儀表自動(dòng)化第三章檢測儀表與傳感器課件

第三章檢測儀表與變送器第三章檢測儀表與變送器簡單控制系統(tǒng)構(gòu)成回顧：簡單控制系統(tǒng)的方塊圖簡單控制系統(tǒng)構(gòu)成回顧：簡單控制系統(tǒng)的方塊圖

本章主要內(nèi)容：3.1概述3.2壓力檢測3.3流量檢測3.4物位檢測3.5溫度檢測3.6成分分析本章主要內(nèi)容：3.1概述3.2壓力檢測3.33.1概述3.1.0檢測變送的重要性3.1.1測量誤差3.1.2儀表性能指標(biāo)3.1.3過程參數(shù)的一般測量原理3.1概述3.1.0檢測變送的重要性3.1.1

在過程自動(dòng)化中要通過檢測元件獲取生產(chǎn)工藝變量，最常見變量是溫度、壓力、流量、物位（四大參數(shù)）。檢測元件又稱為敏感元件、傳感器，它直接響應(yīng)工藝變量，并轉(zhuǎn)化成一個(gè)與之成對應(yīng)關(guān)系的輸出信號。這些輸出信號包括位移、電壓、電流、電阻、頻率、氣壓等。3.1.0檢測變送的重要性在過程自動(dòng)化中要通過檢測元件獲取生產(chǎn)工藝變量，最常

由于檢測元件的輸出信號種類繁多，且信號較弱不易察覺，一般都需要將其經(jīng)過變送器處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的電氣信號（如4～20mA或0～10mA直流電流信號,20～100KPa氣壓信號）送往顯示儀表，指示或記錄工藝變量，或同時(shí)送往控制器對被控變量進(jìn)行控制。有時(shí)將檢測元件、變送器及顯示裝置統(tǒng)稱為檢測儀表,或者將檢測元件稱為一次儀表，將變送器和顯示裝置稱為二次儀表。由于檢測元件的輸出信號種類繁多，且信號較弱不易察覺，檢測——實(shí)施正確控制的第一步變送——將檢測元件輸出的各種信號、微弱信號轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一(標(biāo)準(zhǔn))的電氣信號。靜態(tài)：正確——y(t)正確反映c(t)的值可靠——長期工作動(dòng)態(tài)：迅速——y(t)迅速反映c(t)的變化過程控制對檢測儀表要求：檢測——實(shí)施正確控制的第一步變送——將檢測元件輸出的各種信號3.1.1檢測過程與測量誤差

檢測過程參數(shù)檢測就是用專門的技術(shù)工具，依靠能量的變換、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算找到被測量的值。被測變量傳感器參數(shù)檢測的基本過程被測對象變送器顯示裝置傳感器又稱為檢測元件或敏感元件，它直接響應(yīng)被測變量，經(jīng)能量轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)化成一個(gè)與被測變量成對應(yīng)關(guān)系的便于傳送的輸出信號，如mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力等等。由于傳感器的輸出信號種類很多，而且信號往往很微弱，一般都需要經(jīng)過變送環(huán)節(jié)的進(jìn)一步處理，把傳感器的輸出轉(zhuǎn)換成如0～10mA、4～20mA等標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的模擬量信號或者滿足特定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字量信號，這種檢測儀表稱為變送器。有些時(shí)候，傳感器可以不經(jīng)過變送環(huán)節(jié)，直接通過顯示裝置把被測量顯示出來。3.1.1檢測過程與測量誤差檢測過程參數(shù)檢測就是用專門的測量誤差測量誤差——儀表測得的測量值與被測真值之差由于真值在理論上是無法真正被獲取的，因此，測量誤差就是指檢測儀表（精度較低）和標(biāo)準(zhǔn)表（精度較高）在同一時(shí)刻對同一被測變量進(jìn)行測量所得到的2個(gè)讀數(shù)之差。即：x0——標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)測量誤差的幾種表示形式：絕對誤差實(shí)際相對誤差標(biāo)稱相對誤差相對百分誤差測量誤差測量誤差——儀表測得的測量值與被測真值3.1.3檢測儀表的主要性能指標(biāo)儀表的精確度一臺測量范圍0～1000kPa的壓力測量儀表，其最大絕對誤差10kPa(在整個(gè)量程范圍內(nèi))，另一臺測量范圍0～400kPa的壓力測量儀表，其最大絕對誤差5kPa，請問哪一臺壓力檢測儀表的精度更高？雖然后者的最大絕對誤差較小，但這并不說明后者較前者精度高。在自動(dòng)化儀表中，通常是以最大相對百分誤差來衡量儀表的精確度，定義儀表的精度等級。

由于儀表的絕對誤差在測量范圍內(nèi)的各點(diǎn)上是不相同的，因此在工業(yè)上通常將絕對誤差中的最大值，即把最大絕對誤差折合成測量范圍的百分?jǐn)?shù)表示，稱為最大相對百分誤差:儀表的精度等級（精確度等級）是指儀表在規(guī)定的工作條件下允許的最大相對百分誤差。

3.1.3檢測儀表的主要性能指標(biāo)儀表的精確度一臺測量范圍0～3.1.3檢測儀表的主要性能指標(biāo)☆☆儀表的精確度等級☆☆儀表的精度等級（精確度等級）是指儀表在規(guī)定的工作條件下允許的最大相對百分誤差。把儀表允許的最大相對百分誤差去掉“±”號和“％”號，便可以用來確定儀表的精度等級。目前，按照國家統(tǒng)一規(guī)定所劃分的儀表精度等級有：

0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。所謂的0.5級儀表，表示該儀表允許的最大相對百分誤差為±0.5％，以此類推。精度等級一般用一定的符號形式表示在儀表面板上：1.51.0儀表的精度等級是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。精度等級數(shù)值越小，表示儀表的精確度越高。精度等級數(shù)值小于等于0.05的儀表通常用來作為標(biāo)準(zhǔn)表，而工業(yè)用表的精度等級數(shù)值一般大于等于0.5。3.1.3檢測儀表的主要性能指標(biāo)☆☆儀表的精確度等級☆☆儀表檢測儀表的主要性能指標(biāo)非線性誤差在通常情況下，總是希望測量儀表的輸出量和輸入量之間呈線性對應(yīng)關(guān)系。測量儀表的非線性誤差就是用來表征儀表的輸出量和輸入量的實(shí)際對應(yīng)關(guān)系與理論直線的吻合程度。通常非線性誤差用實(shí)際測得的輸入－輸出特性曲線（也稱為校準(zhǔn)曲線）與理論直線的之間的最大偏差和測量儀表量程之比的百分?jǐn)?shù)來表示：被測變量儀表輸出理論實(shí)際檢測儀表的主要性能指標(biāo)非線性誤差在通常情況下，總是希望測量儀檢測儀表的主要性能指標(biāo)變差在外界條件不變的情況下，使用同一儀表對被測變量在全量程范圍內(nèi)進(jìn)行正反行程（即逐漸由小到大和逐漸由大到?。y量時(shí)，對應(yīng)于同一被測值的儀表輸出可能不等，二者之差的絕對值即為變差。變差的大小，根據(jù)在同一被測值下正反特性間儀表輸出的最大絕對誤差和測量儀表量程之比的百分?jǐn)?shù)來表示：被測變量儀表輸出下行程上行程檢測儀表的主要性能指標(biāo)變差在外界條件不變的情況下，檢測儀表的主要性能指標(biāo)靈敏度和分辨力靈敏度是表征檢測儀表對被測量變化的靈敏程度，它是指儀表輸出變化量和輸入變化量之比，即

靈敏度＝Δy/Δx

分辨力又稱為靈敏限，是儀表輸出能響應(yīng)和分辨的最小輸入變化量，它也是靈敏度的一種反映。對數(shù)字式儀表來說，分辨力就是數(shù)字顯示儀表變化一個(gè)LSB（二進(jìn)制最低有效位）時(shí)輸入的最小變化量。

檢測儀表的主要性能指標(biāo)靈敏度和分辨力靈敏度是表征檢測儀表對被檢測儀表的主要性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)誤差相對百分誤差、非線性誤差、變差都是穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）誤差。動(dòng)態(tài)誤差是指檢測系統(tǒng)受外擾動(dòng)作用后，被測變量處于變動(dòng)狀態(tài)下儀表示值與參數(shù)實(shí)際值之間的差異。引起該誤差的原因是由于檢測元件和檢測系統(tǒng)中各種運(yùn)動(dòng)慣性以及能量形式轉(zhuǎn)換需要時(shí)間所造成的。衡量各種運(yùn)動(dòng)慣性的大小，以及能量傳遞的快慢常采用時(shí)間常數(shù)T和傳遞滯后時(shí)間（純滯后時(shí)間）τ兩個(gè)參數(shù)表示（這兩個(gè)參數(shù)的含義與上一章中對象數(shù)學(xué)模型中的時(shí)間常數(shù)T和純滯后時(shí)間τ的數(shù)學(xué)含義是一致的）它們的存在會降低檢測過程的動(dòng)態(tài)性能，其中純滯后時(shí)間τ的不利影響會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過時(shí)間常數(shù)T的影響。

檢測儀表的主要性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)誤差相對百分誤差、非線性誤差、變差3.1.3過程參數(shù)的一般檢測原理參數(shù)檢測離不開敏感元件（傳感器），敏感元件是按照一定的原理把被測變量的信息轉(zhuǎn)換成另一種可進(jìn)行進(jìn)一步處理或表示的信息。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程一般都是利用諸多的自然規(guī)律和基礎(chǔ)效應(yīng):守恒定律守恒定律是自然界最基本的定律，它包括能量守恒、動(dòng)量守恒等等。例如：孔板流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等就是根據(jù)流體的動(dòng)能和靜壓能之間的變化(能量守恒)來測量流體的流速。場的定律如靜電場、電磁場的感應(yīng)定律、動(dòng)力場的運(yùn)動(dòng)定律等等。典型例子：電容傳感器。dεε——兩平行板間物質(zhì)的介電常數(shù)，S——平行板面積，d——兩平行板之間的距離。如果把一個(gè)極板固定，把另一個(gè)極板與可產(chǎn)生位移的敏感元件相連，即可將敏感元件的位移轉(zhuǎn)換成電容量的大小。3.1.3過程參數(shù)的一般檢測原理參數(shù)檢測離不開敏感元件（傳過程參數(shù)的一般檢測原理熱電效應(yīng)把兩種不同的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體連接成閉合的回路，如果將兩個(gè)接點(diǎn)分別放置于不同的溫度，則該回路內(nèi)部會產(chǎn)生熱電勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，t0tAB利用導(dǎo)體的熱電效應(yīng)，可將兩種不同的導(dǎo)體制成熱電偶用于溫度檢測，這也是一種工業(yè)上普遍使用的溫度檢測方法之一。電阻的熱效應(yīng)電阻的熱效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。通常，電阻值和溫度之間可以建立如下的簡化關(guān)系式Rt為溫度t時(shí)的電阻值，Rt0為溫度t0時(shí)的電阻值，α為溫度系數(shù)?？梢?，溫度的變化可以導(dǎo)致電阻體的電阻發(fā)生變化，因此只要設(shè)法測量出電阻值的變化就可以達(dá)到測量溫度的目的，這也是另一種工業(yè)上普遍使用的溫度檢測方法。過程參數(shù)的一般檢測原理熱電效應(yīng)把兩種不同的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體連接過程參數(shù)的一般檢測原理壓電效應(yīng)當(dāng)某些材料受壓發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，在兩個(gè)相對的面上會產(chǎn)生異號電荷。這種在沒有外電場存在，由于形變引起的電現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。可見，利用壓電效應(yīng)可進(jìn)行力、壓力的測量。應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng)利用金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料制成的電阻體，其阻值R可以表示成當(dāng)電阻體材料的電阻率、長度或者截面積發(fā)生變化，可引起電阻體電阻值發(fā)生變化電阻體的電阻值變化歸結(jié)為兩個(gè)因素：一是由尺寸變化引起的（如l、A），稱為應(yīng)變效應(yīng)；二是由電阻率變化引起的，稱為壓阻效應(yīng)。對于金屬材料，以前者為主；對于半導(dǎo)體材料，以后者為主。利用材料的應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng)制成的敏感元件可用于壓力等參數(shù)的測量。過程參數(shù)的一般檢測原理壓電效應(yīng)當(dāng)某些材料受壓發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，檢測系統(tǒng)的構(gòu)成被測參數(shù)敏感元件信號變換信號傳輸信號測量顯示記錄控制+-A/DPLC檢測系統(tǒng)的構(gòu)成被測參數(shù)敏感元件信號變換信號傳輸信號測量顯示記壓力的表示方法檢測方法的分類液柱式壓力檢測彈性式壓力檢測電氣式壓力檢測智能式壓力變送器壓力檢測儀表的選用和安裝3.2壓力檢測壓力的表示方法3.2壓力檢測三種壓力表示方法絕對壓力pa表壓力p負(fù)壓或真空度ph3.2.1壓力的表示方法pa絕對壓力零線pphpa大氣壓p01.01325×105Pa絕對壓力是指物體所受的實(shí)際壓力。

表壓是指一般壓力表所測得的壓力，它是高于大氣壓力的絕對壓力與大氣壓力之差，即

真空度是指大氣壓與低于大氣壓的絕對壓力之差，有時(shí)也稱為負(fù)壓，即由于各種工藝設(shè)備和檢測儀表通常是處于大氣之中，本身就承受著大氣壓力，因此工程上通常采用表壓或者真空度來表示壓力的大小，一般的壓力檢測儀表所指示的壓力也是表壓或者真空度。除特殊說明之外，以后所提及的壓力均指表壓。

三種壓力表示方法絕對壓力pa3.2.13.2.2壓力檢測方法的分類目前工業(yè)上常用的壓力檢測方法和壓力檢測儀表很多，根據(jù)敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的不同，一般分為四類：(1)液柱式壓力檢測

一般采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管或單管進(jìn)行測量。(2)彈性式壓力檢測

它是根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移進(jìn)行測量的。常用的彈性元件有彈簧管、膜片和波紋管等。(3)電氣式壓力檢測

它是利用敏感元件將被測壓力直接轉(zhuǎn)換成各種電量進(jìn)行測量的儀表，如電阻、電荷量等。(4)活塞式壓力檢測

它是根據(jù)液壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝碼的質(zhì)量來進(jìn)行測量。活塞式壓力計(jì)的測量精度較高，允許誤差可以小到0.05％～0.02％，它普遍被用作標(biāo)準(zhǔn)儀器對壓力檢測儀表進(jìn)行檢定。

3.2.2壓力檢測方法的分類目前工業(yè)上常用的壓力檢3.2.3液柱式壓力檢測液柱式壓力檢測是以液體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)的，它們一般采用水銀或水為工作液，用U型管進(jìn)行測量，常用于較低壓力、負(fù)壓或壓力差的檢測。p1p2p1p2h(a)(b)特點(diǎn)：直觀、可靠、準(zhǔn)確度較高等，但U形管只能測量較低的壓力或差壓，為了便于讀數(shù)，U形管一般是用玻璃做成，易破損，另外它只能進(jìn)行現(xiàn)場指示。用U形管進(jìn)行壓力檢測，其誤差來源主要有：①溫度誤差——由使用環(huán)境溫度的變化引起的測量誤差。它主要包括兩個(gè)方面：一是標(biāo)尺長度隨溫度的變化（要求U形管材料的溫度系數(shù)極小）；二是工作液密度隨溫度的變化。例如水，當(dāng)溫度從10℃變到20℃時(shí)，其密度從999.8kg/m3減小到998.3kg/m3，相對變化量為0.15％。②安裝誤差——當(dāng)U形管安裝不垂直時(shí)將會產(chǎn)生安裝誤差。例如若傾斜5°，讀數(shù)誤差約0.38％。3.2.3液柱式壓力檢測液柱式壓力檢測是以液體靜力學(xué)原測量原理：

P=G/S

所以G=P?S精確度高常用作標(biāo)準(zhǔn)儀表，檢驗(yàn)其它壓力計(jì)3.2.4活塞式壓力計(jì)測量原理：3.2.4活塞式壓力計(jì)3.2.5彈性式壓力檢測彈性式壓力檢測是用彈性元件把壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件位移的一種檢測方法。平薄膜波紋膜波紋管單圈彈簧管多圈彈簧管膜片受壓力作用產(chǎn)生位移，可直接帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)指示。但是膜片的位移較小，靈敏度低，指示精度不高，一般為2.5級。膜片更多的是和其他轉(zhuǎn)換元件合起來使用，通過膜片和轉(zhuǎn)換元件把壓力轉(zhuǎn)換成電信號；波紋管的位移相對較大，一般可在其頂端安裝傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)指針直接讀數(shù)。其特點(diǎn)是靈敏高（特別是在低壓區(qū)），常用于檢測較低的壓力（1.0～106Pa），但波紋管遲滯誤差較大，精度一般只能達(dá)到1.5級；彈簧管結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉，它使用范圍廣，測量范圍寬，可以測量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)制造的要求，儀表精度最高可達(dá)0.15級。3.2.5彈性式壓力檢測彈性式壓力檢測是用彈性元件把壓力轉(zhuǎn)——彈簧管和彈簧管壓力表彈簧管是橫截面呈非圓形（橢圓形或扁圓形），彎成圓弧狀（中心角常為270°）的空心管子。管子的一端為封閉，另一端為開口。閉口端作為自由端，開口端作為固定端。被測壓力介質(zhì)從開口端進(jìn)入并充滿彈簧管的整個(gè)內(nèi)腔，由于彈簧管的非圓橫截面，使它有變成圓形并伴有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，同時(shí)改變其中心角。位移量（中心角改變量）和所加壓力有如下的函數(shù)關(guān)系：式中θ0為彈簧管中心角的初始角；Δθ為受壓后中心角的改變量；R為彈簧管彎曲圓弧的外半徑；h為管壁厚度；a、b為彈簧管橢圓形截面的長、短半軸。——彈簧管和彈簧管壓力表彈簧管是橫截面呈非圓形（橢圓形或扁圓1－彈簧管2－拉桿3－扇形齒輪4－中心齒輪5－指針6－－面板7－游絲8－調(diào)節(jié)螺釘9－接頭圖3-18彈簧管壓力表彈簧管自由端B的位移量一般很小，需要通過放大機(jī)構(gòu)才能指示出來,為了加大彈簧管自由端的位移量，也可采用多圈彈簧管，其原理與單圈彈簧管相似。單圈彈簧管壓力表是工業(yè)現(xiàn)場使用最普遍的就地指示式壓力檢測儀表（也有電接點(diǎn)輸出的彈簧管壓力表）彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉、測量范圍寬，可以測量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓一般的工業(yè)用彈簧管壓力表的精度等級為1.5級或2.5級，但根據(jù)制造的要求，其精度等級最高可達(dá)0.15級。1－彈簧管2－拉桿3－扇形齒輪彈簧管自由端B的位移量一——膜盒式差壓變送器工作原理：力矩平衡

檢測元件——膜盒或膜片

杠桿系統(tǒng)則有單杠桿、雙杠桿和矢量機(jī)構(gòu)

膜盒式差壓變送器構(gòu)成

△P測量部分Fi杠桿系統(tǒng)△M放大器反饋部分FfIo——膜盒式差壓變送器工作原理：力矩平衡檢測元件——膜盒或膜DDZ-III型差壓變送器

檢測部分:ΔP→輸入力Fi

杠桿系統(tǒng):力的傳遞和力矩比較，生成位移信號

位移檢測放大器:位移→輸出Io電磁反饋裝置:輸出→反饋力Ff△P膜盒Fi杠桿系統(tǒng)△M位移檢測放大器電磁反饋機(jī)構(gòu)FfIoDDZ-III型差壓變送器檢測部分:ΔP→輸入力Fi1.變送器的輸出電流I0和輸入信號ΔP之間呈線性關(guān)系

2.調(diào)整調(diào)零彈簧可以使變送器輸出電流I0在輸入信號范圍下限時(shí)為4mA。

3.改變tgθ或Kf可以調(diào)整變送器的量程

4.零點(diǎn)和量程要反復(fù)調(diào)整

IomAΔPminΔPmax420ΔP1.變送器的輸出電流I0和輸入信號ΔP之間呈線性關(guān)系2.調(diào)——電容式差壓變送器電容式差壓變送器采用差動(dòng)電容作為檢測元件主要包括測量部件和轉(zhuǎn)換放大電路兩部分：

差壓電容膜盒電容-電流轉(zhuǎn)換電路調(diào)零、零遷電路電流放大器反饋電路ΔpΔCIiIf＋＋I(xiàn)z－Io測量部分轉(zhuǎn)換放大部分——電容式差壓變送器電容式差壓變送器采用差動(dòng)電容作為檢測元件ΔP=0Ci1=Ci2=15pF

ΔP＞0Ci1的電容量減小

Ci2的電容量增大

——差動(dòng)電容測量原理電容式差壓變送器測量原理ΔP=0ΔP＞0——差動(dòng)電容測量原理電容式差壓變送器測量原電容式壓力變送器，目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，其輸出信號也是標(biāo)準(zhǔn)4～20mADC電流信號。電容式壓力變送器是先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測量的。電容式差壓變送器的原理圖可見傳感器有左右固定極板，在兩個(gè)固定極板之間是彈性材料制成的測量膜片，作為電容的中央動(dòng)極板，在測量膜片兩側(cè)的空腔中充滿硅油。電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)可以有效地保護(hù)測量膜片，當(dāng)差壓過大并超過允許測量范圍時(shí)，測量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，與力矩平衡式相比，電容式?jīng)]有杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測量精度相應(yīng)提高，可達(dá)0.2級。電容式壓力變送器，目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，其輸出信號也3.2.6電氣式壓力檢測——應(yīng)變片壓力/差壓變送器利用金屬或半導(dǎo)體材料制成的電阻體的阻值可表示為：

當(dāng)電阻體受外力作用時(shí)，電阻體的長度、截面積或電阻率會發(fā)生變化，即其阻值也會發(fā)生變化。這種因尺寸變化引起阻值變化稱為應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變片多以金屬材料為主，一般和彈性元件一起使用。r1r2123P(a)傳感器1－外殼2－彈性筒3－膜片應(yīng)變筒的上端與外殼固定在一起，下端與不銹鋼密封膜片3緊密接觸，應(yīng)變片r1和r2用膠合劑貼緊在應(yīng)變筒的外壁，與筒體之間不發(fā)生相對滑動(dòng)。r1沿應(yīng)變筒軸向貼放，作為測量片；r2沿徑向貼放，作為溫度補(bǔ)償片。

圖中應(yīng)變片r1、r2的靜態(tài)性能完全相同。當(dāng)膜片受到外力作用時(shí)，彈性筒軸向受壓，使應(yīng)變片r1產(chǎn)生軸向應(yīng)變，阻值變?。欢鴳?yīng)變片r2受到軸向壓縮，引起徑向拉伸，阻值變大。實(shí)際上，r2的變化量比r1的變化量要小，r2的主要作用是溫度補(bǔ)償。

3.2.6電氣式壓力檢測——應(yīng)變片壓力/差壓變送器利用金屬是應(yīng)變片阻值變化量的測量電橋，圖中R3和R4是兩個(gè)阻值相等的精密固定電阻。UiE－＋＋－r1r2R3R4AB(b)測量電橋不受壓時(shí)r1=r2=r0R3=R4=r若應(yīng)變片受壓，則：r1=r0+Δr1；r2=r0+Δr2(Δr1≠Δr2)由此可見，由壓力作用時(shí)，r1和r2一減一增，使電橋由較大的輸出；當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，r1、r2同時(shí)增減，不影響電橋的平衡。如果儀表能把電橋輸出電壓Ui進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，則該儀表即可稱為應(yīng)變式壓力變送器。

結(jié)論：應(yīng)變片式壓檢測儀表具有較大的測量范圍，被測壓力可達(dá)幾百M(fèi)Pa，并具有良好的動(dòng)態(tài)性能，適用于快速變化的壓力測量。但是，盡管測量電橋具有一定的溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?，?yīng)變片式壓力檢測儀表仍有比較明顯的溫漂和時(shí)漂，因此，這種壓力檢測儀表較多地用于一般要求的動(dòng)態(tài)壓力檢測，測量精度一般在0.5～1.0％左右。

是應(yīng)變片阻值變化量的測量電橋，圖中R3和R4是兩個(gè)阻值相等的——霍爾壓力變送器（YSH型）ZYX壓力變化——位移變化——霍爾電勢VH變化。Z方向，有恒定的非均勻的磁場BY方向，有恒定的電流I通過由于受電磁力的作用，電子運(yùn)動(dòng)的軌跡發(fā)生偏移，造成霍爾片的一個(gè)端面電子積累，另一端面正電荷過剩，這樣在X方向上形成一個(gè)電位差（VH），這一電位差稱為霍爾電勢。這一物理現(xiàn)象稱為“霍爾效應(yīng)”。VH=KH×IB/d×f(L/b)=RH×BI——VH與B、I均有關(guān)VH:霍爾電勢，d:霍爾片的厚度，b:霍爾片的電流通入端寬度L：霍爾片的電勢導(dǎo)出端的長度，f(L/b)：霍爾片的形狀系數(shù)RH：霍爾常數(shù)，RH=KH/d×f(L/b)，單位：mV/mA(千高斯)I：3-20mAB:幾千高斯VH：幾十mV導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比半導(dǎo)體小得多，因而霍爾片用半導(dǎo)體做比較多?；魻柶c彈簧管自由端連在一起，壓力變化，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，霍爾片在非均勻磁場中的位置改變（相當(dāng)于B會改變），進(jìn)而VH改變。這樣就實(shí)現(xiàn)了把壓力轉(zhuǎn)變成位移再轉(zhuǎn)變成VH的變化。ZYX——霍爾壓力變送器（YSH型）ZYXZYX氣動(dòng)壓力變送器的主要元件：氣阻（可變、固定）、氣容（可變、固定）。它們組合在一起，可形成比例氣路、積分氣路、微分氣路。P3R2P2R1P1比例：若P3=0（大氣壓），則：P2 =P1×R2/（R1+R2）+P3×R1/（R1+R2）=P1×R2/（R1+R2）=Kp×P1CP2RP1積分：M=（P1-P2）/R，M=C×dP2/dtRC×dP2/dt+P2=P1令T=RC則：T×dP2/dt+P2=P1所以：P2=P1（1-e-t/T）P2_+CRP1微分：P2=P1-P1/（RCS+1）氣動(dòng)壓力變送器的主要元件：氣阻（可變、固定）、氣容（可變、固——壓阻式（擴(kuò)散硅）壓力/差壓變送器

因電阻率變化引起阻值變化稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)比較明顯。用作壓阻式傳感器的基片材料主要為硅片和鍺片，由于單晶硅材料純、功耗小、滯后和蠕變極小、機(jī)械穩(wěn)定性好，而且傳感器的制造工藝和硅集成電路工藝有很好的兼容性，以擴(kuò)散硅壓阻傳感器作為檢測元件的壓力檢測儀表得到了廣泛的使用。

p2p1硅杯圖3-30壓阻式傳感器示意圖正壓側(cè)隔離膜片引出線負(fù)壓側(cè)隔離膜片硅油——壓阻式（擴(kuò)散硅）壓力/差壓變送器因電阻率變化引起阻值變測量部分——擴(kuò)散硅壓阻傳感器——把被測差壓ΔP成比例地轉(zhuǎn)換為不平衡電壓US

1.負(fù)壓室2.正壓室3.硅杯4.引線5.硅片Ri1Ri2Ri3Ri4測量部分——擴(kuò)散硅壓阻傳感器——把被測差壓ΔP成比例地轉(zhuǎn)換為測量部分——惠斯頓電橋Ri1Ri2Ri3Ri4Ri1Ri2Ri3Ri4IS不受壓時(shí)：Ri1＝Ri2＝Ri3＝Ri4＝R測量部分——惠斯頓電橋Ri1Ri2Ri3Ri4Ri1Ri2R測量部分——電壓轉(zhuǎn)換Ri1Ri2Ri3Ri4IS受壓時(shí)：△Ri1＝△Ri4＝r1

△Ri2＝△Ri3＝r2受壓時(shí)，流經(jīng)2橋臂的電流始終相等測量部分——電壓轉(zhuǎn)換Ri1Ri2Ri3Ri4IS受壓時(shí)：△R結(jié)論：壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，結(jié)構(gòu)簡單，其核心部分就是一個(gè)既是彈性元件又是壓敏元件的單晶硅膜片。擴(kuò)散電阻的靈敏系數(shù)是金屬應(yīng)變片的幾十倍，能直接測量出微小的壓力變化。此外，壓阻式壓力傳感器還具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，遲滯小，可用來測量幾千赫茲乃至更高的脈動(dòng)壓力。因此，這是一種發(fā)展比較迅速，應(yīng)用十分廣泛的一類壓力傳感器。這種傳感器的缺點(diǎn)則是擴(kuò)散電阻存在溫度效應(yīng)，容易受環(huán)境溫度的影響，有些廠家在傳感器組件中提供了若干校正用的溫度補(bǔ)償電路，甚至把放大轉(zhuǎn)換等電路集成在同一塊單晶硅膜片上，從而可以大大提高傳感器的基本性能。結(jié)論：3.2.7壓力檢測儀表的選用和安裝

選用＋安裝其它儀表也基本適應(yīng)3.2.7壓力檢測儀表的選用和安裝選用＋安裝其它儀表也基——壓力檢測儀表的選用

三個(gè)方面——選用時(shí)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝對壓力檢測的要求、被測介質(zhì)的特性、現(xiàn)場使用的環(huán)境等條件本著節(jié)約的原則合理地考慮儀表的量程、精度、類型（材質(zhì)）等。

⑴量程儀表的量程是指該儀表可按規(guī)定的精確度對被測量進(jìn)行測量的范圍關(guān)鍵：根據(jù)被測參數(shù)的大小來確定，同時(shí)必須考慮到被測對象可能發(fā)生的異常超壓情況，對儀表的量程選擇必須留有足夠的余地。測量穩(wěn)定壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的3/4

測量脈動(dòng)壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的2/3

測量高壓壓力：最大工作壓力Pimax不超過上限值Pmax的3/5

最小工作壓力Pimin不低于上限值Pmax的1/3

儀表的量程等級：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它們10n倍。在選用儀表量程時(shí)，應(yīng)采用相應(yīng)規(guī)程或者標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值。

這只是一個(gè)一般經(jīng)驗(yàn)要求，不是絕對的！！——壓力檢測儀表的選用三個(gè)方面——選用時(shí)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝對壓⑵儀表精度——根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實(shí)際被測壓力允許的最大絕對誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差?！谶x擇時(shí)應(yīng)堅(jiān)持節(jié)約的原則，只要測量精度能滿足生產(chǎn)的要求，就不必追求用過高精度的儀表。

例：有一壓力容器在正常工作時(shí)壓力范圍為0.4～0.6MPa，要求使用彈簧管壓力表進(jìn)行檢測，并使測量誤差不大于被測壓力的±4％，試確定該表的量程和精度等級。解：

由題意可知，被測對象的壓力比較穩(wěn)定，設(shè)儀表量程為0～AMPa，則根據(jù)工作壓力的要求：根據(jù)儀表的量程系列，可選用量程范圍為0～1.0MPa的彈簧管壓力表。由題意，被測壓力的允許最大絕對誤差為：Δmax=±0.4*4%=±0.016MPa這就要求所選儀表的相對百分誤差為：0.016/（1-0）*100%=1.6%按照儀表的精度等級，可選擇1．5級的壓力表。⑵儀表精度——根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實(shí)際被測⑶儀表類型正確選用儀表類型是保證儀表正常工作及安全生產(chǎn)的前提。主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面:儀表的材料

壓力檢測(檢測儀表)的特點(diǎn)是壓力敏感元件往往要與被測介質(zhì)直接接觸，因此在選擇儀表材料的時(shí)候要綜合考慮儀表的工作條件。例如：對腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)應(yīng)使用像不銹鋼之類的彈性元件或敏感元件；

氨用壓力表則要求儀表的材料不允許采用銅或銅合金，因?yàn)榘睔鈱︺~的腐蝕性極強(qiáng)；

又如氧用壓力表在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上可以與普通壓力表完全相同，但要禁油，因?yàn)橛瓦M(jìn)入氧氣系統(tǒng)極易引起爆炸。

輸出信號類型只需觀察壓力變化的，可選如彈簧管壓力表、液柱式壓力計(jì)那樣的直接指示型的儀表；如需將壓力信號遠(yuǎn)傳到控制室或其他電動(dòng)儀表，則可選用電氣式壓力檢測儀表或其他具有電信號輸出的儀表；如果要檢測快速變化的壓力信號，則可選用電氣式壓力檢測儀表，如壓阻式壓力傳感器；如果控制系統(tǒng)要求能進(jìn)行數(shù)字量通信，則可選用智能式壓力檢測儀表。

⑶儀表類型正確選用儀表類型是保證儀表正常工作及安全生產(chǎn)的前提使用環(huán)境對爆炸性較強(qiáng)的環(huán)境，在使用電氣壓力儀表時(shí)，應(yīng)選擇防爆型壓力儀表；對于溫度特別高或特別低、環(huán)境溫度變化大的場合，應(yīng)選擇使用溫度適當(dāng)、溫度系數(shù)小小的敏感元件以及其他變換元件。

上述選型原則也適用于差壓、流量、液位等其它檢測儀表的選型使用環(huán)境對爆炸性較強(qiáng)的環(huán)境，在使用電氣壓力儀表時(shí)，應(yīng)選擇防爆第三章檢測儀表與變送器第三章檢測儀表與變送器簡單控制系統(tǒng)構(gòu)成回顧：簡單控制系統(tǒng)的方塊圖簡單控制系統(tǒng)構(gòu)成回顧：簡單控制系統(tǒng)的方塊圖

本章主要內(nèi)容：3.1概述3.2壓力檢測3.3流量檢測3.4物位檢測3.5溫度檢測3.6成分分析本章主要內(nèi)容：3.1概述3.2壓力檢測3.33.1概述3.1.0檢測變送的重要性3.1.1測量誤差3.1.2儀表性能指標(biāo)3.1.3過程參數(shù)的一般測量原理3.1概述3.1.0檢測變送的重要性3.1.1

在過程自動(dòng)化中要通過檢測元件獲取生產(chǎn)工藝變量，最常見變量是溫度、壓力、流量、物位（四大參數(shù)）。檢測元件又稱為敏感元件、傳感器，它直接響應(yīng)工藝變量，并轉(zhuǎn)化成一個(gè)與之成對應(yīng)關(guān)系的輸出信號。這些輸出信號包括位移、電壓、電流、電阻、頻率、氣壓等。3.1.0檢測變送的重要性在過程自動(dòng)化中要通過檢測元件獲取生產(chǎn)工藝變量，最常

由于檢測元件的輸出信號種類繁多，且信號較弱不易察覺，一般都需要將其經(jīng)過變送器處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的電氣信號（如4～20mA或0～10mA直流電流信號,20～100KPa氣壓信號）送往顯示儀表，指示或記錄工藝變量，或同時(shí)送往控制器對被控變量進(jìn)行控制。有時(shí)將檢測元件、變送器及顯示裝置統(tǒng)稱為檢測儀表,或者將檢測元件稱為一次儀表，將變送器和顯示裝置稱為二次儀表。由于檢測元件的輸出信號種類繁多，且信號較弱不易察覺，檢測——實(shí)施正確控制的第一步變送——將檢測元件輸出的各種信號、微弱信號轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一(標(biāo)準(zhǔn))的電氣信號。靜態(tài)：正確——y(t)正確反映c(t)的值可靠——長期工作動(dòng)態(tài)：迅速——y(t)迅速反映c(t)的變化過程控制對檢測儀表要求：檢測——實(shí)施正確控制的第一步變送——將檢測元件輸出的各種信號3.1.1檢測過程與測量誤差

檢測過程參數(shù)檢測就是用專門的技術(shù)工具，依靠能量的變換、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算找到被測量的值。被測變量傳感器參數(shù)檢測的基本過程被測對象變送器顯示裝置傳感器又稱為檢測元件或敏感元件，它直接響應(yīng)被測變量，經(jīng)能量轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)化成一個(gè)與被測變量成對應(yīng)關(guān)系的便于傳送的輸出信號，如mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力等等。由于傳感器的輸出信號種類很多，而且信號往往很微弱，一般都需要經(jīng)過變送環(huán)節(jié)的進(jìn)一步處理，把傳感器的輸出轉(zhuǎn)換成如0～10mA、4～20mA等標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的模擬量信號或者滿足特定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字量信號，這種檢測儀表稱為變送器。有些時(shí)候，傳感器可以不經(jīng)過變送環(huán)節(jié)，直接通過顯示裝置把被測量顯示出來。3.1.1檢測過程與測量誤差檢測過程參數(shù)檢測就是用專門的測量誤差測量誤差——儀表測得的測量值與被測真值之差由于真值在理論上是無法真正被獲取的，因此，測量誤差就是指檢測儀表（精度較低）和標(biāo)準(zhǔn)表（精度較高）在同一時(shí)刻對同一被測變量進(jìn)行測量所得到的2個(gè)讀數(shù)之差。即：x0——標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)測量誤差的幾種表示形式：絕對誤差實(shí)際相對誤差標(biāo)稱相對誤差相對百分誤差測量誤差測量誤差——儀表測得的測量值與被測真值3.1.3檢測儀表的主要性能指標(biāo)儀表的精確度一臺測量范圍0～1000kPa的壓力測量儀表，其最大絕對誤差10kPa(在整個(gè)量程范圍內(nèi))，另一臺測量范圍0～400kPa的壓力測量儀表，其最大絕對誤差5kPa，請問哪一臺壓力檢測儀表的精度更高？雖然后者的最大絕對誤差較小，但這并不說明后者較前者精度高。在自動(dòng)化儀表中，通常是以最大相對百分誤差來衡量儀表的精確度，定義儀表的精度等級。

由于儀表的絕對誤差在測量范圍內(nèi)的各點(diǎn)上是不相同的，因此在工業(yè)上通常將絕對誤差中的最大值，即把最大絕對誤差折合成測量范圍的百分?jǐn)?shù)表示，稱為最大相對百分誤差:儀表的精度等級（精確度等級）是指儀表在規(guī)定的工作條件下允許的最大相對百分誤差。

3.1.3檢測儀表的主要性能指標(biāo)儀表的精確度一臺測量范圍0～3.1.3檢測儀表的主要性能指標(biāo)☆☆儀表的精確度等級☆☆儀表的精度等級（精確度等級）是指儀表在規(guī)定的工作條件下允許的最大相對百分誤差。把儀表允許的最大相對百分誤差去掉“±”號和“％”號，便可以用來確定儀表的精度等級。目前，按照國家統(tǒng)一規(guī)定所劃分的儀表精度等級有：

0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。所謂的0.5級儀表，表示該儀表允許的最大相對百分誤差為±0.5％，以此類推。精度等級一般用一定的符號形式表示在儀表面板上：1.51.0儀表的精度等級是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。精度等級數(shù)值越小，表示儀表的精確度越高。精度等級數(shù)值小于等于0.05的儀表通常用來作為標(biāo)準(zhǔn)表，而工業(yè)用表的精度等級數(shù)值一般大于等于0.5。3.1.3檢測儀表的主要性能指標(biāo)☆☆儀表的精確度等級☆☆儀表檢測儀表的主要性能指標(biāo)非線性誤差在通常情況下，總是希望測量儀表的輸出量和輸入量之間呈線性對應(yīng)關(guān)系。測量儀表的非線性誤差就是用來表征儀表的輸出量和輸入量的實(shí)際對應(yīng)關(guān)系與理論直線的吻合程度。通常非線性誤差用實(shí)際測得的輸入－輸出特性曲線（也稱為校準(zhǔn)曲線）與理論直線的之間的最大偏差和測量儀表量程之比的百分?jǐn)?shù)來表示：被測變量儀表輸出理論實(shí)際檢測儀表的主要性能指標(biāo)非線性誤差在通常情況下，總是希望測量儀檢測儀表的主要性能指標(biāo)變差在外界條件不變的情況下，使用同一儀表對被測變量在全量程范圍內(nèi)進(jìn)行正反行程（即逐漸由小到大和逐漸由大到小）測量時(shí)，對應(yīng)于同一被測值的儀表輸出可能不等，二者之差的絕對值即為變差。變差的大小，根據(jù)在同一被測值下正反特性間儀表輸出的最大絕對誤差和測量儀表量程之比的百分?jǐn)?shù)來表示：被測變量儀表輸出下行程上行程檢測儀表的主要性能指標(biāo)變差在外界條件不變的情況下，檢測儀表的主要性能指標(biāo)靈敏度和分辨力靈敏度是表征檢測儀表對被測量變化的靈敏程度，它是指儀表輸出變化量和輸入變化量之比，即

靈敏度＝Δy/Δx

分辨力又稱為靈敏限，是儀表輸出能響應(yīng)和分辨的最小輸入變化量，它也是靈敏度的一種反映。對數(shù)字式儀表來說，分辨力就是數(shù)字顯示儀表變化一個(gè)LSB（二進(jìn)制最低有效位）時(shí)輸入的最小變化量。

檢測儀表的主要性能指標(biāo)靈敏度和分辨力靈敏度是表征檢測儀表對被檢測儀表的主要性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)誤差相對百分誤差、非線性誤差、變差都是穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）誤差。動(dòng)態(tài)誤差是指檢測系統(tǒng)受外擾動(dòng)作用后，被測變量處于變動(dòng)狀態(tài)下儀表示值與參數(shù)實(shí)際值之間的差異。引起該誤差的原因是由于檢測元件和檢測系統(tǒng)中各種運(yùn)動(dòng)慣性以及能量形式轉(zhuǎn)換需要時(shí)間所造成的。衡量各種運(yùn)動(dòng)慣性的大小，以及能量傳遞的快慢常采用時(shí)間常數(shù)T和傳遞滯后時(shí)間（純滯后時(shí)間）τ兩個(gè)參數(shù)表示（這兩個(gè)參數(shù)的含義與上一章中對象數(shù)學(xué)模型中的時(shí)間常數(shù)T和純滯后時(shí)間τ的數(shù)學(xué)含義是一致的）它們的存在會降低檢測過程的動(dòng)態(tài)性能，其中純滯后時(shí)間τ的不利影響會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過時(shí)間常數(shù)T的影響。

檢測儀表的主要性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)誤差相對百分誤差、非線性誤差、變差3.1.3過程參數(shù)的一般檢測原理參數(shù)檢測離不開敏感元件（傳感器），敏感元件是按照一定的原理把被測變量的信息轉(zhuǎn)換成另一種可進(jìn)行進(jìn)一步處理或表示的信息。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程一般都是利用諸多的自然規(guī)律和基礎(chǔ)效應(yīng):守恒定律守恒定律是自然界最基本的定律，它包括能量守恒、動(dòng)量守恒等等。例如：孔板流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等就是根據(jù)流體的動(dòng)能和靜壓能之間的變化(能量守恒)來測量流體的流速。場的定律如靜電場、電磁場的感應(yīng)定律、動(dòng)力場的運(yùn)動(dòng)定律等等。典型例子：電容傳感器。dεε——兩平行板間物質(zhì)的介電常數(shù)，S——平行板面積，d——兩平行板之間的距離。如果把一個(gè)極板固定，把另一個(gè)極板與可產(chǎn)生位移的敏感元件相連，即可將敏感元件的位移轉(zhuǎn)換成電容量的大小。3.1.3過程參數(shù)的一般檢測原理參數(shù)檢測離不開敏感元件（傳過程參數(shù)的一般檢測原理熱電效應(yīng)把兩種不同的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體連接成閉合的回路，如果將兩個(gè)接點(diǎn)分別放置于不同的溫度，則該回路內(nèi)部會產(chǎn)生熱電勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，t0tAB利用導(dǎo)體的熱電效應(yīng)，可將兩種不同的導(dǎo)體制成熱電偶用于溫度檢測，這也是一種工業(yè)上普遍使用的溫度檢測方法之一。電阻的熱效應(yīng)電阻的熱效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。通常，電阻值和溫度之間可以建立如下的簡化關(guān)系式Rt為溫度t時(shí)的電阻值，Rt0為溫度t0時(shí)的電阻值，α為溫度系數(shù)。可見，溫度的變化可以導(dǎo)致電阻體的電阻發(fā)生變化，因此只要設(shè)法測量出電阻值的變化就可以達(dá)到測量溫度的目的，這也是另一種工業(yè)上普遍使用的溫度檢測方法。過程參數(shù)的一般檢測原理熱電效應(yīng)把兩種不同的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體連接過程參數(shù)的一般檢測原理壓電效應(yīng)當(dāng)某些材料受壓發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，在兩個(gè)相對的面上會產(chǎn)生異號電荷。這種在沒有外電場存在，由于形變引起的電現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)?？梢姡脡弘娦?yīng)可進(jìn)行力、壓力的測量。應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng)利用金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料制成的電阻體，其阻值R可以表示成當(dāng)電阻體材料的電阻率、長度或者截面積發(fā)生變化，可引起電阻體電阻值發(fā)生變化電阻體的電阻值變化歸結(jié)為兩個(gè)因素：一是由尺寸變化引起的（如l、A），稱為應(yīng)變效應(yīng)；二是由電阻率變化引起的，稱為壓阻效應(yīng)。對于金屬材料，以前者為主；對于半導(dǎo)體材料，以后者為主。利用材料的應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng)制成的敏感元件可用于壓力等參數(shù)的測量。過程參數(shù)的一般檢測原理壓電效應(yīng)當(dāng)某些材料受壓發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，檢測系統(tǒng)的構(gòu)成被測參數(shù)敏感元件信號變換信號傳輸信號測量顯示記錄控制+-A/DPLC檢測系統(tǒng)的構(gòu)成被測參數(shù)敏感元件信號變換信號傳輸信號測量顯示記壓力的表示方法檢測方法的分類液柱式壓力檢測彈性式壓力檢測電氣式壓力檢測智能式壓力變送器壓力檢測儀表的選用和安裝3.2壓力檢測壓力的表示方法3.2壓力檢測三種壓力表示方法絕對壓力pa表壓力p負(fù)壓或真空度ph3.2.1壓力的表示方法pa絕對壓力零線pphpa大氣壓p01.01325×105Pa絕對壓力是指物體所受的實(shí)際壓力。

表壓是指一般壓力表所測得的壓力，它是高于大氣壓力的絕對壓力與大氣壓力之差，即

真空度是指大氣壓與低于大氣壓的絕對壓力之差，有時(shí)也稱為負(fù)壓，即由于各種工藝設(shè)備和檢測儀表通常是處于大氣之中，本身就承受著大氣壓力，因此工程上通常采用表壓或者真空度來表示壓力的大小，一般的壓力檢測儀表所指示的壓力也是表壓或者真空度。除特殊說明之外，以后所提及的壓力均指表壓。

三種壓力表示方法絕對壓力pa3.2.13.2.2壓力檢測方法的分類目前工業(yè)上常用的壓力檢測方法和壓力檢測儀表很多，根據(jù)敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的不同，一般分為四類：(1)液柱式壓力檢測

一般采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管或單管進(jìn)行測量。(2)彈性式壓力檢測

它是根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移進(jìn)行測量的。常用的彈性元件有彈簧管、膜片和波紋管等。(3)電氣式壓力檢測

它是利用敏感元件將被測壓力直接轉(zhuǎn)換成各種電量進(jìn)行測量的儀表，如電阻、電荷量等。(4)活塞式壓力檢測

它是根據(jù)液壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝碼的質(zhì)量來進(jìn)行測量。活塞式壓力計(jì)的測量精度較高，允許誤差可以小到0.05％～0.02％，它普遍被用作標(biāo)準(zhǔn)儀器對壓力檢測儀表進(jìn)行檢定。

3.2.2壓力檢測方法的分類目前工業(yè)上常用的壓力檢3.2.3液柱式壓力檢測液柱式壓力檢測是以液體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)的，它們一般采用水銀或水為工作液，用U型管進(jìn)行測量，常用于較低壓力、負(fù)壓或壓力差的檢測。p1p2p1p2h(a)(b)特點(diǎn)：直觀、可靠、準(zhǔn)確度較高等，但U形管只能測量較低的壓力或差壓，為了便于讀數(shù)，U形管一般是用玻璃做成，易破損，另外它只能進(jìn)行現(xiàn)場指示。用U形管進(jìn)行壓力檢測，其誤差來源主要有：①溫度誤差——由使用環(huán)境溫度的變化引起的測量誤差。它主要包括兩個(gè)方面：一是標(biāo)尺長度隨溫度的變化（要求U形管材料的溫度系數(shù)極?。欢枪ぷ饕好芏入S溫度的變化。例如水，當(dāng)溫度從10℃變到20℃時(shí)，其密度從999.8kg/m3減小到998.3kg/m3，相對變化量為0.15％。②安裝誤差——當(dāng)U形管安裝不垂直時(shí)將會產(chǎn)生安裝誤差。例如若傾斜5°，讀數(shù)誤差約0.38％。3.2.3液柱式壓力檢測液柱式壓力檢測是以液體靜力學(xué)原測量原理：

P=G/S

所以G=P?S精確度高常用作標(biāo)準(zhǔn)儀表，檢驗(yàn)其它壓力計(jì)3.2.4活塞式壓力計(jì)測量原理：3.2.4活塞式壓力計(jì)3.2.5彈性式壓力檢測彈性式壓力檢測是用彈性元件把壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件位移的一種檢測方法。平薄膜波紋膜波紋管單圈彈簧管多圈彈簧管膜片受壓力作用產(chǎn)生位移，可直接帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)指示。但是膜片的位移較小，靈敏度低，指示精度不高，一般為2.5級。膜片更多的是和其他轉(zhuǎn)換元件合起來使用，通過膜片和轉(zhuǎn)換元件把壓力轉(zhuǎn)換成電信號；波紋管的位移相對較大，一般可在其頂端安裝傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)指針直接讀數(shù)。其特點(diǎn)是靈敏高（特別是在低壓區(qū)），常用于檢測較低的壓力（1.0～106Pa），但波紋管遲滯誤差較大，精度一般只能達(dá)到1.5級；彈簧管結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉，它使用范圍廣，測量范圍寬，可以測量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)制造的要求，儀表精度最高可達(dá)0.15級。3.2.5彈性式壓力檢測彈性式壓力檢測是用彈性元件把壓力轉(zhuǎn)——彈簧管和彈簧管壓力表彈簧管是橫截面呈非圓形（橢圓形或扁圓形），彎成圓弧狀（中心角常為270°）的空心管子。管子的一端為封閉，另一端為開口。閉口端作為自由端，開口端作為固定端。被測壓力介質(zhì)從開口端進(jìn)入并充滿彈簧管的整個(gè)內(nèi)腔，由于彈簧管的非圓橫截面，使它有變成圓形并伴有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，同時(shí)改變其中心角。位移量（中心角改變量）和所加壓力有如下的函數(shù)關(guān)系：式中θ0為彈簧管中心角的初始角；Δθ為受壓后中心角的改變量；R為彈簧管彎曲圓弧的外半徑；h為管壁厚度；a、b為彈簧管橢圓形截面的長、短半軸。——彈簧管和彈簧管壓力表彈簧管是橫截面呈非圓形（橢圓形或扁圓1－彈簧管2－拉桿3－扇形齒輪4－中心齒輪5－指針6－－面板7－游絲8－調(diào)節(jié)螺釘9－接頭圖3-18彈簧管壓力表彈簧管自由端B的位移量一般很小，需要通過放大機(jī)構(gòu)才能指示出來,為了加大彈簧管自由端的位移量，也可采用多圈彈簧管，其原理與單圈彈簧管相似。單圈彈簧管壓力表是工業(yè)現(xiàn)場使用最普遍的就地指示式壓力檢測儀表（也有電接點(diǎn)輸出的彈簧管壓力表）彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉、測量范圍寬，可以測量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓一般的工業(yè)用彈簧管壓力表的精度等級為1.5級或2.5級，但根據(jù)制造的要求，其精度等級最高可達(dá)0.15級。1－彈簧管2－拉桿3－扇形齒輪彈簧管自由端B的位移量一——膜盒式差壓變送器工作原理：力矩平衡

檢測元件——膜盒或膜片

杠桿系統(tǒng)則有單杠桿、雙杠桿和矢量機(jī)構(gòu)

膜盒式差壓變送器構(gòu)成

△P測量部分Fi杠桿系統(tǒng)△M放大器反饋部分FfIo——膜盒式差壓變送器工作原理：力矩平衡檢測元件——膜盒或膜DDZ-III型差壓變送器

檢測部分:ΔP→輸入力Fi

杠桿系統(tǒng):力的傳遞和力矩比較，生成位移信號

位移檢測放大器:位移→輸出Io電磁反饋裝置:輸出→反饋力Ff△P膜盒Fi杠桿系統(tǒng)△M位移檢測放大器電磁反饋機(jī)構(gòu)FfIoDDZ-III型差壓變送器檢測部分:ΔP→輸入力Fi1.變送器的輸出電流I0和輸入信號ΔP之間呈線性關(guān)系

2.調(diào)整調(diào)零彈簧可以使變送器輸出電流I0在輸入信號范圍下限時(shí)為4mA。

3.改變tgθ或Kf可以調(diào)整變送器的量程

4.零點(diǎn)和量程要反復(fù)調(diào)整

IomAΔPminΔPmax420ΔP1.變送器的輸出電流I0和輸入信號ΔP之間呈線性關(guān)系2.調(diào)——電容式差壓變送器電容式差壓變送器采用差動(dòng)電容作為檢測元件主要包括測量部件和轉(zhuǎn)換放大電路兩部分：

差壓電容膜盒電容-電流轉(zhuǎn)換電路調(diào)零、零遷電路電流放大器反饋電路ΔpΔCIiIf＋＋I(xiàn)z－Io測量部分轉(zhuǎn)換放大部分——電容式差壓變送器電容式差壓變送器采用差動(dòng)電容作為檢測元件ΔP=0Ci1=Ci2=15pF

ΔP＞0Ci1的電容量減小

Ci2的電容量增大

——差動(dòng)電容測量原理電容式差壓變送器測量原理ΔP=0ΔP＞0——差動(dòng)電容測量原理電容式差壓變送器測量原電容式壓力變送器，目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，其輸出信號也是標(biāo)準(zhǔn)4～20mADC電流信號。電容式壓力變送器是先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測量的。電容式差壓變送器的原理圖可見傳感器有左右固定極板，在兩個(gè)固定極板之間是彈性材料制成的測量膜片，作為電容的中央動(dòng)極板，在測量膜片兩側(cè)的空腔中充滿硅油。電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)可以有效地保護(hù)測量膜片，當(dāng)差壓過大并超過允許測量范圍時(shí)，測量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，與力矩平衡式相比，電容式?jīng)]有杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測量精度相應(yīng)提高，可達(dá)0.2級。電容式壓力變送器，目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，其輸出信號也3.2.6電氣式壓力檢測——應(yīng)變片壓力/差壓變送器利用金屬或半導(dǎo)體材料制成的電阻體的阻值可表示為：

當(dāng)電阻體受外力作用時(shí)，電阻體的長度、截面積或電阻率會發(fā)生變化，即其阻值也會發(fā)生變化。這種因尺寸變化引起阻值變化稱為應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變片多以金屬材料為主，一般和彈性元件一起使用。r1r2123P(a)傳感器1－外殼2－彈性筒3－膜片應(yīng)變筒的上端與外殼固定在一起，下端與不銹鋼密封膜片3緊密接觸，應(yīng)變片r1和r2用膠合劑貼緊在應(yīng)變筒的外壁，與筒體之間不發(fā)生相對滑動(dòng)。r1沿應(yīng)變筒軸向貼放，作為測量片；r2沿徑向貼放，作為溫度補(bǔ)償片。

圖中應(yīng)變片r1、r2的靜態(tài)性能完全相同。當(dāng)膜片受到外力作用時(shí)，彈性筒軸向受壓，使應(yīng)變片r1產(chǎn)生軸向應(yīng)變，阻值變??；而應(yīng)變片r2受到軸向壓縮，引起徑向拉伸，阻值變大。實(shí)際上，r2的變化量比r1的變化量要小，r2的主要作用是溫度補(bǔ)償。

3.2.6電氣式壓力檢測——應(yīng)變片壓力/差壓變送器利用金屬是應(yīng)變片阻值變化量的測量電橋，圖中R3和R4是兩個(gè)阻值相等的精密固定電阻。UiE－＋＋－r1r2R3R4AB(b)測量電橋不受壓時(shí)r1=r2=r0R3=R4=r若應(yīng)變片受壓，則：r1=r0+Δr1；r2=r0+Δr2(Δr1≠Δr2)由此可見，由壓力作用時(shí)，r1和r2一減一增，使電橋由較大的輸出；當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，r1、r2同時(shí)增減，不影響電橋的平衡。如果儀表能把電橋輸出電壓Ui進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，則該儀表即可稱為應(yīng)變式壓力變送器。

結(jié)論：應(yīng)變片式壓檢測儀表具有較大的測量范圍，被測壓力可達(dá)幾百M(fèi)Pa，并具有良好的動(dòng)態(tài)性能，適用于快速變化的壓力測量。但是，盡管測量電橋具有一定的溫度補(bǔ)償?shù)淖饔茫瑧?yīng)變片式壓力檢測儀表仍有比較明顯的溫漂和時(shí)漂，因此，這種壓力檢測儀表較多地用于一般要求的動(dòng)態(tài)壓力檢測，測量精度一般在0.5～1.0％左右。

是應(yīng)變片阻值變化量的測量電橋，圖中R3和R4是兩個(gè)阻值相等的——霍爾壓力變送器（YSH型）ZYX壓力變化——位移變化——霍爾電勢VH變化。Z方向，有恒定的非均勻的磁場BY方向，有恒定的電流I通過由于受電磁力的作用，電子運(yùn)動(dòng)的軌跡發(fā)生偏移，造成霍爾片的一個(gè)端面電子積累，另一端面正電荷過剩，這樣在X方向上形成一個(gè)電位差（VH），這一電位差稱為霍爾電勢。這一物理現(xiàn)象稱為“霍爾效應(yīng)”。VH=KH×IB/d×f(L/b)=RH×BI——VH與B、I均有關(guān)VH:霍爾電勢，d:霍爾片的厚度，b:霍爾片的電流通入端寬度L：霍爾片的電勢導(dǎo)出端的長度，f(L/b)：霍爾片的形狀系數(shù)RH：霍爾常數(shù)，RH=KH/d×f(L/b)，單位：mV/mA(千高斯)I：3-20mAB:幾千高斯VH：幾十mV導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比半導(dǎo)體小得多，因而霍爾片用半導(dǎo)體做比較多?；魻柶c彈簧管自由端連在一起，壓力變化，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，霍爾片在非均勻磁場中的位置改變（相當(dāng)于B會改變），進(jìn)而VH改變。這樣就實(shí)現(xiàn)了把壓力轉(zhuǎn)變成位移再轉(zhuǎn)變成VH的變化。ZYX——霍爾壓力變送器（YSH型）ZYXZYX氣動(dòng)壓力變送器的主要元件：氣阻（可變、固定）、氣容（可變、固定）。它們組合在一起，可形成比例氣路、積分氣路、微分氣路。P3R2P2R1P1比例：若P3=0（大氣壓），則：P2 =P1×R2/（R1+R2）+P3×R1/（R1+R2）=P1×R2/（R1+R2）=Kp×P1CP2RP1積分：M=（P1-P2）/R，M=C×dP2/dtRC×dP2/dt+P2=P1令T=RC則：T×dP2/dt+P2=P1所以：P2=P1（1-e-t/T）P2_+CRP1微分：P2=P1-P1/（RCS+1）氣動(dòng)壓力變送器的主要元件：氣阻（可變、固定）、氣容（可變、固——壓阻式（擴(kuò)散硅）壓力/差壓變送器

因電阻率變化引起阻值變化稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)比較明顯。用作壓阻式傳感器的基片材料主要為硅片和鍺片，由于單晶硅材料純、功