電氣式壓力計(jì)

1、化工儀表及自動化化工儀表及自動化李子聰平頂山平頂山第三節(jié)第三節(jié)電氣式壓力計(jì)第一部分應(yīng)變式壓力傳感器第二部分壓阻式壓力傳感器第三部分電容式壓力傳感器目 錄電氣式壓力計(jì)又稱電學(xué)壓力計(jì)。將壓力直接或間接地轉(zhuǎn)換成與壓力有一定關(guān)系的各種電量，再由電量的測量而測得壓力值。有電阻式壓力計(jì)、電容式壓力計(jì)、壓電式壓力計(jì)和壓磁式壓力計(jì)等。常用于測量變化很快的壓力、高壓或超高壓。壹應(yīng) 變 式 壓 力 傳 感 器應(yīng)變計(jì)中應(yīng)用最多的是粘貼式應(yīng)變計(jì)（即應(yīng)變片）。它的主要缺點(diǎn)是輸出信號小、線性范圍窄,而且動態(tài)響應(yīng)較差。但由于 應(yīng)變片的體積小，商品化的應(yīng)變片有多種規(guī)格可供選擇，而且可以靈活設(shè)計(jì)彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用

2、場合，所以用應(yīng)變片制造的應(yīng)變式壓力傳感器仍有廣泛的應(yīng)用。按彈性敏感元件結(jié)構(gòu)的不同,應(yīng)變式壓力傳感器大致可分為應(yīng)變管式、膜片式、應(yīng)變梁式和組合式4種。應(yīng)變式壓力傳感器是壓力傳感器中應(yīng)用比較多的一種傳感器，它一般用于測量較大的壓力，廣泛應(yīng)用于測量管道內(nèi)部壓力、內(nèi)燃機(jī)燃?xì)獾膲毫?、壓差和噴射壓力、發(fā)動機(jī)和導(dǎo)彈試驗(yàn)中的脈動壓力，以及各種領(lǐng)域中的流體壓力等。第一部分應(yīng) 變 式 壓 力 傳 感 器用用應(yīng)應(yīng)第一部分應(yīng)變式壓力傳感器又稱應(yīng)變筒式。它的彈性敏感元件為一端封閉的薄壁圓筒，其另一端帶有法蘭與被測系統(tǒng)連接。在筒壁上貼有2片或4片應(yīng)變片，其中一半貼在實(shí)心部分作為溫度補(bǔ)償片，另一半作為測量應(yīng)變片。當(dāng)沒有壓力

3、時4片應(yīng)變片組成平衡的全橋式電路;當(dāng)壓力作用于內(nèi)腔時，圓筒變形成“腰鼓形”，使電橋失去平衡，輸出與壓力成一定關(guān)系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到應(yīng)變筒上或通過垂鏈形狀的膜片傳遞被測壓力。應(yīng)變管式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、適用性強(qiáng)，在火箭彈、炮彈和火炮的動態(tài)壓力測量方面有廣泛應(yīng)用應(yīng)變管式第一部分應(yīng) 變 式 壓 力 傳 感 器它的彈性敏感元件為周邊固定圓形金屬平膜片。膜片受壓力變形時，中心處徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變均達(dá)到正的最大值，而邊緣處徑向應(yīng)變達(dá)到負(fù)的最大值，切向應(yīng)變?yōu)榱?。因此常把兩個應(yīng)變片分別貼在正負(fù)最大應(yīng)變處，并接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補(bǔ)償作用。

4、采用圓形箔式應(yīng)變計(jì)（見電阻應(yīng)變計(jì)）則能最大限度地利用膜片的應(yīng)變效果。這種傳感器的非線性較顯著。膜片式壓力傳感器的最新產(chǎn)品是將彈性敏感元件和應(yīng)變片的作用集于單晶硅膜片一身，即采用集成電路工藝在單晶硅膜片上擴(kuò)散制作電阻條，并采用周邊固定結(jié)構(gòu)制成的固態(tài)壓力傳感器膜片式第一部分應(yīng)變式壓力傳感器測量較小壓力時，可采用固定梁或等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)。一種方法是用膜片把壓力轉(zhuǎn)換為力再通過傳力桿傳遞給應(yīng)變梁。兩端固定梁的最大應(yīng)變處在梁的兩端和中點(diǎn)，應(yīng)變片就貼在這些地方。這種結(jié)構(gòu)還有其他形式，例如可采用懸梁與膜片或波紋管構(gòu)成。應(yīng)變梁式在組合式應(yīng)變壓力傳感器中，彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應(yīng)變元件。感受元件把壓力轉(zhuǎn)換

5、為力傳遞到彈性應(yīng)變元件應(yīng)變最敏感的部位，而應(yīng)變片則貼在彈性應(yīng)變元件的最大應(yīng)變處。實(shí)際上較復(fù)雜的應(yīng)變管式和應(yīng)變梁式都屬于這種型式。感受元件有膜片、膜盒、波紋管、波登管等，彈性應(yīng)變元件有懸臂梁、固定梁、形梁、 環(huán)形梁、薄壁筒等。它們之間可根據(jù)不同需要組合成多種型式。 應(yīng)變式壓力傳感器主要用來測量流動介質(zhì)動態(tài)或靜態(tài)壓力，例如動力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道壓力等等。組合式第一部分應(yīng) 變 式 壓 力 傳 感 器貳壓 阻 式 壓 力 傳 感 器利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。壓阻

6、式傳感器用于壓力、拉力、壓力差和可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱Φ淖兓钠渌锢砹浚ㄈ缫何?、加速度、重量、?yīng)變、流量、真空度）的測量和控制。第二部分壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)壓阻式傳感壓阻式傳感器是壓力式器是壓力式傳感器的一傳感器的一種。壓阻式種。壓阻式壓力傳感器壓力傳感器又稱擴(kuò)散硅又稱擴(kuò)散硅壓力傳感器壓力傳感器第二部分壓阻式壓力傳感器電阻應(yīng)變片式傳感器電阻應(yīng)變片式傳感器第二部分壓阻式壓力傳感器應(yīng)應(yīng) 用用 壓阻式傳感器廣泛地應(yīng)用航天、航空、航海、石油化工、動力機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地質(zhì)、地震測量等各個領(lǐng)域。在航天和航空工業(yè)中壓力是一個關(guān)鍵參數(shù),對靜態(tài)和動態(tài)壓力,局部壓力和整個壓力場的測量都要求很高的精度。壓阻式傳感

7、器是用于這方面的較理想的傳感器。在飛機(jī)噴氣發(fā)動機(jī)中心壓力的測量中，使用專門設(shè)計(jì)的硅壓力傳感器,其工作溫度達(dá)500以上。在波音客機(jī)的大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中采用了精度高達(dá)0.05%的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的風(fēng)洞模型試驗(yàn)中，壓阻式傳感器能密集安裝在風(fēng)洞進(jìn)口處和發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管道模型中。單個傳感器直徑僅2.36毫米，固有頻率高達(dá)300千赫,非線性和滯后均為全量程的0.22%。在生物醫(yī)學(xué)方面,壓阻式傳感器也是理想的檢測工具。已制成擴(kuò)散硅膜薄到10微米,外徑僅0.5毫米的注射針型壓阻式壓力傳感器和能測量心血管、顱內(nèi)、尿道、子宮和眼球內(nèi)壓力的傳感器。壓阻式傳感器還有效地應(yīng)用于爆炸壓力和沖擊波的測量、真空測量、

8、監(jiān)測和控制汽車發(fā)動機(jī)的性能以及諸如測量槍炮膛內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測量。此外，在油井壓力測量、隨鉆測向和測位地下密封電纜故障點(diǎn)的檢測以及流量和液位測量等方面都廣泛應(yīng)用壓阻式傳感器。參電 容 式 壓 力 傳 感 器電容式傳感器是應(yīng)用最廣泛的一種壓力傳感器，其原理十分簡單。一個無限大平行平板電容器的電容值可表示為：C=s/d（為平行平板間介質(zhì)的介電常數(shù)，d為極板的間距，s為極板的覆蓋面積）改變其中某個參數(shù)，即可改變電容量。由于結(jié)構(gòu)簡單，幾乎所有電容式壓力傳感器均采用改變間隙的方法來獲得可變電容。第三部分電容式壓力傳感器一它一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個電極，當(dāng)薄膜感受壓力

9、而變形時，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過測量電路即可輸出與電壓成一定關(guān)系的電信號。電容式壓力傳感器屬于極距變化型電容式傳感器，可分為單電容式壓力傳感器和差動電容式壓力傳感器第三部分電容式壓力傳感器二它由圓形薄膜與固定電極構(gòu)成。薄膜在壓力的作用下變形，從而改變電容器的容量，其靈敏度大致與薄膜的面積和壓力成正比而與薄膜的張力和薄膜到固定電極的距離成反比。另一種型式的固定電極取凹形球面狀，膜片為周邊固定的張緊平面，膜片可用塑料鍍金屬層的方法制成。這種型式適于測量低壓，并有較高過載能力。還可以采用帶活塞動極膜片制成測量高壓的單電容式壓力傳感器。這種型式可減小膜片的直接受壓面積，以便采用較薄的膜片提高靈敏度。它還與各種補(bǔ)償和保護(hù)部以及放大電路整體封裝在一起，以便提高抗干擾能力。這種傳感器適于測量動態(tài)高壓和對飛行器進(jìn)行遙測。單電容式壓力傳感器還有傳聲器式（即話筒式）和聽診器式等型式。單電容式壓力傳感器單電容式壓力傳感器第三部分電容式壓力傳感器三它的受壓膜片電極位于兩個固定電極之間,構(gòu)成兩個電容器。在壓力的作用下一個電容器的容量增大而另一個則相應(yīng)減小，測量結(jié)果由差動式電路輸出。它的固定電極是在凹曲的玻璃表面上鍍金屬層而制成。過載時膜片受