第第5节节压力检测技术压力检测技术n5.1压力的基本概念压力的基本概念n5.2常用压力检测仪表常用压力检测仪表5.1压力的基本概念压力的基本概念压压力力是是工工业业生生产产过过程程中中重重要要的的工工艺艺参参数数之之一一，正正确确地地测测量量和和控控制制压压力力是是保保证证工工业业生生产产过过程程良良好好地地运运行行，达达到到高高产产优优质质低低耗耗及及安安全全生生产产的的重重要要环环节。节。1.压力的定义压力的定义压压力力是是垂垂直直而而均均匀匀地地作作用用在在单单位位面面积积上上的的力力，即即物物理理学学中中常常称称的的压压强强。工工程程上上，习习惯惯把把压压强强称称为压力。为压力。(5-1)式中式中p压力；压力；F垂直作用力；垂直作用力；S受力面积。受力面积。2.压力的表示方法压力的表示方法由于参照点不同，在工程上压力有几种不同表示方法。由于参照点不同，在工程上压力有几种不同表示方法。(1)(1)绝绝对对压压力力 被被测测介介质质作作用用于于物物体体表表面面上上的的全全部部压压力称为绝对压力，用符号力称为绝对压力，用符号pi表示。表示。(2)(2)大大气气压压力力由由地地球球表表面面空空气气质质量量所所形形成成的的压压力力，称称为为大大气气压压力力。它它随随地地理理纬纬度度、海海拔拔高高度度及及气气象象条件而变化，用符号条件而变化，用符号p0表示。表示。(3)(3)表表压压力力绝绝对对压压力力与与当当地地大大气气压压之之差差称称为为表压力，用符号表压力，用符号表示，表示，。(4)(4)真真空空度度( (负负压压) )当当绝绝对对压压力力小小于于大大气气压压力力时时，表表压压力力为为负负值值(负负压压力力)，其其绝绝对对值值称称为为真空度，用符号真空度，用符号表示，表示，。(5)(5)差差压压( (压压差差) )任任意意两两个个压压力力p1、p2之之差差称称为为差压差压，。各种压力之间的关系各种压力之间的关系4. 压力检测的基本方法压力检测的基本方法根据不同工作原理，压力检测方法可分为如下几种： (1)(1)重力平衡方法重力平衡方法 这种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)(2)弹性力平衡方法弹性力平衡方法 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。此类压力计有多种类型，可以测量压力、负压、绝对压力和压差，应用最为广泛。 (3) (3) 机械力平衡方法机械力平衡方法这种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) (4) 物性测量方法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。3.2常用压力检测仪表常用压力检测仪表1.液柱式压力计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，其结构形式如图3-2所示。图3-2液柱式压力计(1) (1) U U形管压力计形管压力计图3-2(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和时，根据流体静力平衡原理可知，U形管两边管内液柱差h与被测压力和的关系为:(3-2)式中A U形管内孔截面积；U形管内工作液的密度；g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:(3-3)可见U形管内的液柱差h与被测差压或压力成正比，因此被测压差或压力可以用工作液高度h的大小来表示。(2)(2)单管压力计单管压力计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3-2(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。当大容器一侧通入被测压力，管一侧通入大气压时，满足下列关系:(3-4)式中h 两液面的高度差；d 玻璃管直径；D 大容器直径。由于Dd，故d2/D2可以忽略不计，则式(3-4)可写成:(3-5)管内工作液面上升的高度h即可表示被测压力的大小。(3)(3)斜管压力计斜管压力计用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3-2(c)所示。大容器通入被测压力p1，斜管通大气压力p2，则p1与液柱之间的关系仍然与式(3-5)相同:(3-6)式中L斜管内液柱的长度；斜管倾斜角。由于Lh，所以斜管压力计比单管压力计更灵敏，可以提高测量精度。2.弹性压力计弹性压力计当当被被测测压压力力作作用用于于弹弹性性元元件件时时，弹弹性性元元件件便便产产生生相相应应的的弹弹性性变变形形(即即机机械械位位移移)。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。弹性压力计的组成环节如图3-3所示:弹弹性性元元件件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和设计；在弹性元件与指示机构之间是变变换换放放大大机机构构，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；指指示示机机构构(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。图3-3弹性压力计组成框图(1) (1) 弹性元件弹性元件同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等，如表3-2所示。其中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、低压或真空度的测量。表3-2弹性元件的结构和特性类别名称示意图压力测量范围kPa输出特性动态性质最小最大时间常数/s自振频率/Hz薄膜式平薄膜010010510-510-210104波纹膜010-3010310-210-110102挠性膜010-5010210-211102波纹管式波纹管010-3010310-210-110102弹簧管式单圈弹簧管010-10106102103多圈弹簧管010-2010510102弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适用于不同的测压范围和被测介质。通过各种传动放大机构直接指示被测压力值。这类直读式测压仪表有弹簧管压力计弹簧管压力计、波纹管波纹管差压计差压计、膜盒式压力计膜盒式压力计等。(2) (2) 弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管式压力计是工业生产上应用很广泛的一种直读式测压仪表，以单圈弹簧管结构应用最多。其一般结构如图3-4所示。被测压力由接口引入，使弹簧管自由端产生位移，通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，并带动啮合的中心齿轮转动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转，并在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。图3-4弹簧管压力计结构1-弹簧管；2-连杆；3-扇形齿轮；4-底座；5-中心齿轮；6-游丝；7-表盘；8-指针；9-接头；10-横断面；11-灵敏度调整槽通过调整螺钉可以改变拉杆与扇形齿轮的接合点位置，从而改变放大比，调整仪表的量程。转动轴上装有游丝，用以消除两个齿轮啮合的间隙，减小仪表的变差。直接改变指针套在转动轴上的角度，就可以调整仪表的机械零点。弹簧管压力计结构简单,使用方便，价格低廉，测压范围宽，应用十分广泛。一般弹簧管压力计的测压范围为-105109Pa；精确度最高可达0.1。(3)(3)弹性压力计信号远传方式弹性压力计信号远传方式弹性压力计可以在现场指示，但是许多情况下要求将信号远传至控制室。一般可以在已有的弹性压力计结构上增加转换部件实现信号的远距离传送。弹弹性性压压力力计计信信号号多多采采用用电电远远传传方方式式，即即把弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。把弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。常见的转换方式有电位计式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式等，图3-5给出两种电远传弹性压力计结构原理。(a)电位器式(b)霍尔元件式图3-5弹性压力计信号电远传方式原理图3-5(a)为电位器式，在弹性元件的自由端处安装滑线电位器，滑线电位器的滑动触点与自由端连接并随之移动，自由端的位移就转换为电位器的电信号输出。这种远传方法比较简单，可以有很好的线性输出，但是滑线电位器的结构可靠性较差。图3-5(b)为霍尔元件式，其转换原理基于半导体材料的霍尔效应。由半导体材料制成的片状霍尔元件固定在弹性元件的自由端，并处于两对磁场方向相反的磁极组件构成的线性不均匀磁场的间隙中。霍尔元件被自由端带动在不均匀磁场中移动时，将感受不同的磁场强度。若在霍尔元件的两端通以恒定电流，则在垂直于磁场和电流方向的另两侧将产生霍尔电势，此输出电势即对应于自由端位移，从而给出被测压力值。这种仪表结构简单，灵敏度高，寿命长，但对外部磁场敏感，耐振性差。3.力平衡式压力计力平衡式压力计图3-6力平衡式压力计的基本框图力平衡式压力计采用反馈力平衡的原理，反馈力的平衡方式可以是弹性力平衡弹性力平衡或电磁力电磁力平衡平衡等。力平衡式压力计的基本构成如图3-6所示，被测压力或压差作用于弹性敏感元件上，弹性敏感元件感受压力作用并将其转换为位移或力，并作用于力平衡系统，力平衡系统受力后将偏离原有的平衡状态；由偏差检测器输出偏差值至放大器；放大器将信号放大并输出电流(或电压)信号，电流信号控制反馈力或力矩发生机构，使之产生反馈力；当反馈力与作用力平衡时，仪表处于新的平衡状态；显示机构可输出与被测压力或压差相对应的信号。图3-7弹性力平衡式压力测量系统的原理4.压力传感器压力传感器能能够够测测量量压压力力并并提提供供远远传传电电信信号号的的装装置置统统称称为压力传感器为压力传感器。压力传感器是压力检测仪表的重要组成部分，其结构型式多种多样，常见的型式有应应变变式式、压压阻阻式式、电电容容式式、压压电电式式、振振频频式式压力传感器等。此外还有光光电电式式、光光纤纤式式、超超声声式式压力传感器等。采用压力传感器可以直接将被测压力变换成各种形式的电信号，便于满足自动化系统集中检测与控制的要求，因而在工业生产中得到广泛应用。(1)应变式压力传感器应变式压力传感器应应变变式式压压力力传传感感器器是是一一种种通通过过测测量量各各种种弹弹性性元元件件的的应应变变来来间间接接测测量量压压力力的的传传感感器器。根据制作材料的不同，应变元件可以分为金金属属和半半导导体体两大类。应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化。电阻值的相对变化与应变有以下关系：(3-7)应变式压力传感器所用弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同而采用各种型式，常见有圆膜片、弹性梁、应变筒等。图3-9给出几种弹性元件和应变式压力传感器的结构及电桥式测量电路示意图。图3-9应变式压力传感器(2)(2)压阻式压力传感器压阻式压力传感器固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。效应。压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。图3-10为一种压阻式压力传感器的结构示意图，硅平膜片在圆形硅杯的底部，其两边有两个压力腔，分别输入被测差压或被测压力与参考压力。髙压腔接被测压力，低压腔与大气连通或接参考压力。图3-10压阻式压力传感器压阻式压力传感器的特点:(1)灵敏度高，频率响应高；(2)测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的 高压；(3)精度高，工作可靠，其精度可达0.20.02；(4)易于微小型化，目前国内生产出直径1.82mm的压阻式压力传感器。(3)