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1、传感器与检测技术第3章(3)Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第三节第三节 压力传感器压力传感器v把把作作用用于于单单位位面面积积上上的的全全部部压压力力称称为为绝绝对对压压力力 ，而而把把测测量量仪仪表表所所指指示示的的压压力力称称为为表表压压力力p。当当绝绝对对压压力力高高于于大大气气压压力力 时时称称为为正正压压力力，绝绝对对压压力力低低于于大大气气压压力力时时称称为为负负压压或或真真空度空度 ，它们之间的关系如下：，它们之间的关系如下：2第三节
2、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3v液液柱柱式式压压力力计计利利用用液液柱柱产产生生的的压压力力与与被被测测介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vh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)4v倾斜式液压计倾斜式液压计 v与与被被测测压压力力相相通通的的玻玻璃璃管管的的直直径径作作得得很很大大，另一玻璃管制成倾斜式。另
3、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vl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()。5一、液柱式压力转换原理一、液柱式压力转换原理v液液柱柱式式压压力力计计测测出出的的压压力力 与与液液面面变变化化高高度度h或或l、工工作作液液的的密密度度 有有关关，因因此此测测试试时时应应注注意意 及及温温度度与与标标定定时时的的差差异异，必必要要时时应应引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此此外外，测测试试时时压压力力计计应应平平放放，液液柱柱内内不不允允
4、许许存在气泡。存在气泡。6二、活塞式压力转换原理二、活塞式压力转换原理v活活塞塞式式压压力力计计广广泛泛应应用用于于基基准准和和标标定定工工作作中中，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。7二、活塞式压力转换原理二、活塞式压力转换原理8二、活塞式压力转换原理二、活塞式压力转换原理v工工作作时时拨拨转转手手轮轮1，通通过过丝丝杠杠2、工工作作活活塞塞3挤挤压压工工作作液液产产生生压压力力p，经经液液体体传传递递，作作用用在在待待校校准准的的压压力力表表和和测测量量活活塞塞上上，使使压压力力表表指针偏转、砝码指针偏转、砝码6被顶起。被顶起。9二、活塞式压力转换原理二、活塞式压
5、力转换原理v由由力力平平衡衡关关系系知知，在在平平衡衡状状态态时时，压压力力p的的大小由下式确定大小由下式确定vS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10二、活塞式压力转换原理二、活塞式压力转换原理v对对于于已已定定的的压压力力计计，S、G0一一定定，压压力力p仅仅取取决决于于砝砝码码的的重重量量G。改改变变它它的的重重量量，即即可可测测得得不不同同的的压压力力p，校校准准了了压压力力表表各各示示值值所所指指示的实际压力值。示的实际压力值。11二、活塞式压力转换原理二、活塞式压力转换原理v活活塞塞式式压压力力计计是是一一种种较
6、较精精密密的的测测量量仪仪器器，工工作作时时应应水水平平放放在在平平稳稳而而无无振振动动的的工工作作台台上上，在在顶顶起起砝砝码码系系统统处处于于平平衡衡状状态态时时，要要求求测测量量活活塞塞插插入入活活塞塞筒筒内内的的深深度度不不小小于于总总长长的的2/3，活活塞塞在在活活塞塞筒筒内内能能均均匀匀平平稳稳转转动动，并并且且保保持持足足够够的的持持续续旋旋转转时时间间，以以减减小小活活塞塞与与活活塞塞筒壁之间的摩擦力。筒壁之间的摩擦力。12三、弹性式压力传感元件三、弹性式压力传感元件v指指针针式式压压力力计计和和压压力力传传感感器器都都是是根根据据弹弹性性变变形原理工作的。形原理工作的。v某某
7、种种特特定定形形式式的的弹弹性性元元件件，在在被被测测流流体体和和气气体体压压力力作作用用下下，将将产产生生与与被被测测压压力力成成一一定定函函数数关关系系的的机机械械变变位位(或或应应变变)，经经转转换换装装置置转转换换成成指指针针的的偏偏转转，从从而而直直接接指指示示被被测测压压力力的的大小，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。13三、弹性式压力传感元件三、弹性式压力传感元件v感感受受压压力力的的弹弹性性元元件件是是压压力力传传感感器器的的关关键键元元件件 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14三、弹性
8、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 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其其横横截截面面都都是是椭椭圆圆形形或或平平椭椭圆圆形形的的空空心心金金属属管子管子v当当这这种种弹弹性性管管一一侧侧通通入入流流体体有有一一定定压压力力时时，由由于于内内外外侧侧的的压压差差(外外侧侧一一般般为为大大气气压压力力)，迫迫使使管管子子的的椭椭圆圆截截面面产产生生趋趋向向于于变变圆圆的的变变形形，这这种种变变形形导导致致C形形、螺螺线线形形和和螺螺旋旋形形波波登登管管的的自自由由端端产产生生变
9、变位位；对对于于扭扭转转形形波波登登管管，输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。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虽虽然然采采用用波波登登管管作作为为压压力力敏敏感感元元件件，可可得得到到较较高高的的测测量量精精确确度度，但但由由于于它它尺尺寸寸较较大大，固固有有频频率率较较低低及及有有较较大大的的滞滞后后现现象象，故故不不宜宜作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。17三、弹性式压力传感元件三、弹性式压力传感元件v膜片膜片18三、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波波纹纹管管可可在在较较低低压压力力下
10、下得得到到较较大大变变位位。它它可可测测的的压压力力较较低低，对对于于小小直直径径的的黄黄铜铜波波纹纹管管，最大允许压力约为最大允许压力约为1.5MPa19四、电量式压力计四、电量式压力计v电电量量式式压压力力计计是是用用各各种种传传感感器器或或测测量量元元件件将将压压力力变变换换成成电电量量或或电电参参数数，再再经经后后接接相相应应的的测测量量电电路路进进一一步步变变换换，最最后后由由显显示示或或记记录录仪仪显示或记录下来，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常常见见的的测测压压力力系系统统所所用用传传感感器器有有电电容容式式、电电感式感式、电阻式电阻式、涡流式涡流
11、式、压电式压电式等等20四、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电电容容式式压压力力传传感感器器是是将将压压力力转转换换成成电电容容的的变变化，经电路变换成电量输出。化，经电路变换成电量输出。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测测量量低低压压的的单单电电容容压压力力传传感器。感器。v膜膜片片作作为为电电容容器器一一个个极极板板，在在压压力力p作作用用下下产产生生位位移移，改改变变了了与与球球形形极极板板之之间间的的距距离离，从从而而引引起起电电容容C的的变化。变化。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
12、式压力传感器电容式压力传感器电容式压力传感器单只变间隙型单只变间隙型P弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片(动电极动电极动电极动电极)固定电极固定电极固定电极固定电极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v用用于于测测量量压压差差的的差差动动式压力传感器。式压力传感器。v膜膜片片与与镀镀在在球球形形玻玻璃璃表表面面的的金金属属层层形形成成一一个个差差动动电电容容传传感感器器，在在压压力力差差 的的作作用用下下，膜膜片片向向压压力力小小的的方方向向移移动动，引引起起电容电容C的变化。的变化。24四、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凸玻
13、璃圆片凸玻璃圆片凸玻璃圆片凸玻璃圆片弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片(动电极动电极动电极动电极)固定电极固定电极固定电极固定电极P25四、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电电容容式式压压力力传传感感器器的的特特点点是是灵灵敏敏度度高高，适适合合测量微压，频响好，抗干扰能力较强。测量微压，频响好，抗干扰能力较强。26四、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应应变变式式压压力力传传感感器器的的工工作作原原理理是是利利用用应应变变片片将将弹弹性性元元件件在在压压力力作作用用下下产产生生的的应应变变转转换换成成电量的变化。电量的变化。2
14、7四、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简简易易平平膜膜应应变变压压力力传传感感器器v膜膜片片1在在压压力力p作作用用下下产产生生变变形形，引引起起粘粘贴贴在在膜膜片片1上上应应变变片片2电电阻阻值值的的变变化化，变变化化的的电电阻阻值值通通过过后后接接的的应应变变仪仪变变换换成成电量的变化。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应应变变式式压压力力传传感感器器体体积积小小，重重量量轻轻，精精度度高高，测测量量范范围围宽宽，从从几几帕帕到到500MPa，频频响响高高，同同时时耐耐压压，抗抗振振，因因而而在在实实
15、际际中中得得到到广广泛泛应应用。用。29四、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压压阻阻式式压压力力传传感感器器是是利利用用压压阻阻效效应应将将压压力力变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。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固固体体受受到到作作用用力力后后，电电阻阻率率就就要要发发生生变变化化，这种效应称为这种效应称为压阻效应压阻效应。v半半导导体体材材料料的的这这种种效效应应特特别别强强。利利用用半半导导体体材材料料做做成成的的压压阻阻式式传传感感器器有有两两种种类类型型：一一种种是是利利用用半半导导
16、体体材材料料的的体体电电阻阻做做成成的的粘粘贴贴式式应应变变片片；另另一一类类是是在在半半导导体体材材料料的的基基片片上上用用集集成成电电路路工工艺艺制制成成扩扩散散电电阻阻，称称扩扩散散型型压压阻阻传传感器感器。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压压阻阻式式传传感感器器的的灵灵敏敏系系数数大大，分分辨辨率率高高。频频率率响响应应高高，体体积积小小。它它主主要要用用于于测测量量压压力力、加速度和载荷参数。加速度和载荷参数。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固态压阻式传感器固态压阻式传感器:v用用于于测测量量喷喷气气
17、发发动动机工作压力机工作压力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压压力力通通过过压压力力进进口口1中中的的工工作作介介质质传传递递到到硅硅心心片片3内内侧侧，由由于于压压阻阻效效应应，硅硅心心片片3的的阻阻值值发发生生变变化化，再再经经后后接接应应变变仪仪变变换换成成与与压压力力p成比例的电量。成比例的电量。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压压阻阻式式压压力力传传感感器器的的特特点点是是频频响响宽宽，动动态态响响应应快快，测测量量范范围围从从几几Pa到到3109Pa，特特别别适适用于爆炸、冲击压力的测量。用于爆炸、
18、冲击压力的测量。35四、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此此种种传传感感器器是是将将压压力力变变化化转转换换成成电电感感变变化化，通通过过测测量量电电路路再再将将电电感感变变化化转转换换成成电电量量实实现现压力测量。压力测量。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膜片电感压力传感器膜片电感压力传感器 v其其工工作作原原理理和和膜膜片片电电容容压压力力传传感感器器相相似似，所所不不同同的的是是压压力力使使膜膜片片1与与铁铁心心2之之间间距距离离的的变变化化，改改变变了了线线圈圈3的电感。的电感。37四、电量式压力计四、电量式压
19、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中中间间膜膜片片1在在压压差差 p 的的作作用用下下产产生生位位移移，通通过过连连杆杆2带带动动差差动动变变压压器器4中中的的铁铁心心3移移动动，从从而而将将压压力力差差 p转转换换成成变变压压器器的电压输出。的电压输出。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变气隙式结构变气隙式结构F F39四、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40四、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
20、；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 67 741四、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变气隙式差动压力传感器变气隙式差动压力传感器变气隙式差动压力传感器变气隙式差动压力传感器42四、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电电感感式式压压力力传传感感器器类类型型较较多多，其其特特点点是是频频响响低，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。43四、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
21、传感器v涡涡流流式式压压力力传传感感器器属属于于电电感感式式压压力力传传感感器器中中的的一一种种，它它利利用用涡涡流流效效应应将将压压力力变变换换成成线线圈圈阻抗阻抗的变化，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。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压压力力p通通过过测测量量孔孔1作作用用在在膜膜片片2上上，改改变变它它与与线线圈圈之之间间的的距距离离d，从从而而引引起起线线圈圈3阻阻抗抗的的变变化化，变变化化的的阻阻抗抗再再通通过过后后接接测测量量电电路路转转换换成成电电量量，实实现现对对压力的测试。压力的测试。45四、电量式压力计四、电
22、量式压力计5.涡流式压力传感器涡流式压力传感器v涡涡流流式式压压力力传传感感器器有有良良好好的的动动态态特特性性，适适合合在在爆爆炸炸等等极极其其恶恶劣劣的的条条件件下下工工作作，如如测测量量冲冲击波。击波。46四、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当当霍霍尔尔元元件件通通过过恒恒定定电电流流时时，产产生生与与被被测测压压力力成成正正比比的的霍霍尔尔电电动动势势，完完成成压压力力至至电电量量的的变换。变换。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从从 a端端通通人人电电流流I，根根据据霍霍尔尔效效应应，左左半半部部产产生生霍霍尔
23、尔电电势势VH1，右右半半部部产产生生霍霍尔尔电电势势VH2，其其方方向向相相反反。因因此此，c、d两两端端电势为电势为VH1-VH2。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如如果果霍霍尔尔元元件件在在初初始始位位置置时时VH1=VH2，则则输输出出为为零零；当当改改变变磁磁极极系系统统与与霍霍尔尔元元件件的的相相对对位位置置时时，即即可可得得到到输输出出电电压压，其大小正比于位移量。其大小正比于位移量。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由由于于波波登登管管的的频频响响较较低低，适适用用于于静静态态或或变变化缓慢压力的
24、测量。化缓慢压力的测量。50四、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压压电电式式压压力力传传感感器器的的工工作作原原理理是是压压力力通通过过膜膜片片或或活活塞塞，压压块块作作用用在在晶晶片片上上，晶晶片片上上产产生生了了电电荷荷，经经后后接接放放大大器器的的变变换换，由由显显示示或或记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。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膜片压力传感器：膜片压力传感器：测量低压测量低压 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测量高活塞压力传感器测量高活塞压力传感器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由由于于压压电电式式压压力力传传感感器器具具有有频频响响宽宽、可可测测压压力力范范围围大大、体体积积小小、重重量量轻轻、安安装装方方便便、可可测测多多向向压压力力等等特特点点，因因而而在在实实际际压压力力测测试试中中得到广泛应用。得到广泛应用。v压压电电式式压压力力传传感感器器适适于于测测动动态态力力和和冲冲击击力力，但但不适于测静态力不适于测静态力。54