1．液柱式压力计

　　运用液柱丈量压力的办法是以流体静力学原理为根底的。通常是选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丈量的，其构造办法如图3-2所示。

　　（1）U形管压力计

　　图1（a）所示的u形管是用来丈量压力和压差的外表。在u形管两端接入不一样压力P1，和P2时，依据流体静力平衡原理可知，u形管两端管内液柱差危与被测压力P1和P2的联络为

　　　　　　　　　　　　　　　（1）

　　式中，A为U形管内孔截面积；ρ为U形管内作业液的密度；g为重力加速度。

　　由上式可求得两压力的差值△p或在已知一个压力的状况下（例如压力P2），求出另一压力值。

　　　　　　　　　　　　　　（2）

　　可见U形管内的液柱差h与被测压差或压力成正比，因而被测压差或压力能够用作业液高度h的巨细来标明。

图1　液柱式压力计

　　（2）单管压力计

　　u形管压力计中h需两次读数，读数差错较大。为了减小读数差错，能够选用单管压力计。

　　单管压力计如图1（b）所示，它恰当于将u形管的一端换成一个大直径的容器，测压原理与u形管一样。当大容器一侧通入被测压力Pl，管一侧通入大气压P2时，满足下列联络

（3）

　　式中，h为两液面的高度差；hl为玻璃管内液面上添加度；h2为大容器内液面降低高度；d为玻璃管直径；D为大容器直径。因为D>>d，故d2／D2能够疏忽不计，即h2的改动能够疏忽不计，故，式（3）可写成

　　　　　　　　　　　　　　　　（4）

　　管内作业液面上升的高度h即可标明被测压力的巨细。

　　（3）斜管压力计

　　用u形管或单管压力计来丈量细微的压力时，因为液柱高度改动很小，读数艰难，为了前进活络度，减小差错，可将单管压力计的玻璃管制成斜管，如图1（c）所示。大容器通入被测压力P1，斜管通大气压力P2，则△p与液柱之间的联络仍然与式（4）一样，

　　　　　　　　　　　　　（5）

　　式中，L为斜管内液柱的长度；α为斜管歪斜角。

　　因为L>h，所以斜管压力计比单管压力计更活络，可从前进丈量精度。

　　2．弹性压力计

　　当被测压力效果于弹性元件时，弹性元件便发作相应的弹性变形（即机械位移）。依据变形量的巨细，能够测得被测压力的数值。

　　弹性压力计的构成如图2所示。弹性元件是基地有些，其效果是感触压力并发作弹性变形，弹性元件选用何种办法要依据丈量恳求挑选和方案；在弹性元件与指示组织之间是改换拓宽组织，其效果是将弹性元件的变形进行改换和拓宽；指示组织（如指针与刻度标尺）用于给出压力示值；调整组织用于调整零点和量程。

图2　弹性压力计构成框图

　　（1）弹性元件

　　一样的压力下，不一样构造、不一样资料的弹性元件会发作不一样的弹性变形。常用的弹性元件有绷簧管、波纹管、薄膜等，如表1所示。其间波纹膜片和波纹管多用于微压和低压丈量；单圈和多圈绷簧管可用于高、中、低压或真空度的丈量。

表1　弹性元件的构造和特性（点击下图）

　　弹性元件常用的资料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适用于不一样的测压方案和被测介质。近期半导体硅资料得到了更多的运用。各种弹性元件构成了多种型式的弹性压力计，它们通过各种传动拓宽组织直接指示被测压力值。这类直读式测压外表有绷簧管压力计、波纹管差压计、膜盒式压力计等。

　　（2）绷簧管压力计

　　绷簧管式压力计是工业出产上运用很广泛的一种直读式测压外表，以单圈绷簧管构造运用最多。其通常构造如图3所示。

　　被测压力由接口引进，使绷簧管自在端发作位移，通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，并股动啮合的基地齿轮翻滚，与基地齿轮同轴的指针将一同顺时针偏转，并在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。通过调整螺钉能够改动拉杆与扇形齿轮的接合点方位，然后改动拓宽比，调整外表的量程。翻滚轴上装有游丝，用以消除两个齿轮啮合的空位，减小外表的变差。直接改动指针套在翻滚轴上的视点，就能够调整外表的机械零点。

　　绷簧管压力计构造简略，运用便当，报价低价，测压方案宽，运用十分广泛。通常绷簧管压力计的测压方案为-105～109Pa，精度最高可达±0.1％。

　　（3）弹性压力计信号远传办法

　　弹性压力计能够在现场指示，可是很多状况下恳求将信号远传至操控室。通常能够在已有的弹性压力计构造上添加改换部件，结束信号的远间隔传送。弹性压力计信号多选用电远传办法，即把弹性元件的变形或位移改换为电信号输出。多见的改换办法有电位计式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式等，图4给出两种电远传弹性压力计构造原理。

图3　绷簧管压力计构造
1-绷簧管；2-连杆；3-扇形齿轮；4-底座；5-基地齿轮；6-游丝；7-表盘；8-指针；9-接头；10-横断面；11一活络度调整槽

（a）电位器式　　　　　　　　　　　　（b）霍尔元件式

图4　弹性压力计信号电远传办法原理

　　图4（a）为电位器式，在弹性元件的自在端处设备滑线电位器，滑线电位器的滑动触点与自在端衔接并随之移动，自在端的位移就改换为电位器的电信号输出。这种远传办法比照简略，能够有极好的线性输出，可是滑线电位器的构造牢靠性较差。

　　图4（b）为霍尔元件式，其改换原理依据半导体资料的霍尔效应。由半导体资料制成的片状霍尔元件固定在弹性元件的自在端，并处于两对磁场方向相反的磁极组件构成的线性不均匀磁场的空位中。（版权悉数）霍尔元件被自在端股动在不均匀磁场中移动时，将感触不一样的磁场强度。若在霍尔元件的两端通以安稳电流，则在笔直于磁场和电流方向的另两端将发作霍尔电势，此输出电势即对应于自在端位移，然后给出被测压力值。这种外表构造简略，活络度高，寿数长，但对外部磁场活络，耐振性差。

　　3．力平衡式压力计

　　力平衡式压力计选用反响力平衡的原理，反响力的平衡办法可所以弹性力平衡或电磁力平衡等。力平衡式压力计的底子构成如图5所示，被测压力或压差效果于弹性活络元件上，弹性活络元件感触压力效果并将其改换为位移或力，并效果于力平衡体系，力平衡体系受力后将违反原有的平衡状况；由差错查看器输出差错值至拓宽器；拓宽器将信号拓宽并输出电流（或电压）信号，电流信号操控反响力或力矩发作组织，使之发作反响力；当反响力与效果力平衡时，外表处于新的平衡状况；显现组织可输出与被测压力或压差相对应的信号。

图5　力平衡式压力计的底子框图

　　图6是一种弹性力平衡式压力丈量体系的原理暗示图。它由弹性活络元件（测压波纹管）、杠杆、差动电容改换器、伺服拓宽器A、伺服电机M、减速器和反响绷簧等元部件构成。

　　被测压力P1、P2别离导入波纹管和密封壳体内，测压波纹管将压力差改换为会集力Fp使杠杆翻滚，差动电容改换器的动极片违反零位，电桥输出电压uc，其幅值与杠杆的转角成份额，而相位与杠杆偏转的方向（即压力差的方向） 相对应。电压uc经伺服拓宽器拓宽后，驱动伺服电机翻滚，经减速器后，一方面股动输出轴翻滚，指示出杠杆转角的巨细；另一方面使螺栓翻滚，然后紧缩和拉长反响绷簧（螺栓使绷簧发作的位移量为x），改动反响绷簧施加在杠杆上的力Fxs。当会集力Fp发作的力矩与反响力Fxs发作的力矩相平衡时，体系处于平衡状况。因为反响力Fxs与压力差△p=P1-P2发作的会集力Fp成份额，则绷簧的位移x与压力差△p所发作的会集力Fp成份额，故输出轴转角β与压力差△p成份额。

图6　弹性力平衡式压力丈量体系的原理

　　4．压力传感器

　　能够丈量压力并供应远传电信号的设备统称为压力传感器。压力传感器是压力查看外表的首要构成有些，其构外型式多种多样，多见的型式有应变式、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。选用压力传感器能够直接将被测压力改换成各种办法的电信号，便于满足主动化体系会集查看与操控的恳求，因而在工业出产中得到广泛运用。

　　（1）应变式压力传感器

　　应变式压力传感器是一种通过丈量各种弹性元件的应变来直接丈量压力的传感器。依据制造资料的不一样，应变元件能够分为金属和半导体两大类。应变元件的作业原理依据导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体资料发作机械变形时，其电阻值将发作改动。电阻值的相对改动与应变有以下联络：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（6）

　　式中，ε为资料的应变；K为资料的电阻应变系数，即单位应变致使的电阻相对改动量。金属资料的K值约为2～6，半导体资料的K值可达60～180。

　　金属电阻应变片首要有丝式应变片和箔式应变片两种构造。如图7所示。

　　丝式应变片由金属丝栅（亦称活络栅）、基底、引线、维护膜等构成。活络栅通常选用直径0.015～0.05mm的金属丝，用粘合剂固定在厚0.02～0.04mm的纸或胶膜基底上。引线是由直径0.1～0.2mm低阻镀锡铜线制成，用于将活络栅与丈量电路相连。

图7　电阻应受片构造

　　箔式应变片的活络栅是用厚度为0.003～0.01mm的金属箔经光刻、腐蚀等技能制成的。长处是外表积与截面积之比大，散热条件好，能承受较大电流和较高电压，因而输出活络度高，并可制成各种需求的形状，便于大批量出产。因为上述长处，它已逐步替代丝式应变式。

　　应变片与弹性元件的设备能够选用张贴式或非张贴式，在弹性元件受压变形的一同应变片亦发作应变，其电阻值将有相应的改动。张贴式应变压力计可选用1、2或4个特性一样的应变元件，张贴在弹性元件的恰当方位上，并别离接入电桥的桥臂，则电桥输出信号能够反映被测压力的巨细。（版权悉数）为了前进丈量活络度，通常选用两对应变片，并使相对桥臂的应变片别离处于承受拉应力和压应力的方位。

　　应变式压力传感器所用弹性元件可依据被测介质和丈量方案的不一样而选用各种型式，多见的有圆膜片、弹性梁、应变筒等。图8给出几种弹性元件和应变式压力传感器的构造及电桥式丈量电路暗示图。

图8　应变式压力传感器

　　（2）压阻式压力传感器

　　固体受力后电阻率发作改动的景象称为压阻效应。压阻式压力传感器是依据半导体资料（单晶硅）的压阻效应原理制成的传感器，它是运用集成电路技能直接在硅平膜片上按必定晶向制成涣散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使涣散电阻的阻值发作改动。硅膜片上的涣散电阻通常构成桥式丈量电路，相对的桥臂电阻是对称安顿的，电阻改动时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应联络。

　　图9为一种压阻式压力传感器的构造暗示图，硅膜片在圆形硅杯的底部，其两端有两个压力腔，别离输入被测差压或被测压力与参看压力。高压腔接被测压力，低压腔与大气连通或接参看压力。膜片上的两对电阻中，一对坐落受压应力区，另一对坐落受拉应力区，当压力差使膜片变形，膜片上的两对电阻阻值发作改动，使电桥输出相应压力改动的信号。为了抵偿温度效应的影响，通常还可在膜片上沿对压力不活络的晶向生成一个电阻，这个电阻只感触温度改动，可接入桥路作为温度抵偿电阻，从前进丈量精度。

图9　压阻式压力传感器

　　压阻式压力传感器的特征是活络度高，频率呼应高；丈量方案宽，可测低至10Pa和微压到高至60MPa的高压；精度高，作业牢靠，其精度可达±0.2％～0.02％；易于细微型化，如今国内出产出直径ф1.8～ф2mm的压阻式压力传感器。

　　（3）压电式压力传感器

　　某些电介质沿着某一个方向受力而发作机械变形（紧缩或伸长）时，其内部将发作极化景象，而在其某些外表上会发作电荷。当外力去掉后，它又会从头回到不带电的状况，此景象称为“压电效应”。常用的压电资料有天然的压电晶体（如石英晶体）和压电陶瓷（如钛酸钡）两大类，它们的压电机理并不一样，压电陶瓷是人工多晶体，压电常数比石英晶体高，但机械功用和安稳性不如石英晶体好。它们都具有较好特性，均是较抱负的压电资料。

　　压电式压力传感器是运用压电资料的压电效应将被测压力改换为电信号的。由压电资料制成的压电元件遭到压力效果时发作的电荷量与效果力之间呈线性联络。即

Q=kSp 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（7）

　　式中，Q为电荷量；k为压电常数；S为效果面积；p为压力。通过丈量电荷量可知被测压力巨细。

　　图10为一种压电式压力传感器的构造暗示图。压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个周围面与膜片触摸并接地，另一星期围面通过引线将电荷量引出。被测压力均匀效果在膜片上，使压电元件受力而发作电荷。电荷量通常用电荷拓宽器或电压拓宽器拓宽，改换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。

　　除在校准用的规范压力传感器或高精度压力传感器中选用石英晶体做压电元件外，通常压电式压力传感器的压电元件资料多为压电陶瓷，也有用高分子资料或复合资料的。

　　替换压电元件能够改动压力的丈量方案；在配用电荷拓宽器时，能够用将多个压电元件并联的办法前进传感器的活络度；在配用电压拓宽器时，能够用将多个压电元件串联的办法前进传感器的活络度。

　　压电式压力传感器体积小，构造简略，作业牢靠；丈量方案宽，可测100MPa以下的压力；丈量精度较高；频率呼应高，可达30kHz，是动态压力查看中常用的传感器，但因为压电元件存在电荷走漏，故不合适丈量缓慢改动的压力和静态压力。

图10　压电式压力传感器构造暗示图

　　（4）电容式压力传感器

　　电容式压力传感器选用变电容丈量原理，将由被测压力致使的弹性元件的位移改动改动为电容的改动，用丈量电容的办法测出电容量，便可知道被测压力的巨细。

　　依据平行板电容器的电容量表达式

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（8）

　　式中，ε为电容极板间介质的介电常数；A为两平行板相对面积；d为两平行板间隔。

　　由式（8）可知，改动A、d、ε其间恣意一个参数都能够使电容量发作改动，在实习丈量中，大多选用坚持其间两个参数不变，而仅改动A或d一个参数的办法，把参数的改动改换为电容量的改动。因而，电容量的改动与被测参数的巨细成份额。

　　差动变极距式电容压力传感器

　　改动电容两平行板间隔d的丈量办法有较高的活络度，但当位移较大时非线性严峻。选用差动电容法能够改进非线性，前进活络度，并可减小因ε受温度影响致使的不安稳性。图11是一种电容式差压传感器暗示图。摆布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际有些外镀有金属膜作为固定电极，基地被夹紧的弹性膜片作为可动丈量电极，左、右固定电极和丈量电极经引线引出，然后构成了两个电容器。不锈钢基座和玻璃绝缘层基地开有小孔，不锈钢基座两端外侧焊上了波纹密封阻隔阂片，这么丈量电极将空间分隔成左、右两个腔室，其间充溢硅油。当阻隔阂片感触两端压力的效果时，通过硅油将差压传递到弹性丈量膜片的两端然后使膜片发作位移。电容极板间阻隔的改动，将致使两端电容器电容值的改动。

　　关于差动平板电容器，其电容改动与板间阻隔改动的联络可标明为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　（9）

图11　电容式差压传感器 　　 图12　变面积式电容压力传感器

　　式中，c0为初始电容值；d0为极板间初始间隔；Δd为间隔改动量。

　　此电容量的改动通过恰当的改换器电路，能够改换成反映被测差压的规范电信号输出。

　　这种传感器构造坚实，活络度高，过载才干大；精度高，其精度可达±0.25％～±0.05％；能够丈量压力和差压。

　　②变面积式电容压力传感器

　　图12所示为一种变面积式电容压力传感器。被测压力效果在金属膜片上，通过基地柱和支持簧片，使可动电极随簧片基方位移而动作。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织堆叠有些的面积所抉择。固定电极与外壳之间绝缘，可动电极则与外壳导通。压力致使的极间电容改动由基地柱引至恰当的改换器电路，改换成反映被测压力的电信号输出。

　　金属膜片为不锈钢质料，膜片后设有带波纹面的挡块，束缚膜片过大变形，以维护膜片在过载时不至于损坏。膜片基方位移不逾越0.3 mm，膜片反面为无硅油的关闭空间，不与被测介质触摸，可视为安稳的大气压，故仅适用于压力丈量，而不能丈量压差。

　　（5）谐振式压力传感器

　　谐振式压力传感器是靠被测压力所构成的应力改动弹性元件的谐振频率，通过丈量频率信号的改动来查看压力。这种传感器格外合适与核算机协作运用，构成高精度的丈量操控体系。依据谐振原理能够制成振筒、振弦及振膜式等多种型式的压力传感器。

　　①振筒式压力传感器

　　振筒式压力传感器的感压元件是一个薄壁金属圆筒，圆柱筒自身具有必定的固有频率，当筒壁受压张紧后，其刚度发作改动，固有频率相应改动。在必定的压力效果下，改动后的振筒频率能够近似标明为

　　　　　　　　　　　　　　　　　（10）

　　式中，fp为受压后的振筒频率；f0为固有频率；α为构造系数；P为被测压力。

　　传感器由振筒组件和激振电路构成，如图13所示。振筒用低温度系数的恒弹性资料制成，一端关闭为自在端，开口端固定在底座上，压力由内侧引进。绝缘支架上固定着激振线圈和查看线圈，二者空间方位彼此笔直，以减小电磁耦合。激振线圈使振筒按固有的频率振荡，受压前后的频率改动可由查看线圈检出。

图13　振筒式压力传感器

　　此种外表体积小，输出频率信号，重复性好，耐振；精度高，其精度为±0.1％和±0.01％；适用于气体压力丈量。

　　②振膜式压力传感器

　　振膜式压力传感器构造如图14（a）所示。振膜为一个平膜片，且与环形壳体做成全体构造，它和基座构成密封的压力丈量室，被测压力P通过导压管进入压力丈量室内。参看压力室能够通大气用于丈量表压，也能够抽成真空丈量负压。装于基座顶部的电磁线圈作为激振源给膜片供应激振力，当激振频率与膜片固有频率逐个同，膜片发作谐振。（版权悉数）没有压力时，膜片是平的，其谐振频率为fn；当有压力效果时，膜片受力变形，其张紧力添加，则相应的谐振频率也随之添加，频率随压力改动且为单值函数联络。

图14　振膜式压力传感器

　　在膜片上张贴有应变片，它能够输出一个与谐振频率一样的信号。此信号经拓宽器拓宽后，再反响给激振线圈以坚持膜片的接连振荡，构成一个闭环正反响自激振荡体系。如图14（b）所示。

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