元件与 霍尔元件的组合体，动态特性主要由 弹性元件的性能决定。但是信号转换 效率低、温度影响大，在测量精度要 求较高的场合必须进行不等位电势和 温度补偿。 2.5 2.5 压力表的选择和校验压力表的选择和校验 1、压力表的选择 压力表的选择主要包括仪表型式、量程范围、精度和灵敏度、外 形尺寸以及是否还需要远传和其他功能，如指示、记录、报警、控 制等。选用的依据如下： （1）必须满足工艺生产过程的要求，包括量程和精度； 仪表量程的选择： 为了保证弹性元件在弹性形变的安全范围内工作，在确定仪表 量程时，必须考虑留有余力。 a.在被测压力比较稳定的情况下，最大压力值应不超过满量程的3/4。 b.在被测压力波动较大的情况下，最大压力值应不超过满量程的2/3。 c.为了保证测量精度，被测压力值应不低于全量程的1/3. 精度等级的选择 应根据生产允许的最大测量误差来确定仪表的精度 。一般在满足生产要求的情况下，尽可能选用精度较低 、价廉耐用的压力表。 （2）考虑被测介质的性质，如温度、压力、粘度、腐蚀性 、易燃易爆程度等； （3）注意仪表安装使用时所处的现场环境条件，如环境温 度、电磁场、振动等。 所谓校验，就是 将被校压力表与标准 压力表通以相同的压 力、比较它们的指示 值。 常用的校验仪器 是活塞式压力计。 2、压力表的校验 活塞式压力计 图2-28 活塞式压力计 a，b，c切断阀；d进油阀；1测量活塞；2荷重砝码；3活 塞筒；4螺旋压力发生器；5工作液；6被校压力表；7 手轮；8丝杠；9工作活塞；10油杯；11针形进油 阀阀杆图2-28 活塞式压力计 原理：经手轮推动工作活塞挤压工作液，经工作液 传压给测量活塞，并有测量活塞托起标准的荷重砝 码，以此测量工作液的压力，该压力同时传入被校 仪表，观察仪表示值，看其是否与测量活塞上砝码 荷重一致。也可以在活塞式压力计上接入标准压力 表。 压力表具体的校验步骤，可参照我国颁发的“ 工业用单圈管弹簧式压力表、真空表和压力真空表 检定规程JJG52-71”及“标准弹簧管式压力表、真 空表检定规程JJG49-72”有关规定执行。 3、压力表的安装 （1）测压点的选择：应选择能反应被测压力 真实情况的取压