测控传感器第5章压力侧量

11 第5章压力侧量 绪论 压力是工业生产中重要的参数之一 在物理学中 流体介质垂直作用于单位面积上的压力称为压强 但在工程上习惯称为压力 压强测量被称为压力侧量 压力用下式表示 式中 F 流体介质垂直作用于物体表面的力 单位为N A 承受力的面积 单位m2空气重力的作用 在地球上的任何物体都会受到它的压力作用 称之为大气压 大气压在海平面上的标准值为1 01325x105N m2 大气压是不断变化的 天气预报的高压和低压的参考值是不同的大气压 大气压力随着海拔高度的不同而变化 离地面越高 空气就越稀薄 大气压就越低 绝对大气压的侧量要求一个精确的大气压测量 在压力测量中 一个常用的术语是表压力 它是把大气压作为零压力 反映的是相对于大气的压力 绝对压力是表压力与大气压之和 表压是绝对压力与大气压之差 当物体仅在大气压作用下 其表压将为零 压强的国际单位是帕斯卡 Pa 即为1N m2 压强的其他非国际单位方式 巴 bar 毫米汞柱 mHg PSI以及大气压等 传感器装置在测量液体压力时 其值通常会明显地高于大气压 当测量气体压力时 压力可能高于或低于大气压 测量范围的不同以及各种液体和气体的状态不同 很多压力表 传感器 可能仅适合测量一种压力 压力传感器需要标定 高精度的传感器需对每一个传感器进行单独标定 并为用户提供专门的检定证书 使用时间超过有效标定期时 需要重新进行标定 为达到测量的最高精确度 很多压力传感器在每次使用之前都要先进行标定 5 1液体压力表 压力表是一种用于测量流体压力的装置 通常是借助于管内液体检测其压力变化的 压力表是压差式传感器 其测量结果为当前测量的压力与参考压力 大气压 的差值 5 1 1U形管压力表 U形管内装入部分液体 可以是水 酒精 水银等 液体的密度越低 压力表的灵敏度就越高 U形管压力表是以其基本形状命名的 其基本形式是由一个透明的被制作成 U 字形的玻璃或塑料管组成 图示的U形管压力表 管子两端是开口的 大气压均等地作用在两端的液体上 U形管两端的液面高度是相同的 图示为一个未知压强P未知作用在U形管压力表的一端管口上 该管的另一端是开口的 受大气压P大气压的作用 未知压强P未知作用在管内的液体上 迫使液位向下移动一段距离 使另一端的液位升高 管内两端液体的高度不再相等 两端液体的高度差h与未知压强和大气压强的压差成正比 U形管压力表中 未知压强和大气压强的差就是表压 P表压 P未知 P大气压 gh P未知 P大气压 gh 式中 U形管内液体的密度 单位为kg m3 g 重力加速度 即9 81m s2 h U形管内两端液位的高度差 单位为m 如果已知大气压 或者能容许采用标准大气压代替大气压所产生的误差 则可对上式重新进行整理得到 U形管压力表的结构简单 可用于标定其他的压力仪表 在工业上的应用并不是很广泛 主要用于测量流体 液体或气体 的压力 但其缺点是不能用于远程侧量 被侧压力的波动频率很高时 应用U形管压力表测量的结果可能是会很不准确 且读数也很困难 5 1 2倾斜管压力表 倾斜管压力表是一种比U形管压力表更灵敏的压差式压力表它更适合于更低压力的测量 或要求测量精确度更高的场合 图示为它的一种基本设计形式 倾斜管压力表管柱的一端连接到储液池中 另一端与水平面倾斜一个角度 倾斜端管柱由玻璃或塑料等透明材料制成 储液池通常由塑料制成 但不必是透明的 表压由下式给出 P表压 P未知 P大气压 gd sin 式中 储液池内液体的的密度 单位为kg m3 g 重力加速度 即9 81m s2 d 液体沿倾斜管上升的距离 单位为m 倾斜管对水平面的倾斜角 单位为rad 用大气压的标准值代替实际值所引起的误差 则有 P未知 P大气压 gd sin U形管 倾斜式压力计 用倾斜管压力表侧定未知压强的计算实例 例题 倾斜管压力表内装有酒精 有一个作用于储液池末端的未知压强 倾斜管的管柱端部是开口的 并仅受大气压的作用 它与水平面的倾斜角为300 当受未知压强作用时 液体沿倾斜管移动距离为25mm 设酒精的密度为800kg m3 重力加速度为9 81m s2 作用在压力表上的大气压为1 01325 105N m2 试确定未知压强 解 从题意得d 25mm 800kg m3 g 9 81m s2 P大气压 1 01325 105N m2 P未知 P大气压 gd sin 未知压强为 1 01325 105Pa 800 9 81 0 025 sin300 Pa 101423Pa 所以 未知压强为101 423ka 倾斜管压力表的精确度与U形管压力表相比 受人为读数技巧的影响更小 而且更灵敏 除非倾斜管相对很长 否则 它将不能用于压强范围很大的测量 倾斜管压力表应用于要求比U形管压力表灵敏度更高的场合 但它不能用于远程读数 通常多用于气体压强测量 5 2弹性压力传感器 弹性压力传感器在压力作用下其传感元件会产生弯曲 拉伸等暂时性的变形 通过把压力转变成弹性传感元件在压力作用下的变形量 位移 来测量 可以利用测量位移的传感器来作为压力传感器的输出信号 如 压电式和电容式压力传感器 应用电子式位移传感器的地方 通常是借助于一种膜片检测其压强的变化 各种弹性压力传感器测量压强的方法各有不同 5 2 1波登管压力计 波登管压力计因发明家EugeneBourdn的名字而得名 它是目前最流行的压力传感器 基本的波登管是由不锈钢或黄铜等合金材料制成 它由横截面为椭圆形的管材制成 管的一端是封闭的 波登管有各种形状 包括螺旋式 扭杆式和盘绕式 图示为一种常见的C形波登管压力计 C形波登管在大气压下 当作用在开口端的压强增加时 它会产生与管内压强 管外的压强保持为大气压不变 成正比的外向弯曲形变 趋于变直 当压强减小时 该C形管会复原到仅在大气压作用下的位置 C形管的形变量取决于作用的压强和C形管的材料 形状 管壁的厚度和长度等因素 与其他弹性压力传感器相比 波登管产生的变形要更大一些 波登管压力计如图所示 波登管与指针相连接 指针可以在整个标定好的刻度盘上转动 当施加压强时 波登管的形变量是很小的 为了放大指针的位移 常采用机械式放大 杠杆 扇形齿轮和支点 装置 波登管需要一种温度补偿装置 温度的变化会影响其精确度 为了实现远程测量 由压强变化引起的波登管的形变量 位移 可以用一种适合的位移传感器检侧到 图示为一个与波登管相连的线性差动变压器 LVDT 可以把波登管末端的位移转换成一种电信号 该电信号可以在一个用压强的单位标定的电子装置上进行显示或记录 适用于液体和气体的压强侧量 无论是工业还是民用 都得到了广泛的应用 其典型的应用是轮胎气压计 用于充气时侧量轮胎内的气压并控制充气机的关闭 还可用于检测化工厂的管线压强等 5 2 2波纹管压力计 波纹管压力计是一种压差式压力传感装置 主要用于0 1000Pa的低压范围的压强侧量 波纹管是由一种被压制成波纹状的薄的铜合金管制成的 管的一端是密封的 另一端开有一个小孔 当通过这个小孔施加一定压强时 波纹管膨胀一个距离d 其位移量可以按压强的单位标定 波纹管所受的未知压强P未知由下式给出 P未知 d A 式中 d 由波纹管移动的距离 单位为m A 波纹管的横截面积 单位为m2 波纹管的刚度 单位为N m 单腔波纹管 由两个圆形金属膜片背靠背连接组成 这种装置常常被称为膜片式压力传感器 可以检测出比多腔式波纹管更小的位移 波纹管传感器产生很小的位移 需要进行放大 线性差动变压器 LVDT 和线性电位计等位移传感器可用于把位移转换成电信号 图所示为一个波纹管传感器与一个线性差动变压器 LVDT 的连接图 LVDT产生一个与位移输人信号关联的电信号输出 电信号可以在以压强为单位标定的装置上显示或记录 波纹管压力计不能用于受冲击和振动的环境下 而且它的精确度也会受到温度变化的影响 波纹管压力计的应用之一是在各种控制中 当压力达到某种临界值时用于自动关闭管路中的阀门 5 2 3电容式压力传感器 电容式压力传感器是利用电容的特性 测量膜片形变量的一种测量装置 膜片是一种其形变量与所受的压强成正比的弹性压力传感器 它本身作为电容器的一个极板 膜片由一种薄片金属合金 如不锈钢或黄铜 制成的 它是圆形的 并且其边缘与圆柱筒的周边被连续固定 在大气压和外部未知压强共同作用下 膜片产生的形变 位移 量取决于它的形状 结构 尺寸 厚度和材料等因素 因此它是一种压差式传感器 这种传感器压强和位移之间的精确关系随每一种设计的不同而不同 它用来检测很小的位移量 通常为1mm以内 这种仪器通常需要单个地进行标定 用膜片作为电容器的一个极板是一种非接触侧量位移的方法 输出的电信号具有非常高的分辨力 尤其适合于各种小位移的测量 图示为一个膜片与电容器的结合 电容器的一个极板被固定 另一个极板就是膜片 电介质通常是空气 当压强变化时 膜片会产生与它成比例的形变 电容器的电容C与两极板间的距离成反比 即 C 1 d 在电容器的两极接入调理电路 电容值的变化会引起愉出电压的变化 该电信号经过调制并标定为压强的形式显示出来 5 2 4压电式压力传感器 图所示为压电式压力传感器的原理图 这种传感器类似于利用薄金属或半导体膜片检侧压强变化的电容式压力传感器 当其所受压强变化时膜片会挠曲变形 从而会在压电晶体上产生一种应变 在晶体表面会出现与其应变量成正比的极性相反的电荷量 这种压力传感器的压电晶体通常是石英 且被放置在密封装置中 并引入了由集成电路技术制成的信号调制电路 压电式压力传感器可以工作在高温下 其温度特性非常好 而且其体积能做得非常精小 主要优点是动态响应迅速 且工作范围宽 它还具有很高的灵敏性和很高的精度 以及良好的重复性和很小的迟滞误差 该传感器不适合静态力的测量 被广泛应用于侧量发射炮弹时炮管内的压强 5 2 5半导体压阻式和应变片式传感器 半导体压阻式压力传感器工作原理类似于压电式压力传感器 在这种传感器中 硅膜片是核心部件 是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件 当硅膜片受外力作用产生形变时 其电阻值也将发生相应变化 称为压阻效应 将制作成一定形状的N型单晶硅作为弹性元件 选择一定的晶向 通过半导体扩散工艺在硅基底上扩散出4个P型电阻 构成惠斯登电桥的四个桥臂 从而实现了弹性元件与变换元件一体化 这样的敏感器件称为压阻式传感器 压阻式传感器主要用于测量压力 加速度和载荷等参数 膜片上的四个压敏电阻构成了单臂电桥 如图所示 当压强被加到膜片上时 它会引起电阻应变片的应变 其压敏电阻与其应变成比例变化 因此输出电压也相应变化 压阻式压力传感器用于要求有良好的可重复性 高精确度 低迟滞误差和长期稳定的场合 一个典型的应用是测量水池底部的压强 这种压强直接与水的深度有关 压力传感器构成了液位测量系统的一部分 压阻式传感器输出信号调理 5 3气压表 气压表是一种专门用于测量大气压的传感器 它们必须很灵敏 且可以测量绝对压强 主要用于气象领域 高气压通常与晴朗的天气对应 而低气压通常与恶劣的天气对应 气压表主要有两种基本类型 液体玻璃管气压表和无液气压表 液体玻璃管气压表由一个被固定在背面板上的U形管组成 一端管柱形成一个开口的储液池 通过一个小孔与大气压相通 另一端为细管 含有的液体量与储液池相比要少 与倾斜管压力计一样 通过一端管柱内的液体所对应的刻度可以读出大气压 管柱这一端是真空的并被密封 5 3 1液体玻璃管气压表 可以用气压表侧量绝对压强 气压表的衡量结果是两个管柱之间的压差 真空管产生的压强将远低于当地的实际大气压 作用在含真空端管柱的压强是可以忽略的 在气压表中液体的主要压力是大气压 在玻璃管中液体的高度与大气压成正比 储液器的液面可以用玻璃管中的液体来调整 这样 可调节到与读数前的零刻度相对应 以提高侧量准确度 气压表玻璃管中的液体有几种选择 它们都能实现精确测量 但都较笨重 或是很脆弱的 而且其精确度受温度变化的影响比较显著 通常它们放置在一个固定的位置 并经常用来标定其他的压力传感器 或在实验室里作为一种参考基准 5 3 2无液气压表 膜盒式气压表 借助一个密封的金属膜盒来测量大气压的变化 膜盒的一个或两个面是膜片 膜盒内为部分真空 膜盒内部的压强低于外面的大气压 而且是不变的 所以它对大气压的变化是敏感的 如果大气压增大 膜片变形且膜盒变得展平 如果大气压降低了 膜盒就会膨胀 这种位移通过一个强力弹簧经过柱杆压在膜盒上就可以检测到 然后由齿轮和杠杆进行机械放大 最后将其传送给一个标定好的刻度盘上的指针 由指针显出气压 无液气压表比液体气压表的读数更简单 占用空间更小 测量精度不会因温度变化而受到明显的影响 其精度较低 主要是受其机械传动部分精度的影响 实际上 无液气压表通常是根据液体气压表进行标定的 无液气压表常常被家庭使用 它们很多以非国际单位进行标定 像mmHg 也有用几种更直观的天气状况 如 晴 阴 雨等来表示 如果需