《自动检测技术》课程授课教案（过程检测与仪表）第3章 压力测量

第 3章压力测量s3.1压力的测量3.1.1压力的基本概念压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一，正确地测量和控制压力是保证工业生产讨程良好地运行，达到高产优质低耗及安全生产的重要环节。1.压力的定义压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常称的压强。工程上，习惯把压强称为压力。由此定义，压力可表示为p=F/S(3-1)式中p一压力F一垂直作用力：S一受力面积。2.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。(1)绝对压力被测介质作用于物体表面上的全部压力称为绝对压力，用符号P：表示。(2)大气压力由地球表面空气质量所形成的压力，称为大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而变化，用符号P。表示。(3)表压力绝对压力与当地大气压之差称为表压力，用符号P，表示。通常压力测量仪表总是处于大气之中，其测得的压力值均是表压力。(4)真空度(负压)当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值（负压力），其绝对值称为真空度，用符号P，表示，P,=|P1。(5)差压(压差)任意两个压力P、P之差称为差压AP，AP=P-P这几种表示法的关系如图所示。此外，工程上按压力随时间的变化关系还有静态压力（不随时间变化或变化缓慢的压力）和动态压力（随时间作快速变化的压力）之分。表压力差压大气压力真空度（负压）绝对压力绝对压力绝对零压力图3-1各种压力之间的关系压力关系式.绝对压力=大气压力+表压.总压=动压+静压.真空度=大气压力－绝对压力3.压力的计量单位

第 3 章 压力测量 §3.1 压力的测量 3.1.1 压力的基本概念 压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一，正确地测量和控制压力是保证工业生产过程良 好地运行，达到高产优质低耗及安全生产的重要环节。 1. 压力的定义 压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常称的压强。工程上，习惯把压强 称为压力。由此定义，压力可表示为: (3-1) 式中 p—压力；F—垂直作用力；S—受力面积。 2. 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。 (1)绝对压力 被测介质作用于物体表面上的全部压力称为绝对压力，用符号 Pi 表示。 (2)大气压力 由地球表面空气质量所形成的压力，称为大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而 变化，用符号 P0 表示。 (3)表压力 绝对压力与当地大气压之差称为表压力，用符号 Pg 表示。通常压力测量仪表总是处于大气 之中，其测得的压力值均是表压力。 (4)真空度(负压) 当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值(负压力)，其绝对值称为真空度，用符号 Pv 表 示，Pv=|Pg|。 (5)差压(压差) 任意两个压力 P1、P2 之差称为差压ΔP，ΔP=P1-P2。 这几种表示法的关系如图所示。此外，工程上按压力随时间的变化关系还有静态压力(不随 时间变化或变化缓慢的压力)和动态压力(随时间作快速变化的压力)之分。 图 3-1 各种压力之间的关系 压力关系式 ⚫ 绝对压力 = 大气压力 + 表压 ⚫ 总压 = 动压 + 静压 ⚫ 真空度 = 大气压力 – 绝对压力 3. 压力的计量单位

压力是力和面积的导出量。在国际单位制中，取力的单位为牛顿，面积单位为米2，则压力单位为牛顿/米2，用符号N/m2表示：压力单位又称为帕斯卡或简称帕，符号为Pa。1Pa=1N/m2。因帕单位太小，工程上常用kPa（103Pa)和MPa（106Pa)表示。我国已规定帕斯卡为压力的法定单位。由于历史发展的原因、单位制的不同以及使用场合的差异，压力还有多种不同的单位。目前工程技术部门仍在使用的压力单位有工程大气压、物理大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。各种压力单位间的换算关系列于表3-1中。压力单位换算表毫米水工程大帕标准大毫米汞磅力/英R气压柱单位时2Pa(N/m气压柱(bar)(mmH2(kgf/cm2)(stm)(lbf/m2)(mmHg)0)2)帕0.986921.450441.019711.019710.750061Pa(N/m1X10-563662X10-22)X10-1X10-5X10-5X10-41.019711.45044巴0.986921.019710.75006621X105136X103(bar)6X104X10毫米水0.980660.980660.96780.735561.42235柱511X10-4X10-4X 10-1X10-3X10(mmH2X10-40)标准大1.033221.013250.76X11.4696>气压1.0132511.0332X10503X10X104(stm)工程大0.980661.42239气压0.980660.73556S61X1040.967815X103(kgf/cmX105X102)毫米汞1.333221.333221.359511.3161.359511.9344A1.X10-2(mmHgX10X10-3X10-3X102X10-3-磅力/英0.703070.68050.703070.517150.680490.68049时21X104X10-1X103X10-1X10-1X102(lbf/m2)4.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）液柱重力法依据流体静力学原理把被测压力转换成液柱高度的一种测压方法。其是利用液柱对压力的直接平衡进行压力测量的。常用的有U型管、单管压力计，主要用于测量低压、负压或差压。例如液柱式压力计和活塞式压力计。(2）弹性变形法

压力是力和面积的导出量。在国际单位制中，取力的单位为牛顿，面积单位为米 2，则压力 单位为牛顿/米 2，用符号 N/m2 表示；压力单位又称为帕斯卡或简称帕，符号为 Pa。1Pa＝1 N/m2。因帕单位太小，工程上常用 kPa(103Pa)和 MPa(106Pa)表示。我国已规定帕斯卡为压 力的法定单位。 由于历史发展的原因、单位制的不同以及使用场合的差异，压力还有多种不同的单位。目前 工程技术部门仍在使用的压力单位有工程大气压、物理大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。 各种压力单位间的换算关系列于表 3-1 中。 压力单位换算表 4. 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) 液柱重力法 依据流体静力学原理把被测压力转换成液柱高度的一种测压方法。其是利用液柱对 压力的直接平衡进行压力测量的。 常用的有 U 型管、单管压力计，主要用于测量低压、负压或差压。例如液柱式压 力计和活塞式压力计。 (2) 弹性变形法

利用弹性元件受压后产生弹性变形的原理进行测压的。常用的弹性元件有弹簧管、薄膜式弹性元件和波纹管。弹簧管：把截面积为椭圆形的金属管弯成弧形，当内部通入压力后，由于金属管的变形，其自由端会产生位移，利用该位移可以测量出压力的大小。可测量很高的压力?薄膜式弹性元件：有膜片和膜盒二种形式，在施加在薄膜上的压力作用下，膜片或膜盒会产生位移，利用该位移可以测量出压力的大小。测量压力范围较弹簧管低波纹管：是一个周围为波纹状的薄壁金属筒体，在压力作用下易于变形，通常用于微压和低压测量（3）电测法电测法测量压力是通过传感器直接把被测压力转换为电信号，检测元件动态特性好，测量范围宽，耐压高，适用于测量快速变化、脉动和超高压等场合。常用的有电容式、电感式、压电式、压阻式、应变式传感器。3.1.2压力仪表测量压力的仪表按工作原理的不同可分为液柱式压力计、弹性压力表、负荷式压力计、压力传感器（包括变送器）及压力开关。类别子类别工作原理用途U型管压力计低微压测量，高精度者可用作单管压力计压力基准器。常用于静态压力液柱式压力计测量。斜管微压计流体静力学原理补偿微压计自动液柱式压力计弹簧管压力表测量范围宽、精度差别大、品胡定克定律（弹性元膜片压力表件受力变形）种多、是最常见的工业用压力仪表膜盒压力表弹性压力表波纹管压力表单活塞式静力平衡原理（压力活塞式压力计用于静压测量，是精密压力测转换成码重量）量基准器。双活塞式负荷式压力计浮球式压力计钟罩式微压计电阻应变片压应变式应变效应力传感器压阻式压阻效应压电式压力传感器压电效应电感式压力传感器压力引起磁路磁阻变化造成铁心线圈等效电感变化极距变化式压力引起电容变化电容式压力传用于将压力转换成电号实现感受器面积变化式距离监测、控制。介质变化式

利用弹性元件受压后产生弹性变形的原理进行测压的。 常用的弹性元件有弹簧管、薄膜式弹性元件和波纹管。 ⚫ 弹簧管：把截面积为椭圆形的金属管弯成弧形，当内部通入压力后，由于金属管 的变形，其自由端会产生位移，利用该位移可以测量出压力的大小。可测量很高 的压力 ⚫ 薄膜式弹性元件：有膜片和膜盒二种形式，在施加在薄膜上的压力作用下，膜片 或膜盒会产生位移，利用该位移可以测量出压力的大小。测量压力范围较弹簧管 低 ⚫ 波纹管：是一个周围为波纹状的薄壁金属筒体，在压力作用下易于变形，通常用 于微压和低压测量 (3) 电测法 电测法测量压力是通过传感器直接把被测压力转换为电信号，检测元件动态特性 好，测量范围宽，耐压高，适用于测量快速变化、脉动和超高压等场合。 常用的有电容式、电感式、压电式、压阻式、应变式传感器。 3.1.2 压力仪表 测量压力的仪表按工作原理的不同可分为液柱式压力计、弹性压力表、负荷式压力计、压力 传感器（包括变送器）及压力开关。 类别 子类别 工作原理 用途 液柱式压力计 U 型管压力计 流体静力学原理 低微压测量，高精度者可用作 压力基准器。常用于静态压力 测量 。 单管压力计 斜管微压计 补偿微压计 自动液柱式压力计 弹性压力表 弹簧管压力表 胡定克定律（弹性元 件受力变形） 测量范围宽、精度差别大、品 种多、是最常见的工业用压力 仪表 膜片压力表 膜盒压力表 波纹管压力表 负荷式压力计 活塞式压力计 单活塞式 静力平衡原理（压力 转换成砝码重量） 用于静压测量，是精密压力测 双活塞式 量基准器。 浮球式压力计 钟罩式微压计 电阻应变片压 力传感器 应变式 应变效应 用于将压力转换成电号实现 距离监测、控制。 压阻式 压阻效应 压电式压力传感器 压电效应 电感式压力传感器 压力引起磁路磁阻变 化造成铁心线圈等效 电感变化 电容式压力传 感受器 极距变化式 压力引起电容变化 面积变化式 介质变化式

电位器式压力传感受器压力推动电位器滑头位移压力传感器霍尔压力传感受器霍尔较应光纤压力传感器用光纤测量由压力引起的位移变化振弦式谐振式压力传压力改变振体的固有感受器频率振筒式振膜式位移式压力开关压力改变弹性元件位位式报警、控制压力开关移，引起开动作力平衡式压力开关1.压力表按准确度等级分类：压力表按其测量精确度，可分为精密压力表、一般压力表。.精密压力表的测量精确度等级分别为0.1、0.16、0.25、0.4级：.一般压力表的测量精确度等级分别为1.0、1.6、2.5、4.0级。2.压力表按测量范围分类：压力表按其测量范围，分为真空表、压力真空表、微压表、低压表、中压表及高压表。.真空表用于测量小于大气压力的压力值；?压力真空表用于测量小于和大手于大气压力的压力值：微压表用于测量小于60000Pa的压力值；??低压表用于测量0~6MPa压力值；?中压表用于测量10~60MPa压力值；.高压表用于测量100MPa以上压力值。耐震压力表的壳体制成全密封结构，且在壳体内填充阻尼油，由于其阻尼作用可以使用在工作环境振动或介质压力（载荷）脉动的测量场所。带有电接点控制开关的压力表可以实现发讯报警或控制功能。带有远传机构的压力表可以提供工业工程中所需要的电信号（比如电阻信号或标准直流电流信号）。3.普通压力表的准确度等级和允许误差关系准确度等级允许误差%(按量程的百分数计算)零位测量上限的(90~100)%其余部分带止销不带止销11±1±1±1.61.61.6±1.6±2.5±1.62.52.5±2.5±4±2.54±4±4±443.2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，其结构形式如图所示

压力传感器 电位器式压力传感受器 压力推动电位器滑头 位移 霍尔压力传感受器 霍尔较应 光纤压力传感器 用光纤测量由压力引 起的位移变化 谐振式压力传 感受器 振弦式 压力改变振体的固有 振筒式 频率 振膜式 压力开关 位移式压力开关 压力改变弹性元件位 移，引起开动作 位式报警、控制 力平衡式压力开关 1.压力表按准确度等级分类： 压力表按其测量精确度，可分为精密压力表、一般压力表。 ⚫ 精密压力表的测量精确度等级分别为 0.1、0.16、0.25、0.4 级； ⚫ 一般压力表的测量精确度等级分别为 1.0、1.6、2.5、4.0 级。 2.压力表按测量范围分类： 压力表按其测量范围，分为真空表、压力真空表、微压表、低压表、中压表及高压表。 ⚫ 真空表用于测量小于大气压力的压力值； ⚫ 压力真空表用于测量小于和大于大气压力的压力值； ⚫ 微压表用于测量小于 60000 Pa 的压力值； ⚫ 低压表用于测量 0~6MPa 压力值； ⚫ 中压表用于测量 10~60MPa 压力值； ⚫ 高压表用于测量 100MPa 以上压力值。 耐震压力表的壳体制成全密封结构，且在壳体内填充阻尼油，由于其阻尼作用可以使用 在工作环境振动或介质压力（载荷）脉动的测量场所。 带有电接点控制开关的压力表可以实现发讯报警或控制功能。 带有远传机构的压力表可以提供工业工程中所需要的电信号（比如电阻信号或标准直流 电流信号）。 3.普通压力表的准确度等级和允许误差关系 准确度等级 允许误差%(按量程的百分数计算) 零位 测量上限的(90~100)% 其余部分 带止销 不带止销 1 1 ±1 ±1.6 ±1 1.6 1.6 ±1.6 ±2.5 ±1.6 2.5 2.5 ±2.5 ±4 ±2.5 4 4 ±4 ±4 ±4 3.2 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，其结构形式如图所示

1RTV(a)U形管压力计(b)单管压力计(c)倾斜式液柱压力计(I)U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P,A= P,A+ pghA(3-2)式中A一U形管内孔截面积：p一U形管内工作液的密度；g一重力加速度。由上式可求得两压力的差值或在已知一个压力的情况下（例如压力），求出另一压力值：Ap=Pi-Pz=pghP,= P2 +pgh(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)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：ddd2(1+=+hpe=(l)hpgD2(3-4)式中h一两液面的高度差：d一玻璃管直径：D一大容器直径。由于D>>d，故d2/D2可以忽略不计，则式(3-4）可写成：Pi ~ hpg(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)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pl，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：Pi ~ hpg = Lpg sin α(3-6)式中L一斜管内液柱的长度：α一斜管倾斜角。由于L>h，所以斜管压力计比单管压力计更灵敏，可以提高测量精度。液体压力计的使用当地重力加速度修正压力计应垂直安装使用。如果不能垂直安装，应对读数进行修正应根据被测介质的特性和压力的测量范围选择合适的工作液

(1) U 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；ρ—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)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 D>>d，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)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；α—斜管倾斜角。 由于 L>h，所以斜管压力计比单管压力计更灵敏，可以提高测量精度。 液体压力计的使用 当地重力加速度修正 压力计应垂直安装使用。如果不能垂直安装，应对读数进行修正 应根据被测介质的特性和压力的测量范围选择合适的工作液

在使用时，被测压力的瞬时值不能超过测量范围3.3弹性式压力计当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形（即机械位移）。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所示。弹性元件是核心部分，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换放大机构，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大：指示机构（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。（1）弹性元件弹黄管式弹性元件膜个式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。弹性元件的结构和特性压力测量范围动态性质kPa类名称示意图输出特性别自振时间最小最大频率常数/8/Hz平4X0~10-5~10~薄膜0~1010510-2104P薄波纹0~10-0~10-2~10~10310-11023式膜P挠性10-2~0~10-0~1~102102F.315I膜XE

在使用时，被测压力的瞬时值不能超过测量范围 3.3 弹性式压力计 当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形(即机械位移)。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所示。弹性元件是核心部分，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换放大 机构，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；指示机构(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。 (1) 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。 弹性元件的结构和特性

波被纹管10-敏管式0~0~10~2~R10-310310210-1tp.圈弹簧管0~0~102~Pe10-1106103弹簧管式多圈弹黄管0~0~10~10-21051020（2）弹簧管压力计弹性元件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形在弹性元件与指示机构之间是变换放大机构，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大指示机构（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。p变换指示机构弹性元件放大机构调整机构弹性压力计组成框图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。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-105～109Pa；精确度最高可达土0.1%

(2) 弹簧管压力计 弹性元件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形 在弹性元件与指示机构之间是变换放大机构，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大 指示机构(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。 弹性压力计组成框图 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。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-105～109Pa；精确度最高可达±0.1％

1.弹黄管2.拉杆3.扇形齿轮4.中心齿轮5.指针NB6.面板7.游丝8.调整螺钉9.接头81弹簧管压力计结构（3）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。弹性压力计信号多采用电远传方式，即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，图给出两种电远传弹性压力计结构原理。(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。(a)电位器式(b)霍尔元件式弹性压力计信号电远传方式原理(b)为霍尔元件式，其转换原理基于半导体材料的霍尔效应。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。3.4电气式压力传感器能够测量压力并提供远传电信号的装置统称为压力传感器。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，常见的型式有应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式压力传感器等。此外还有光电式、光纤式、超声式压力传感器等。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，电容式

弹簧管压力计结构 (3) 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。弹性压力计信号多采用电远传方 式，即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，图给出两种电远传弹性压力计结构原理。 (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。 (a)电位器式 (b)霍尔元件式 弹性压力计信号电远传方式原理 (b)为霍尔元件式，其转换原理基于半导体材料的霍尔效应。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。 3.4 电气式压力传感器 能够测量压力并提供远传电信号的装置统称为压力传感器。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，常见的型式有应变式、压阻式、电容式、压电式、振频 式压力传感器等。此外还有光电式、光纤式、超声式压力传感器等。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。 电容式

电容式压力传感器采用变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电容的变化，用测量电容的方法测出电容量，便可知道被测压力的大小。根据平行板电容器的电容量表达式：C=Ad(3-9)式中为电容极板间介质的介电常数：A为两平行板相对面积：d为两平行板间距。由式(3-9)可知，改变A、d、其中任意一个参数都可以使电容量发生变化，在实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变A或d一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。因此，电容量的变化与被测参数的大小成比例。1差动变极距式电容压力传感器改变电容两平行板间距d的测量方式有较高的灵敏度，但当位移较大时非线性严重。采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因受温度影响引起的不稳定性。引线一测量膜片金属膜膜片一基座公玻璃层电容式差压传感器图是一种电容式差压传感器示意图。左右对称的不锈钢基座内有玻璃绝缘层，其内侧的凹形球面上除边缘部分外镀有金属膜作为固定电极，中间被夹紧的弹性膜片作为可动测量电极，左、右固定电极和测量电极经导线引出，从而组成了两个电容器。不锈钢基座和玻璃绝缘层中心开有小孔，不锈钢基座两边外侧焊上了波纹密封隔离膜片，这样测量电极将空间分隔成左、右两个腔室，其中充满硅油。当隔离膜片感受两侧压力的作用时，通过硅油将差压传递到弹性测量膜片的两侧从而使膜片产生位移。电容极板间距离的变化，将引起两侧电容器电容值的改变。对手差动平板电容器，其电容变化与板间距离变化的关系可表示为：AC = 2C. Addo(3-10)式中Co为初始电容值；do为极板间初始距离；△d为距离变化量。②变面积式电容压力传感器图所示为一种变面积式电容压力传感器。被测压力作用在金属膜片上，通过中心柱和支撑簧片，使可动电极随簧片中心位移而动作。可动电极与固定电极均是金属同心多层圆筒，断面呈梳齿形，其电容量由两电极交错重叠部分的面积所决定。固定电极与外壳之间绝缘，可动电极则与外壳导通。压力引起的极间电容变化由中心柱引至适当的变换器电路，转换成反映被测压力的标准电信号输出。金属膜片为不锈钢材质，膜片后设有带波纹面的挡块，限制膜片过大变形，以保护膜片在过载时不至于损坏。膜片中心位移不超过0.3mm，膜片背面为无硅油的封闭空间，不与被测介质接触，可视为恒定的大气压，故仅适用于压力测量，而不能测量压差

电容式压力传感器采用变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电 容的变化，用测量电容的方法测出电容量，便可知道被测压力的大小。根据平行板电容器的 电容量表达式: (3-9) 式中为电容极板间介质的介电常数；A 为两平行板相对面积；d 为两平行板间距。 由式(3-9)可知，改变 A、d、其中任意一个参数都可以使电容量发生变化，在实际测量中， 大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变 A 或 d 一个参数的方法，把参数的变化转换为 电容量的变化。因此，电容量的变化与被测参数的大小成比例。 ① 差动变极距式电容压力传感器 改变电容两平行板间距 d 的测量方式有较高的灵敏度，但当位移较大时非线性严重。采用差 动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因ε受温度影响引起的不稳定性。 电容式差压传感器 图是一种电容式差压传感器示意图。左右对称的不锈钢基座内有玻璃绝缘层，其内侧的凹形 球面上除边缘部分外镀有金属膜作为固定电极，中间被夹紧的弹性膜片作为可动测量电极， 左、右固定电极和测量电极经导线引出，从而组成了两个电容器。不锈钢基座和玻璃绝缘层 中心开有小孔，不锈钢基座两边外侧焊上了波纹密封隔离膜片，这样测量电极将空间分隔成 左、右两个腔室，其中充满硅油。当隔离膜片感受两侧压力的作用时，通过硅油将差压传递 到弹性测量膜片的两侧从而使膜片产生位移。电容极板间距离的变化，将引起两侧电容器电 容值的改变。 对于差动平板电容器，其电容变化与板间距离变化的关系可表示为： (3-10) 式中 C0 为初始电容值；d0 为极板间初始距离；△d 为距离变化量。 ② 变面积式电容压力传感器 图所示为一种变面积式电容压力传感器。被测压力作用在金属膜片上，通过中心柱和支撑簧 片，使可动电极随簧片中心位移而动作。可动电极与固定电极均是金属同心多层圆筒，断面 呈梳齿形，其电容量由两电极交错重叠部分的面积所决定。固定电极与外壳之间绝缘，可动 电极则与外壳导通。压力引起的极间电容变化由中心柱引至适当的变换器电路，转换成反映 被测压力的标准电信号输出。 金属膜片为不锈钢材质，膜片后设有带波纹面的挡块，限制膜片过大变形，以保护膜片在过 载时不至于损坏。膜片中心位移不超过 0.3mm，膜片背面为无硅油的封闭空间，不与被测 介质接触，可视为恒定的大气压，故仅适用于压力测量，而不能测量压差

中心柱绝缘支架固定电极一可动电极支撑簧片挡块一中心柱金属膜片变面积式电容压力传感器测量电路1aR*mYL*34YWooAT*YYLV电容+电流转换电路CL-CHR-R2Ia=L-H=URCL+CHRR霍尔式测压原理：利用霍尔片式传感器实现压力-位移-霍尔电势的转换。霍尔效应：把一块霍尔元件置于均匀磁场中，并使霍尔片与磁感应强度B的方向垂直，在沿着霍尔片的左右两个纵向端面上通入恒定的控制电流I，则会在霍尔片的两个横向端面之间形成电位差VH，此电位差称为霍尔电势。VH=KHIB

变面积式电容压力传感器 测量电路 霍尔式 测压原理：利用霍尔片式传感器实现 压力-位移-霍尔电势的转换。霍尔效 应：把一块霍尔元件置于均匀磁场中， 并使霍尔片与磁感应强度 B 的方向垂 直，在沿着霍尔片的左右两个纵向端 面上通入恒定的控制电流 I，则会在霍 尔片的两个横向端面之间形成电位差 VH，此电位差称为霍尔电势