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3.5电感式压力计,3.5电感式压力计,电感式压力计采用的敏感元件是电感式压力传感器，利用电磁感应原理，把被测压力转换成自感或互感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流输出。它的种类很多，以下介绍常用的自感或互感式两种传感器。,3.5.1自感式传感器,工作原理,简单的自感式传感器结构原理如图所示。它由线圈、铁心和衔铁三部分组成。铁心和衔铁均由导磁材料制成。在铁心与衔铁之间为空气隙，气隙厚度为。压力传感元件与衔铁相连，传感元件的位移会引起空气隙变化，从而改变磁路的磁阻，使线圈电感值发生变化。由电工学可知，线圈中的电感可以表示为,式中l导磁体的长度；导磁体的导磁率0空气的导磁率；A1导磁体的截面积A气隙的截面积；气隙的厚度。,式中N线圈匝数；RM磁路总磁阻。,当空气隙厚度较小时，可以忽略磁路的铁损，总磁阻可以表示为,1线圈2铁心3衔铁,电磁感应原理,一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比要小的多，所以线圈的磁路总磁阻可以近似表示为,由上式可知，当线圈匝数N确定之后，只要改变和A均可以引起电感L的变化，因此自感式传感器可分为改变气隙厚度和改变气隙面积两种，改变气隙厚度使用较广泛。,而线圈的电感可表示为,下面分析变气隙式电感传感器的输出特性。设衔铁处于起始位置时，初始气隙厚度为0，对应的初始电感为：,当衔铁上移时，传感器的气隙减小=0-，对应的电感量为,电感的变化量为电感的相对变化量为,若/越小，非线性误差越小，但这样又会使得传感器的测量范围减小。自感式传感器一般取/=0.10.2。,当/01时，上式可展开成级数形式,同理，当衔铁下移时，传感器的气隙增大，=0+，电感的变化量为,同样L/L0可展开成级数,由上式可知L/L0与/0为非线性特性。但当/01，若忽略二次项以上的高次项，则有,差动式自感压力传感器,流电桥的相邻桥臂，与另外两个固定电阻组成交流电桥。U为桥路交流电源，U0为桥路交流输出。,为了减少变气隙式传感器的非线性误差，常采用限制测量范围即减小衔铁移动范围的方法，构成如图所示的差动结构。,起始位置时，衔铁处于中间位置，上、下两侧气隙相同，即1=2=0，则Z1=Z2=Z0，故桥路输出电压Uo=0，电桥处于平衡状态。,它的特点是上、下两个完全对称的自感传感器合用一个活动衔铁，传感器的两只电感线圈作为交,当衔铁偏离中间位置，向上或者向下移动时，使两只电感线圈的电感量一个增一个减，12。此时传感器的电感变化量为：,式中L0为衔铁在中间位置时，单个线圈的初始电感量。,由于不存在偶数项，显然其非线性远小于单个电感传感器。同时，它比单个传感器的灵敏度提高了1倍。当电桥失去平衡，桥路输出U0的大小与衔铁移动的大小成比例，其相位则与衔铁移动的方向有关。,对于高Q值(Q=L0/R0，它是自感传感器的品质因数，Q值大表明线圈制造质量好)的差动式传感器，桥路输出可近似表示为：,桥路输出电压可表示为：,式中激励电压的角频率；Z0单个电感线圈阻抗；R0单个电感线圈电阻,上式表明桥路输出电压幅值与衔铁位移量成正比，相位则与衔铁移动方向有关。,输出,近似线性,相位与衔铁方向有关,电感信号的测量电路变压器式交流电桥,变压器式交流电桥结构如右图所示。图中相邻两工作臂为Z1、Z2，是差动电感传感器的两个线圈的阻抗；另两臂为变压器次级线圈的两半(每臂电压为U/2)，输出电压取自A、B两点。假定0点为零电位，且传感器线圈为高Q值，其线圈电阻远远小于其感抗，即rL，则可以推导其输出特性公式为,在初始位置，即衔铁位于差动电感传感器中间时，由于两线圈完全对称，因此Z1=Z2=Z0，此时桥路平衡，即。,当衔铁上移时，上线圈阻抗增加，即Z2=Z+Z，而下线圈阻抗减少，为Z1=Z-Z，此时输出电压为,因为在Q值很高时，线圈内阻可以忽略，所以,同理衔铁下移时，可推导出,由此可见，衔铁上移和下移时，输出电压相位相反，且随L的变化输出电压也相应地改变。据此，经适当电路处理可判别位移的大小及方向。,电感信号的测量电路调幅电路,右图（a）为将感抗变化转换为交流信号幅值的调幅电路。传感器L与固定电容C、变压器T串联在一起，接入外接电源u后，变压器的次级将有电压u0输出。输出电压的频率与电源频率相同，幅值随L变化。,图(b)所示为输出电压与电感L的关系曲线，其中L0为谐振点的电感值。实际应用时，可以使用特性曲线一侧接近线性的一段。这种电路的灵敏度很高，但线性度差，适用于对线性度要求不高的场合。,(a)(b),电感信号的测量电路调频电路,右图（a）为将感抗变化转换为交流信号幅值的调频电路。把传感器电感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率为,当L变化时，振荡频率随之变化，根据频率大小即可测出被测量值。图（b）为频率和电感变化的关系。,(a)(b),应用示例自感式压力计,右图所示是变隙电感式压力计的结构图。它由波纹管、铁心、衔铁及线圈等组成，衔铁与波纹管的上端连在一起。当压力进入波纹管时，波纹管的顶端在压力p的作用下产生与压力p大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流的大小反映了被测压力的大小。,应用示例变隙式差动电感压力计,右图所示为变隙式差动电感压力传感器。它主要由弹簧管、衔铁、铁心和线圈等组成。当被测压力进入弹簧管时，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l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。,3.5.2互感式差动传感器,工作原理,互感式传感器将被测的位移或形变转换为线圈互感量变化，这种传感器是根据变压器的原理进行转换的，且次级绕组都是采用差动形式连接，故也称为差动变压器式传感器。其结构形式有多种，但工作原理基本相同，现仅以目前采用较多的螺管式结构为例进行介绍。,螺管式差动变压器如图所示。它由一个初级线圈、两个次级线圈及铁心组成。其结构类似变压器，初级线圈作为激励相当于变压器原边；完全对称的两个次级线圈形成变压器的副边。差动变压器为非闭合磁路，原、副边之间的互感随铁芯移动作相应的变化。,差动变压器原理如图所示。两个次级线圈反相串联，当初级线圈通以适当频率的激励电压时，两个次级线圈产生的感应电压分别为U1和U2，它们的大小取决于铁心的位置，输出电压为U0=U1-U2。当铁心处于两次级线圈的中间位置时，U1=U2，U0=0；当铁芯偏离中间位置向上(或向下)移动时，互感M1(或M2)增大，输出电压U00，但向上和向下移动时的输出电压相位相差180。,测量范围：1-100mm,注意与一般变压器的区别,差动变压器的等效电路如图所示。图中Lp、Rp初级线圈电感和损耗电阻；M1、M2初级线圈与两个次级线圈之间的互感系数；Up激励电压；U0输出电压；LS1、LS2两个次级线圈的电感；RS1、RS2两个次级线圈的损耗电阻。,式中激励电压的角频率,根据变压器原理，当次级开路时，初级线圈的交流电流为,次级线圈的感应电压为,交流信号的三要素：相位、频率、幅值,差动变压器的输出电压为,输出电压的有效值为,可见，当初级线圈结构和激励电压一定，输出电压主要由互感M1和M2的大小所决定。输出电压的相位反映了铁心移动的方向；输出电压的幅值反映了铁心移动的距离。理想情况下，铁心处于中间位置时，输出电压Uo=0。但实际上，由于两个次级线圈结构上的不完全对称，以及激励电压中所含高次谐波等因素的影响，使得输出电压并不等于零，而是有一个微小电压Ux，称为零点残余电压，电压值一般在几十毫伏以下，必须设法消除，否则将会影响测量的精度。,零点残余电压,实际曲线上移,理想曲线,测量电路差动整流电路,差动整流电路将差动变压器的两个次级电压分别整流，然后把整流后的电压差值作为输出。由图所示，差动变压器的两个次级线圈分别接在了两个独立的电桥上进行全波整流，负载电阻均为R。无论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，两个电桥之间的连接使电路总的输出必须为两个整流桥路的的差值，即。,整流输出信号波形如下图所示：,(a)铁芯无位移(b)铁芯上移(c)铁芯下移,R,R,不须考虑零位调整和零点残余电压的影响,测量电路相敏检波电路,由于采用低通滤波器，信号变平滑。,特性曲线,相敏检波电路,辅助电压,测量电路集成信号调理电路,AD598是集成化的差动变压器信号调理电路，通过与差动变压器的配合，可将机械位移转换为单极性或双极性输出的高精度直流电压。AD598是一种完整的单片式线位移差动变压器(LVDT)信号调节系统。AD598与LVDT配合，能够将LVDT的机械位置转换成单极性或双极性输出的高精度直流电压。AD598将所有的电路功能都集中在一块芯片上，只要增加几个外接无源元件，就能确定励磁频率和输出电压的幅值。在芯片内部，AD598将LVDT处理的次级输出信号按比例地转换成直流信号。,3.6霍尔式压力计,3.6霍尔式压力计,霍尔式压力计的主要传感元件是霍尔传感器，这类传感器通过“霍尔效应”将弹性元件的形变或位移信号转换为电势信号，实现压力测量信号的远传和处理。,霍尔元件,“霍尔效应”是美国物理学家霍尔于1879年在金属材料中发现的一种磁电效应，直到20年代中期，随着半导体材料的加工和应用技术的不断完善，这一物理效应才逐渐被应用于工业检测，目前利用半导体材料制造的各类霍尔传感器，已广泛应用在工业测量和控制的各个领域。,3.6.1霍尔传感器的工作原理,霍尔效应,霍尔传感器的传感元件使用硅（Si）、锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等半导体材料制造。这类材料制造的半导体薄片，在磁场和电流的共同作用下会产生“霍尔效应”。,一个半导体薄片，若使控制电流I通过它的两个相对侧面，在与电流垂直的另外两个相对侧面施加磁感应强度为B的磁场，那么在半导体薄片与电流和磁场均垂直的另外两个侧面上将产生电势信号UH。这一现象称为霍尔效应，产生的电势称为霍尔电势，其大小与控制电流I与磁感应强度B的乘积成正比。,霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。如图所示。假设在N型半导体薄片的垂直方向上加一磁感应强度为B的恒定磁场，在半导体薄片相对两侧加一控制电流I时，半导体材料中的电子运动由于受到洛伦兹力的作用，而使电子运动的轨道发生偏移，沿图中虚线所示的轨迹运动，一个端面有电子积累显负极型，另一个端面因失去电子而显正极性，因此在与磁场B和电流I均垂直的两个端面上出现电位差。,霍尔电势UH的大小与半导体材料、控制电流I、磁感应强度B以及霍尔元件的几何尺寸等有关。可用下式表示,KH称为霍尔元件的灵敏度，它表示了单位电流和单位磁场作用下，开路时霍尔电势的大小。它与元件的厚度成反比，霍尔片越薄，灵敏度系数就越大。但在考虑提高灵敏度的同时，必须兼顾元件的强度和内阻。,式中I控制电流；B磁感应强度；n半导体材料单位体积内的电子数；e电子电量；d霍尔片厚度；RH霍尔常数，RH=1/ne，它反映了材料霍尔效应的强弱，其大小由材料所决定。,，则得到,设,霍尔常数：RH=*，：电阻率，电子迁移率。,一般，I=320mA，B与约为0.1T，UH为几到几百毫伏。若磁感应强度与霍尔片法线之间有夹角，则有UH=KIBsin,(1)额定控制电流当霍尔器件的控制电流使器件本身在空气中产生10温升时，对应的控制电流值称为额定控制电流。以器件允许的最大温升为限制，所对应的控制电流值称为最大允许控制电流。因霍尔电势随控制电流的增加而线性增加，所以实际应用中总希望选用尽可能大的控制电流，因而需要知道器件的最大允许控制电流。(2)输入电阻指在没有外磁场和室温变化的条件下，电流输入端的电阻值。霍尔器件工作时需要加控制电流，这就需要知道控制电极间的电阻，即输入电阻。(3)输出电阻霍尔电极之间的电阻，称输出电阻。输出电阻在无外接负载时测得。(4)乘积灵敏度SH在单位控制电流Ic和单位磁感应强度B的作用下，霍尔器件输出端开路时测得的霍尔电压SH称为乘积灵敏度，其单位为v/(AT)。乘积灵敏度还可以表示为SH=RHd=u/d。由此看出，半导体材料的电子迁移率u越大，或半导体晶片厚度越薄，则乘积灵敏度SH越大。,霍尔常数：RH=*，：电阻率，电子迁移率。,(5)不等位电动势U0当霍尔器件的控制电流为额定值Ic时，若器件所处位置的磁感应强度为零，则它的霍尔电动势应该为零，但实际不为零，这时测得的空载霍尔电势称为不等位电动势U0。这是由于在生产中工艺条件的限制，会出现霍尔电压输出端的两个电极位置不能完全对称、厚度不均匀或焊接不良等现象。U0越小，霍尔器件性能越好。(6)寄生直流电动势当没有外加磁场，霍尔器件用交流控制电流时，霍尔电极的输出除了交流不等位电动势外，还有一个直流电动势，称寄生直流电动势。此外，两个霍尔电极熔点的不一致，造成两焊点热容量、散热状态的不一致，因而引起两电极温度不同产生温差电动势，也是寄生直流电动势的一部分。寄生直流电动势是霍尔器件零位误差的一部分。(7)霍尔电动势温度系数在一定磁感应强度B和控制电流Ic作用下，环境温度每变化1，霍尔电压UH的相对变化值称为霍尔电压温度系数，用表示，其单位为。越小表明霍尔器件的温度稳定性越好。,不等位电势和温度变化是影响霍尔电势的两个主要因素。,3.6.2霍尔式压力计,霍尔式压力传感器,由上述霍尔电势产生的原理可知，对于材料和结构已定的霍尔元件，其霍尔电势仅与B和I有关。若控制电流I一定，改变磁感应强度B，则会使得霍尔电势UH变化，霍尔式压力传感器正是采用了这样一种检测方式。,如右图所示，分别为以弹簧管作为弹性元件测量压力的压力表结构，被测压力由使弹性元件产生形变，采用各自的机械连接方式，使霍尔片发生位移。在霍尔片的上、下垂直安装两对磁极，使霍尔片处于两对磁极形成的非均匀磁场中。霍尔片的四个端,面引出四根导线，其中与磁钢相平行的两根导线和恒流稳压电源相连，另外两根导线用来输出霍尔电势信号。,当无压力时，霍尔片处于两对极靴之间的对称位置时，由于霍尔片两侧所通过的磁通大小相等、方向相反，故由两个相反方向磁场作用而产生的霍尔电势大小相等，极性相反。因此霍尔片两端输出的总电势UH为零。当传感器通入被测压力p后，弹性元件的位移带动霍尔片做偏离其平衡位置的移动，这时霍尔片两端所产生的两个极性相反的电势之和就不再为零，由于沿霍尔片位移方向磁感应强度的分布呈均匀梯度状态，故由霍尔片两端输出的霍尔电势与弹性元件的位移成线性关系。从而实现了压力-位移-霍尔电势的转换。,y0=12mm,（1）不等位电动势及其补偿不等位电动势是零位误差的主要成分。它是由于器件输出极焊接不对称，厚薄不均匀，两个输出极接触不良等原因造成的，可以通过桥路平衡的原理加以补偿。,在分析不等位电动势时，可以把霍尔器件等效为一个电桥。如图所示，4个桥臂电阻分别为r1、r2、r3、r4。当两个霍尔电动势电极处于同一等位面时，r1=r2=r3=r4，电桥平衡，这时输出电压Uo等于零；当霍尔电动势电极不在同一等位面上时，(如r3增大，r4减小)，则电桥失去平衡，输出电压Uo就不等于零。恢复电桥平衡的办法是减小r2、r3。如果在制造过程中确知霍尔,电极偏离等位面的方向，就应采用机械修磨或化学腐蚀的方法来减小不等值电动势。,对已经制成的霍尔器件，可以采用外接补偿线路进行补偿。如图所示为一种常见的具有温度补偿的不等位电动势补偿电路。该补偿电路接成桥式电路，其工作电压由霍尔器件的控制电压提供；其中一个桥臂为热敏电阻Rt，且Rt与霍尔器件的等效电阻的温度特性相同。在该电桥的负载电阻Rr2上取出电桥的部分输出电压(称为补偿电压)，与霍尔器件的输出电压反接。在磁感应强度,B为零时，调节Rrl和Rr2，使补偿电压抵消霍尔器件此时输出的不等位电动势，从而使B=0时总输出电压为零。,采用桥式补偿电路，可以在霍尔器件的整个工作温度范围内对不等位电动势进行良好的补偿，并且对不等位电动势的恒定部分和变化部分的补偿可相互独立地进行调节，从而可达到相当高的补偿精度。,U+,U-,输出电压,补偿电压,下限调整,上限调整,(2)温度误差及其补偿由于半导体材料载流子浓度和迁移率随着温度变化，引起电阻率也随温度变化，因此，霍尔器件的性能参数，如内阻、霍尔电动势等对温度的变化也是很敏感的。,为了减小霍尔器件的温度误差，除选用温度系数小的材料(如砷化铟)或采取恒温措施外，用恒流源供电方式（如下图所示)往往可以得到比较明显的效果。恒流源供电的作用是减小器件内阻随温度变化所引起的控制电流变化，但是采用恒流源供电还不能完全解决霍尔电动势的稳定性问题，还必须配合其他补偿线路。,恒流源补偿电路,3.7其他压力测量方法,3.7.1液柱式压力计,U形管压力计,应用液柱测量压力的方法是以流体静力学原理为基础的。采用充有水或水银等液体的玻璃U形管是其中一种典型结构其形式如下图所示。,根据静力平衡原理可知，在U形管2-2截面上，右边被测压力p及被测流体的质量应与左边被测压力pA及液柱h的质量相平衡，即,式中AU形管截面积；工作液的密度；被测介质的密度；g重力加速度；h左右两边液柱差；pA被测较低一侧的压力；p被测较高一侧的压力。,由上式可得,若pA为大气压，被测介质为气体时，d，则d2D2可以忽略不计，上式可近似表示为,由前式可得：,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，如图所示。大容器通入被测压力P，斜管通大气压力PA，则P与液柱之间的关系为：,与单管压力计相似，有,又,所以,式中L斜管内液柱的长度；斜管倾斜角；K灵敏度系数。,因为大容器的直径D远大于玻璃管的直径d，则h1的微小变化会使斜管内的液柱长度发生明显变化，所以液面高度差也可以近似表示为,由于Lh2，所以斜管压力计比单管压力计更灵敏。改变斜管的倾斜角度，可以改变斜管压力计的测量范围。,所以，前式可近似表示为,在使用液柱式测压法进行压力测量时，由于毛细管和液体表面张力的作用，会引起玻璃管内的液面呈弯月状，见右图所示。如果工作液对管壁是浸润的(水)，则在管内形成下凹的曲面，读数时要读凹而的最低点；如果工作液对管壁是非浸润的(水银)，则在管内形成上凸的曲而，读数时要读凸面的最高点。,3.7.2压电式压力计,压电效应和逆压电效应,压电式压力计的传感元件是压电传感器，这种传感器是根据“压电效应”原理把被测压力变换成为电信号的。当某些晶体沿着某一个方向受压或受拉发生机械变形(压缩或伸长)时，在其相对的两个表面上会产生异性电荷，这种现象就是“压电效应”。压电效应是可逆的，当晶体受到外电场影响时会产生形变，这种现象称为“逆压电效应”。,常用的压电材料有压电晶体和压电陶瓷两大类。它们都具有较好特性，均是较理想的压电材料。,压电式传感器,压电晶体的压电特性,常用的压电晶体为石英晶体(二氧化硅)，它是单晶结构，为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状，如下图所示。在三维直角坐标系中，x轴称为电轴，y轴称为机械轴，z轴称为光轴。石英晶体在3个不同方向上的物理特性是不同的。沿电轴x方向施加作用力产生的压电效应称为纵向压电效应；沿机械轴y方向施加作用力产生的压电效应称为横向压电效应；而沿光轴z方向施加作用力则不产生压电效应。,(1)压电特性的产生,式中k2y轴方向受力的压电常数，因石英轴对称，所以k2=-k1；a、b分别为晶片的长度和厚度。电荷qx和qy的符号由受拉力还是受压力作用所决定。由上式可知，qx的大小与晶片几何尺寸无关，而qy则与晶片几何尺寸有关。因此采用测量qx确定受力更方便。,从石英晶体上沿y方向切下一块如图所示的晶片，当沿着x轴方向施加作用力fx时，则在与x轴垂直的两个平面上有等量的异性电荷qx与-qx出现，如果Ax代表x方向的受力面积，p代表作用在Ax上的压力，则fx=pAx，产生的电荷为,式中k1x轴方向受力的压电常数,k1=2.3110-12C/N当在同一切片上，沿y轴方向施加作用力fy=pAy时，则仍然会在与x轴垂直的平面上产生电荷，其值为,压电陶瓷的压电特性,压电陶瓷是人造多晶体，它的压电机理与石英晶体并不相同。压电陶瓷属于铁电体物质，是一种经极化处理后的人工多晶体，由无数细微的电畴组成。在无外电场时，各电畴杂乱分布，其极化效应相互抵消，因此原始的压电陶瓷不具有压电特性。只有在一定的高温(100170)下，对两个极化面加高压电场进行人工极化后，陶瓷体内部保留有很强的剩余极化强度，当沿极化方向(定义为x轴)施力时，在垂直于该方向的两个极化面上产生正、负电荷，其电荷量qx与力fx成正比，即,式中k1压电陶瓷的纵向压电系数。对压电陶瓷来说，平行于极化方向的轴为x轴，垂直于极化方向的轴为y轴，它不再具有z轴，这是与压电晶体不同的地方。,极化后的电畴,压电陶瓷的压电常数大，灵敏度高，价格低廉。在一般情况下，都采用它作为压电式传感器的压电元件。,束缚电荷吸附外界自由电子，且大小相等，极性相反，不呈现极性。,在极化方向上施加外力，陶瓷压缩变形，束缚电荷之间距离变小，电畴偏转，极化强度变小，部分自由电荷释放而放电。外力撤销后，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，吸附部分电荷而充电。正压电效应。,正压电效应将机械能转换为电能,F,F,负压电效应：,高分子压电材料,（2）压电式传感器的等效电路,压电元件是在压电晶片产生电荷的两个工作面上进金属蒸镀，形成两个金属膜电极，如图所示。,式中A极板面积；压电材料的介电常数；d压电晶片的厚度。,当压电晶片受力时，在晶片的两个表面上聚积等量的正、负电荷，晶片两表面相当于电容器的两个极板。两极板之间的压电材料等效于一种介质，因此压电晶片本身相当于一只平行极板介质电容器，其电容量为,当压电传感器受力的作用时，两个电极上呈现电压。因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源，也可以等效为一个电荷源。,在实际应用中由于需要和测量电路相连接，因此还须考虑连接电缆的等效电容、放大器的输入电阻、输入电容以及压电传感器的泄漏电阻等因素的影响，因此，压电传感器的等效电路如下图所示。,由于后续电路的输入阻抗不可能无穷大，压电元件本身也存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而无法保持不变，从而造成测量误差。因此不宜利用压电式传感器测量静态信号。当测量动态信号时，曲于交变电荷变化快，通电量相对较小，故压电式传感器适宜做动态测量。,等效为电压信号源等效为电荷信号源,压电式传感器的测量电路,电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益放大器，其等效电路如图所示。图中K是放大器的开环增益，若放大器的开环增益足够高，则运算放大器的输入端的电位接近地电位。由于放大器的输入级采用了场效应晶体管，因此放大器的输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有电流，电荷q只对反馈电容Cf充电，充电电压接近等于放大器的输出电压，即,压电式传感器的输出可以是电压，也可以是电荷量。因此前置放大器有电压放大器和电荷放大器两种形式。电压放大器可采用高输入阻抗的比例放大器，其电路比较简单，但输出受到连接电缆对地电容的影响。目前常采用电荷放大器作前置放大器。,电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆、电容等均无关系，因此只要保持反馈电容的数值不变，就可以得到与电荷量q变化成线性关系的输出电压。,3.7.3振动式压力计,振弦谐振式压力计,（1）振弦式压力传感器,式中T振弦的张紧力；l振弦的有效长度；振弦的线密度，即单位弦长的质量。,振弦传感器的工作原理如图所示。振动元件是一根张紧的金属丝，称为振弦。它放置在磁场中，一端固定在支承上，另一端与测量膜片相连，并且被拉紧，具有一定的张紧力T，张紧力的大小由被测压力p所决定。在激励作用下，振弦会产生振动，其固有振动频率为,对于振弦来说，弦的横向刚度系数为c=T2/l，弦的质量为m=l，则,（1）振弦式压力传感器,当振弦的长度l和线密度已定，则固有振动频率f0的大小就由张力T所决定。由于振弦置于磁场中，因此在振动时切割磁力线会感应出电势，感应电势的频率就是振弦的振动频率，测量感应电势的频率即可得振弦的振动频率，从而可知张力的大小。而张力又收到作用于弹性膜片的压力的影响，所以根据频率信号可测定压力。,利用上述原理可以制成不同结构的振弦式压力传感器。右下图所示为一种振弦式压力传感器的实际结构，它既可以测压力又可以测压差。,（2）振弦信号的测量电路,图示是一种连续激振的传感器测量电路。振弦的电阻为r，它与电阻R3串联形成分压器，接在放大器A的输出端，a点引出的分压Ua送到放大器的同相输入端作为正反馈。放大器的输出还经过R1、R2分压后引入到反相输入端作为负反馈，并且在R1旁并联了场效应管T，起到自动稳幅和提高激振可靠性的作用。,场效应管的栅极电压由R1、VD、R5及电容C组成的半波整流电路控制。如果由于工作条件变化使放大器输出幅值增加时，输出信号经R4、VD、R5及C检波后，使T的栅极有较大的负电压，则场效应管的源漏极之间的等效电阻增加，相当于R1增大，从而使信号放大的倍数降低，输出信号的幅值减小。反之，则信号放大的倍数提高，输出信号幅值会增加，起到自动稳定振幅的作用。,压电谐振式压力计,压电谐振式传感器利用了压电晶体谐振器的共振频率随被测物理量变化而变化的特性进行测量。当在压电晶体的电极上加上电激励信号时，利用逆压电效应，振子将按固有共振频率产生机械运动，与此同时按正压电效应，电极板上又将出现交变电荷，通过连接的外电路对振子进行适当的能量补充，构成了使振荡等幅持续进行的振荡电路。,式中h石英晶片厚度晶体密度。c石英晶体的厚度剪切模量；,石英振子的固有谐振频率为,当石英振子受到静态压力作用时，振子的共振频率将发生变化，且频率变化与所施加的压力的函数关系近似线性。这主要是由于石英晶体的厚度剪切模量c随压力变化而产生的。,石英振子结构,上图为这种石英谐振式压力传感器的结构。图中石英谐振器靠薄弹簧片悬浮于传压介质油中。压力容器由铜套筒和钢套筒构成，隔膜与钢套筒连接。石英谐振器的温度由内加热器和外加热器共同控制。当传感器工作时，可使石英谐振器保持在0.05恒温以内，从而使振子达到零温度系数。隔膜是容器内的油和外压力介质的分界层。液体油(合成磷酸盐脂溶液)热膨胀系数比较低，以便减小因温度变化引起的液体油压变化而造成的(温度)读数误差。端盖用不锈钢制造，P为压力进口。,压电谐振式传感器,3.8压力表的选择、校验和安装,从经济、合理的角度考虑,使仪表（弹性元件）工作在线性段，保证仪表精度。,3.8压力表的选择、校验和安装,用于校验高精度的精密压力表,一挡。,的测量上限比被校表大,。标准表,被校表的,准表的绝对误差应小于,标准表的选择原则：标,力比较。,将被校表示值与标准压,较；,值在相同条件下进行比,将被校表与标准表的示,（1）校验方法,压力仪表的校验,3.8.2,（3）仪表类型的选择,以降低成本。,取精度低的,在上列系列中选取。选,一般根据最大引用误差,等。,、,、,、,、,、,、,、,、,、,、,、,：,国家规定的精度等级有,（2）精度等级选择,3,/,1,q,5,.,2,5,.,1,0,.,1,5,.,0,4,.,0,25,.,0,2,.,0,16,.,0,1,.,0,05,.,0,02,.,0,01,.,0,MAX,2.,1.,温度、腐蚀性、粘度、易燃易爆、氨、炔、烯、氧、远传、报警等。见相关设计手册。,一般在被校表的测量范围内，均匀地选择至少5个以上的校验点，其中应包括起始点和终点。,接标准压力表,压力发生部分,测量部分,静压,（2）导压管的安装,导压管的安装要注意以下方面。（1）管路长度与导管直径一般在工业测量中，管路长度不得超过60m，测量高温介质时不得小于3m；导压管直径一般在738mm之间。表3-3列出了导管长度、直径与被测流体的关系。（2）导压管口最好应与设备连接处的内壁保持平齐，若一定要插入对象内部时，管口平面应严格与流体流动方向平行。此外导压管口端部要光滑，不应有凸出物或毛刺。（3）取压点与压力表之间在靠近取压口处应安装切断阀，以备检修压力仪表时使用。,（4）对于水平安装的导压管应保证有1:101:20的倾斜度，以防导压管中积液(测气体时)或积气(测液体时)。（5）测量液体时，在导压管系统的最高处应安装集气瓶；测量气体时，在导压管的最低处应安装水分离器；当被测介质有可能产生沉淀物析出时，应安装沉淀器；测量差压时，两根导压管要平行放置，并尽量靠近以使两导压管内的介质温度相等。（6）如果被测介质易冷凝或冻结，必须增加保温伴热措施。,（3）压力仪表的安装,压力仪表的安装要注意以下方面。（1）压力仪表应安装在易观察和易维修处，力求避免振动和高温影响。（2）测量蒸汽压力或压差时，应装冷凝管或冷凝器，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触；对有腐蚀介质的测量，应加装充有中性介质的隔离罐。另外针对具体情况(高、低温、结晶、沉淀、粘稠介质等)采取相应的防护措施。（3）压力仪表的连接处根据压力高低和介质性质，必须加装密封垫片，以防泄漏。一般低于80及2MPa时，用石棉板或铝垫片；温度和压力更高(50MPa以下)时，用退火紫铜或铅垫。另外要考虑介质性质的影响，如测量氧气时，不能使用浸油或有机化合物垫片；测量乙炔、氨介质时，不能使用铜垫片。（4）当被测压力较小，而压力仪表与取压点不在同一高度时，由高度差引起的测量误差应考虑进行修正。,需要修正,用冷凝管时，应将仪表阀安装在冷凝弯上部接近仪表位置，通汽后先不开阀，待冷凝弯凝结液体后再开阀即可。,压力量值传递系统,第3章,END,
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