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1、气动仪表基本元部件（续）气动仪表基本元部件（续）恒气阻的结构一般有三种形式，如下图所示。可调气阻：即流通截面积可以调整、气体通过时压力降可以改变的节流元件。在气路中可调气阻用下列符号表示。在气动单元组合仪表中是个关键元件。通过它可以整定微分时间、积分时间、比例度和配比值。第1页/共59页可调气阻的结构形式很多，常见的结构形式如图所示 气动仪表基本元部件（续）气动仪表基本元部件（续）第2页/共59页 气阻对空气流动的阻碍程度，一般用气阻R R来定量的表示。气阻值的大小等于每增加单位质量流量的气体所需要增加的压力差，即：式中：P P 气阻前后的压降；M M 流过气阻的质量流量；R R 气阻值。气动
2、仪表基本元部件（续）气动仪表基本元部件（续）第3页/共59页2气容 凡是气体流过时，能储存或放出气体的气室称为气容。气容在气动仪表中起缓冲、防止振荡的作用。气容在数值上定义：使气室内压力增加或减少单位数值，所需要增加（或减少）的空气量。可表示为 在气动仪表中很少单独使用气容，往往与气阻组成阻容藕荷组件 气动仪表基本元部件（续）气动仪表基本元部件（续）第4页/共59页3 3、节流通室 由一个变气阻、一个气容和一个恒气阻串联而成的组件叫节流通室。如图所示。在稳定的状态下，单位时间内流过气阻R R1 1的流量MM1 1，应等于单位时间流过气阻R R2 2的流量MM2 2。由于 所以 节流通室示意图气
3、动仪表基本元部件（续）气动仪表基本元部件（续）第5页/共59页当P P3 3通大气，即P P3 3（表压）=0=0 上式整理可得式中 可见，当可调气阻R R1 1一定时，即K K为定值时，P P2 2随P P1 1成比例变化。改变R R1 1的阻值，就可以改变P P1 1与P P2 2的比例关系。气动仪表基本元部件（续）气动仪表基本元部件（续）第6页/共59页4喷嘴挡板机构 喷嘴挡板机构是气动仪表中的气动控制元件，也是最基本的元件之一，一般用下面符号表示。喷嘴挡板机构是由恒气阻、气容和喷嘴挡板构成的变气阻串联而成的节流通室，其机结构如右图所示 喷嘴后的气容称为喷嘴背压室，室内压力称为喷嘴背压P
4、 P背，此压力即为喷嘴挡板机构的输出压力。压缩空气（约0.14MPa0.14MPa）作为气源，经恒气阻进入背压室后，再由喷嘴挡板间隙排出（一般排入大气）。气动仪表基本元部件（续）气动仪表基本元部件（续）第7页/共59页气动仪表基本元部件（续）气动仪表基本元部件（续）气流经过恒气阻时，由于恒节流孔孔径很小（一般为0.150.150.3mm0.3mm），它将对压缩空气的流动造成很大的阻力，只是很少流量的气流通过恒节流孔进入背压室。而背压室中的压力是随喷嘴挡板间的相对位移而变化的。当挡板靠近喷嘴时，气阻增大，背压室内的气体不易排出，则P P背上升；反之，挡板离开喷嘴时，气阻减小，由于喷嘴内径（一般为
5、0.80.81.2mm1.2mm）比恒节流孔径大，所以压缩空气很自由地跑到大气中，则P P背下降。因此喷嘴挡板间的距离h h不同，就有不同的P P背，从而完成了挡板的微小位移转换成气压信号的任务。第8页/共59页 喷嘴挡板间的距离h h与背压室内的压力P P背间的关系一般由实验求得。特性曲线如图所示。从特性曲线可以看出，曲线不够陡，也不直，即喷嘴挡板机构的灵敏度与线性均不好。常常只用中间a ab b段。在此段，挡板位移h h与P P背的变化比较符合线性规律，并且斜率也较陡。在此段内各点均有较稳定的放大倍数，机构工作既灵敏又稳定.与曲线a a至b b这一段相应的位移h hb bh ha a，一般
6、只有百分只几毫米。压力变化范围P Pa aP Pb b只有0.008MPa0.008MPa，但经放大器放大1010倍后，输出压力在0.020.020.1MPa0.1MPa范围内变化。气动仪表基本元部件（续）气动仪表基本元部件（续）第9页/共59页5 5功率放大器 利用喷嘴挡板机构，可以将挡板微小的位移量转换成相当大的喷嘴背压P P背，而且在一定的工作范围内，两者近似成线性关系。在输出气压之前，要先把背压进行功率放大（压力和流量都放大），使它变为标准统一信号并有足够的功率将信号远传。因此，功率放大器是气动仪表的主要部件之一，功率放大器一般用符号表示。气动仪表基本元部件（续）气动仪表基本元部件（续
7、）第10页/共59页耗气型功率放大器原理图1一阀杆；2一膜片：3一弹簧片：4一球阀耗气型功率放大器：主要由金属膜片2、阀杆1、弹簧片3和球阀4组成。阀杆的上下端各构成一个变气阻。一个是圆球圆柱形，一个是圆锥圆柱型组成的节流通室。功率放大器的输入是喷嘴背压室的压力。而通室B中的压力就是功率放大器输出的压力。气动仪表基本元部件（续）气动仪表基本元部件（续）第11页/共59页 通室压力的变化取决于两个变节流阀的开度比。当挡板靠近喷嘴时，背压增大，作用于金属膜片2 2上的压力就增大。因此，通过金属膜片2 2对阀杆产生的推力就增大，阀杆向下位移。使球阀开大，锥阀关小，改变了两个变节流阀之间的开度比，即决
8、定了放大器的输出。因为锥阀的变小，C C气室的排气量减少。球阀的打开使气源由A A室大量进入B B室，由于排气量减少，进气量增加，所以B B气室的输出气压增加。反之，如背压减少，阀杆上移，关小进气球阀开大排气锥阀，故B B室的输出气压降低。气源A A室与输出B B室之间仅有一个球阀控制，只要球阀一微小的位移，就可保证有足够的气量从A A室进入B B室，输出由B B室引出。这个气流输出量大大地超过了进入D D室的气流量，实现了气流量的放大，同时把背压也放大了约6 61010倍。气动仪表基本元部件（续）气动仪表基本元部件（续）第12页/共59页（二）气动压力变送器 压力变送器的作用是，连续测量生产
9、过程中各种液体、蒸汽和气体压力，并把这一压力成比例地转换成统一的气压信号（0.020.020.1MPa0.1MPa），送至有关的气动单元仪表，以实现压力的显示和调节。压力变送器可分为测量表压的普通压力变送器和测量绝对压力的绝对压力变送器。1 1基本原理：气动压力变送器，是根据力矩平衡原理工作的。它是由测量部分和气动转换部分组成。前者接受被测压力，并将其转换成力；后者将此力再转换成0.020.020.1MPa0.1MPa的气压信号。压力变送器测量部分的测压敏感元件根据所产生测量力的范围而定。常用的有下列几种：气动仪表基本元部件（续）气动仪表基本元部件（续）第13页/共59页（1 1）波纹管式 波
10、纹管式用来测量低压力（0 02.5MPa2.5MPa）的敏感元件一般采用黄铜或不锈钢制成的波纹管，其结构原理如图所示。当被测压力通入测量室时，波纹管产生一轴向推力，经测量波纹管转换成测量力，通过推杠作用在主杠杆上，传递到气动转换部分。波纹管式 1-测量波纹管；2测量室 3推杆；4螺帽；5主杠杆 6出轴膜片 气动压力变送器（续）气动压力变送器（续）第14页/共59页（2 2）弹簧管式 测量中、高压（2.52.510MPa10MPa、101060MPa60MPa）的敏感元件一般采用铬钒钢制成的弹簧管，其测量部分的结构原理如图所示。当被测压力P P进入弹簧管内时，弹簧管末端便产生一径向力，这个力经过
11、拉杆传递到气动转换部分的主杠杆上。弹簧管式1弹簧管；2推杆；3主杠杆 4-出轴膜片；5支架；6-螺帽 7壳体 气动压力变送器（续）气动压力变送器（续）第15页/共59页（3 3）双波纹管真空补偿式 双波纹管真空补偿式，用来测量绝对压力，测量部分结构原理如图所示。它是由安装在同一轴线上有效面积相同的两个不锈钢波纹管组成，波纹管1 1为测量波纹管，波纹管2 2为补偿波纹管，预先抽成真空，然后密封。其工作原理如下。双波纹管式 1测量波纹管；2补偿波纹管 3推杆；4主杠杆气动压力变送器（续）气动压力变送器（续）第16页/共59页 由于两个波纹管的有效面积相同，即A A1 1=A A2 2，当被测的绝对
12、压力P P1 1进入测量波纹管1 1时，在被测压力P P1 1与大气压力P P2 2的差压作用下，测量波纹管底部产生一个推力F F1 1，其值为：F F1 1P P 1 1 A A 1 1P P 2 2 A A 2 2 由于补偿波纹管内部已抽成真空，所以它仅仅受到周围大气压力P P2 2的作用，在它的底部所产生的轴向压缩力:F F 2 2=P=P2 2A A2 2 因此，作用在主杠杆4 4上的合力（即测量力）为：F FF.F.1 1F.F.2 2P P1 1A A1 1P P 2 2 A A 2 2P P 2 2 A A 2 2P P 1 1 A A 1 1 从上式可以看出，测量力F F与被测
13、绝对压力P P1 1成正比，而与大气压力无关，故测得的压力为绝对压力。补偿了由于大气压力变化而引起的测量误差。气动压力变送器（续）气动压力变送器（续）第17页/共59页气动压力变送器（续）气动压力变送器（续）2单杠杆压力变送器单杠杆压力变送器是根据力矩平衡原理工作的。被测压力P通过弹性元件转换为测量力F1，作用在主杠杆的下端，对支点（即密封膜片）产生一个顺时针方向的力矩M1，使主杠杆作顺时针方向偏转。主杠杆上端的挡板靠近喷嘴，引起喷嘴背压增加，此压力经过功率放大器放大后作为P出输出。变送器输出也进入反馈波纹管内，并产生一个反馈力F2，由于反馈力的作用使主杠杆对支点产生一个逆时针方向力矩M2，这
14、样，主杠杆上作用着两个力矩.第18页/共59页单杠杆压力变送器（续）单杠杆压力变送器（续）主杠杆上作用着两个力矩，即由测量部分产生的顺时针方向力矩MM1 1和由反馈波纹管产生的逆时针方向力矩MM2 2，这两个力矩决定着主杠杆的运动状况。当两者相等时，主杠杆就处于平衡状态，喷嘴挡板间的距离就不再改变。这时，就有一个与压力P P相对应的气压信号P P出输出。第19页/共59页 根据力矩平衡原理推导出P P出与P P的关系。假定反馈波纹管的有效面积为A A2 2，波纹管内的压力为P P出，则有反馈力F F2 2为：F F2 2P P出A A2 2 (1)(1)同理测量力F F1 1可以写成 F F1
15、 1P PA A1 1 (2)(2)式中 P P被测压力 A A1 1-决定于弹性元件特性的一个系数。假定测量力F F1 1离支点的距离为l l1 1，反馈力F F2 2离支点的距离l l2 2，则作用在主杠杆上的两个力矩分别为 MM1 1F F1 1 l l1 1=P=PA A1 1 l l1 1 (3)(3)M M2 2F F2 2 l l2 2=P=P出A A2 2l l2 2 (4)(4)单杠杆压力变送器（续）单杠杆压力变送器（续）第20页/共59页 当MM1 1MM2 2时，则有 PAPA1 1l l1 1P P出A A2 2l l2 2 （5 5）(6)(6)由此可见，根据上述力矩
16、平衡关系，A A1 1、A A2 2近似常数，l l1 1是恒定不变的，而l l2 2调整到某一固定值，主杠杆平衡时，变送器输出信号P P出与输入压力P P之间具有固定的一一对应的比例关系。若令 (7)(7)则（6 6）式可写成 P P出K K1 1P (8)P (8)式中K K1 1称为单杠杆压力变送器的放大系数，改变K K1 1就可改变变送器的测量范围。单杠杆压力变送器（续）单杠杆压力变送器（续）第21页/共59页 当变送器结构确定后，A A1 1、A A2 2、l l1 1都是固定的，要改变K K1 1唯一可变的是l l2 2。l l2 2可以通过移动量程支点（即反馈波纹管的支点）来改变
17、。当l l2 2变大（负反馈力矩变大）时，则K K1 1变小，在输出范围（0.020.020.1MPa0.1MPa）相同时，量程就可以变大；反之，l l2 2减小，K K1 1值就增加，量程就变小。当量程支点移到主杠杆的最上端时，l l2 2增至最大，K K1 1最小，变送器达到它的最大量程。要使这种变送器的最大和最小量程之比越大，主杠杆就应越长。主杠杆过长，一方面影响变送器的精度；另一方面使仪表体积变大。所以，单杠杆压力变送器的最大和最小量程之比不能太大（一般为6.256.25），这是它的缺点。为了提高量程的可变范围，可以采用双杠杆压力变送器。单杠杆压力变送器（续）单杠杆压力变送器（续）第2
18、2页/共59页（三）力平衡式电动差压变送器力平衡式电动变送器是DDZ-DDZ-型表，采用了4 420mA 20mA DCDC的信号制，可使电源及信号传递共有二根线，构成二线制变送器，同时24V24V电源供电提高了安全性。变送器量程调整方便，可采用更换动圈抽头和改变矢量角的办法调整量程，比改变杠杆活动支点的方法方便得多。变送器采用了较先进的固定支点的矢量机构，提高了仪表的可靠性和稳定性。压力、差压变送器（续）第23页/共59页 1 1工作原理差压变送器的结构如下图所示。差压变送器由两部分组成，下半部分为测量部分，上半部分为转换部分。前者包括测量室、测量元件（膜盒）、主杠杆，后者包括主杠杆、矢量机
19、构、副杠杆、反馈机构、差动变压器及放大器等。差压变送器是根据力平衡原理工作的，这种结构是一个具有深度负反馈的有差系统。力平衡式电动差压变送器（续）第24页/共59页差压变送器结构示意图当被测的差压P分别作用在膜盒的两侧时，在膜盒的连接片处产生一集中力F，此力通过支点为H的主杠杆，转换为作用于矢量机构的力F1。力平衡式电动差压变送器（续）第25页/共59页 矢量机构主要由矢量横杆和型支撑板组成。矢量机构把主杠杆的水平方向的力F F1 1分解为垂直方向的力F F1 1和矢量角方向的力F F3 3两个分力。由于矢量板的端部是固定在基座上的，因此分力F F3 3被固定点上的反作用力所平衡，对副杠杆不起
20、作用。而分力F F2 2则作用在副杠杆上，其值等于F F1 1tgtg，在主杠杆对矢量机构的作用力F F1 1不变的情况下，可通过调整矢量角来改变矢量机构的输出力F F2 2。矢量机构如图所示。力平衡式电动差压变送器（续）第26页/共59页 副杠杆以十字簧片MM为支点，将F F2 2传递到反馈动圈1212处，形成作用力F F4 4。F F4 4与反馈动圈在磁场中所受到的反馈力F Ff f相比较，其差值FF使副杠杆绕十字簧片MM偏转，从而使检测片8 8与差动变压器9 9之间的距离改变SS。这造成了差动变压器的输出变化uu，uu经放大器放大，并转换成4 420mA DC20mA DC统一信号I I
21、scsc作为输出。I Iscsc流经置于永久磁钢内的反馈动圈，产生反馈力F Ff f，此力使杠杆趋于回复到原来的位置，当F Ff f等于F F4 4时，测量杠杆系统重新处于平衡状态，此时输出电流I Iscsc与被测差压成正比。力平衡式电动力平衡式电动差压变送器（续）差压变送器（续）第27页/共59页根据上述工作原理画出的变送器方框图如下图所示。Su副杠杆杠杆系统差 动变压器位移检测放大器反馈动圈P420mAFfIscF4下面分别介绍其它组成部分的作用。力平衡式电动差压变送器（续）第28页/共59页 2弹性元件 力平衡式变送器中的弹性元件是用来将被测压力或差压信号转换为集中力。根据被测压力或差压
22、的不同范围可采用弹簧管、波纹管和金属膜盒等。当弹性元件的位移很小时，弹性元件的有效面积可以认为是常数K K1 1。这时弹性元件对主杠杆下端的作用力F F为 F FK K1 1P P K K1-1-弹性元件有关的系数 力平衡式电动差压变送器（续）第29页/共59页 3 3测量杠杆系统和矢量机构 测量杠杆系统用于力的传递和比较，其上各作用力之间的关系根据力平衡原理可为：F F1 1K K2 2F F 式中 K K2 2-系数，决定于F F和F F1 1到支点H H的距离之比。矢量机构上的各个力之间的关系为：F F2 2F F1 1tg tg F F4 4K K3 3F F2 2式中 -矢量板上的矢
23、量角；K K3 3-系数，它决定于副杠杆上的作用力F F2 2和F F4 4到支点MM的距离之比。力平衡式电动差压变送器（续）第30页/共59页 3 3测量杠杆系统和矢量机构 反馈力F Ff f与变送器的输出电流I Iscsc成正比，还与反馈机构的结构参数（如反馈动圈匝数）有关，即 F Ff fdBW dBW I Iscsc=K K4 4W W I IscscK Kf f I Iscsc式中 K Kf f反馈机构的结构常数，K Kf fK K4 4WW；B B永 久 磁 钢 的 磁 感 应 强 度，约 3500350040004000高斯；WW反馈动圈匝数，可通过改变反馈动圈中间抽头的连接方式
24、加以改变；d d反馈动圈的平均直径。力平衡式电动差压变送器（续）第31页/共59页综合以上各式，且F Ff ff f4 4，可导出下式：式中 K K变送器结构常数，K KK K1 1K K2 2K K3 3K K4 4。从上式可以看出，变送器在力平衡条件下，对应于一定的矢量角和反馈动圈匝数WW，这时变送器输出电流I Iscsc与被测差压PP成线性关系。若改变矢量角和反馈动圈匝数WW则可改变仪表的量程。因为矢量角的变化对零点影响很小，因此调整量程非常方便。力平衡式电动差压变送器（续）第32页/共59页 4 4位移检测放大器 位移检测放大器由差动变压器和低频放大器两部分组成。它的作用是实现位移电流
25、的转换，是将差压变送器所测的差压信号PP，经副杠杆转换成检测片的微小位移S S（0 03030微米），此位移由差动变压器、振荡器、放大器再转换成变送器的整机输出电流I Iscsc4 420 mADC20 mADC。力平衡式电动差压变送器（续）第33页/共59页（四）电容式差压变送器 1.1.电容式压力、差压变送器特点：电容式压力、差压变送器的敏感元件为差动式电容。将差压的变化转换为电容量的变化。这个变化经变送部分运算放大后，变送器输出与被测差压成线性的直流信号4 420mA20mA。电容式差压变送器与其它差压变送器相比有下列优点：膜盒一侧承受单向过载压力时，具有单向过载保护。在变送器中因没有杠
26、杆系统，所以静压误差的问题比较容易解决，比较耐振耐冲击，使其可靠性、稳定性高。整个差压变送器的精度较高，允许误差不超过量程的0.25%0.25%；是二线制变送器，供电电压为24VDC24VDC，所以电容式差压、压力变送器被广泛用于生产过程中。电容式压力、差压变送器（续）第34页/共59页隔离膜片活动电极测量电路运算放大电路输入差压 位移 静电容量变化 电压 输出 电流 检测部分 传送部分 2.工作原理 电容式差压变送器的原理方框图如下图所示。它是由检测部分和传送部分组成，检测部分是将被测的差压经活动电极转换为静电容量的变化。传送部分是将静电容的变化量经测量电路转换为电压，再经将电压转换成电流的
27、运算放大器，输出与被测差压成线性的直流电流信号。电容式压力、差压变送器（续）第35页/共59页检测部分组成压力、差压变送器（续）第36页/共59页 将左右对称的不锈钢基座2 2和3 3的外侧加工成环状波纹沟槽，并焊上波纹隔离膜片1 1和4 4，基座内侧有玻璃层5 5。玻璃层内表面磨成凹球面，球面除边缘部分外镀以金属膜6 6，此金属膜层有导线通往外部，为电容的左右定极板。左右对称的上述结构中央夹入并焊接弹性平膜片，即测量膜片7 7，为电容的中央动极板电容式压力、差压变送器（续）电容式差压变送器检测部分第37页/共59页 测量膜片左右空间被分隔成两个室，中间充满硅油，当左右隔离膜片分别承受高压P
28、Ph h和低压P PL L时，硅油的不可压缩性和流动性便能将差压PPP Ph h-P-PL L传递到测量膜片的左右面上。测量膜片在焊接前加有预张力，所以当差压PP0 0时十分平整，使得定极板左右两电容的容量完全相等，即C Ch h=C=CL L，电容量的差值为零。在有差压作用时，测量膜片发生变形，可左右移动0.10.1毫米的距离，也就是动极板向低压侧定极板靠近，同时远离高压侧定极板，从而使得电容C CL LCCH H，容量不再相等，这一静电容量变化经引出线送往传送部分放大，转换为4 420mA DC20mA DC信号输出。这就是差动电容形式的压力或差压传感器。电容式压力、差压变送器（续）第38
29、页/共59页检测部分的静态特性。假设测量膜片在差压PP的作用下移动距离为dd，由于位移量很小，可近似认为PP与dd成比例变化，即：电容式压力、差压变送器（续）dK1P式中：K1为比例系数。可动电极（测量膜片）与左、右固定极板间距离由原来的d0变为d0d和d0d，根据平行板电容公式，两个电容可分别写成：式中：K1、K2是由电容器极板面积和介电常数决定的系数。第39页/共59页解上两式可得出差压PP与差动电容C C1 1、C C2 2的关系如下：式中：K K3 3是一个常数。由上式可知，电容（C2C2C1C1）与（C2C2C1C1）的比值与PP是成正比关系,且于介电常数无关。传递部分的任务是将（C
30、 C2 2C C1 1）与（C C2 2C C1 1）的比值转换为电压或电流。电容式压力、差压变送器（续）第40页/共59页电容式压力、差压变送器（续）第41页/共59页（五）1151 1151 先进型压力变送器 11511151智能化压力变送器是美国FISHER-ROSEMOUNT FISHER-ROSEMOUNT 公司生产的智能化压力变送器，在它原变送器（如电容式）的基础上增加微处理器而形成的，结构如图(a)(a)所示。1 1硬件说明 智能化压力变送器与普通11511151变送器的外型几乎相同，只是内部增加了智能化电子线路。各功能部分的组成见图(b)(b)所示。其敏感元件与11511151
31、变送器完全一样，在后续电路中增加了模数转换、微处理器及数模转换电路。工作期间，隔离膜片探测并传送过程压力到填充油，然后该液体传送过程压力至室的中心传感膜片上，差压的不同使传感膜片产生偏移。其最大偏移量为0.10mm0.10mm，并正比于过程压力。传感膜片两侧的电容极板检测膜片的位置，通过变送器的电子部分把传感膜片与电容极板之间电容差值转换成一个二线制4 420mA20mA直流信号和一个HARTHART数字信号。压力、差压变送器（续）第42页/共59页图(a)智能化变送器部件分解示意图 1151 先进型压力变送器（续）第43页/共59页图（图（b)b)智能压力变送器方框图智能压力变送器方框图11
32、51 先进型压力变送器（续）第44页/共59页 一、应变式压力传感器 物体受压后会产生内应力和产生弹性变形，在弹性限度之内，内应力与变形率（即应变）成正比，因而可以通过测量物体应变来求得物体所受的压力。应变片式压力变送器就是通过测量胶粘在弹性元件上、或与弹性元件制成一体的应变电阻值的大小来测量受压弹性元件的应变，从而测得弹性元件所受的压力。第六节 其它压力检测仪表第45页/共59页（六）应变片式压力变送器 1 1、应变原理 对于一根圆截面的金属电阻丝，当受到轴向拉伸作用时，金属丝会沿轴向伸长L L，沿径向缩短 D D，使金属丝的电阻率发生变化，从而导致电阻值改变，将电阻丝用粘合剂固定在绝缘的基
33、片上便构成了应变片 作为感压元件的应变片是由金属导体或半导体材料制成的电阻体，他的电阻值R R随压力P P所产生的应变而变化。半导体应变片比金属导体应变片灵敏度高，但其受温度影响比金属要大。应变灵敏系数K K：导线每单位应变引起的阻值相对变化量。做为测应变的敏感元件，当然希望K K越大越好，通常金属丝式应变片的K=1.7-3.6K=1.7-3.6。第46页/共59页应变片式压力变送器（续）应变片式压力变送器（续）金属箔式应变片结构：常用直径0.015-0.015-0.05mm0.05mm的康铜密密的排成栅状，粘贴在纸或胶质基底上，叫应变片第47页/共59页 2 2、应变式压力传感器 压力传感器
34、如图所示。应变筒1 1的上端与外壳2 2固定在一起，它的下端与不锈钢密封膜片紧密接触。两片应变片r r1 1和r r2 2用特殊胶粘剂紧贴在应变筒的外壁。r r1 1沿应变筒的轴向贴放，作为测量片；r r2 2沿径向贴放，作为温度补偿片。应变片式压力变送器（续）应变片式压力变送器（续）压力传感器示意图 1-应变筒；2-外壳；3-密封膜片 第48页/共59页应变片与筒体之间不应有相对滑动现象，并保持电气绝缘。应变片式压力变送器（续）应变片式压力变送器（续）当被测压力P作用于不锈钢膜片而使应变筒作轴向受压变形时，沿轴向贴放的应变片r1也将产生轴向压缩应变，应变量为1，于是r1的阻值变小；而沿径向贴
35、放的应变片r2由于本身受到横向压缩将引起纵向拉伸应变，应变量为2，于是r2的阻值变大。1-应变筒；2-外壳；3-密封膜片第49页/共59页测量桥路 r r1 1和r r2 2与另外两个定电阻r r3 3与r r4 4组成桥式电路如图所示。当被测压力为零时，r r1 1r r2 2，r r3 3r r4 4，电桥处于平衡状态，桥路输出电压0 0。当被测压力作用于不锈钢密封膜片时，r r1 1将减小，r r2 2将增大，电桥失去平衡，从而获得不平衡电压VV作为压力传感器的输出信号，这不平衡电压，通过显示仪、记录仪显示被测压力值。应变片式压力变送器（续）应变片式压力变送器（续）第50页/共59页 应
36、变片压力传感器的测压范围同弹簧管压力表有：01.0，01.5，直到025MPa，传感器的故有频率在25KHz以上。因此，具有较好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。应变片式压力变送器（续）应变片式压力变送器（续）第51页/共59页二、扩散硅式压力变送器（半导体应变片）压阻效应：固体受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。作为测应变的敏感元件，当然希望应变灵敏系数越大越好，由于半导体电阻材料的压阻效应很强（金属丝应变片的灵敏系数在2 2左右，而采用P111P111的硅半导体材料上用扩散方法生成电阻，K K要增大几十倍。），制成的压阻传感器具有灵敏度和分辨率高优点。在单晶硅膜片
37、上扩散生成的长条形半导体电阻，当膜片上下两测出现压差时，膜片内部产生应力，使扩散电阻的阻值产生变化，且与压力成比例。压力、差压变送器（续）第52页/共59页 将P P型杂质扩散到NN型硅片上，形成极薄的导电P P型层，焊上引线即成应变片，叫扩散硅应变片，因为这种硅片边缘有一个厚的环形，中间部分薄，略具杯形，所以叫硅杯。采用集成电路技术在硅片选定位置上扩散成四个等值电阻，组成电桥电路，杯的内侧承受被测压力P P，杯外为大气压力。图c 测量部件结构 扩散硅式压力变送器（续）扩散硅式压力变送器（续）第53页/共59页硅杯膜片上的四个扩散电阻，其中R2和R3在0.635r0 以内，承受拉应力；R1和R
38、4在0.635r0以外，承受压应力。硅杯膜片上的电阻布置扩散硅式压力变送器（续）扩散硅式压力变送器（续）四个电阻排成直线，位置选择合适可满足下列关系：第54页/共59页1、2-导压口；3-硅油；4-隔离膜片；5-硅杯；6-支座；7-玻璃密封；8-引线 扩散硅式压力变送器结构扩散硅式压力变送器（续）扩散硅式压力变送器（续）硅杯两面浸在硅油中，硅油和被测介质之间用金属隔离膜片4分开。硅杯上各电阻通过金属丝连到印刷电路板上，再穿过玻璃密封7部分引出。当被测压力通过导压口输入到正、负测量室内，作用于隔离膜片上时，膜片将驱使硅油移动，并把压力传给硅杯压阻传感器，于是传感器上的不平衡电桥就有电压信号输出至
39、放大器。第55页/共59页 当不受压力作用时，四个电阻相等，电路处于平衡状态；当硅杯受压时，压阻效应使扩散电阻阻值发生变化，从而使由这些电阻组成的电桥产生不平衡电压。变送器包括测量部件和放大线路两部分。测量部件的作用是将压力转换成硅杯压阻传感器的形变，使传感器上的电桥产生不平衡电压经过放大线路输出电压、经过晶体管T T转换成电流3-19mA,3-19mA,此电流流过负反馈电阻，变送器的总电流就是4-20mA4-20mA输出。扩散硅式压力变送器（续）扩散硅式压力变送器（续）第56页/共59页 扩散硅式压力变送器，是以压力形变作为测量基础的。它以硅杯压阻传感器作为敏感元件，具有体积小，重量轻，结构
40、简单，精度和稳定性都很高等优点。由于采用集成电路技术，直接在单晶硅片上用扩散、搀杂等工艺制造扩散电阻，比采用粘贴式应变电阻，有如下优点：（1 1）单晶硅片既是制成扩散电阻的基片，又是承受被测压力的弹性元件。两者结合，特性比较一致。（2 2）只要沿硅片晶轴相同方向上布置电阻，在压力作用下，即可得到两电阻增加，两电阻减少的效果。（3 3）同一硅片上的各个电阻，以及同一批产品之间，阻值和温度系数比较接近，便于大量生产。（4 4）这种工艺便于制造尺寸小的敏感元件。扩散硅式压力变送器（续）扩散硅式压力变送器（续）第57页/共59页扩散硅式压力变送器（续）扩散硅式压力变送器（续）量程为75KPa的扩散硅式压力变送器第58页/共59页感谢您的观看！第59页/共59页