自动检测与仪表-5.压力检测.ppt

1 1 自动检测自动检测 与仪表与仪表 第二篇第二篇 过程参数检测技术过程参数检测技术 第二篇第二篇 过程参数检测技术过程参数检测技术 4 4 温度检测温度检测 7 7 物位检测物位检测 5 5 压力检测压力检测 8 8 机械量检测机械量检测 6 6 流量检测流量检测 9 9 成分分析仪表成分分析仪表 5.1 5.1 压力单位及压力检测方法压力单位及压力检测方法 5.2 5.2 常用压力检测仪表常用压力检测仪表 5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统 5 5 压力检测压力检测 2 2 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5 5 压力检测 压力检测 5.1 5.1 压力单位及压力检测方法压力单位及压力检测方法 5.1.1 5.1.1 压力的单位压力的单位 5.1.2 5.1.2 压力的压力的几种表示方法几种表示方法 5.1.3 5.1.3 压力检测的主要方法及分类压力检测的主要方法及分类 5.2 5.2 常用压力检测仪表常用压力检测仪表 5.2.1 5.2.1 弹性弹性压力压力计计 5.2.2 5.2.2 力平衡式压力计力平衡式压力计 5.2.3 5.2.3 压力传感器压力传感器 5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统 5.3.1 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用 5.3.2 5.3.2 压力检测系统压力检测系统 3 3 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.1 5.1 压力单位及压力检测方法压力单位及压力检测方法 5.1.1 5.1.1 压力的单位压力的单位 压力压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。 压力压力的单位为帕斯卡，简称帕（的单位为帕斯卡，简称帕（PaPa） 下面给出几种单位之间的换算关系表，以便了解国际单位 制中的压力单位（Pa或MPa）与过去的单位之间的关系。 4 4 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.1 5.1 压力单位及压力检测方法压力单位及压力检测方法 5.1.1 5.1.1 压力的单位压力的单位 压力单位帕/Pa兆帕/ MPa 工程大气压/ (kgf/cm2) 物理大气压/ atm 汞柱/ mmHg水柱/ mH2O （磅/英寸2） / （1b/in2） 巴/bar 帕111061.019710-59.86910-67.50110-31.019710-41.45010-4110-5 兆帕1106110.1979.8697.5011031.01971021.45010210 工程大气压9.8071049.80710-210.9678735.610.0014.220.9807 物理大气压1.01331050.101331.0332176010.3314.701.0133 汞柱1.33321021.333210-41.359510-31.315810-310.01361.93410-2 1.3332 10-3 水柱9.8061039.80610-30.10000.0967873.5511.4220.09806 （磅/英寸2）6.8951036.89510-30.070310.0680551.710.703110.06895 巴11050.11.01970.9869750.110.19714.501 各种压力单位换算表各种压力单位换算表 5 5 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.1 5.1 压力单位及压力检测方法压力单位及压力检测方法 5.1.2 5.1.2 压力的压力的几种表示方法几种表示方法 在压力测量中，常有在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度表压、绝对压力、负压或真空度之分。之分。 当被测压力低于大气压力时，当被测压力低于大气压力时， 一般用一般用负压或真空度负压或真空度来表示。来表示。 p p 表表 P P 真真 P P 绝绝 P P 绝绝 大气压力线大气压力线 零线零线 绝对压力、表压、绝对压力、表压、 负压（真空度）的关系负压（真空度）的关系 绝对压力是指物体实际所承受的全部压力。绝对压力是指物体实际所承受的全部压力。 表压力是一个相对压力，在工程实际中，所说的压力通常是表压力是一个相对压力，在工程实际中，所说的压力通常是 指指表压表压，即，即压力表上的读数压力表上的读数。 6 6 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.1 5.1 压力单位及压力检测方法压力单位及压力检测方法 5.1.3 5.1.3 压力压力检测的主要方法及分类检测的主要方法及分类 液柱式压力表液柱式压力表 液柱式压力表是根据静力学原理，将被测压力转换成液柱式压力表是根据静力学原理，将被测压力转换成 液柱高度来测量压力的。这类仪表包括液柱高度来测量压力的。这类仪表包括 U U 型管压力计、型管压力计、 单管压力计、斜管压力计等。单管压力计、斜管压力计等。 弹性式压力表弹性式压力表 弹性式压力表是根据弹性元件受力变形的原理，将被弹性式压力表是根据弹性元件受力变形的原理，将被 测压力转换成元件的位移来测量压力的。常见的有弹簧管测压力转换成元件的位移来测量压力的。常见的有弹簧管 压力表、波纹管压力表、膜片（或膜盒）式压力表。压力表、波纹管压力表、膜片（或膜盒）式压力表。 测量压力的仪表种类很多，测量压力的仪表种类很多， 按其转换原理可大致分为以下四种：按其转换原理可大致分为以下四种： 7 7 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.1 5.1 压力单位及压力检测方法压力单位及压力检测方法 5.1.3 5.1.3 压力压力检测的主要方法及分类检测的主要方法及分类 活塞式压力计活塞式压力计 活塞式压力计是利用流体静力学中的液压传递原活塞式压力计是利用流体静力学中的液压传递原 理，将被测压力转换成活塞上所加珐码的重量进行压理，将被测压力转换成活塞上所加珐码的重量进行压 力测量的。力测量的。 这类测压仪表的测量精度很高，允许误差可小到这类测压仪表的测量精度很高，允许误差可小到 0. 05 0. 05 一一 0 .2% 0 .2% ，所以普遍用作标准压力发生器或标，所以普遍用作标准压力发生器或标 准仪器对其他压力表或压力传感器进行校验和标定。准仪器对其他压力表或压力传感器进行校验和标定。 测量压力的仪表种类很多，测量压力的仪表种类很多， 按其转换原理可大致分为以下四种：按其转换原理可大致分为以下四种： 8 8 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.1 5.1 压力单位及压力检测方法压力单位及压力检测方法 5.1.3 5.1.3 压力压力检测的主要方法及分类检测的主要方法及分类 压力传感器和压力变送器压力传感器和压力变送器 压力传感器和压力变送器是利用物体某些物理特压力传感器和压力变送器是利用物体某些物理特 性，通过不同的转换元件将被测压力转换成各种电量性，通过不同的转换元件将被测压力转换成各种电量 信号，并根据这些信号的变化来间接测量压力。信号，并根据这些信号的变化来间接测量压力。 根据转换元件的不同，压力传感器和压力变送器根据转换元件的不同，压力传感器和压力变送器 可分为电阻式、电容式、应变式、电感式、压电式、可分为电阻式、电容式、应变式、电感式、压电式、 霍尔片式等多种形式。霍尔片式等多种形式。 测量压力的仪表种类很多，测量压力的仪表种类很多， 按其转换原理可大致分为以下四种：按其转换原理可大致分为以下四种： 9 9 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.1 5.1 压力单位及压力检测方法压力单位及压力检测方法 5.1.3 5.1.3 压力压力检测的主要方法及分类检测的主要方法及分类 压力传感器和压力变送器压力传感器和压力变送器 测量压力的仪表种类很多，测量压力的仪表种类很多， 按其转换原理可大致分为以下四种：按其转换原理可大致分为以下四种： 活塞式压力计活塞式压力计 液柱式压力表液柱式压力表 弹性式压力表弹性式压力表 1010 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.15.2.1 弹性弹性压力压力计计 一、一、弹性元件弹性元件 弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。 当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。 弹性元件示意图弹性元件示意图 弹簧管式弹簧管式弹性元件如图弹性元件如图(a)(a)和和(b)(b)所示，所示，薄膜式薄膜式弹性元件弹性元件 如图如图(c)(c)和和(d)(d)所示，所示，波纹管式波纹管式弹性元件如图弹性元件如图(e)(e)所示。所示。 弹性弹性压力压力计的组成框图计的组成框图 P59P59 1111 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.15.2.1 弹性弹性压力压力计计 二、二、弹簧管压力表弹簧管压力表 11弹簧管；弹簧管；2 2 拉杆；拉杆； 3 3 扇形齿轮；扇形齿轮；4 4 中心齿轮；中心齿轮； 5 5 指针；指针；6 6 面板；面板； 7 7 游丝；游丝；8 8 调整螺丝；调整螺丝； 9 9 接头接头 分分 类类 使用的测压元件使用的测压元件 用途用途 单圈弹簧管压力表、单圈弹簧管压力表、 多圈弹簧管压力表。多圈弹簧管压力表。 普通弹簧管压力表，普通弹簧管压力表， 耐腐蚀的氨用压力表、耐腐蚀的氨用压力表、 禁油的氧气压力表等。禁油的氧气压力表等。 1212 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.15.2.1 弹性弹性压力压力计计 二、二、弹簧管压力表弹簧管压力表 电接点信号压力表电接点信号压力表 1 1，4 4 静触点；静触点；2 2 动触点；动触点； 3 3 绿灯；绿灯；5 5 红灯红灯 普通弹簧管压力表普通弹簧管压力表 电远传弹性压力表电远传弹性压力表的结构原理见的结构原理见P62P62 1313 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.15.2.1 弹性弹性压力压力计计 二、二、弹簧管压力表弹簧管压力表 电远传弹性压力表电远传弹性压力表的结构原理见的结构原理见P62P62 霍尔元件霍尔元件 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔元件是将一种半导霍尔元件是将一种半导 体四端薄片（霍尔片），做体四端薄片（霍尔片），做 成正方形，在薄片上焊有两成正方形，在薄片上焊有两 对电极引出线，然后采用非对电极引出线，然后采用非 导磁金属或陶瓷或环氧树脂导磁金属或陶瓷或环氧树脂 封装制成的。封装制成的。 1414 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.15.2.1 弹性弹性压力压力计计 二、二、弹簧管压力表弹簧管压力表 电远传弹性压力表电远传弹性压力表的结构原理见的结构原理见P62P62 霍尔效应霍尔效应 霍尔传感器霍尔传感器 在垂直于半导体薄片平面的上方，在垂直于半导体薄片平面的上方， 施加施加磁感应强度磁感应强度为为B B的磁场，的磁场，在半导在半导 体薄片相对的两边通以体薄片相对的两边通以控制电流控制电流I I。 当当N N型半导体中的载流子（电子型半导体中的载流子（电子 ）沿着电流）沿着电流I I相反地方向运动时，受相反地方向运动时，受 到洛仑兹力到洛仑兹力F F L L 的作用，使电子偏向一的作用，使电子偏向一 端，产生负电荷的积聚，而另一端面端，产生负电荷的积聚，而另一端面 则为正电荷积聚，产生了静电场，即则为正电荷积聚，产生了静电场，即 霍尔电场霍尔电场。 图示的一块图示的一块 N N型型半导体半导体薄片，薄片， 其长度为其长度为L L， 宽度为宽度为l l， 厚度为厚度为d d。 1515 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.15.2.1 弹性弹性压力压力计计 二、二、弹簧管压力表弹簧管压力表 电远传弹性压力表电远传弹性压力表的结构原理见的结构原理见P62P62 霍尔效应霍尔效应 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔电场霍尔电场对电子的作用力对电子的作用力F F E E 与与 洛仑兹力洛仑兹力F F L L 方向相反，将阻止电子方向相反，将阻止电子 继续偏转，最后形成动态平衡。继续偏转，最后形成动态平衡。 此时在半导体薄片电荷积聚的此时在半导体薄片电荷积聚的 两边将产生一个与两边将产生一个与控制电流控制电流I I和和磁感磁感 应强度应强度B B乘积成正比的电势乘积成正比的电势U UH H，这 ，这 一现象称为一现象称为霍尔效应霍尔效应，该电势称为，该电势称为 霍尔电势霍尔电势。 图示的一块图示的一块 N N型型半导体半导体薄片，薄片， 其长度为其长度为L L， 宽度为宽度为l l， 厚度为厚度为d d。 1616 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.15.2.1 弹性弹性压力压力计计 二、二、弹簧管压力表弹簧管压力表 电远传弹性压力表电远传弹性压力表的结构原理见的结构原理见P62P62 霍尔位移传感器霍尔位移传感器 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔位移传感器如图示，霍尔位移传感器如图示， 在极性相反、磁场强度相同的在极性相反、磁场强度相同的 两个磁钢两个磁钢的气隙间放置的气隙间放置一个霍尔元件一个霍尔元件。 当控制电流当控制电流I I恒定不变时，霍尔电势恒定不变时，霍尔电势 U U HH与外磁感应强度成正比；若磁场在一 与外磁感应强度成正比；若磁场在一 定范围内沿定范围内沿x x方向的变化梯度方向的变化梯度d dB B/ /d dx x为一为一 常数，则当霍尔元件沿常数，则当霍尔元件沿x x方向移动时，方向移动时， 输出的输出的霍尔电势霍尔电势为：为：U UH H KxKx 检测压力检测压力 1717 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.25.2.2 力平衡式力平衡式压力压力计计 P P 测量部分测量部分 F F i i 杠杆系统杠杆系统 MM 放大器放大器 反馈部分反馈部分 F F f f I Io o DDZ-IIIDDZ-III型差压变送器型差压变送器 P P 膜盒膜盒 F F i i 杠杆系统杠杆系统 MM位移检测位移检测 放大器放大器 电磁反馈机构电磁反馈机构 F F f f I Io o 膜盒式差压变送器构成膜盒式差压变送器构成 检测元件检测元件：膜盒或膜片膜盒或膜片 工作原理：力矩平衡工作原理：力矩平衡 杠杆系统杠杆系统：单杠杆、双杠杆单杠杆、双杠杆 和矢量机构和矢量机构 P62P62 1818 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.35.2.3 压力压力传感器传感器 5.2.3.1 5.2.3.1 应变式压力应变式压力传感器传感器 5.2.3.2 5.2.3.2 压阻式压力传感器压阻式压力传感器 5.2.3.3 5.2.3.3 电容式压力传感器电容式压力传感器 5.2.3.4 5.2.3.4 振频式压力传感器振频式压力传感器 5.2.3.5 5.2.3.5 压电式压力传感器压电式压力传感器 5.2.3.6 5.2.3.6 集成式压力传感器集成式压力传感器 应变式应变式传感器传感器 压阻式传感器压阻式传感器 电容式传感器电容式传感器 压电式传感器压电式传感器 1919 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 应变式传感器应变式传感器 5.2.3.1 5.2.3.1 应变式压力应变式压力传感器传感器 电阻应变效应电阻应变效应 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 应变式传感器的应用应变式传感器的应用 应变应变式力传感器式力传感器 应变式压力传感器应变式压力传感器 应变式液体重量应变式液体重量( (或液位或液位) )传感器传感器 应变式加速度传感器应变式加速度传感器 8.4 8.4 力的检测方法力的检测方法 2020 自动检测自动检测 与仪表与仪表 1-1-电阻丝；电阻丝；2-2-基片；基片； 3-3-引出线；引出线；4-4-覆盖层覆盖层 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 应变式传感器应变式传感器 5.2.3.1 5.2.3.1 应变式压力应变式压力传感器传感器 电阻应变效应电阻应变效应 金属箔式应变片金属箔式应变片 2121 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 应变式传感器应变式传感器 5.2.3.1 5.2.3.1 应变式压力应变式压力传感器传感器 金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变， 其电阻也将随之发生变化，这种物理现象称为其电阻也将随之发生变化，这种物理现象称为“ “应变效应应变效应” ”。 应变片的工作过程应变片的工作过程： 位移、力、力矩、加速度、压力位移、力、力矩、加速度、压力 弹性敏弹性敏 感元件感元件 应变应变 外力作用外力作用 被测对象表面产生微小机械变形被测对象表面产生微小机械变形 应变片敏感栅随同变形应变片敏感栅随同变形 电阻值发生相应变化电阻值发生相应变化 应变片应变片 电阻应变效应电阻应变效应 2222 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 应变式传感器应变式传感器 5.2.3.1 5.2.3.1 应变式压力应变式压力传感器传感器 金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变， 其电阻也将随之发生变化，这种物理现象称为其电阻也将随之发生变化，这种物理现象称为“ “应变效应应变效应” ”。 F l、A 、 R 对于半径为对于半径为r r的圆导体，的圆导体， A A= =rr 2 2 ， A A/ /A A=2=2r r/ /r r。又。又由材料力学可知，在弹性范围内，由材料力学可知，在弹性范围内， 电阻电阻R R ；电阻率；电阻率 长度长度l l；截面积；截面积A A 电阻应变效应电阻应变效应 2323 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 应变式传感器应变式传感器 5.2.3.1 5.2.3.1 应变式压力应变式压力传感器传感器 电阻的灵敏度系数电阻的灵敏度系数 由材料的几何尺寸变化引起由材料的几何尺寸变化引起 由材料的电阻率由材料的电阻率随应变引起（压阻效应）随应变引起（压阻效应） 金属材料：金属材料：K K以前者为主，则以前者为主，则K K1+21+2 1.71.73.63.6 半半 导导 体：体：K K值主要是由电阻率相对变化所决定值主要是由电阻率相对变化所决定 金属电阻丝的电阻相对变化率 与轴向应变成正比。 结论结论 电阻应变效应电阻应变效应 2424 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 应变式传感器应变式传感器 5.2.3.1 5.2.3.1 应变式压力应变式压力传感器传感器 应变式压力传感器应变式压力传感器 传感筒传感筒 1-1-应变筒应变筒 2-2-外壳外壳 3-3-密封膜片密封膜片 应变筒的上端与外壳固定在一起，应变筒的上端与外壳固定在一起， 下端与不锈钢密封膜片下端与不锈钢密封膜片3 3紧密接触，紧密接触， 静态性能相同的应变片静态性能相同的应变片 r r 1 1 和和 r r 2 2 用胶合剂贴紧在应变筒的外壁。用胶合剂贴紧在应变筒的外壁。 r r1 1 沿轴向贴放，为测量片；沿轴向贴放，为测量片； r r2 2 沿径向贴放，为温度补偿片。沿径向贴放，为温度补偿片。 当膜片受到外力作用时，弹性筒轴向受压，当膜片受到外力作用时，弹性筒轴向受压， 使应变片使应变片 r r 1 1 产生轴向应变，阻值变小；产生轴向应变，阻值变小； 而应变片而应变片 r r 2 2 受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值变大。受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值变大。 r r2 2 的变化量比的变化量比 r r 1 1 的变化量要小，的变化量要小，r r 2 2 的主要作用是温度补偿。的主要作用是温度补偿。 2525 自动检测自动检测 与仪表与仪表 U U E E r r1 1 r r2 2 R R3 3 R R4 4 A A B B 测量电桥测量电桥 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 应变式传感器应变式传感器 5.2.3.1 5.2.3.1 应变式压力应变式压力传感器传感器 R R3 3 和和R R 4 4 是两个阻值相是两个阻值相 等的精密固定电阻等的精密固定电阻 不受压时不受压时 r r1 1 = r= r 2 2 =r=r 0 0 R R 3 3 =R=R 4 4 =r =r 若应变片受压，则：若应变片受压，则：r r 1 1 = r= r 0 0 +r+r 1 1 ；r r 2 2 = r= r 0 0 +r+r 2 2 (r (r 1 1 rr 2 2 ) ) 可见，有压力作用时，可见，有压力作用时，r r 1 1 和和r r 2 2 一减一增，使电桥有较大的输出；一减一增，使电桥有较大的输出； 当环境温度发生变化时，当环境温度发生变化时，r r 1 1 、r r 2 2 同时增减，不影响电桥的平衡。同时增减，不影响电桥的平衡。 如果仪表能把电桥输出电压如果仪表能把电桥输出电压U U进一步转换为标准信号输出，进一步转换为标准信号输出， 则该仪表即可称为则该仪表即可称为应变式压力变送器应变式压力变送器。 应变式压力传感器应变式压力传感器 2626 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 应变式传感器应变式传感器 5.2.3.1 5.2.3.1 应变式压力应变式压力传感器传感器 应变式压力传感器应变式压力传感器 比较三种测量电桥输出电压比较三种测量电桥输出电压U U 0 0 当当测量电桥测量电桥 时为等臂电桥。通常时为等臂电桥。通常 半桥半桥全桥全桥 单臂单臂电桥电桥 （测量结构见（测量结构见P63P63） 2727 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.3.2 5.2.3.2 压阻式压力传感器压阻式压力传感器 压阻式传感器压阻式传感器压阻效应及压阻系数压阻效应及压阻系数 当在半导体材料上施加一作用力时，其电阻率当在半导体材料上施加一作用力时，其电阻率 将发生显著的变化，这种现象称为将发生显著的变化，这种现象称为压阻效应压阻效应。 纵向压阻系数纵向压阻系数和和横向压阻系数横向压阻系数， 大小由所扩散电阻的晶向来决定；大小由所扩散电阻的晶向来决定； 纵纵纵纵向向应应应应力和横向力和横向应应应应力力（切向切向应应应应力力）， 其状其状态态态态由由扩扩扩扩散散电电电电阻所阻所处处处处位置决定。位置决定。 2828 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.3.2 5.2.3.2 压阻式压力传感器压阻式压力传感器 压阻式传感器压阻式传感器压阻元件压阻元件 压阻元件是指在半导体材料的基片上用集成压阻元件是指在半导体材料的基片上用集成 电路工艺制成的电路工艺制成的扩散电阻扩散电阻。 它是基于压阻效应工作的，即当它受压时，它是基于压阻效应工作的，即当它受压时， 其电阻值随电阻率的改变而变化。其电阻值随电阻率的改变而变化。 常用的压阻元件有常用的压阻元件有单晶硅膜片单晶硅膜片以及在以及在N N型单型单 晶硅膜片上扩散晶硅膜片上扩散P P型杂质的型杂质的扩散硅扩散硅等，也是等，也是 依附于弹性元件而工作。依附于弹性元件而工作。 2929 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.3.2 5.2.3.2 压阻式压力传感器压阻式压力传感器 压阻式传感器压阻式传感器压阻式压力传感器压阻式压力传感器 t r R4 R3 R1R2 U U0 膜 片 P P R1 R2 R3 R4 rr tt r r t t 3030 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.3.2 5.2.3.2 压阻式压力传感器压阻式压力传感器 压阻式传感器压阻式传感器压阻式压力传感器压阻式压力传感器 感压元件为扩散硅应变片感压元件为扩散硅应变片 硅硅杯内腔承受被测压力杯内腔承受被测压力p p，杯的外侧为大气压力，杯的外侧为大气压力 如用来测量差压，则分别接如用来测量差压，则分别接p p 1 1 及及p p 2 2 原理结构原理结构电阻布置电阻布置测量电桥测量电桥 扩散硅扩散硅 压力变送器压力变送器 3131 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.3.3 5.2.3.3 电容式压力传感器电容式压力传感器 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器的基本原理电容式传感器的基本原理 电容量电容量C C的大小的大小 与与S S、d d和和 有关，有关， 若保持这三个参数中的若保持这三个参数中的 两个不变而改变另一个，两个不变而改变另一个， 则则C C就会发生变化。就会发生变化。 S S 极板相对覆盖面积极板相对覆盖面积 d d 极板间距离极板间距离 r r 相对介电常数相对介电常数 0 0 真空介电常数真空介电常数 电容极板间介质的介电常数电容极板间介质的介电常数 d S 3232 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.3.3 5.2.3.3 电容式压力传感器电容式压力传感器 电容式传感器电容式传感器 变面积变面积(S)(S)型型: : 变极距变极距(d)(d)型型: : 变介电常数变介电常数()()型型: : 电容式传感器的三种类型电容式传感器的三种类型 3333 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.3.3 5.2.3.3 电容式压力传感器电容式压力传感器 电容式传感器电容式传感器 P2 玻璃盘 镀金层 金属 膜片 C2 电极引线 p1 C1 电容式差压传感器电容式差压传感器 结构简单、灵敏度高、响应速度快结构简单、灵敏度高、响应速度快( (约约100ms)100ms)， 能测微小压差能测微小压差(0(00.75Pa)0.75Pa)、真空或微小绝对压力，真空或微小绝对压力， 需把膜片的一侧密封并抽成高真空需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10(10-5 -5Pa) Pa)即可。即可。 3434 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.3.5 5.2.3.5 压电式压力传感器压电式压力传感器 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器是一种典型的压电式传感器是一种典型的有源传感器有源传感器（属于（属于 发电型传感器）。发电型传感器）。 压电式传感器元件是压电式传感器元件是力敏感元件力敏感元件，所以它能测，所以它能测 量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压 力、加速度等。力、加速度等。 它以某些电介质的它以某些电介质的压电效应压电效应为基础，在外力作为基础，在外力作 用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现 非电量电测的目的。非电量电测的目的。 3535 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.3.5 5.2.3.5 压电式压力传感器压电式压力传感器 压电式传感器压电式传感器 正压电效应正压电效应 某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用 而发生改变时，其表面上会而发生改变时，其表面上会产生电荷产生电荷；若将外力；若将外力 去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现 象就称为象就称为“正压电效应正压电效应”。 逆压电效应逆压电效应 在压电材料的两个电极面上，如果加以交流在压电材料的两个电极面上，如果加以交流 电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在 电极方向上有电极方向上有伸缩伸缩的现象，压电材料的这种现象的现象，压电材料的这种现象 称为称为“电致伸缩效应电致伸缩效应”，也叫做，也叫做“逆压电效应逆压电效应” 。 3636 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.3.5 5.2.3.5 压电式压力传感器压电式压力传感器 压电式传感器压电式传感器 X X轴轴- -电轴；电轴； Y Y轴轴- -机械轴；机械轴； Z Z轴轴- -光轴光轴 “ “纵向压电效应纵向压电效应” ”：沿电轴沿电轴( (X X轴轴) )方向的力作用下产生电荷方向的力作用下产生电荷 “ “横向压电效应横向压电效应” ”：沿机械轴沿机械轴( (Y Y轴轴) )方向的力作用下产生电荷方向的力作用下产生电荷 压电材料分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。压电材料分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。 3737 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.3.5 5.2.3.5 压电式压力传感器压电式压力传感器 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器压电式传感器 的等效电路的等效电路 3838 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.2 5.2 常用压力检测仪常用压力检测仪表表 5.2.3.5 5.2.3.5 压电式压力传感器压电式压力传感器 压电式传感器压电式传感器 压电式压力传感器压电式压力传感器 用于流体压力的测量用于流体压力的测量 拉紧的薄壁管对晶片提供预载拉紧的薄壁管对晶片提供预载 力，而感受外部压力的是由挠力，而感受外部压力的是由挠 性材料做成的很薄的膜片。性材料做成的很薄的膜片。 预载筒外的空腔可以连接冷却预载筒外的空腔可以连接冷却 系统，以保证传感器工作在一系统，以保证传感器工作在一 定的环境温度条件下，避免因定的环境温度条件下，避免因 温度变化造成预载力变化引起温度变化造成预载力变化引起 的测量误差。的测量误差。 3939 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统 5.3.1 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用 测压仪表的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，测压仪表的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求， 结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析。结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析。 一、仪表类型的选用一、仪表类型的选用 三、仪表精度级的选取三、仪表精度级的选取 二、仪表测量范围的确定二、仪表测量范围的确定 选用选用安装安装 一般考虑以下几个问题：一般考虑以下几个问题： 4040 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统 5.3.1 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用一、仪表类型的选用一、仪表类型的选用 1.1.仪表的材料仪表的材料 压力检测 压力检测( (检测仪表检测仪表) )的特点是压力的特点是压力 敏感元件往往要与被测介质直接接触敏感元件往往要与被测介质直接接触。 因此在选择仪表材料的时候要综合因此在选择仪表材料的时候要综合 考虑仪表的工作条件。考虑仪表的工作条件。 正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提。正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提。 主要应考虑以下几个方面主要应考虑以下几个方面: : 仪表的材料仪表的材料 输出信号类型输出信号类型 使用环境使用环境 上述选型原则也适用于差压、流量、液位等其它检测仪表的选型上述选型原则也适用于差压、流量、液位等其它检测仪表的选型 4141 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统 5.3.1 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用一、仪表类型的选用一、仪表类型的选用 2.2.输出信号类型输出信号类型 只需观察压力变化的可选只需观察压力变化的可选用用 如弹簧管压力表、液柱式压力计那样的直接指示型的仪表；如弹簧管压力表、液柱式压力计那样的直接指示型的仪表； 如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表可选用如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表可选用 电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表；电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表； 如果要检测快速变化的压力信号可选用如果要检测快速变化的压力信号可选用 电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器；电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器； 如果控制系统要求能进行数字量通信可选用如果控制系统要求能进行数字量通信可选用 智能式压力检测仪表。智能式压力检测仪表。 4242 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统 5.3.1 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用一、仪表类型的选用一、仪表类型的选用 3.3.使用环境使用环境 对爆炸性较强的环境，对爆炸性较强的环境， 在使用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表；在使用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表； 对于温度特别高或特别低、环境温度变化大的场合，对于温度特别高或特别低、环境温度变化大的场合， 应选择使用温度适当、温度系数小的敏感元件以及其应选择使用温度适当、温度系数小的敏感元件以及其 他变换元件。他变换元件。 4343 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统 5.3.1 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用二、仪表测量范围的确定二、仪表测量范围的确定 仪表的量程仪表的量程 是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围。是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围。 关键关键：根据被测参数的大小来确定，根据被测参数的大小来确定， 同时必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，同时必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况， 对仪表的量程选择必须留有足够的余地。对仪表的量程选择必须留有足够的余地。 被测参数的正常值一般要求工作在仪表量程被测参数的正常值一般要求工作在仪表量程1/32/31/32/3为宜为宜 4444 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统 5.3.1 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用二、仪表测量范围的确定二、仪表测量范围的确定 测量稳定压力测量稳定压力：最大工作压力最大工作压力P Pimax imax不超过上限值 不超过上限值P Pmax max的 的2/32/3（或（或3/43/4） 测量脉动压力测量脉动压力：最大工作压力最大工作压力P Pimax imax不超过上限值 不超过上限值P Pmax max的 的1/21/2（或（或2/32/3） 测量高压压力测量高压压力：最大工作压力最大工作压力P Pimax imax不超过上限值 不超过上限值P Pmax max的 的3/53/5 一般测量压力一般测量压力：最小工作压力最小工作压力P Pimin imin不低于上限值 不低于上限值P Pmax max的 的1/31/3 被测参数的正常值一般要求工作在仪表量程被测参数的正常值一般要求工作在仪表量程1/32/31/32/3为宜为宜 仪表的量程等级仪表的量程等级： 1 1、1.61.6、2.52.5、4.04.0、6.0kPa6.0kPa以及它们以及它们1010 n n 倍。倍。 在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。 4545 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统 5.3.1 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用三、仪表精度级的选取三、仪表精度级的选取 根据生产允许的最大误差来确定根据生产允许的最大误差来确定， 即要求实际被测压力允许的即要求实际被测压力允许的 最大绝对误差应小于仪表的基本误差。最大绝对误差应小于仪表的基本误差。 在选择时应坚持节约的原则在选择时应坚持节约的原则， 只要测量精度能满足生产的要求，只要测量精度能满足生产的要求， 就不必追求用过高精度的仪表。就不必追求用过高精度的仪表。 4646 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统 有一压力容器在正常工作时压力范围为有一压力容器在正常工作时压力范围为0.40.40.6MPa0.6MPa， 要求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差不大要求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差不大 于被测压力的于被测压力的44，试确定该表的量程和精度等级。，试确定该表的量程和精度等级。 被测压力比较稳定，设仪表量程为被测压力比较稳定，设仪表量程为0 0AMPaAMPa，则根据，则根据 工作压力的要求：工作压力的要求： 按量程系列，选用量程范围为按量程系列，选用量程范围为0 01.0MPa1.0MPa的弹簧管压力表。的弹簧管压力表。 由题意，被测压力的允许最大绝对误差为：由题意，被测压力的允许最大绝对误差为： max max 0.44%0.44%0.016 0.016 MPaMPa 这就要求所选仪表的相对百分误差为：这就要求所选仪表的相对百分误差为： 0.016/0.016/( (1 10 0)100%100%1.6%1.6% 按照仪表的精度等级，可选择按照仪表的精度等级，可选择1.51.5级的压力表。级的压力表。 5.3.1 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用 举例举例1 1 解：解： 4747 自动检测自动检测 与仪表与仪表 由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择 仪表的上限值为仪表的上限值为 5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统 5.3.1 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用 某台往复式压缩机的出口压力范围为某台往复式压缩机的出口压力范围为252528MPa28MPa， 测量误差不得大于测量误差不得大于1MPa1MPa。工艺上要求就地观察，。工艺上要求就地观察， 并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型 号、精度与测量范围。号、精度与测量范围。 举例举例2 2 解：解： 根据就地观察及能进行高低限报警的要求，可查得根据就地观察及能进行高低限报警的要求，可查得 选用选用YX-150YX-150型电接点压力表，测量范围为型电接点压力表，测量范围为0 060MPa60MPa。 由于由于 ，故被测压力的最小值不低于，故被测压力的最小值不低于 满量程的满量程的1/31/3，这是允许的。，这是允许的。 4848 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统 5.3.1 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用 某台往复式压缩机的出口压力范围为某台往复式压缩机的出口压力范围为252528MPa28MPa， 测量误差不得大于测量误差不得大于1MPa1MPa。工艺上要求就地观察，。工艺上要求就地观察， 并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型 号、精度与测量范围。号、精度与测量范围。 举例举例2 2 解：解： 根据测量误差的要求，可算得允许误差为根据测量误差的要求，可算得允许误差为 所以，精度等级为所以，精度等级为1.51.5级的仪表完全可以满足误差要求。级的仪表完全可以满足误差要求。 至此确定，选择的压力表为至此确定，选择的压力表为YX-150YX-150型电接点压力表，型电接点压力表， 测量范围为测量范围为0 060MPa60MPa，精度等级为，精度等级为1.51.5级。级。 4949 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统 5.3.1 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用 举例举例3 3 某反应器最大压力为某反应器最大压力为0.6MPa0.6MPa，允许最大绝对误差为，允许最大绝对误差为0.020.02 MPaMPa。现用一台测量范围为。现用一台测量范围为0 01.6MPa1.6MPa，准确度为，准确度为1.51.5级的级的 压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采 用一台测量范围为用一台测量范围为0 01.0MPa1.0MPa，准确度为，准确度为1.51.5级的压力表，级的压力表， 问能符合误差要求吗？试说明其理由。问能符合误差要求吗？试说明其理由。 解：解： 对于测量范围为对于测量范围为0 01.6MPa1.6MPa，准确度为，准确度为1.51.5级的压力表，级的压力表， 允许的最大绝对误差为允许的最大绝对误差为 1.61.5% 1.61.5% 0.0240.024( (MPaMPa) ) 因为此数值超过了工艺上允许的最大绝对误差数值，因为此数值超过了工艺上允许的最大绝对误差数值， 所以是不合格的。所以是不合格的。 5050 自动检测自动检测 与仪表与仪表 5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统 5.3.1 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用 举例举例3 3 某反应器最大压力为某反应器最大压力为0.6MPa0.6MPa，允许最大绝对误差为，允许最大绝对误差为0.020.02 MPaMPa。现用一台测量范围为。现用一台测量范围为0 01.6MPa1.6MPa，准确度为，准确度为1.51.5级的级的 压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采 用一台测量范围为用一台测