自动检测技术实用教程 教学课件 ppt 作者 周征 第5章 压力传感器.ppt

第5章 压力检测技术 内容提要 在本章中，通过对压力检测方法的分析，引出弹性压力检测技术，介绍了弹性元件的结构、外形和测压原理，为重点介绍压力的电测技术奠定基础。 通过本章学习，掌握电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器和压电式传感器的结构特性和工作原理，学会它们在压力检测中的应用。 5.1 概述 5.1.1 压力的概念及单位 压力：是指一定介质垂直作用于单位面积上的力。 压力的表示方法：绝对压力、表压力、负压力或真空度。 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。 用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。 大气压力：地面上的空气柱所产生的平均压力，用P0表示。 用来测量大气压力的仪表叫气压表。 绝对压力与大气压力之差称为表压力，用PI表示。即 PI＝PA—P0 （5-1） 当绝对压力值PA小于大气压力值P0时，表压力为负值，所测值称为负压力或称真空压，它的绝对值称为真空度。 压力的单位 压力在国际单位制中的单位是牛顿/平方米（N/m2），通常称为帕斯卡或简称帕（Pa）。 工业上一般采用千帕（kPa）或兆帕（MPa）作为压力的单位。 多种压力单位换算关系如下： 1帕（Pa）＝1牛顿/平方米（N/m2） 1巴（bar）＝1达因/平方厘米（dyn/cm2）＝105Pa 1工程大气压≈1干克力/平方厘米（kgf/cm2）≈98kPa 1标准大气压＝760毫米水银柱＝101325Pa 1毫米水银柱＝133.322Pa 1毫米水柱＝9.80665Pa 真空度测量中常以“托”（Torr）为单位，1托（Torr）＝l毫米水银柱。 5.1.2 压力检测的方法 根据不同工作原理分为如下几种： （1）重力平衡方法 利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理，将被测压力转换为液柱高度或平衡砝码的重量来测量。 例如液柱式压力计和活塞式压力计。 （2）弹性力平衡方法 利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理，将压力转换成位移，通过测量弹性元件位移变形的大小测出被测压力。 5.1.2 压力检测的方法 （3）机械力平衡方法 是将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力测知被测压力。力平衡式仪表可以达到较高精度，但是结构复杂。 （4）物性测量方法 利用敏感元件在压力的作用下，其某些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理，将被测压力直接转换为各种电量来测量。 如应变式、压电式、电容式压力传感器等等。 5.1.3 常用压力检测仪表 1. 液柱式压力计 应用液柱测量压力的方法是以流体静力学原理为基础的。 一般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行压力测量的。 图5-2 液柱式压力计 （1）U形管压力计 图5-2（a）所示的U形管是用来测量压力和压差的仪表。 在U形管两端接入不同压力时，根据流体静力平衡原理可知，U形管两边管内液柱差h与被测压力的关系为： 式中，A 为U形管内孔截面积；ρ为U形管内工作液的密度；g为重力加速度。 由上式可求得两压力的差值或在己知一个压力的情况下（例如压力），求出另一压力值： （2）单管压力计 U形管压力计的读数误差较大。为了减小读数误差，可以采用单管压力计。 单管压力计如图5-2（b）所示，它相当于将U形管的一端换成一个大直径的容器，测压原理与U形管相同。 （3）斜管压力计 用U形管或单管压力计来测量微小的压力时，因为液柱高度变化很小，读数困难，为了提高灵敏度，减小误差，可将单管压力计的玻璃管制成斜管，如图5-2（c）所示。 2. 弹性压力计 当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形（即机械位移）。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。 图5-3 弹性压力计组成框图 弹性元件作用：感受压力并产生弹性变形； 变换放大机构作用：将弹性元件的变形进行变换和放大； 指示机构（如指针与刻度标尺）用于给出压力示值； 调整机构用于调整零点和量程。 5.2 弹性压力检测技术 5.2.1 弹性敏感器 5.2.2 机械式弹簧管压力表 5.2.1 弹性敏感器 1. 弹性敏感器 弹性压力传感器：压力变化→位移变化→电量变化 常见的弹性压力敏感器有：弹簧管、波纹管和膜片等，其元件结构和测量范围如表5-2所示。 2. 弹性元件的外形与测压原理 （1）弹簧管 压力 →弹簧管自由端角位移 （2）波纹管 波纹管是一种带同心环状波形皱纹的薄壁圆管，一端开口，另一端封闭，将开口端固定，封闭端处于自由状态，如图5-5所示。 （3）膜片与膜盒 膜片是用金属或非金属制成的圆形薄片。 5.2.2 机械式弹簧管压力表 1. 机械