热工测量技术(3压力)

1、 热工测量技术热工测量技术A 第第 3部分部分 压力、差压测量压力、差压测量 及仪表及仪表 第第 3 章章 概述、微压计、压力和差压传感器和变送器、压力计概述、微压计、压力和差压传感器和变送器、压力计 的校验等的校验等v 第第3章章 压力和差压测量压力和差压测量 3.1 压力、差压的概念及单位压力、差压的概念及单位 3.2 液柱式压力计液柱式压力计 3.3 弹性元件及弹性压力表弹性元件及弹性压力表 3.4 应变电阻和压电式传感器应变电阻和压电式传感器 3.5 压力和差压变送器压力和差压变送器 3.6 活塞式压力计及压力计的校验和使用活塞式压力计及压力计的校验和使用 第第3 章章 压压 力力 和

2、和 差差 压压 测测 量量第第 3部分部分 压力、差压测量及仪表压力、差压测量及仪表本章提要本章提要 压力和差压是工业生产过程中经常需要检测的压力和差压是工业生产过程中经常需要检测的重要参数之一。重要参数之一。 检测压力的方法有很多，本章将讨论在工业生检测压力的方法有很多，本章将讨论在工业生产和实验中使用较多的几种压力检测原理和方法。产和实验中使用较多的几种压力检测原理和方法。 另外还介绍某些压力仪表和压力、差压变送器另外还介绍某些压力仪表和压力、差压变送器在实际生产中的应用。在实际生产中的应用。 最后还对压力仪表的校验、安装及使用知识进最后还对压力仪表的校验、安装及使用知识进行一些介绍。行一

3、些介绍。 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量v 3.1 压力、差压的概念及单位压力、差压的概念及单位3.1.1 压力和差压的概念压力和差压的概念 在工程上，所谓压力，是指一定介质垂直作用于单位面在工程上，所谓压力，是指一定介质垂直作用于单位面积上的力，即物理学上所说的压强。积上的力，即物理学上所说的压强。 而差压是指两个测量压力之间的差值，也就是压力差，本而差压是指两个测量压力之间的差值，也就是压力差，本应叫做压差，但工程习惯上把这叫做差压。应叫做压差，但工程习惯上把这叫做差压。 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量3.1 压力、差压的概念及单压力、差压的

4、概念及单位位3.1.1 压力和差压的概念：压力和差压的概念： 在压力测量中，有绝对压力、表压力、负压力（真空度）在压力测量中，有绝对压力、表压力、负压力（真空度）之分。之分。 绝对压力是指被测介质作用在单位面积上的全部压力，用绝对压力是指被测介质作用在单位面积上的全部压力，用PA表示。表示。 地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用PO表示。表示。 绝对压力与大气压力之差称为表压力，用绝对压力与大气压力之差称为表压力，用PI表示。即：表示。即： PI = PA- PO （3.1） 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量3.1

5、压力、差压的概念及单位压力、差压的概念及单位各种压力表示关系图：各种压力表示关系图：完全真空完全真空（或宇宙真空）（或宇宙真空）大气压（大气压（PO）（地球表面）（地球表面）绝对压力绝对压力 （PA）真空度真空度表压力（表压力（ PI ）差压差压P表示标准点表示标准点表示任意压力表示任意压力 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量3.1.2 压力的单位：压力的单位： 压力在国际单位中的单位是牛顿压力在国际单位中的单位是牛顿/米米2（N/m2），通常称为），通常称为 帕斯卡或帕斯卡或简称简称 帕（帕（Pa）。）。 工业上一般采用千帕（工业上一般采用千帕（kPa）或兆帕（）或兆帕（

6、M Pa）作为压力的单位。）作为压力的单位。 一些习惯用的压力单位：一些习惯用的压力单位： 工程大气压（工程大气压（kgf / cm2）；）； 标准大气压（标准大气压（760mmHg）；）； 毫米水柱（毫米水柱（mmH2O）；）； 毫米汞柱（毫米汞柱（mmHg）；）； 巴（毫巴）巴（毫巴） （ bar 或或 mbar）；）； 磅力磅力/英寸英寸2 （bf / in2）。）。3.1 压力、差压的概念及单位压力、差压的概念及单位 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量压力单位压力单位 帕帕(pa)工程大工程大 气压气压(kgf/cm2)标准大气标准大气压压(atm) 毫米水柱毫米水

7、柱(mmH2O)毫米汞柱毫米汞柱(mmHg)毫巴毫巴(mbar)磅力磅力/英寸英寸2(bf/in2)1帕帕(pa)11.019716 10-50.986924 10-50.10197160.75006 10-21.010-21.450442 10-41工程大气压工程大气压 (kgf/cm2)0.98066 10510.9678411.0104735.56980.66514.223891标准大气压标准大气压 (atm)1.01325 1051.0332311.033227 1047601013.2514.69591毫米水柱毫米水柱 (mmH2O)9.80661.010-40.9678 10-41

8、0.0735560.09806651.4223 10-31毫米汞柱毫米汞柱 (mmHg)133.3221.35951 10-31.316 10-313.595111.3332241.934 10-21毫巴毫巴(mbar)1001.019716 10-30.986923 10-310.197160.7500611.450442 10-21磅力磅力/英寸英寸2 (bf/in2)表表 压力单位换算表压力单位换算表 3.1 压力、差压的概念及单位压力、差压的概念及单位v 3.2 液柱式压力计液柱式压力计 液柱式压力测量是以流体静力学理论为基础的压力测量方法。液柱式压力测量是以流体静力学理论为基础的压力

9、测量方法。 液柱式压力计测压元件主要由装有一定介质液体的玻璃管组成。液柱式压力计测压元件主要由装有一定介质液体的玻璃管组成。 特点：特点： 结构简单，使用方便，测量精度高，但测量结果只能就地读取，不能结构简单，使用方便，测量精度高，但测量结果只能就地读取，不能进行远传，量程也受限于玻璃管的的高度，应用受到一定的限制。进行远传，量程也受限于玻璃管的的高度，应用受到一定的限制。 3.2.1 U型管压力计型管压力计 U型管压力计的结构如下页图所示。型管压力计的结构如下页图所示。 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量h1Hr1P2P1h2r200图图 U形管压力计形管压力计r3.2.

10、1 U型管压力计型管压力计41122334 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量该压力计结构十该压力计结构十分简单，主要由分简单，主要由一个一个 U 型玻璃管型玻璃管和左右刻度尺构和左右刻度尺构成，玻璃管内有成，玻璃管内有一定的封液介质。一定的封液介质。根据流体静力学原理，管两边的静压力应满足平衡方程式：根据流体静力学原理，管两边的静压力应满足平衡方程式：式中式中 AU形管内孔截面积。形管内孔截面积。U形管压力计的基本公式整理得到：形管压力计的基本公式整理得到： 3.2.1 U型管压力计型管压力计)()()(22111221hhHppAhhhHPAhHp)()()(21222

11、111 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量如果如果U形管两边液面上介质为相同气体，其重度为形管两边液面上介质为相同气体，其重度为0，即即1=2= 0，则：，则：由于一般封液介质的重度由于一般封液介质的重度0，则：，则：)(2121hhPP 3.2.1 U型管压力计型管压力计)(21021hhpp 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 如果如果p2是当地大气压，即是当地大气压，即U形管一端与大气相通，另一端接被测压形管一端与大气相通，另一端接被测压力，我们就可以直接得到被测压力的表压力：力，我们就可以直接得到被测压力的表压力：)(211hhP结论：结论： U

12、形管内两边液面高度差形管内两边液面高度差（h1+h2）与被测压力的表压直接成正比。与被测压力的表压直接成正比。 常用的液体介质有水、水银、酒精和四氯化碳等。常用的液体介质有水、水银、酒精和四氯化碳等。 U形管测量压力时，造成读取误差的主要因素有：形管测量压力时，造成读取误差的主要因素有： （1）标尺刻度精度。（）标尺刻度精度。（2）温度误差。（）温度误差。（3）安装位置误差。）安装位置误差。或或)(2121hhPPP 3.2.1 U型管压力计型管压力计 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量3.2.2 单管压力计单管压力计 单管压力计的工作原理与单管压力计的工作原理与U形管压力

13、计相同，但它在结构设计上将两边形管压力计相同，但它在结构设计上将两边管子的直径做得相差很大，如下页管子的直径做得相差很大，如下页 图所示。图所示。 粗管的截面积为粗管的截面积为 A1，细管的截面积为，细管的截面积为 A2，则在压力作用下，上升的液，则在压力作用下，上升的液体的体积应当与下降液体的体积相等，即有：体的体积应当与下降液体的体积相等，即有：2211AhAh或:2121hAAh 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量h1P2P1h2A2A1r0图图 单管压力计单管压力计3.2.2 单管压力计单管压力计单管压力计单管压力计在结构上，当在结构上，当 ： A1A2； 在测量精

14、度要求在测量精度要求不是很高时也可以不是很高时也可以忽略忽略A2/A1的值；的值； P2与当地大气直与当地大气直通，则所测表压力通，则所测表压力为：为： P1=h2 。 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量3.2.2 单管压力计单管压力计根据根据U形管压力平衡式形管压力平衡式:)(221221hhAAPP即即:)1 (12221AAhPP 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量P3P1补图补图 多管式压力计示意图多管式压力计示意图3.2.2 单管压力计单管压力计多管式压力计多管式压力计火力发电厂常用它火力发电厂常用它来测量炉膛和烟道来测量炉膛和烟道等各处负压。

15、等各处负压。P2P4P6P5 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量3.2.3 斜管压力计斜管压力计 在测量微小压力或压力差时，由于被测压在测量微小压力或压力差时，由于被测压力很小，为减小读数中的相对误差，可以把测力很小，为减小读数中的相对误差，可以把测量管倾斜一个角度安放，这样在同样量管倾斜一个角度安放，这样在同样 P1 的作的作用下，虽然液面高度用下，虽然液面高度 h 的变化相同，但液柱的的变化相同，但液柱的长度长度 l 被拉长。如下页图所示。被拉长。如下页图所示。 液面上升液面上升 h2 与液柱长度与液柱长度 l 的关系应为：的关系应为： h2 = l sina 第第3

16、章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量lrP1P2h2图图 斜管压力计斜管压力计3.2.3 斜管压力计斜管压力计 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量根据单管压力平衡式：根据单管压力平衡式：)1 (sin1221AAalPP 式中式中 斜管的倾斜角度；斜管的倾斜角度； l斜管内液柱的长度；斜管内液柱的长度； A1粗管截面面积；粗管截面面积； A2细管截面面积。细管截面面积。 是由压力计结构和液体介质重度决是由压力计结构和液体介质重度决定的常数。在定的常数。在 P2 为大气压时，表压为大气压时，表压 P1=l sina 。把常数。把常数sina 作为系数作为系数 k ，

17、则：，则：P1=k l3.2.3 斜管压力计斜管压力计)1 (sin12AA 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量3.2.4 液柱式压力计的误差来源：液柱式压力计的误差来源： 液柱式压力计液柱式压力计3.2.3 斜管压力计斜管压力计封液密度封液密度 改变改变未校正重力未校正重力 加速度加速度安装安装有误有误大气压力大气压力 变化变化环境温度环境温度 变化变化毛细毛细现象现象液柱液柱高度高度读数读数误差误差 压力压力 或差压或差压流体动压流体动压 的影响的影响 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量v 3.3 弹性元件及弹性压力表弹性元件及弹性压力表 物体在外力

18、作用下如果改变了原有的尺寸或物体在外力作用下如果改变了原有的尺寸或形状，当外力撤除后它又能恢复原有的尺寸或形形状，当外力撤除后它又能恢复原有的尺寸或形状，具有这类特性的元件称为弹性元件。状，具有这类特性的元件称为弹性元件。 利用弹性元件在外力作用下产生的形变可利用弹性元件在外力作用下产生的形变可直接进行力或压力的测取。直接进行力或压力的测取。 利用弹性元件进行压力测取的仪表种类很利用弹性元件进行压力测取的仪表种类很多。多。 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 弹性元件是弹性压力计的测压敏感元件。工业上常用的弹弹性元件是弹性压力计的测压敏感元件。工业上常用的弹性压力计所使用的

19、弹性元件有以下几种：性压力计所使用的弹性元件有以下几种： （1）弹簧管式。这是一种常用的弹性测压元件，由于它）弹簧管式。这是一种常用的弹性测压元件，由于它是由法国人波登发明的所以又称为波登管。它是将一端封闭并是由法国人波登发明的所以又称为波登管。它是将一端封闭并且弯成圆弧形的金属管子，管子的截面为扁圆形或椭圆形。且弯成圆弧形的金属管子，管子的截面为扁圆形或椭圆形。 （2）波纹管式。这种弹性元件的形状类似于手风琴的褶）波纹管式。这种弹性元件的形状类似于手风琴的褶皱风箱，用金属薄管制成。皱风箱，用金属薄管制成。 （3）薄膜式。）薄膜式。 用金属薄片或橡皮膜做成膜片。各种弹性用金属薄片或橡皮膜做成膜

20、片。各种弹性元件的结构和测量范围见下页表元件的结构和测量范围见下页表。 3.3.1 弹性元件弹性元件 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 3.3.1 弹性元件弹性元件 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 3.3.2.1 概述概述 弹簧管式压力计由于结构简单，安装方便，测压弹簧管式压力计由于结构简单，安装方便，测压直接，在实际生产中应用最为广泛。直接，在实际生产中应用最为广泛。 按弹簧管结构的不同，有单圈弹簧管压力计和多按弹簧管结构的不同，有单圈弹簧管压力计和多圈螺管弹簧压力计两种。圈螺管弹簧压力计两种。 3.3.2.2 弹簧管式压力计工作原理弹簧管式压力

21、计工作原理 普通单管弹簧管的原理如下页图所示。普通单管弹簧管的原理如下页图所示。3.3.2 弹簧管式压力计弹簧管式压力计 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量图图 单圈弹簧管原理图单圈弹簧管原理图 3.3.2.2 弹簧管式压力计工作原理弹簧管式压力计工作原理 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 弹簧管断面为扁圆形或椭圆形的空心管子弯成圆弧弹簧管断面为扁圆形或椭圆形的空心管子弯成圆弧形，管的一端为固定端与被测压力相连，另一端密封为弹形，管的一端为固定端与被测压力相连，另一端密封为弹簧管自由端，当固定端引入压力后，管的扁圆截面有变为簧管自由端，当固定端引入压力

22、后，管的扁圆截面有变为圆截面的趋势。圆截面的趋势。3.3.2.2 弹簧管式压力计工作原理弹簧管式压力计工作原理分析分析: 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 由于弹簧长度一定，将迫使管的弧形角改变而使其自由于弹簧长度一定，将迫使管的弧形角改变而使其自由端随之向外扩张，即变化由端随之向外扩张，即变化了了 L ，弹簧管中心角的变化量，弹簧管中心角的变化量为为 。 根据弹性变形原理，要使弹簧管在被测压力根据弹性变形原理，要使弹簧管在被测压力 P 作用下作用下其自由端的相对角位移其自由端的相对角位移 / 与与 P 成正比，必须保持由弹簧成正比，必须保持由弹簧材料和结构尺寸决定的其余

23、参数不变，而且扁圆管截面的长、材料和结构尺寸决定的其余参数不变，而且扁圆管截面的长、短轴差距愈大，相对角位移愈大，测量的灵敏度愈高。短轴差距愈大，相对角位移愈大，测量的灵敏度愈高。分析分析 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 在在 2b = 2a 时，由于时，由于 1 -（2b2 / 2a2）= 0，相，相对角位移量对角位移量 / = 0，这说明具有均匀壁厚的完全，这说明具有均匀壁厚的完全圆形弹簧管不能作为测压元件。圆形弹簧管不能作为测压元件。3.3.2.2 弹簧管式压力计工作原理弹簧管式压力计工作原理注意：注意： 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 设

24、弹簧管受压力作用前的内外半径分别为设弹簧管受压力作用前的内外半径分别为R1、 R2，中，中心角为心角为；受压力作用后的内外半径分别为；受压力作用后的内外半径分别为R1、 R2，中心，中心角为角为 ；并假设受压力前后弹簧管的弧长基本不变。；并假设受压力前后弹簧管的弧长基本不变。推导：推导：3.3.2.2 弹簧管式压力计工作原理弹簧管式压力计工作原理 则：则： R1= R1 ； R2= R2 两式相减可得：两式相减可得： （R2 - R1）= （ R2 - R1 ） R2 - R1 = 2b； R2 - R1 = 2b 2b = 2b 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 从图中

25、还可知，弹簧管变形后从图中还可知，弹簧管变形后 2b 2b, ，即弹，即弹簧管的自由端要发生一个角位移簧管的自由端要发生一个角位移 。 推推 导导bbb 设：设： b = b + b; = - , 得得 b = ( b + b ) ( - ) 变换后得：变换后得： 则：则： 圆形截面的弹簧管圆形截面的弹簧管 在压力变化时，其自由端不会在压力变化时，其自由端不会发生位移。发生位移。 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量3.3.2 弹簧管式压力计弹簧管式压力计 如右如右 图图 所示。当被测压力从所示。当被测压力从接头处输入弹簧管后，弹簧管产接头处输入弹簧管后，弹簧管产生变形，自由

26、端向外伸张，牵动生变形，自由端向外伸张，牵动拉杆带动扇形齿轮逆时针偏转，拉杆带动扇形齿轮逆时针偏转，再通过中心小齿轮带动压力计指再通过中心小齿轮带动压力计指针在面板上做顺时针转动，与面针在面板上做顺时针转动，与面板上刻度标尺的相对位置则可表板上刻度标尺的相对位置则可表示出被测压力的数值。示出被测压力的数值。 弹簧管压力计的仪表结构弹簧管压力计的仪表结构 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 此外，仪表中游丝的作用是用来此外，仪表中游丝的作用是用来克服扇型齿轮和中心小齿轮转动间隙克服扇型齿轮和中心小齿轮转动间隙所产生的不良影响，调整螺钉用来调所产生的不良影响，调整螺钉用来调整弹

27、簧位移与扇型齿轮之间的机械转整弹簧位移与扇型齿轮之间的机械转动放大系数，进而调整压力计量程，动放大系数，进而调整压力计量程，压力计的零点可以通过指针与针轴的压力计的零点可以通过指针与针轴的不同安装位置来加以调整，由于弹簧不同安装位置来加以调整，由于弹簧管位移大小与被测压力呈比例关系，管位移大小与被测压力呈比例关系，因而弹簧管压力表的刻度是线性的。因而弹簧管压力表的刻度是线性的。弹簧管压力计一般做成指针式仪表。弹簧管压力计一般做成指针式仪表。 弹簧管压力计的仪表结构弹簧管压力计的仪表结构 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 由于弹簧管在压力作用下的位移由于弹簧管在压力作用下的

28、位移相对其它压力敏感元件的位移要小，相对其它压力敏感元件的位移要小，因而一般都在测量较大压力的场合使因而一般都在测量较大压力的场合使用。为增大弹簧管受变形的位移量，用。为增大弹簧管受变形的位移量，提高测压灵敏度，可采用多圈弹簧管提高测压灵敏度，可采用多圈弹簧管结构，其基本原理与单圈弹簧管相同。结构，其基本原理与单圈弹簧管相同。 弹簧管压力计的仪表结构弹簧管压力计的仪表结构 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 波纹管是一种形状类似于手风琴风箱，波纹管是一种形状类似于手风琴风箱，表面有许多同心环状波形皱纹的薄壁圆管。表面有许多同心环状波形皱纹的薄壁圆管。 在外部压力作用下，波纹

29、管将产生伸长在外部压力作用下，波纹管将产生伸长或缩短的形变。或缩短的形变。 由于金属波纹管的轴向容易变形，所以由于金属波纹管的轴向容易变形，所以测压的灵敏度很高，常用于低压或负压的测测压的灵敏度很高，常用于低压或负压的测量中。量中。3.3.3 波纹管压力计波纹管压力计 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量波纹管压力计如下图所示。波纹管压力计如下图所示。 图注：图注： 1 波纹管波纹管 2 弹簧弹簧 3 推杆推杆 4 连杆机构连杆机构 5 记录笔记录笔 6 记录纸记录纸P6453121图图 波纹管压力记录仪波纹管压力记录仪 3.3.3 波纹管压力计波纹管压力计 第第3 章章 压

30、压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 用两片或两片以上的金属波纹膜组合起来，做成空用两片或两片以上的金属波纹膜组合起来，做成空心膜盒或膜盒组，其在外力作用下的变形非常敏感，位心膜盒或膜盒组，其在外力作用下的变形非常敏感，位移量也较大。移量也较大。 因此，用空心膜盒测压元件组成的压力计常用来测因此，用空心膜盒测压元件组成的压力计常用来测量量1000mmH2O以下无腐蚀性气体的微压，如炉膛压以下无腐蚀性气体的微压，如炉膛压力、烟道压力等。力、烟道压力等。 膜盒式微压计的结构原理如书中图所示。膜盒式微压计的结构原理如书中图所示。3.3.4 膜盒式微压计膜盒式微压计 第第3 章章 压压 力力 和和

31、差差 压压 测测 量量 弹性元件的特性（误差分析） 弹性元件是弹性压力计中的敏感元件，它的特性直接关系到压力计性能的好坏。弹性元件工作在弹性范围内，而且弹性元件工作的安全系数(弹性极限压力，工作压力的上限)一般在2以上。尽管如此，由于弹性元件的不完全弹性方面的特性，如蠕变、弹性迟滞、弹性后效以及温度特性等都将直接影响到压力计的性能，使测量产生误差。 (1)蠕变和疲劳形变 弹性元件经过长时间的负荷作用，当负荷取消后，不能恢复原来的形态，这种特性称为弹性元件的蠕变。 (2)弹性迟滞 弹性元件在弹性范围内加负荷与减负荷时其弹性形变输出特性曲线不重合，这种特性称为弹性迟滞。 (3)弹性后效 当加在弹性

32、元件上的负荷停止变化或被取消时，弹性元件的形变并不是立即就完成，而是要经过一定的时间才完成相应的形变，这种特性称为弹性后效。 （a）弹性迟滞；（b）弹性后效；（c）弹性滞环 (4)输出- 输入特性 目前只是通过实验和理论相结合的方法，得出弹性元件的输出输入关系。 对于膜片和膜盒，其输出-输入关系一般是非线性的。实用的平面膜片位移不超过0.1mm时，可以使输出-输入的关系达到较好的线性程度，即 对于波纹膜片，其弹性位移与被测压力关系为 对于弹簧管，经过精心设计制造加工后，在一定压力范围内，其输出-输出关系一般为线性。对于截面是扁圆结构的弹簧管，其自由端弹性位移与被测压力的关系为 (5)温度的影响

33、 由于温度的变化，弹性元件材料的弹性模量相应变化，所以弹性元件的刚度发生变化，这将影响弹性元件的输出特性。很容易理念，温度升高，刚度减小，灵敏度增大，压力表示值将会偏离。由于温度对弹性元件输出特性的影响，所以弹性压力表的使用要注意它的适用温度范围。 kpl)(224lblaREp5 . 022)cos1 ()sin(RlpCxabbREp122222)1 (1 不论是弹簧管、波纹管、膜盒压力计都是将外部压力转不论是弹簧管、波纹管、膜盒压力计都是将外部压力转换为位移量进行直接压力读取。换为位移量进行直接压力读取。 如果在此基础上，将位移信号再进行电量的转换，构如果在此基础上，将位移信号再进行电量

34、的转换，构成成压力压力-位移位移-电量电量的变换，就可以使被测压力信号转换为对的变换，就可以使被测压力信号转换为对应的电信号。显然，以电信号（电流或电压）来反映压力应的电信号。显然，以电信号（电流或电压）来反映压力3.3.5 弹性式远传压力计弹性式远传压力计 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 的大小，可以非常方便地实现信号的远传、显示和控制，的大小，可以非常方便地实现信号的远传、显示和控制，也可以与其它的检测装置、控制装置一起，通过计算机或微也可以与其它的检测装置、控制装置一起，通过计算机或微处理器，实现信号的综合、运算，完成各种控制处理。处理器，实现信号的综合、运算，完

35、成各种控制处理。 将弹性元件在压力作用下产生的位移转换为电信号的将弹性元件在压力作用下产生的位移转换为电信号的方法有很多。实际上，在电工学和物理学中我们知道，方法有很多。实际上，在电工学和物理学中我们知道，位移位移变换可以通过变换可以通过电阻、电容、电感、霍尔电势、光电电阻、电容、电感、霍尔电势、光电等方法进等方法进行测量，用这些不同方法就可以构成不同的弹性元件远传压行测量，用这些不同方法就可以构成不同的弹性元件远传压力计。力计。3.3.5 弹性式远传压力计弹性式远传压力计 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 霍尔片式远传压力计侧压的实质是利用霍尔片压力传感器霍尔片式远传压

36、力计侧压的实质是利用霍尔片压力传感器实现压力实现压力-位移位移-霍尔电势的转换。霍尔电势的转换。 霍尔片是一块半导体（例如锗）材料所制成的薄片，如霍尔片是一块半导体（例如锗）材料所制成的薄片，如 书书中图中图 所示。在霍尔片的所示。在霍尔片的 z 轴方向上加一磁感应强度为轴方向上加一磁感应强度为 B 的恒的恒定磁场，如果在定磁场，如果在 y 轴方向上加上直流恒压电源，使恒定电流轴方向上加上直流恒压电源，使恒定电流 I 在霍尔片中沿在霍尔片中沿 y 轴通过，则霍尔片内电子将逆轴通过，则霍尔片内电子将逆 y 轴方向运动，轴方向运动，在外部电磁场的作用下，片内电子在运动过程中必然产生偏移，在外部电磁

37、场的作用下，片内电子在运动过程中必然产生偏移，3.3.5.1 霍尔片式远传压力计霍尔片式远传压力计3.3.5 弹性式远传压力计弹性式远传压力计 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量这样造成霍尔片这样造成霍尔片 x 轴两个端面上一面有电子积累，而另一面正电荷过剩，轴两个端面上一面有电子积累，而另一面正电荷过剩，从而在霍尔片从而在霍尔片 x 轴方向出现电位差，这一电位差称为霍尔电势轴方向出现电位差，这一电位差称为霍尔电势 VH ，这一物，这一物理现象称为霍尔效应。理现象称为霍尔效应。 应用霍尔效应原理，使用弹簧管压力形变结构，组成霍尔片式远传压应用霍尔效应原理，使用弹簧管压力形变

38、结构，组成霍尔片式远传压力计，如下页力计，如下页 图图 所示。当被测压力所示。当被测压力 P 引入弹簧管固定端后，与弹簧管自引入弹簧管固定端后，与弹簧管自由端相连的霍尔片输出电势不再为零。由于沿霍尔片偏移方向磁场强度的由端相连的霍尔片输出电势不再为零。由于沿霍尔片偏移方向磁场强度的分布呈线性状态，所以霍尔片的输出电势与弹簧管的变形伸展也为线性关分布呈线性状态，所以霍尔片的输出电势与弹簧管的变形伸展也为线性关系，即与被测压力系，即与被测压力 P 成线形关系。随外部输入压力成线形关系。随外部输入压力 P 变化而线性变化的霍变化而线性变化的霍尔电势大小为尔电势大小为 020mV ，可直接送入动圈式仪

39、表或自动平衡记录仪进行压，可直接送入动圈式仪表或自动平衡记录仪进行压力显示，也可以放大转换为力显示，也可以放大转换为 420mV 直流标准电流信号进行远传。直流标准电流信号进行远传。3.3.5.1 霍尔片式远传压力计霍尔片式远传压力计 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量3.3.5.1 霍尔片式远传压力计霍尔片式远传压力计 霍尔片式远传压力计基本结构及基本工作原理：霍尔片式远传压力计基本结构及基本工作原理： 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 将压力位移转换为电感量的变化，是电将压力位移转换为电感量的变化，是电感式远传压力计的基本设计思想。感式远传压力计的

40、基本设计思想。 参阅参阅 P. 129 P. 1313.3.5.2 电感式远传压力计电感式远传压力计3.3.5 弹性式远传压力计弹性式远传压力计 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量v 3.4 应变电阻和压电式传感器应变电阻和压电式传感器 3.4.1 应变电阻传感器应变电阻传感器 应变电阻传感器由应变电阻和测量线路两部分组成应变电阻传感器由应变电阻和测量线路两部分组成,其中应变电阻片感其中应变电阻片感应被测量压力应被测量压力(包括扭矩、荷重、拉力包括扭矩、荷重、拉力),并在外力作用下产生弹性变形导致并在外力作用下产生弹性变形导致电阻值发生改变电阻值发生改变,它是将力转换成电阻

41、变化的检测元件它是将力转换成电阻变化的检测元件;测量线路将变化的电测量线路将变化的电阻转换为电信号阻转换为电信号,实现被测压力的最终指示和信号远传。实现被测压力的最终指示和信号远传。 由于应变测量方法灵敏度高，测量范围广，频率响应快，既可用于静由于应变测量方法灵敏度高，测量范围广，频率响应快，既可用于静态测量，又可用于动态测量，尺寸小、重量轻，能在各种恶劣环境下可靠态测量，又可用于动态测量，尺寸小、重量轻，能在各种恶劣环境下可靠工作，所以被广泛地用于各种力的测量仪器和科学实验中。工作，所以被广泛地用于各种力的测量仪器和科学实验中。 目前，工程实践中使用最广泛的应变电阻片有两类：电阻丝应变片和目

42、前，工程实践中使用最广泛的应变电阻片有两类：电阻丝应变片和半导体应变片。半导体应变片。 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量3.4.1.1 电阻丝应变片电阻丝应变片 电阻丝应变片主要是由直径电阻丝应变片主要是由直径0.020.04mm的高电的高电阻率电阻丝制成。阻率电阻丝制成。 如下页图所示，电阻丝被平铺并紧贴在薄纸或薄如下页图所示，电阻丝被平铺并紧贴在薄纸或薄膜制成的基底上，两端焊接引出导线，上面覆盖一层膜制成的基底上，两端焊接引出导线，上面覆盖一层与基底相同的材料作为保护片。与基底相同的材料作为保护片。 电阻丝材料有康铜、铜镍合金的，适用于电阻丝材料有康铜、铜镍合金的，适

43、用于300以下静态测量用；还有镍铬合金、镍铬铝合金的，适以下静态测量用；还有镍铬合金、镍铬铝合金的，适用于用于450以下的静态测量或以下的静态测量或800的动态测量用。的动态测量用。 电阻值一般为电阻值一般为120，也有，也有200 或或300 的。的。3.4 应变电阻和压电式传感器应变电阻和压电式传感器 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量4312 图图 应变电阻片应变电阻片 1基片；基片；2电阻丝；电阻丝； 3覆盖层；覆盖层；4引线。引线。3.4 应变电阻和压电式传感器应变电阻和压电式传感器 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量brl(a)lb(b)l(

44、c)图图 常见的几种金属应变片形状常见的几种金属应变片形状 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 3.4.1.2 半导体应变片半导体应变片 半导体应变片的灵敏度比金属电阻高约半导体应变片的灵敏度比金属电阻高约50倍，它利用半导体材料的电倍，它利用半导体材料的电阻率在外加应变力作用下而发生改变的压阻效应，可以直接测取很小的应阻率在外加应变力作用下而发生改变的压阻效应，可以直接测取很小的应变。变。 当外部应力作用于半导体时，由压阻效应引起的电阻变化大小不仅取当外部应力作用于半导体时，由压阻效应引起的电阻变化大小不仅取决与半导体的类型和载流子浓度，还取决于外部应力作用于半导体晶体的

45、决与半导体的类型和载流子浓度，还取决于外部应力作用于半导体晶体的方向。方向。 半导体应变片的电阻很大，可达半导体应变片的电阻很大，可达520k，此外它的频率响应高，时，此外它的频率响应高，时间响应快，响应时间可达间响应快，响应时间可达1011数量级，所以常常用半导体应变片制作高频数量级，所以常常用半导体应变片制作高频率传感器。用于生产半导体应变片的材料有硅、锗、锑化铟、磷化镓、砷率传感器。用于生产半导体应变片的材料有硅、锗、锑化铟、磷化镓、砷化镓等，由于硅和锗压阻效应大，一般使用较多的半导体材料是硅和锗。化镓等，由于硅和锗压阻效应大，一般使用较多的半导体材料是硅和锗。 半导体的应变灵敏度一般随

46、杂质的增加而减小，温度系数也是如此。半导体的应变灵敏度一般随杂质的增加而减小，温度系数也是如此。值得注意的是，对于同一材料和几何尺寸制成的半导体值得注意的是，对于同一材料和几何尺寸制成的半导体3.4 应变电阻和压电式传感器应变电阻和压电式传感器 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 应变片的灵敏系数不是一个常数，它会随应变片所承受应变片的灵敏系数不是一个常数，它会随应变片所承受的应力方向和大小不同而有所改变，所以材料灵敏度的非线的应力方向和大小不同而有所改变，所以材料灵敏度的非线形较大。此外，半导体应变片的温度稳定性较差，在使用时形较大。此外，半导体应变片的温度稳定性较差，在

47、使用时应采取温度补偿和非线性补偿措施。应采取温度补偿和非线性补偿措施。 3.4 应变电阻和压电式传感器应变电阻和压电式传感器 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 3.4.2 压力式传感器压力式传感器 3.4.2.1 压电效应压电效应 3.4.2.2 压电式力传感器压电式力传感器 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量v 3.5 压力和差压变送器压力和差压变送器 3.5.1 电容式差压变送器电容式差压变送器 3.5.2 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量电容式压力(差压)变送器1.概述 1151系列电容式压力(压差)变送器是我国引进美国罗斯

48、蒙特公司技术并自己开发生产的一类新型压力(差压)变送器。 特点：它具有精确度高，性能稳定，单向过载保护性能好，调整方便，体积小，重量轻等一系列优点。 应用：使用在电力、石油、化工等各领域的生产过程中。在火力发电厂使用1151电容式压力(差压)变送器几乎有一种替代其他种类压力(差压)变送器的趋势。 组成： 变送器由两部分组成：差动式压力(差压)电容转换和测量电路。 差动式压力(差压)电容转换是将被测压力(差压)转换成差动变化的电容CL、CH，其结构如图所示。 2.结构 感压元件是膜片，它是能产生弹性变形的极板。两电容的固定极板为球面形结构。测量膜片位于两固定极板的中央，它与固定极板构成两个小室，

49、称为室，两室结构对称。固定极板是将玻璃绝缘体磨成球形凹面，并在该表面镀上一层金属薄膜而成。金属薄膜和弹性膜片都接有输出引线。测量膜片与固定极板形成的电容在30150pf范围内。室通孔与自己一侧隔离膜片腔室连通，室和隔离腔室内充有硅油。 部分1151电容式压力（差压）变送器 3.测量电路及工作原理 测量电路的任务是将电容变化量转换成420mA，DC输出，输出特性是线性的。电路能实现仪表零点、量程、阻尼、线性等调整。 1151系列变送器有三种测量电路：E型(普通型)J型(有开平方功能)、F型(用于微差压测量)。现以E型电路为例分析其转换工作原理，电路组成原理框图如图所示。 测量电路的作用： 一是完

50、成电容电流的转换，转换成的电流为直流并与成正比。这由解调器、振荡器、振荡控制放大器完成。 二是对转换成的直流电流信号进行控制放大使之成为420mA，DC输出，并能实现零点、量程、阻尼调整等功能。这由调零电路、量程调整电路、电流控制放大器、电流转换电路(功率放大)、阻尼调整电路等完成。 三是输出电流限制和外接电压保护功能，这由电流限制电路和反极性保护电路完成。 四是线性调整功能，这由线性调整电路完成。 (1)电容电流转换 将一个载有信号的电容转换成电流信号，在此采用的方法是对电 容回路供以稳定的交流电压。当电容量变化时，流过电容的电流也随之发生变化，该电流即载有信号电流，显然这要求供电的交流电压

51、应稳定。由于传感电容的电容量较小(30150pF)，只有供电电压频率较高时才可能获得大的信号电流。因此电容电流的转换采用高频振荡器供电。为保证振荡器的输出电压稳定，采用了振荡控制措施。从控制角度看，这种控制是定值调节系统。在振荡控制放大器的输入端放置一定值电压，校调量是振荡器输出电压。输出电压反馈到振荡控制放大器的输入端作为控制信号，该信号是由解调器输出的共模电流在振荡控制放大器输出端的电阻网络上产生的，这是解调器完成的一个任务。完成的另一任务是输出差模信号电流，该电流代表，输出到电流控制电路进行控制放大，转换成420mA，DC。以下分析解调器输出及振荡控制的工作原理，电路如图所示。 LiHi

52、Li Hi LCHCLCHC (2)电流控制放大及电流转换 电流控制放大器及电流转换电路一起构成输出420mA，DC电流的控制回路。它是深度负反馈的控制回路，如图3-25所示。电流控制放大器的输入端信号(不论是同相端还是反相端)均以G点为参考点。加到反相端的输人信号有：C点与G点之间的电压信号Up。Up是由分压电阻R14提供的，相对于G点Up是负值。加到同相端的输入情号有：解调器输出的差模电流Is(测量信号电流)形成的电压为RsIs，Rs是等效电阻。输入放大器同相端的信号电压为：- RsIs (相对于G点是负值)。调零电路在放大器同相端产生的电压为KUU0(KU为分压系数)，相对于G点为负值。

53、以上三个电压是电流控制放大器的输入电压。整机输出电流I0通过量程电路反馈到电流控制放大器同相端的反馈电压为I0。 (3)电流限制电路 电流限制电路由晶体管V2电阻R18、R19组成。电路的作用是限制功率放大器过大的输出。当功率放大器输出过大时，流过R34的电流变大，因此V2集电极电位下降，使V2达到饱和状态，从而增大了V2对功放的分流效果，使功率放大器的输出受到限制。电路设计使整机输出电流不会大于30mA，DC。另外，电流限制电路还提供直流电压输出作为放大器Al、A2、A3的电源电压。 (4)反极性保护电路 稳压二极管V8构成外接电源极性反接的保护电路。当外接电源E极性反接时，V8构成顺向通路

54、，这样不致于损坏仪表电路。 (5)阻尼电路 阻尼电路由R31、R32、C18和电位器RP2构成，其作用是抑制被测介质信号脉动变化时而引起的输出电流过大的波动。该通路为信号交流负反馈通道； 4.仪表的调整及使用 (1)测量电路 仪表的测量电路在结构上做成了插件板形式，有检测板、补偿板、调整板、放大电路板等。检测板装有解调电路的二极管，并接有检测变换电容CL、CH，一般情况下，它不可随意拆下。补偿板上是量程补偿电阻R1、R2以及稳压温度电阻R25、R26、R27。 调整板也是零点调整和量程调整电路。测量电路及其他电路均在放大电路板上。调整扳和放大电路板与其他型号的调整板子放大电路板可互换，互换后要

55、对仪表进行全面的校验。 (2)零点与量程调整 调整电位器RP3可以调整仪表的零点电流。当需要进行零点迁移时，应先对插孔SZ或EZ进行短接(粗调)，之后再仔细调整RP3，使之达到要求。量程的调整是通过电位器RP4的调整实现的，改变RP4的滑动端即改变了系统的反馈系数。零点与量程的调整要反复进行几次才能最后确定。 (3)线性调整 在放大电路板上有线性调整电位器，仪表出厂时已经按调整量程调到最佳状态，一般不需再进行调整。如果要求在某一特定的测量范围内有较好的线性特性时，则需要重新调整。 (4)阻尼调整 调整放大电路板上的RP2可以改变仪器的阻尼特性，调整范围为0.21.66s，仪表出厂时调到0.2s

56、状态。阻尼时间的调整可在现场进行。如果仪表输出波动较大，应进行增加阻尼时间的调整。 (5)仪表负载特性 仪表运行的允许负载与使用的仪表电源电压有关， 5.变送器的特点 (1)变送器无机械传动和机械反馈机构，与力平衡式压力(差压)变送器比较起来，它结构简单，使用维护方便，精确度高。 (2)变送器的测量敏感部件采用平面膜片，两侧球面形极板为固定极板，结构对称，利用膜片受压后产生弹性位移，差动式改变两侧电容的变化。球面形对称性结构和微位移使输出有较好的线性特性。 (3)测量电路众多采用线性集成元件，线路简单，性能好，整机的调整均通过测量电路，调整方便。 3.5.2 扩散硅型压阻式传感器扩散硅型压阻式

57、传感器及变送器及变送器 扩散硅压阻式变送器的基本构成扩散硅压阻式变送器的基本构成扩散硅压阻式压力传感器（感压部件）原理分析扩散硅压阻式压力传感器（感压部件）原理分析扩散硅压力变送器的测量电路扩散硅压力变送器的测量电路 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量3.5.2.1 概概 述述 引言引言 随着半导体集成电路制造工艺的扩散技术日趋成熟，将敏感元件和随着半导体集成电路制造工艺的扩散技术日趋成熟，将敏感元件和应变材料合二为一制成的扩散型压阻式传感器则应运而生。由于这类传感应变材料合二为一制成的扩散型压阻式传感器则应运而生。由于这类传感器的应变电阻和基底都是用半导体硅制成，所以又称

58、为扩散硅压阻式传感器的应变电阻和基底都是用半导体硅制成，所以又称为扩散硅压阻式传感器。器。 该类传感器是在半导体基片上很方便地将一些温度补偿、信号处理该类传感器是在半导体基片上很方便地将一些温度补偿、信号处理和放大电路等集成制造在一起，就构成为集成式的传感器或变送器。和放大电路等集成制造在一起，就构成为集成式的传感器或变送器。 所以，扩散硅压阻式传感器一出现就受到人们普遍重视，发展很快所以，扩散硅压阻式传感器一出现就受到人们普遍重视，发展很快，目前这类传感器已经在力学量传感器中占据了重要地位。，目前这类传感器已经在力学量传感器中占据了重要地位。 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测

59、 量量 特点：特点： 该传感器或变送器采用该传感器或变送器采用IC（集成电路（集成电路）技术；）技术； 准确度高；准确度高； 线性度好；线性度好； 适用范围广；适用范围广； 体积小、重量轻、结构简单；体积小、重量轻、结构简单； 价格便宜。价格便宜。 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量感压部件感压部件（压阻）（压阻）测量电路测量电路被测被测压力压力压阻阻值压阻阻值变化量变化量输出信号输出信号（420mA D.C）(R)（P、P）变送器变送器图图 扩散硅压阻式变送器框图扩散硅压阻式变送器框图 扩散硅压阻式变送器的基本构成扩散硅压阻式变送器的基本构成 第第3 章章 压压 力力 和

60、和 差差 压压 测测 量量 3.5.2.3 扩散硅压阻式压力传感器（感压部件）原理分析：扩散硅压阻式压力传感器（感压部件）原理分析：12345P1低压腔；低压腔；2高压腔；高压腔；3硅杯；硅杯；4引线；引线；5硅膜片。硅膜片。图图 压阻式压力传感器结构压阻式压力传感器结构 感压部件结构：感压部件结构： 第第3 章章 压压 力力 和和 差差 压压 测测 量量 它主要有外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成，其核心部它主要有外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成，其核心部分是一块圆形的硅膜片。分是一块圆形的硅膜片。 在硅膜片上，用半导体制造工艺中的扩散掺杂法做成四个在硅膜片上，用半导体制造工艺中的扩散掺杂法做