传感器与检测技术3章

1第三节第三节 压力传感器压力传感器v工程中称液体、气体等介质垂直作用于单位工程中称液体、气体等介质垂直作用于单位面积上的力为压力，用面积上的力为压力，用p表示表示v式中式中 F垂直作用在面积垂直作用在面积S上的力上的力(N)。FpS2第三节第三节 压力传感器压力传感器v把作用于单位面积上的全部压力称为绝对压把作用于单位面积上的全部压力称为绝对压力力 ，而把测量仪表所指示的压力称为表压，而把测量仪表所指示的压力称为表压力力p。当绝对压力高于大气压力。当绝对压力高于大气压力 时称为正时称为正压力，绝对压力低于大气压力时称为负压或压力，绝对压力低于大气压力时称为负压或真空度真空度 ，它们之间的关系如下：，它们之间的关系如下：p绝0ppp绝00()ppppp绝时f0()ppppp0绝绝时0pfp3第三节第三节 压力传感器压力传感器v一、液柱式压力计一、液柱式压力计v二、活塞式压力计二、活塞式压力计v三、弹性式压力传感元件三、弹性式压力传感元件v四、电量式压力计四、电量式压力计4v液柱式压力计利用液柱式压力计利用液柱产生的压力液柱产生的压力与与被测介被测介质压力质压力相平衡的原理进行测压。相平衡的原理进行测压。vU形管液柱压力计形管液柱压力计一、液柱式压力转换原理一、液柱式压力转换原理ph1vh两液面高度差两液面高度差(m)；v 管内液体的密度管内液体的密度(kg/m3)5v倾斜式液压计倾斜式液压计 v与被测压力相通的玻璃管的直径作得很大，与被测压力相通的玻璃管的直径作得很大，另一玻璃管制成倾斜式。另一玻璃管制成倾斜式。一、液柱式压力转换原理一、液柱式压力转换原理sinSplS211vl沿细管上升的液柱长度沿细管上升的液柱长度(m)；v 、粗管和细管的内截面积粗管和细管的内截面积(m2)；v 细管倾斜角度细管倾斜角度()。S1S26一、液柱式压力转换原理一、液柱式压力转换原理v液柱式压力计测出的压力液柱式压力计测出的压力 与液面变化高度与液面变化高度h或或l、工作液的密度、工作液的密度 有关，因此测试时应有关，因此测试时应注意注意 及温度与标定时的差异，必要时应引及温度与标定时的差异，必要时应引入修正系数对所测结果进行修正。入修正系数对所测结果进行修正。v此外，测试时压力计应平放，液柱内不允许此外，测试时压力计应平放，液柱内不允许存在气泡。存在气泡。1p7二、活塞式压力转换原理二、活塞式压力转换原理v活塞式压力计广泛应用于基准和标定工作中，活塞式压力计广泛应用于基准和标定工作中，此种压力计利用力平衡原理制成。此种压力计利用力平衡原理制成。8二、活塞式压力转换原理二、活塞式压力转换原理9二、活塞式压力转换原理二、活塞式压力转换原理v工作时拨转手轮工作时拨转手轮1，通过丝杠，通过丝杠2、工作活塞、工作活塞3挤压工作液产生压力挤压工作液产生压力p，经液体传递，作用，经液体传递，作用在待校准的压力表和测量活塞上，使压力表在待校准的压力表和测量活塞上，使压力表指针偏转、砝码指针偏转、砝码6被顶起。被顶起。10二、活塞式压力转换原理二、活塞式压力转换原理v由力平衡关系知，在平衡状态时，压力由力平衡关系知，在平衡状态时，压力p的的大小由下式确定大小由下式确定01()pGGSvS测量活塞的截面积测量活塞的截面积(m 2)；vG、G 0砝码砝码6和活塞、托盘和活塞、托盘5的重量的重量11二、活塞式压力转换原理二、活塞式压力转换原理v对于已定的压力计，对于已定的压力计，S、G0一定，压力一定，压力p仅取仅取决于砝码的重量决于砝码的重量G。改变它的重量，即可测。改变它的重量，即可测得不同的压力得不同的压力p，校准了压力表各示值所指，校准了压力表各示值所指示的实际压力值。示的实际压力值。12二、活塞式压力转换原理二、活塞式压力转换原理v活塞式压力计是一种较精密的测量仪器，工活塞式压力计是一种较精密的测量仪器，工作时应水平放在平稳而无振动的工作台上，作时应水平放在平稳而无振动的工作台上，在顶起砝码系统处于平衡状态时，要求测量在顶起砝码系统处于平衡状态时，要求测量活塞插入活塞筒内的深度不小于总长的活塞插入活塞筒内的深度不小于总长的2/3，活塞在活塞筒内能均匀平稳转动，并且保持活塞在活塞筒内能均匀平稳转动，并且保持足够的持续旋转时间，以减小活塞与活塞筒足够的持续旋转时间，以减小活塞与活塞筒壁之间的摩擦力。壁之间的摩擦力。13三、弹性式压力传感元件三、弹性式压力传感元件v指针式压力计和压力传感器都是根据弹性变指针式压力计和压力传感器都是根据弹性变形原理工作的。形原理工作的。v某种特定形式的某种特定形式的弹性元件弹性元件，在被测流体和气，在被测流体和气体压力作用下，体压力作用下，将产生与被测压力成一定函将产生与被测压力成一定函数关系的机械变位数关系的机械变位(或应变或应变)，经转换装置转，经转换装置转换成指针的偏转，从而直接指示被测压力的换成指针的偏转，从而直接指示被测压力的大小，此转换装置就是压力传感件。大小，此转换装置就是压力传感件。14三、弹性式压力传感元件三、弹性式压力传感元件v感受压力的弹性元件是压力传感器的关键元感受压力的弹性元件是压力传感器的关键元件件 v通常采用的弹性式压力敏感元件有通常采用的弹性式压力敏感元件有v波登管波登管v膜片膜片v波纹管波纹管15三、弹性式压力传感元件三、弹性式压力传感元件v波登管波登管v大多数指针式压力计的弹性元件是波登管大多数指针式压力计的弹性元件是波登管 16三、弹性式压力传感元件三、弹性式压力传感元件v波登管波登管v其横截面都是椭圆形或平椭圆形的空心金属其横截面都是椭圆形或平椭圆形的空心金属管子管子v当这种弹性管一侧通入流体有一定压力时，当这种弹性管一侧通入流体有一定压力时，由于内外侧的压差由于内外侧的压差(外侧一般为大气压力外侧一般为大气压力)，迫使管子的椭圆截面产生趋向于变圆的变形，迫使管子的椭圆截面产生趋向于变圆的变形，这种变形导致这种变形导致C形、螺线形和螺旋形波登管形、螺线形和螺旋形波登管的自由端产生变位的自由端产生变位；对于；对于扭转形波登管，输扭转形波登管，输出运动则是自由端的角位移出运动则是自由端的角位移。17三、弹性式压力传感元件三、弹性式压力传感元件v波登管波登管v虽然采用波登管作为压力敏感元件，可得到虽然采用波登管作为压力敏感元件，可得到较高的测量精确度，但由于它尺寸较大，固较高的测量精确度，但由于它尺寸较大，固有频率较低及有较大的滞后现象，故有频率较低及有较大的滞后现象，故不宜作不宜作测量动态压力传感器测量动态压力传感器的敏感元件。的敏感元件。18三、弹性式压力传感元件三、弹性式压力传感元件v膜片膜片19三、弹性式压力传感元件三、弹性式压力传感元件v波纹管波纹管v波纹管可在较低压力下得到较大变位。它可波纹管可在较低压力下得到较大变位。它可测的压力较低，对于小直径的黄铜波纹管，测的压力较低，对于小直径的黄铜波纹管，最大允许压力约为最大允许压力约为1.5MPa20四、电量式压力计四、电量式压力计v电量式压力计是用各种传感器或测量元件将电量式压力计是用各种传感器或测量元件将压力压力变换成变换成电量或电参数电量或电参数，再经后接相应的，再经后接相应的测量电路进一步变换，最后由显示或记录仪测量电路进一步变换，最后由显示或记录仪显示或记录下来，以实现压力测量的装量。显示或记录下来，以实现压力测量的装量。v常见的测压力系统所用传感器有常见的测压力系统所用传感器有电容式电容式、电电感式感式、电阻式电阻式、涡流式涡流式、压电式压电式等等21四、电量式压力计四、电量式压力计1.电容式压力传感器电容式压力传感器v电容式压力传感器是将压力转换成电容的变电容式压力传感器是将压力转换成电容的变化，经电路变换成电量输出。化，经电路变换成电量输出。22四、电量式压力计四、电量式压力计1.电容式压力传感器电容式压力传感器v测量低压的单电容压力传测量低压的单电容压力传感器。感器。v膜片作为电容器一个极板，膜片作为电容器一个极板，在压力在压力p作用下产生位移，作用下产生位移，改变了与球形极板之间的改变了与球形极板之间的距离，从而引起电容距离，从而引起电容C的的变化。变化。23四、电量式压力计四、电量式压力计1.电容式压力传感器电容式压力传感器P24四、电量式压力计四、电量式压力计1.电容式压力传感器电容式压力传感器v用于测量压差的差动用于测量压差的差动式压力传感器。式压力传感器。v膜片与镀在球形玻璃膜片与镀在球形玻璃表面的金属层形成一表面的金属层形成一个差动电容传感器，个差动电容传感器，在压力差在压力差 的的作用下，膜片向压力作用下，膜片向压力小的方向移动，引起小的方向移动，引起电容电容C的变化。的变化。12ppp 25四、电量式压力计四、电量式压力计1.电容式压力传感器电容式压力传感器P26四、电量式压力计四、电量式压力计1.电容式压力传感器电容式压力传感器v电容式压力传感器的特点是灵敏度高，适合电容式压力传感器的特点是灵敏度高，适合测量微压，频响好，抗干扰能力较强。测量微压，频响好，抗干扰能力较强。27四、电量式压力计四、电量式压力计2.应变式压力传感器应变式压力传感器 v应变式压力传感器的工作原理是利用应变片应变式压力传感器的工作原理是利用应变片将弹性元件在压力作用下产生的应变转换成将弹性元件在压力作用下产生的应变转换成电量的变化。电量的变化。28四、电量式压力计四、电量式压力计2.应变式压力传感器应变式压力传感器 v简易平膜应变压力传感简易平膜应变压力传感器器v膜片膜片1在压力在压力p作用下产作用下产生变形，引起粘贴在膜生变形，引起粘贴在膜片片1上应变片上应变片2电阻值的电阻值的变化，变化的电阻值通变化，变化的电阻值通过后接的应变仪变换成过后接的应变仪变换成电量的变化。电量的变化。29四、电量式压力计四、电量式压力计2.应变式压力传感器应变式压力传感器 v应变式压力传感器体积小，重量轻，精度高，应变式压力传感器体积小，重量轻，精度高，测量范围宽，从几帕到测量范围宽，从几帕到500MPa，频响高，频响高，同时耐压，抗振，因而在实际中得到广泛应同时耐压，抗振，因而在实际中得到广泛应用。用。30四、电量式压力计四、电量式压力计3.压阻式压力传感器压阻式压力传感器v压阻式压力传感器是利用压阻式压力传感器是利用压阻效应压阻效应将压力变将压力变换成换成电阻的变化电阻的变化实现压力测量。实现压力测量。31四、电量式压力计四、电量式压力计3.压阻式压力传感器压阻式压力传感器v固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为这种效应称为压阻效应压阻效应。v半导体材料的这种效应特别强。利用半导体半导体材料的这种效应特别强。利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应应变片变片；另一类是在半导体材料的基片上用集；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传扩散型压阻传感器感器。32四、电量式压力计四、电量式压力计3.压阻式压力传感器压阻式压力传感器v压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷参数。加速度和载荷参数。33四、电量式压力计四、电量式压力计3.压阻式压力传感器压阻式压力传感器v固态压阻式传感器固态压阻式传感器:v用于测量喷气发动用于测量喷气发动机工作压力机工作压力34四、电量式压力计四、电量式压力计3.压阻式压力传感器压阻式压力传感器v压力通过压力进口压力通过压力进口1中的工作介质传递到中的工作介质传递到硅心片硅心片3内侧，由于内侧，由于压阻效应，硅心片压阻效应，硅心片3的阻值发生变化，再的阻值发生变化，再经后接应变仪变换成经后接应变仪变换成与压力与压力p成比例的电成比例的电量。量。35四、电量式压力计四、电量式压力计3.压阻式压力传感器压阻式压力传感器v压阻式压力传感器的特点是频响宽，动态响压阻式压力传感器的特点是频响宽，动态响应快，测量范围从几应快，测量范围从几Pa到到3109Pa，特别适，特别适用于爆炸、冲击压力的测量。用于爆炸、冲击压力的测量。36四、电量式压力计四、电量式压力计4.电感式压力传感器电感式压力传感器v此种传感器是将压力变化转换成电感变化，此种传感器是将压力变化转换成电感变化，通过测量电路再将电感变化转换成电量实现通过测量电路再将电感变化转换成电量实现压力测量。压力测量。37四、电量式压力计四、电量式压力计4.电感式压力传感器电感式压力传感器v膜片电感压力传感器膜片电感压力传感器 v其工作原理和膜片电其工作原理和膜片电容压力传感器相似，容压力传感器相似，所不同的是压力使膜所不同的是压力使膜片片1与铁心与铁心2之间距离之间距离的变化，改变了线圈的变化，改变了线圈3的电感。的电感。38四、电量式压力计四、电量式压力计4.电感式压力传感器电感式压力传感器v测量压差传感器测量压差传感器 v中间膜片中间膜片1在压差在压差 p 的作用下产生位移，的作用下产生位移，通过连杆通过连杆2带动差动带动差动变压器变压器4中的铁心中的铁心3移动，从而将压力移动，从而将压力差差 p转换成变压器转换成变压器的电压输出。的电压输出。39四、电量式压力计四、电量式压力计4.电感式压力传感器电感式压力传感器v变气隙式结构变气隙式结构L40四、电量式压力计四、电量式压力计4.电感式压力传感器电感式压力传感器v变气隙式结构变气隙式结构PA41四、电量式压力计四、电量式压力计4.电感式压力传感器电感式压力传感器v微压传感器微压传感器1 接头；接头；2 膜盒；膜盒；3 底座底座4 线路板；线路板；5 差动变压器；差动变压器；6 衔铁；衔铁；7 罩壳罩壳1 12 23 34 45 56 67 742四、电量式压力计四、电量式压力计4.电感式压力传感器电感式压力传感器P43四、电量式压力计四、电量式压力计4.电感式压力传感器电感式压力传感器v电感式压力传感器类型较多，其特点是频响电感式压力传感器类型较多，其特点是频响低，适用于静态或变化缓慢压力的测试。低，适用于静态或变化缓慢压力的测试。44四、电量式压力计四、电量式压力计5.涡流式压力传感器涡流式压力传感器v涡流式压力传感器属于电感式压力传感器中涡流式压力传感器属于电感式压力传感器中的一种，它利用的一种，它利用涡流效应涡流效应将压力变换成将压力变换成线圈线圈阻抗阻抗的变化，再经测量电路转换成电量。的变化，再经测量电路转换成电量。45四、电量式压力计四、电量式压力计5.涡流式压力传感器涡流式压力传感器v压力压力p通过测量孔通过测量孔1作作用在膜片用在膜片2上，改变上，改变它与线圈之间的距离它与线圈之间的距离d，从而引起线圈，从而引起线圈3阻阻抗的变化，变化的阻抗的变化，变化的阻抗再通过后接测量电抗再通过后接测量电路转换成电量，实现路转换成电量，实现对压力的测试。对压力的测试。46四、电量式压力计四、电量式压力计5.涡流式压力传感器涡流式压力传感器v涡流式压力传感器有良好的动态特性，适合涡流式压力传感器有良好的动态特性，适合在爆炸等极其恶劣的条件下工作，如测量冲在爆炸等极其恶劣的条件下工作，如测量冲击波。击波。47四、电量式压力计四、电量式压力计6.霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器v当霍尔元件通过恒定电流时，产生与被测压当霍尔元件通过恒定电流时，产生与被测压力成正比的霍尔电动势，完成压力至电量的力成正比的霍尔电动势，完成压力至电量的变换。变换。48四、电量式压力计四、电量式压力计6.霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器v从从 a端通人电流端通人电流I，根据，根据霍尔效应，左半部产生霍尔效应，左半部产生霍尔电势霍尔电势VH1，右半部产，右半部产生霍尔电势生霍尔电势VH2，其方向，其方向相反。因此，相反。因此，c、d两端两端电势为电势为VH1-VH2。49四、电量式压力计四、电量式压力计6.霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器v如果霍尔元件在初始位如果霍尔元件在初始位置时置时VH1=VH2，则输出，则输出为零；当改变磁极系统为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。其大小正比于位移量。50四、电量式压力计四、电量式压力计6.霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器v由于波登管的频响较由于波登管的频响较低，适用于静态或变低，适用于静态或变化缓慢压力的测量。化缓慢压力的测量。51四、电量式压力计四、电量式压力计7.压电式压力传感器压电式压力传感器v压电式压力传感器的工作原理是压力通过膜压电式压力传感器的工作原理是压力通过膜片或活塞，压块作用在晶片上，晶片上产生片或活塞，压块作用在晶片上，晶片上产生了电荷，经后接放大器的变换，由显示或记了电荷，经后接放大器的变换，由显示或记录仪器显示或记录，实现对压力的测量。录仪器显示或记录，实现对压力的测量。52四、电量式压力计四、电量式压力计7.压电式压力传感器压电式压力传感器v膜片压力传感器：膜片压力传感器：测量低压测量低压 53四、电量式压力计四、电量式压力计7.压电式压力传感器压电式压力传感器v测量高活塞压力传感器测量高活塞压力传感器54四、电量式压力计四、电量式压力计7.压电式压力传感器压电式压力传感器v由于压电式压力传感器具有频响宽、可测压由于压电式压力传感器具有频响宽、可测压力范围大、体积小、重量轻、安装方便、可力范围大、体积小、重量轻、安装方便、可测多向压力等特点，因而在实际压力测试中测多向压力等特点，因而在实际压力测试中得到广泛应用。得到广泛应用。v压电式压力传感器压电式压力传感器适于测动态力和冲击力适于测动态力和冲击力，但但不适于测静态力不适于测静态力。