5、压力检测1.ppt

5 压力检测 5 1 压力单位及压力检测方法分类5 2 常用压力检测仪表 传感器 弹簧管压力计 波纹管差压计 霍尔式压力计 应变式压力传感器 压电式压力传感器等5 3 测压仪表的使用及压力检测系统 自学 5 1 压力单位及压力检测方法分类 5 1 1 压力的概念 压强 1 介质 气体或液体 垂直作用在单位面积上的力 称 压力 它是由于分子的重量和分子运动对器壁冲撞的结果 F 垂直作用力S 受力面积 2 压力的表示方法 绝对压力 从绝对真空算起 作用在物体上的压力 表压力 表示物体受到超出大气压力的大小 P绝对 P表 P大气不同地区 由于大气压力不同 P绝对一定 测得的P表不同 若P绝对 P大气P表为负压 这种状态P表称为负压或真空 负压的绝对值越大 即绝对压力愈低 真空度愈高 3 压力的单位 SI制导出单位 帕斯卡Pa1Pa 1N m2工程中常用单位 mmHg mmH2O 工程大气压 标准大气压等 各单位之间的换算见表5 1 4 压力范围划分 5 1 2 压力测量方法 1 液体压力平衡法 通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的方法 液柱压力计 将被测压力转换为液柱高度来测量 有U形管压力计 单管压力计 倾斜管压力计等 特点 见教材 活塞式压力计 基于重力平衡原理 利用液体传递压力 把一个准确的压力传递给被校的压力仪表 常用作标准 精确度高 2 机械力平衡法 将被测压力经变换元件 如杠杆 转换为一个集中力 用外力与之平衡 通过测量平衡时的外力可以测知被测压力 结构复杂 3 弹性力平衡法 利用各种弹性元件受力后 产生弹性形变 位移 根据弹性变形的大小来测量被测压力的大小 常用的弹性元件 膜片 波纹管 弹簧管 表5 2 弹性元件的特性 F C sF 轴向拉力 压力 s 位移C 弹性元件的刚度系数 又F P AeP 压力Ae 弹性元件的有效面积 当Ae C保持一定 位移s与压力P成线性关系 注意 弹性元件存在弹性滞后 且变差较大 4 电测法 借助弹性元件 通过压电 压阻等传感器将压力转换成电信号进行测量 电阻 电容 电感式压力计 特点是线路简单 便于远传 霍尔式压力计 基于霍尔效应 应变式压力计 利用应变片的应变效应 即应变片受压或受拉会产生形变 而引起应变电阻发生变化 常用于动态测量 测快速变化的压力 压电式压力计 基于压电效应 即压电晶体受压时 晶格产生弹性形变而产生一定的电荷 将电荷转换成电压输出 用于快变压力的测量 5 2 压力测量仪表 5 2 1 弹簧管压力表 见图5 3 传感元件 弹簧管 是弯成弧形的空心管 断面为椭园形工作原理 当管内引入压力时 在压力作用下 弹簧使自己内部体积向增大方向 圆形 变形 因而使弯曲的管子力趋伸直 结果在自由端产生一定大小的位移 角位移 结构 由拉杆 齿轮 指针等机械放大机构来转换小位移 刻度盘为均匀刻度 P与角位移成线性 测量范围 105 109Pa精度等级 0 1 2 5 图5 3 5 2 2 双波纹管差压力计 图5 4 工作原理 利用双波纹管来感受传递P P 再把其差值转换成连杆的位移 并通过机械机构变换显示出来 测量机构 波纹管 高压波纹管和低压波纹管 补偿波纹管 量程弹簧组 扭力管 连杆摆杆等 注意 单向过载保护 图5 4 5 2 3 霍尔式压力计 1 测量原理 利用霍尔元件测量弹性元件受力作用后产生的变形现象 霍尔效应 在一半导体薄片相对两侧面通以控制电流I 在薄片垂直方向加以磁场B 则在半导体另两侧面会产生一大小与I和B相乘积成正比的电动势UH 霍尔电势 具有霍尔效应的元件称霍尔元件 锗 锑化铟 B I fL fE 霍尔元件 如图 单位电荷受到的力 洛仑兹力fL qvB电场作用力fE qEH VH L平衡时 fL fE 霍尔电势 保持I B其中一个一定 UH与另一个成线性关系 2 霍尔式压力计的结构 参考图5 5b 把霍尔元件固定在弹性元件的位移端 置于非均匀磁场中 当弹性元件受压形变 产生位移使霍尔元件在非均匀磁场中移动 此时在元件中通一定的控制电流 则元件电极出现UH的大小与压力成正比 5 2 4 应变式压力传感器 1 测量原理 P R 利用导体内部应变大小与电阻的关系 通过应变片将压力P转换成电阻值R的变化 应变效应 导体在受压或受拉时发生机械变形 其电阻将发生变化 电阻率L 长度A 横截面积 取对数 再求导 定义 应变 为长度变化量 表明电阻丝沿轴向伸长时 直径将缩小 两者相对变化量之比 电阻相对变化量dR R由二部分决定 几何尺寸的变化 1 2 压阻效应d 对于金属导体 对于半导体 压阻系数E 杨氏弹性模量 应变片灵敏度系数k 金属导体 k 1 2 半导体 k E 2 应变片结构 张丝式 支柱 张丝电阻 膜片 P 应变片式 电阻丝 金属薄膜 薄膜 纸基 胶基 张丝式 四根电阻丝作为测量桥路的四个桥臂 当P加上时 膜片产生位移s 支柱上项 使上部两根电阻丝拉紧 下部二根放松 桥路上输出差动应变信号 其大小与P成正比 应变片式 能得到较大的R 可以通以较大电流 提高灵敏度 尺寸小且薄 使用方便 由于环境温度改变时 R受T的影响较大 所以使用时常用差动电桥来进行温度补偿 3 测量电路 电桥电路 单臂电桥 电桥的一个臂接应变片 其它三个为固定电阻 当为等臂电桥时 其输出为 双臂电桥 一个差动对 典型例子 悬壁梁两应变片同向贴梁的上 下部 r1为测量片 r2为温度补偿片 且r1 r2 R1 R2 电桥初始平衡 U 0 环境温度变化时 r1 r2同时变化 不会破坏电桥平衡条件 当F作用时 r1 r1 r 受拉 r2 r2 r 受压 r1 r2 F 全桥 二个差动对构成等臂电桥 如下图 应变电阻r1 r2 r3 r4 r1 r3受拉 r2 r4受压 F r1 r2 r3 r4 附 如图5 7a 四片应变片的贴法不一致 其中二片沿应变筒径向贴 另二片沿应变筒轴向贴 当应变筒受压力P作用时 一组受压 另一组受拉 但应变并不相同 相差一泊松系数 即 5 2 5 压阻式压力传感器 测量原理 基于半导体的压阻效应 测量电路类似应变式压力传感器 都是利用电桥电路来测取电阻的变化 5 2 6 振频式压力传感器 测量原理 利用感压元件本身的谐振频率与压力的关系 通过测量频率信号的变化来测压力 种类有 振筒 振弦 振膜 石英谐振等振筒式的工作原理见教材P64 P65 5 2 7 电容式压力 差压 传感器 测量原理 利用压力产生的位移来改变电容器的电容量大小 变间距式是利用弹性元件作为电容的一极板 变面积式有线位移和角位移二种 电容式差压计 如图5 9所示 结构构成如图 P1 P2作用于两侧的隔离膜片上 通过硅油把差力压传递到中间的测量膜片上 动膜片 中间电极 产生位移 即改变了可动极片与凹形固定极片间的距离 使一对差动电容一个增大 另一个减小 图5 9 5 2 5 压电式压力传感器 1 压电效应 某些介质在施加压力而发生机械形变时 压缩或伸长 会引起物质内部的正负电荷中心发生相对位移 而产生电的极化现象 最后使介质两个表面上产生符号相反的束缚电荷 电荷的密度与施加的压力大小成正比 即压电效应 正向压电效应 外力 电荷逆向压电效应 电场作用 机械形变 具有压效应的物质称压电材料 压电晶体 石英晶体压电陶瓷 钛酸钡 钡酸铅压电半导体 硫化锌 硫化钙 下面以石英晶体为例说明压电效应 石英为规则的六角棱柱体 单晶体 X X轴 电轴 纵向压电效应Y Y轴 机械轴 横向压电效应Z Z轴 光轴 受力时不产生压电效应 当沿X Y轴加压Fx Fy 会在表面产生电荷 如图 2 居里点 压电性能被破坏时的临界温度点 A 石英 SiO2居里点t 573 t 573 d 2 1 10 12C N t 573 无压电性能 熔点1750 密度为2 65 103Kg m3 有较大的机械强度和稳定的机械性能 B 压电陶瓷 人工合成的压电材料 由许多细微的单晶各自按任意的方向排列 没有极化前没有压电效应 一般在t 100 170 加以高压电场 1 4kV mm 极化 使单晶排列整齐 使之具有压电效应特性 常用的有 钛酸钡 BaTiO3 由BaCO3与TiO2在高温下合成 其压电系数较大 d 107 10 12C N 居里点低 t 120 锆钛酸铅系压电陶瓷 PZT 最常用 d 200 500 10 12C N 压电系数大 居里点t 300 以上 3 压电式压力传感器 如图5 11 压电元件两极有电荷产生 可等效为一电容 测出电容变化量的大小即可测得压力 压电式压力传感器常用作交变压力的测量 而不适于静压力的测量 原因 由于晶体表面电荷不能贮存 外力作用产生的电荷只在无泄漏的情况下 即输入阻抗 测量电路 无限大的情况下才能保存 静压力不能连续不断产生新的电荷 晶体表面电荷会很快消失 所以