傳感器與檢測技術(shù)第3章3

1、1第三節(jié)第三節(jié) 壓力傳感器壓力傳感器v工程中稱液體、氣體等介質(zhì)垂直作用于單位工程中稱液體、氣體等介質(zhì)垂直作用于單位面積上的力為壓力，用面積上的力為壓力，用p表示表示v式中式中 f垂直作用在面積垂直作用在面積s上的力上的力(n)。fps2第三節(jié)第三節(jié) 壓力傳感器壓力傳感器v把作用于單位面積上的全部壓力稱為絕對壓把作用于單位面積上的全部壓力稱為絕對壓力力 ，而把測量儀表所指示的壓力稱為表壓，而把測量儀表所指示的壓力稱為表壓力力p。當絕對壓力高于大氣壓力。當絕對壓力高于大氣壓力 時稱為正時稱為正壓力，絕對壓力低于大氣壓力時稱為負壓或壓力，絕對壓力低于大氣壓力時稱為負壓或真空度真空度 ，它們之間的關(guān)系

2、如下：，它們之間的關(guān)系如下：p絕0ppp絕00()ppppp絕時f0()ppppp0絕絕時0pfp3第三節(jié)第三節(jié) 壓力傳感器壓力傳感器v一、液柱式壓力計一、液柱式壓力計v二、活塞式壓力計二、活塞式壓力計v三、彈性式壓力傳感元件三、彈性式壓力傳感元件v四、電量式壓力計四、電量式壓力計4v液柱式壓力計利用液柱式壓力計利用液柱產(chǎn)生的壓力液柱產(chǎn)生的壓力與與被測介被測介質(zhì)壓力質(zhì)壓力相平衡的原理進行測壓。相平衡的原理進行測壓。vu形管液柱壓力計形管液柱壓力計一、液柱式壓力轉(zhuǎn)換原理一、液柱式壓力轉(zhuǎn)換原理ph1vh兩液面高度差兩液面高度差(m)；v 管內(nèi)液體的密度管內(nèi)液體的密度(kg/m3)5v傾斜式液壓計傾

3、斜式液壓計 v與被測壓力相通的玻璃管的直徑作得很大，與被測壓力相通的玻璃管的直徑作得很大，另一玻璃管制成傾斜式。另一玻璃管制成傾斜式。一、液柱式壓力轉(zhuǎn)換原理一、液柱式壓力轉(zhuǎn)換原理sinspls211vl沿細管上升的液柱長度沿細管上升的液柱長度(m)；v 、 粗管和細管的內(nèi)截面積粗管和細管的內(nèi)截面積(m2)；v 細管傾斜角度細管傾斜角度()。s1s26一、液柱式壓力轉(zhuǎn)換原理一、液柱式壓力轉(zhuǎn)換原理v液柱式壓力計測出的壓力液柱式壓力計測出的壓力 與液面變化高度與液面變化高度h或或l、工作液的密度、工作液的密度 有關(guān)，因此測試時應(yīng)有關(guān)，因此測試時應(yīng)注意注意 及溫度與標定時的差異，必要時應(yīng)引及溫度與標定

4、時的差異，必要時應(yīng)引入修正系數(shù)對所測結(jié)果進行修正。入修正系數(shù)對所測結(jié)果進行修正。v此外，測試時壓力計應(yīng)平放，液柱內(nèi)不允許此外，測試時壓力計應(yīng)平放，液柱內(nèi)不允許存在氣泡。存在氣泡。1p7二、活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理二、活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理v活塞式壓力計廣泛應(yīng)用于基準和標定工作中，活塞式壓力計廣泛應(yīng)用于基準和標定工作中，此種壓力計利用力平衡原理制成。此種壓力計利用力平衡原理制成。8二、活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理二、活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理9二、活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理二、活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理v工作時撥轉(zhuǎn)手輪工作時撥轉(zhuǎn)手輪1，通過絲杠，通過絲杠2、工作活塞、工作活塞3擠壓工作液產(chǎn)生壓力擠壓工作液產(chǎn)生壓力p，經(jīng)液體傳遞，作用，經(jīng)液

5、體傳遞，作用在待校準的壓力表和測量活塞上，使壓力表在待校準的壓力表和測量活塞上，使壓力表指針偏轉(zhuǎn)、砝碼指針偏轉(zhuǎn)、砝碼6被頂起。被頂起。10二、活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理二、活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理v由力平衡關(guān)系知，在平衡狀態(tài)時，壓力由力平衡關(guān)系知，在平衡狀態(tài)時，壓力p的的大小由下式確定大小由下式確定01()pggsvs測量活塞的截面積測量活塞的截面積(m 2)；vg、 g 0砝碼砝碼6和活塞、托盤和活塞、托盤5的重量的重量11二、活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理二、活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理v對于已定的壓力計，對于已定的壓力計，s、g0一定，壓力一定，壓力p僅取僅取決于砝碼的重量決于砝碼的重量g。改變它的重量，即可測。改變它的重

6、量，即可測得不同的壓力得不同的壓力p，校準了壓力表各示值所指，校準了壓力表各示值所指示的實際壓力值。示的實際壓力值。12二、活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理二、活塞式壓力轉(zhuǎn)換原理v活塞式壓力計是一種較精密的測量儀器，工活塞式壓力計是一種較精密的測量儀器，工作時應(yīng)水平放在平穩(wěn)而無振動的工作臺上，作時應(yīng)水平放在平穩(wěn)而無振動的工作臺上，在頂起砝碼系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，要求測量在頂起砝碼系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，要求測量活塞插入活塞筒內(nèi)的深度不小于總長的活塞插入活塞筒內(nèi)的深度不小于總長的2/3，活塞在活塞筒內(nèi)能均勻平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，并且保持活塞在活塞筒內(nèi)能均勻平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，并且保持足夠的持續(xù)旋轉(zhuǎn)時間，以減小活塞與活塞筒足夠的持續(xù)旋轉(zhuǎn)時

7、間，以減小活塞與活塞筒壁之間的摩擦力。壁之間的摩擦力。13三、彈性式壓力傳感元件三、彈性式壓力傳感元件v指針式壓力計和壓力傳感器都是根據(jù)彈性變指針式壓力計和壓力傳感器都是根據(jù)彈性變形原理工作的。形原理工作的。v某種特定形式的某種特定形式的彈性元件彈性元件，在被測流體和氣，在被測流體和氣體壓力作用下，體壓力作用下，將產(chǎn)生與被測壓力成一定函將產(chǎn)生與被測壓力成一定函數(shù)關(guān)系的機械變位數(shù)關(guān)系的機械變位(或應(yīng)變或應(yīng)變)，經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)，經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成指針的偏轉(zhuǎn)，從而直接指示被測壓力的換成指針的偏轉(zhuǎn)，從而直接指示被測壓力的大小，此轉(zhuǎn)換裝置就是壓力傳感件。大小，此轉(zhuǎn)換裝置就是壓力傳感件。14三、彈性式壓力傳感

8、元件三、彈性式壓力傳感元件v感受壓力的彈性元件是壓力傳感器的關(guān)鍵元感受壓力的彈性元件是壓力傳感器的關(guān)鍵元件件 v通常采用的彈性式壓力敏感元件有通常采用的彈性式壓力敏感元件有v波登管波登管v膜片膜片v波紋管波紋管15三、彈性式壓力傳感元件三、彈性式壓力傳感元件v波登管波登管v大多數(shù)指針式壓力計的彈性元件是波登管大多數(shù)指針式壓力計的彈性元件是波登管 16三、彈性式壓力傳感元件三、彈性式壓力傳感元件v波登管波登管v其橫截面都是橢圓形或平橢圓形的空心金屬其橫截面都是橢圓形或平橢圓形的空心金屬管子管子v當這種彈性管一側(cè)通入流體有一定壓力時，當這種彈性管一側(cè)通入流體有一定壓力時，由于內(nèi)外側(cè)的壓差由于內(nèi)外側(cè)

9、的壓差(外側(cè)一般為大氣壓力外側(cè)一般為大氣壓力)，迫使管子的橢圓截面產(chǎn)生趨向于變圓的變形，迫使管子的橢圓截面產(chǎn)生趨向于變圓的變形，這種變形導(dǎo)致這種變形導(dǎo)致c形、螺線形和螺旋形波登管形、螺線形和螺旋形波登管的自由端產(chǎn)生變位的自由端產(chǎn)生變位；對于；對于扭轉(zhuǎn)形波登管，輸扭轉(zhuǎn)形波登管，輸出運動則是自由端的角位移出運動則是自由端的角位移。 17三、彈性式壓力傳感元件三、彈性式壓力傳感元件v波登管波登管v雖然采用波登管作為壓力敏感元件，可得到雖然采用波登管作為壓力敏感元件，可得到較高的測量精確度，但由于它尺寸較大，固較高的測量精確度，但由于它尺寸較大，固有頻率較低及有較大的滯后現(xiàn)象，故有頻率較低及有較大的滯

10、后現(xiàn)象，故不宜作不宜作測量動態(tài)壓力傳感器測量動態(tài)壓力傳感器的敏感元件。的敏感元件。18三、彈性式壓力傳感元件三、彈性式壓力傳感元件v膜片膜片19三、彈性式壓力傳感元件三、彈性式壓力傳感元件v波紋管波紋管v波紋管可在較低壓力下得到較大變位。它可波紋管可在較低壓力下得到較大變位。它可測的壓力較低，對于小直徑的黃銅波紋管，測的壓力較低，對于小直徑的黃銅波紋管，最大允許壓力約為最大允許壓力約為1.5mpa20四、電量式壓力計四、電量式壓力計v電量式壓力計是用各種傳感器或測量元件將電量式壓力計是用各種傳感器或測量元件將壓力壓力變換成變換成電量或電參數(shù)電量或電參數(shù)，再經(jīng)后接相應(yīng)的，再經(jīng)后接相應(yīng)的測量電路進

11、一步變換，最后由顯示或記錄儀測量電路進一步變換，最后由顯示或記錄儀顯示或記錄下來，以實現(xiàn)壓力測量的裝量。顯示或記錄下來，以實現(xiàn)壓力測量的裝量。v常見的測壓力系統(tǒng)所用傳感器有常見的測壓力系統(tǒng)所用傳感器有電容式電容式、電電感式感式、電阻式電阻式、渦流式渦流式、壓電式壓電式等等21四、電量式壓力計四、電量式壓力計1.電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器v電容式壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換成電容的變電容式壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換成電容的變化，經(jīng)電路變換成電量輸出?；?jīng)電路變換成電量輸出。22四、電量式壓力計四、電量式壓力計1.電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器v測量低壓的單電容壓力傳測量低壓的單電容壓力傳感器。感

12、器。v膜片作為電容器一個極板，膜片作為電容器一個極板，在壓力在壓力p作用下產(chǎn)生位移，作用下產(chǎn)生位移，改變了與球形極板之間的改變了與球形極板之間的距離，從而引起電容距離，從而引起電容c的的變化。變化。23四、電量式壓力計四、電量式壓力計1.電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器p24四、電量式壓力計四、電量式壓力計1.電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器v用于測量壓差的差動用于測量壓差的差動式壓力傳感器。式壓力傳感器。v膜片與鍍在球形玻璃膜片與鍍在球形玻璃表面的金屬層形成一表面的金屬層形成一個差動電容傳感器，個差動電容傳感器，在壓力差在壓力差 的的作用下，膜片向壓力作用下，膜片向壓力小的方向移動，引起小的

13、方向移動，引起電容電容c的變化。的變化。12ppp 25四、電量式壓力計四、電量式壓力計1.電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器p26四、電量式壓力計四、電量式壓力計1.電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器v電容式壓力傳感器的特點是靈敏度高，適合電容式壓力傳感器的特點是靈敏度高，適合測量微壓，頻響好，抗干擾能力較強。測量微壓，頻響好，抗干擾能力較強。27四、電量式壓力計四、電量式壓力計2.應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器 v應(yīng)變式壓力傳感器的工作原理是利用應(yīng)變片應(yīng)變式壓力傳感器的工作原理是利用應(yīng)變片將彈性元件在壓力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成將彈性元件在壓力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電量的變化。電量的變化。28

14、四、電量式壓力計四、電量式壓力計2.應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器 v簡易平膜應(yīng)變壓力傳感簡易平膜應(yīng)變壓力傳感器器v膜片膜片1在壓力在壓力p作用下產(chǎn)作用下產(chǎn)生變形，引起粘貼在膜生變形，引起粘貼在膜片片1上應(yīng)變片上應(yīng)變片2電阻值的電阻值的變化，變化的電阻值通變化，變化的電阻值通過后接的應(yīng)變儀變換成過后接的應(yīng)變儀變換成電量的變化。電量的變化。29四、電量式壓力計四、電量式壓力計2.應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器 v應(yīng)變式壓力傳感器體積小，重量輕，精度高，應(yīng)變式壓力傳感器體積小，重量輕，精度高，測量范圍寬，從幾帕到測量范圍寬，從幾帕到500mpa，頻響高，頻響高，同時耐壓，抗振，因而在實際中得到

15、廣泛應(yīng)同時耐壓，抗振，因而在實際中得到廣泛應(yīng)用。用。30四、電量式壓力計四、電量式壓力計3.壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器v壓阻式壓力傳感器是利用壓阻式壓力傳感器是利用壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)將壓力變將壓力變換成換成電阻的變化電阻的變化實現(xiàn)壓力測量。實現(xiàn)壓力測量。31四、電量式壓力計四、電量式壓力計3.壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器v固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。v半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強。利用半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強。利用半導(dǎo)體材料做成的壓阻式傳感器有兩種類型：一種材料做成的壓阻式傳感器有兩種類型：

16、一種是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成的粘貼式是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成的粘貼式應(yīng)應(yīng)變片變片；另一類是在半導(dǎo)體材料的基片上用集；另一類是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，稱成電路工藝制成擴散電阻，稱擴散型壓阻傳擴散型壓阻傳感器感器。32四、電量式壓力計四、電量式壓力計3.壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器v壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應(yīng)高，體積小。它主要用于測量壓力、率響應(yīng)高，體積小。它主要用于測量壓力、加速度和載荷參數(shù)。加速度和載荷參數(shù)。33四、電量式壓力計四、電量式壓力計3.壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器v固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓

17、阻式傳感器:v用于測量噴氣發(fā)動用于測量噴氣發(fā)動機工作壓力機工作壓力34四、電量式壓力計四、電量式壓力計3.壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器v壓力通過壓力進口壓力通過壓力進口1中的工作介質(zhì)傳遞到中的工作介質(zhì)傳遞到硅心片硅心片3內(nèi)側(cè)，由于內(nèi)側(cè)，由于壓阻效應(yīng)，硅心片壓阻效應(yīng)，硅心片3的阻值發(fā)生變化，再的阻值發(fā)生變化，再經(jīng)后接應(yīng)變儀變換成經(jīng)后接應(yīng)變儀變換成與壓力與壓力p成比例的電成比例的電量。量。35四、電量式壓力計四、電量式壓力計3.壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器v壓阻式壓力傳感器的特點是頻響寬，動態(tài)響壓阻式壓力傳感器的特點是頻響寬，動態(tài)響應(yīng)快，測量范圍從幾應(yīng)快，測量范圍從幾pa到到3109pa，

18、特別適，特別適用于爆炸、沖擊壓力的測量。用于爆炸、沖擊壓力的測量。36四、電量式壓力計四、電量式壓力計4.電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器v此種傳感器是將壓力變化轉(zhuǎn)換成電感變化，此種傳感器是將壓力變化轉(zhuǎn)換成電感變化，通過測量電路再將電感變化轉(zhuǎn)換成電量實現(xiàn)通過測量電路再將電感變化轉(zhuǎn)換成電量實現(xiàn)壓力測量。壓力測量。37四、電量式壓力計四、電量式壓力計4.電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器v膜片電感壓力傳感器膜片電感壓力傳感器 v其工作原理和膜片電其工作原理和膜片電容壓力傳感器相似，容壓力傳感器相似，所不同的是壓力使膜所不同的是壓力使膜片片1與鐵心與鐵心2之間距離之間距離的變化，改變了線圈的變化，改變

19、了線圈3的電感。的電感。38四、電量式壓力計四、電量式壓力計4.電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器v測量壓差傳感器測量壓差傳感器 v中間膜片中間膜片1在壓差在壓差 p 的作用下產(chǎn)生位移，的作用下產(chǎn)生位移，通過連桿通過連桿2帶動差動帶動差動變壓器變壓器4中的鐵心中的鐵心3移動，從而將壓力移動，從而將壓力差差 p轉(zhuǎn)換成變壓器轉(zhuǎn)換成變壓器的電壓輸出。的電壓輸出。39四、電量式壓力計四、電量式壓力計4.電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器v變氣隙式結(jié)構(gòu)變氣隙式結(jié)構(gòu)l40四、電量式壓力計四、電量式壓力計4.電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器v變氣隙式結(jié)構(gòu)變氣隙式結(jié)構(gòu)pa41四、電量式壓力計四、電量式壓力計4.電

20、感式壓力傳感器電感式壓力傳感器v微壓傳感器微壓傳感器1 接頭；接頭；2 膜盒；膜盒；3 底座底座4 線路板；線路板；5 差動變壓器；差動變壓器；6 銜鐵；銜鐵；7 罩殼罩殼1 12 23 34 45 56 67 742四、電量式壓力計四、電量式壓力計4.電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器p43四、電量式壓力計四、電量式壓力計4.電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器v電感式壓力傳感器類型較多，其特點是頻響電感式壓力傳感器類型較多，其特點是頻響低，適用于靜態(tài)或變化緩慢壓力的測試。低，適用于靜態(tài)或變化緩慢壓力的測試。44四、電量式壓力計四、電量式壓力計5.渦流式壓力傳感器渦流式壓力傳感器v渦流式壓力傳感器

21、屬于電感式壓力傳感器中渦流式壓力傳感器屬于電感式壓力傳感器中的一種，它利用的一種，它利用渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)將壓力變換成將壓力變換成線圈線圈阻抗阻抗的變化，再經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成電量。的變化，再經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成電量。45四、電量式壓力計四、電量式壓力計5.渦流式壓力傳感器渦流式壓力傳感器v壓力壓力p通過測量孔通過測量孔1作作用在膜片用在膜片2上，改變上，改變它與線圈之間的距離它與線圈之間的距離d，從而引起線圈，從而引起線圈3阻阻抗的變化，變化的阻抗的變化，變化的阻抗再通過后接測量電抗再通過后接測量電路轉(zhuǎn)換成電量，實現(xiàn)路轉(zhuǎn)換成電量，實現(xiàn)對壓力的測試。對壓力的測試。46四、電量式壓力計四、電量式壓力計5.

22、渦流式壓力傳感器渦流式壓力傳感器v渦流式壓力傳感器有良好的動態(tài)特性，適合渦流式壓力傳感器有良好的動態(tài)特性，適合在爆炸等極其惡劣的條件下工作，如測量沖在爆炸等極其惡劣的條件下工作，如測量沖擊波。擊波。47四、電量式壓力計四、電量式壓力計6.霍爾式壓力傳感器霍爾式壓力傳感器v當霍爾元件通過恒定電流時，產(chǎn)生與被測壓當霍爾元件通過恒定電流時，產(chǎn)生與被測壓力成正比的霍爾電動勢，完成壓力至電量的力成正比的霍爾電動勢，完成壓力至電量的變換。變換。48四、電量式壓力計四、電量式壓力計6.霍爾式壓力傳感器霍爾式壓力傳感器v從從 a端通人電流端通人電流i，根據(jù)，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢霍爾電勢vh1，右半部產(chǎn)，右半部產(chǎn)生霍爾電勢生霍爾電勢vh2，其方向，其方向相反。因此，相反。因此，c、d兩端兩端電勢為電勢為vh1-vh2。49四、電量式壓力計四、電量式壓力計6.霍爾式壓力傳感器霍爾式壓