压力传感器

第14章
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14.3.2 弹簧管压力表
弹簧管压力表:被测压力由接头9通入, 迫使弹簧管1
的自由端产生位移, 通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针 偏转, 于是指针14通过同轴的中心齿轮4的带动而作 顺时针偏转, 在面板6的刻度标尺上显示出被测压力 的数值。
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14.3.2 弹簧管压力表
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14.3.4 压阻式压力计
内部结构
硅膜片示意图
压阻式压力计的结构示意图
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14.3.4 压阻式压力计 在一块圆形的单晶硅膜片上，布置四个扩散电阻， 两片位于受压应力区，另外两片位于受拉应力区， 它们组成一个全桥测量电路。 硅膜片用一个圆形硅杯固定， 两边有两个压力腔， 一个是与被测压力相连接的高压腔， 另一个是低压腔，接参考压力，通常和大气相通。 当存在压差时，膜片产生变形， 使两对电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡， 其输出电压反映膜片两边承受的压差大小。
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14.3.2 弹簧管压力表 θ——弹簧管中心角的初始角 Δθ——受压后中心角的改变量 R——弹簧管弯曲圆弧的外半径 h——管壁厚度 a, b——弹簧管椭圆形截面的长、短半轴 k——几何常数（k=Rh/a2） α、β——与比值a/b有关的参数 μ——弹簧管材料的泊松系数 E——弹性模数
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14.3.3 膜盒压力计 被测压力p经导压管引入膜盒1中， 使膜盒产生弹性变形位移， 此位移经一系列传动后， 使指针7作相应的偏转，进而在刻度盘上 显示出被测压力的数值。游丝10用以 消除传动间隙的影响。因为膜盒产生的 弹性变形位移与被测压力成正比， 所以该仪表具有线性刻度。
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14.3.4 压阻式压力计 主要优点：体积小、结构比较简单、动态响应好、 灵敏度高，能测出十几帕斯卡的微压。 测量准确度受到非线性和温度的影响， 从而影响压阻系数的大小 智能压阻压力传感器利用微处理器 对非线性和温度进行补偿，利用大 规模集成电路技术，将传感器与微处理器 集成在同一块硅片上，兼有信号检测、 处理、记忆等功能，提高了传感器的 稳定性和测量准确度
测量压力的传感器： 应变式、电容式、差动变压器、 霍尔、压电等。
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14.2 液柱式压力计
以流体静力学原理来测量压力的。 采用水银或水为工作液, 用U型管或单管进行
测量, 常用于低压、 负压或压力差的测量。
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14.2 液柱式压力计
图示的U形管内装有一定数量的液体, U形管一 侧通压力p1, 另一侧通压力p2。当p1= p2时, 左右两 管的液体高度相等。 当p1< p2时, 两边管内液面便 会产生高度差。 根据液体静力学原理可知:
Δp=p2-p1=ρg h
ρ为U形管内液体的密度。
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14.2 液柱式压力计
如把压力p1一侧改为通大气P0, 则上式可改写为 p2=ρgh 单管或斜管， 测压原理与U形管相同.
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14.2 液柱式压力计
p1 p2 p1 p2
h
(a)
(b)
U形玻璃管压力测量原理图

B O R A p
B′
单圈弹簧管结构
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14.3.2 弹簧管压力表

1 R b a P (1 2 ) 2 E bh a k
2
2
2
如果a=b，则Δθ=0，这说明具有均匀壁厚的 圆形弹簧管不能用作测压敏感元件 对于单圈弹簧管，中心角变化量Δθ比较小， 要提高Δθ，可采用多圈弹簧管
毫米汞柱 （mm Hg） 0.7140 06 ×10－2 0.7140 06 ×103 0.7314 149 ×102 0.76 ×103 0.7314 146 ×10－1
磅/英寸2 （1bf/in2， psi） 1.4140 38 ×10－4 1.4140 38 ×10 1.422 33 ×10 1.469 149 ×10 1.422 33 ×10－3 1.933 68 ×10－2
传感器原理及应用
14.1 压力概述
单位 帕 （Pa） 巴 （bar） 千克力/厘米2 （kgf/cm2） 标准大气压 （atm） 毫米水柱 （mm H2O ） 毫米汞柱 （mm Hg） 磅/英寸2 （1bf/in2， psi） 帕 （Pa）
毫米水柱 （mm H2O ） 1.019 716 ×10－1 1.019 716 ×104 1×104 1.033 23 ×104
表达式为
P = F / A
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传感器原理及应用
14.1 压力概述
采用的压力单位“工程大气压”（即kgf/cm2）、 “毫米汞柱”（即mmHg）、“毫米水柱”（即mmH2O） “物理大气压”（即atm）等均应改为法定计量单位帕
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压力传感器 压力单位换算表
巴 （bar） 1×10－14 千克力/厘米2 （kgf/cm2） 1.019 716 ×10－14 1.019 716 标准大气压 （atm） 0.986 923 6 ×10－14 0.986 923 6
1
1×1014 0.980 6614 ×1014 1.013 214 ×1014 0.980 6614 ×10 1.333 22 ×102 0.689 48 ×104
1
0.980 6614
1
0.967 84
1.013 214 0.980 6614 ×10－4 1.333 22 ×10－3 0.689 48 ×10－1
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14.3.6 差动电容式压力计 当被测压力或差压作用于膜片并产生位移时， 所形成的两个电容器的电容量将一个增大， 另一个减小。该电容值的变化可由适当的 测量电路转换成与压力或差压相对应的 电流或电压输出信号。
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14.3.7 压电式压力计 利用压电材料的压电效应将被测压力信号转换为电信号， 当有力作用在压电材料上时， 传感器就有电荷（或电压）输出 由压电材料制成的压电元件， 当沿着一定方向对其施力而使它变形时， 内部就会产生极化现象，同时在它的两个 表面上便产生符号相反的电荷， 而当去掉外力后，压电元件又重新恢复到 不带电状态，为压电效应。
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14.3.7 压电式压力计 在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间 呈线性关系。压电元件输出的电荷量为
x pc A 测量压力就变为测量弹性元件的位移量Δx。
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14.3 弹性式压力表
1-活塞缸； 2-活塞； 3-弹簧； 4-指针
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14.3 弹性式压力表
金属弹性元件都具有不完全弹性， 即在所加作用力去除后， 弹性元件会表现残余变形、 弹性后效和弹性滞后等现象， 这将会造成测量误差。 弹性元件特性与选用的材料和负载的 最大值有关。若要减小这方面的误差， 则应注意选用合适的材料，加工成形后 进行适当的热处理等。
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14.3.4 压阻式压力计 压阻式压力计的压力敏感元件是压阻元件， 它是基于压阻效应工作的。 所谓压阻元件，实际上就是指在半导体材料 的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻， 当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的 变化而改变。扩散电阻正常工作时需依附于 弹性元件，常用的是单晶硅膜片。
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14.3.3 膜盒压力计
可实现信号远传的膜盒压力计
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14.3.3 膜盒压力计 它主要由膜盒、衔铁、铁芯和线圈等组成。 当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下 产生与压力大小成正比的位移， 于是衔铁也发生移动，从而使气隙δ发生变化， 流过线圈的电流也发生相应的变化， 电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。
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14.3.6 差动电容式压力计 通过弹性膜片的位移引起电容量的变化 从而测出压力（或差压）的
外壳
p2
p1
金属镀层 凹形玻璃 膜片
过滤器
差动电容式压力计结构图
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14.3.6 差动电容式压力计 对于平行板电容传感器，如果不考虑边缘效应， 其电容量为
c
0 S
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14.3.4 压阻式压力计 它受外力作用时, 其阻值由于电阻率的变化而改变。 当存在压差时, 膜片产生变形, 使两对电阻的阻值 发生变化, 电桥失去平衡, 其输出电压反映膜片承 受的压差的大小。
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14.3.5 变隙式差动电感压力计
线圈1 C形弹簧管
输出
调机械 零点螺钉 线圈2 P 衔铁 ～
1.033 23
1 0.967 84 ×10－4 1.3114 79 ×10－3 0.680 46 ×10－1
1×10－4 1.3149 141 ×10－3 0.703 07 ×10－1
1 1.3149 141 ×10 0.703 07 ×103
1 0.1417 114 ×102
1
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14.3.2 弹簧管压力表
当开口端通入被测压力后, 非圆横截面在压力p作用 下将趋向圆形, 使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩, 结果使弹簧管的自由端产生位移, 改变中心角。 中心角的相对变化量与被测压力有如下的函数关系:
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14.3.2 弹簧管压力表
2a 2b r
1-弹簧管； 2-拉杆； 3-扇形齿轮； 4-中心齿轮； 14-指针； 6-面板； 7-游丝； 8-调节螺钉； 9-接头 动画演示
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压力传感器 普通型膜盒压力计
14.3.3 膜盒压力计
1-膜盒；2-连杆；3-绞链块；4-拉杆；14-曲柄； 6-转轴；7-平衡片；8-游丝；9-指针；10-刻度盘 其压力-位移转换元件是金属膜盒， 常用来测量几百至几万帕以下的 无腐蚀性气体的正压或负压 。
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14.2 液柱式压力计
单管压力计 p=ρgh
斜管式压力计
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14.3 弹性式压力表
以弹性元件受压后产生弹性变形作为测量基础。
14.3.1 弹性元件
弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。 波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量 单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的测量
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传感器原理及应用
Hale Waihona Puke Baidu目录
14.1 概述 14.2 液柱式压力计 14.3 弹性式压力计 14.4光纤压力计 14.5差压变送器 14.6 振频式压力计 14.7 压力检测仪表的选用
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传感器原理及应用
14 压力检测技术
14.1 压力概述 为均匀而垂直作用于单位面积上的力。
14.1 压力概述
几种不同表示方法
(1)绝对压力 作用于物体表面积上的全部压力,
(2)大气压力 (3)表压力 空气柱重量所产生的压力,
绝对压力与大气压力之差,
当绝对压力小于大气压力, 则表压力为负压, 如测炉膛和烟道气体的压力均是负压。
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14.1 压力概述
(4)差压
任意两个压力之差称为差压。
d
电容量C是S、ε、d的函数 如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数， 就可把该参数的变化转换为电容量的变化， 通过测量电路就可转换为电量输出
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14.3.6 差动电容式压力计 可把电容式传感器可分为变极距型、变面积型 和变介电常数型三种。 差动电容式压力计采用变极距型 图中的膜片作为感压元件、动电极。 两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极。 动电极位于两个固定电极的中央， 就构成了差动电容器。
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14.3 弹性式压力表
x x x p
x
p 平薄膜
p 波纹膜
p 波纹管
x 单圈弹簧管
p 多圈弹簧管
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14.3 弹性式压力表 图为利用弹性形变测压原理图。 当通入被测压
力p时, 弹簧被压缩并产生一弹性力与被测压力平衡, 弹簧被压缩后产生的弹性位移量Δx与被测压力Δp 的关系符合胡克定律, 表示为
由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成
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14.3.5 变隙式差动电感压力计 当被测压力进入C形弹簧管时， C形弹簧管产生变形， 其自由端发生位移，带动与自由端 连接成一体的衔铁运动，使线圈1和 线圈2中的电感发生大小相等、符号 相反的变化。即一个电感量增大， 另一个电感量减小。电感的这种变化 通过电桥电路转换成电压输出。由于 输出电压与被测压力之间成比例关系， 所以只要用检测仪表测量出输出电压， 即可得知被测压力的大小。