自动检测技术课件5、压力检测.ppt

5、压力检测,5.1、压力单位及压力检测方法分类5.2、常用压力检测仪表（传感器）弹簧管压力计、波纹管差压计、霍尔式压力计、应变式压力传感器、压电式压力传感器等5.3、测压仪表的使用及压力检测系统（自学）,5.1、压力单位及压力检测方法分类,5.1.1、压力的概念（压强）1、介质（气体或液体）垂直作用在单位面积上的力，称“压力”。它是由于分子的重量和分子运动对器壁冲撞的结果。,F：垂直作用力S：受力面积,2、压力的表示方法：绝对压力：从绝对真空算起，作用在物体上的压力。表压力：表示物体受到超出大气压力的大小。P绝对P表P大气不同地区，由于大气压力不同，P绝对一定，测得的P表不同。若P绝对 P大气P表为负压，这种状态P表称为负压或真空，负压的绝对值越大，即绝对压力愈低，真空度愈高。,3、压力的单位：SI制导出单位：帕斯卡Pa1Pa1N/m2工程中常用单位：mmHg、mmH2O、工程大气压、标准大气压等，各单位之间的换算见表51。,4、压力范围划分,5.1.2、压力测量方法,1、液体压力平衡法：通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的方法。液柱压力计：将被测压力转换为液柱高度来测量。有U形管压力计、单管压力计、倾斜管压力计等。特点：见教材活塞式压力计：基于重力平衡原理，利用液体传递压力，把一个准确的压力传递给被校的压力仪表。常用作标准，精确度高。,2、机械力平衡法：将被测压力经变换元件（如杠杆）转换为一个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力可以测知被测压力。结构复杂。,3、弹性力平衡法：利用各种弹性元件受力后，产生弹性形变（位移），根据弹性变形的大小来测量被测压力的大小。常用的弹性元件：膜片、波纹管、弹簧管（表52）弹性元件的特性：FCs F：轴向拉力（压力）s：位移C：弹性元件的刚度系数,又 FPAe P：压力Ae：弹性元件的有效面积,当Ae/C保持一定，位移s与压力P成线性关系。注意：弹性元件存在弹性滞后，且变差较大。,4、电测法：借助弹性元件，通过压电、压阻等传感器将压力转换成电信号进行测量。电阻、电容、电感式压力计：特点是线路简单，便于远传。,霍尔式压力计：基于霍尔效应,应变式压力计：利用应变片的应变效应，即应变片受压或受拉会产生形变，而引起应变电阻发生变化。常用于动态测量，测快速变化的压力。,压电式压力计：基于压电效应，即压电晶体受压时，晶格产生弹性形变而产生一定的电荷，将电荷转换成电压输出。用于快变压力的测量。,5.2、压力测量仪表,5.2.1、弹簧管压力表：（见图53）传感元件：弹簧管，是弯成弧形的空心管、断面为椭园形工作原理：当管内引入压力时，在压力作用下，弹簧使自己内部体积向增大方向（圆形）变形，因而使弯曲的管子力趋伸直，结果在自由端产生一定大小的位移（角位移）。结构：由拉杆、齿轮、指针等机械放大机构来转换小位移。刻度盘为均匀刻度。（P与角位移成线性）,测量范围：105109Pa精度等级：0.12.5,图53,5.2.2、双波纹管差压力计：（图54）,工作原理：利用双波纹管来感受传递P、P，再把其差值转换成连杆的位移，并通过机械机构变换显示出来。测量机构：波纹管（高压波纹管和低压波纹管、补偿波纹管）、量程弹簧组、扭力管、连杆摆杆等。注意：单向过载保护。,图54,5.2.3、霍尔式压力计,1、测量原理：利用霍尔元件测量弹性元件受力作用后产生的变形现象。霍尔效应：在一半导体薄片相对两侧面通以控制电流I，在薄片垂直方向加以磁场B，则在半导体另两侧面会产生一大小与I和B相乘积成正比的电动势UH霍尔电势。具有霍尔效应的元件称霍尔元件。(锗、锑化铟）,B,I,fL,fE,+,-,霍尔元件,如图，单位电荷受到的力：洛仑兹力fL=qvB电场作用力fE=qEH=VH/L平衡时，fL fE,霍尔电势,保持I、B其中一个一定，UH与另一个成线性关系。,2、霍尔式压力计的结构（参考图55b）把霍尔元件固定在弹性元件的位移端，置于非均匀磁场中，当弹性元件受压形变，产生位移使霍尔元件在非均匀磁场中移动，此时在元件中通一定的控制电流，则元件电极出现UH的大小与压力成正比。,5.2.4、应变式压力传感器,1、测量原理：PR，利用导体内部应变大小与电阻的关系，通过应变片将压力P转换成电阻值R的变化。,应变效应：导体在受压或受拉时发生机械变形，其电阻将发生变化。,：电阻率L：长度A：横截面积,取对数、再求导,定义：应变为长度变化量,表明电阻丝沿轴向伸长时，直径将缩小，两者相对变化量之比,电阻相对变化量dR/R由二部分决定：几何尺寸的变化(1+2)；压阻效应d/。,对于金属导体,对于半导体,：压阻系数E：杨氏弹性模量,应变片灵敏度系数k,金属导体：k1+2半导体：kE,2、应变片结构,张丝式,支柱,张丝电阻,膜片,P,应变片式,电阻丝（金属薄膜）,薄膜（纸基、胶基）,张丝式：四根电阻丝作为测量桥路的四个桥臂。当P加上时，膜片产生位移s，支柱上项，使上部两根电阻丝拉紧，下部二根放松，桥路上输出差动应变信号，其大小与P成正比。应变片式：能得到较大的R，可以通以较大电流，提高灵敏度。尺寸小且薄，使用方便。由于环境温度改变时，R受T的影响较大，所以使用时常用差动电桥来进行温度补偿。,3、测量电路：电桥电路单臂电桥：电桥的一个臂接应变片，其它三个为固定电阻。当为等臂电桥时，其输出为,双臂电桥：一个差动对，典型例子：悬壁梁两应变片同向贴梁的上、下部，r1为测量片、r2为温度补偿片，且 r1 r2，R1R2，电桥初始平衡，U0。环境温度变化时，r1、r2同时变化，不会破坏电桥平衡条件。,当F作用时，r1 r1r（受拉），r2 r2r（受压）,r1,r2,F,全桥：二个差动对构成等臂电桥，如下图。应变电阻r1 r2 r3 r4，r1、r3受拉，r2、r4受压,F,r1,r2,r3,r4,附：如图57a，四片应变片的贴法不一致，其中二片沿应变筒径向贴，另二片沿应变筒轴向贴。当应变筒受压力P作用时，一组受压，另一组受拉，但应变并不相同，相差一泊松系数，即,5.2.5、压阻式压力传感器,测量原理：基于半导体的压阻效应。,测量电路类似应变式压力传感器，都是利用电桥电路来测取电阻的变化。,5.2.6、振频式压力传感器,测量原理：利用感压元件本身的谐振频率与压力的关系，通过测量频率信号的变化来测压力。种类有：振筒、振弦、振膜、石英谐振等振筒式的工作原理见教材P64P65。,5.2.7、电容式压力（差压）传感器,测量原理：利用压力产生的位移来改变电容器的电容量大小。,变间距式是利用弹性元件作为电容的一极板；变面积式有线位移和角位移二种。,电容式差压计：如图59所示，结构构成如图。P1、P2作用于两侧的隔离膜片上，通过硅油把差力压传递到中间的测量膜片上，动膜片（中间电极）产生位移，即改变了可动极片与凹形固定极片间的距离，使一对差动电容一个增大，另一个减小。,图59,5.2.5、压电式压力传感器,1、压电效应：某些介质在施加压力而发生机械形变时（压缩或伸长），会引起物质内部的正负电荷中心发生相对位移，而产生电的极化现象，最后使介质两个表面上产生符号相反的束缚电荷，电荷的密度与施加的压力大小成正比，即压电效应。,正向压电效应：外力电荷逆向压电效应：电场作用机械形变,具有压效应的物质称压电材料：压电晶体：石英晶体压电陶瓷：钛酸钡、钡酸铅压电半导体：硫化锌、硫化钙,下面以石英晶体为例说明压电效应。,石英为规则的六角棱柱体、单晶体,XX轴：电轴纵向压电效应YY轴：机械轴横向压电效应ZZ轴：光轴受力时不产生压电效应,当沿X、Y轴加压Fx、Fy,会在表面产生电荷。如图,2、居里点：压电性能被破坏时的临界温度点。A、石英：SiO2 居里点t573，t573，d2.11012C/N；t 573，无压电性能。熔点1750，密度为2.65 103Kg/m3，有较大的机械强度和稳定的机械性能。B、压电陶瓷：人工合成的压电材料，由许多细微的单晶各自按任意的方向排列，没有极化前没有压电效应。一般在t100170，加以高压电场（14kV/mm)极化。使单晶排列整齐，使之具有压电效应特性。常用的有：,钛酸钡(BaTiO3)：由BaCO3与TiO2在高温下合成。其压电系数较大，d1071012C/N，居里点低，t120。锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)：最常用，d(200500)1012C/N，压电系数大，居里点t300以上。,3、压电式压力传感器：（如图511）,压电元件两极有电荷产生，可等效为一电容。测出电容变化量的大小即可测得压力。压电式压力传感器常用作交变压力的测量，而不适于静压力的测量。原因：由于晶体表面电荷不能贮存，外力作用产生的电荷只在无泄漏的情况下，即输入阻抗（测量电路）无限大的情况下才能保存，静压力不能连续不断产生新的电荷，晶体表面电荷会很快消失，所以，要使压电晶体有电荷（电压）输出，须加以交变的作用，电荷可以不断地得到补偿。,(并联),常用结构：并联：两片压电材料的负电荷集中在中间电极上。,串联：正电荷在上极板，负电荷在下极板，中间极板由于正负相等而相互抵消,(串联),压力仪表的校验，图514,压力仪表的校验,自学内容、作业,自学P6568，注意：1、集成式压力传感器组成框图。2、测压仪表选择应注意什么？作业：53、55、5-12,