工程压力测量：表压力及其应用，压电式传感器和电感式变送器

工程中流体介质对容器、管道及其他元件的压力是一个需要经常检测的物理量。压力测量在液压、气压传动与控制中，在液压元件和系统性能试验及其他一些领域中都有十分重要的应用。压力也是反映流体本身状态的一个很重要的参数。

工程中习惯上称的压力概念实际上是物理学中的压强，即气体或液体介质垂直作用在单位面积上的作用力。压力的单位为帕（Pa），1Pa＝1N/m2。介质垂直作用在容器单位面积上的全部压力（包括大气压）称绝对压力，绝对压力值与大气压力值之差称为表压力。工程中压力测量多采用表压力作为指示值，当表压力为负值时，又称为真空度。

一、压力敏感元件

压力测量与力测量有许多共同之处。各种压力计和压力传感器多采用弹性变形法，将压力先转换为位移量。能感知压力的弹性元件称压力敏感元件。压力传感器中的敏感元件都是一些特定形式的弹性元件（如图9-67所示），常用的有弹簧管、膜片和波纹管三类。此外，使用时也有将两个弹性元件组合在一起，构成组合式弹性敏感系统。在被测流体的压力作用下，这些元件将产生位移或应变。

1. 弹簧管

弹簧管又称波登管，它利用管的曲率变化或扭转变形将压力变化转换为位移量。常用的弹簧管类型有C型、螺线型、麻花型及螺旋型等。弹簧管的截面均做成非圆形，如椭圆形和扁圆形。管的一端密封，一端开口。当管内通以被测流体时，在压力的作用下，管的截面力图变为圆形，但由于管的外表面和内表面的长度都不会改变，这样势必会使管的自由端产生位移。自由端位移与作用压力在一定范围内呈线性关系。

2.膜片

膜片是用弹性材料制成的圆形薄片，主要形式有平膜片、波形膜片和悬链式膜片。应用时，膜片的边缘刚性固定，在压力作用下，膜片的中心位移和膜片的应变在小变位时均与压力近似地成正比。两个膜片边缘对焊起来，构成膜盒；几个膜盒连接起来，可以构成膜盒组以增大输出位移。

3. 波纹管

图9-67 弹性压力敏感元件

波纹管是一种表面上有许多同心环状波纹的薄壁圆筒。波纹有单层和多层之分，波纹管有无缝和有缝两类。制造波纹管的材料为弹性比较好的合金材料，如磷青铜和铍青铜。波纹管作为压力敏感元件，使用时应将开口端焊接于固定基座上并将被测流体通入管内。在流体压力的作用下，密封的自由端会产生一定的位移。在波纹管弹性范围内，自由端的位移与作用压力呈线性关系。

二、常用压力传感器

1.膜片应变式压力传感器

图9-68（a）为平膜片应变式压力传感器示意图。它利用粘贴在平膜片表面的应变片，来感测膜片在流体压力作用下产生的局部应变。对于周边固定，一侧受均匀压力p作用的平膜片，其径向应变εr和切向应变εt的分布规律如图9-68（b）所示。由应变分布图可知，在膜片中心，切向应变与径向应变相等且取最大正值；在离膜片中心0.58R处，径向应变由正值转变为负值；在膜片边缘，径向应变达到最大负值，而切向应变为零。根据上述应变分布的特点，按图（a）来布置应变片，并接成全桥形式，则可得到最大的电量输出。

图9-68 膜片应变式压力传感器

（a）示意图；（b）应变分布图

图9-69 固态压阻式压力传感器

1—电缆；2—引线帽；3—外壳；4—绝缘支架；5—锁紧螺钉；6—杯状硅膜片；7—绝缘胶圈；8—基座

有一种特殊的膜片，它是用N型半导体材料单晶硅做成的硅片。利用集成电路工艺，按一定晶轴方向和应变规律，在硅片上的相应部位扩散一层P型杂质。这种导电P型层形成的条形或栅形电阻称为扩散型半导体应变片，它是利用压阻效应工作的。由于这种应变片与基底硅片互相渗透，紧密结合在一起，因此称为固态压阻式传感器。它可以根据需要制成杯形膜片和长方条形膜片等。

图9-69是固态压阻式压力传感器的结构示意图。它由外壳、基座、杯状硅膜片和引线等部分组成。由于采用了集成电路的扩散工艺，硅片的有效面积可以做得很小，直径甚至达到零点几毫米。这种传感器的频率响应特性好，灵敏度也高，可用来测量脉动频率达几十千赫的局部区域压力。由于半导体材料对温度的敏感性，采用这种传感器测量时应注意温度补偿。

2.压电式压力传感器

压电式压力传感器利用压电晶片作为力-电转换元件。按感知压力的方式，压力传感器可分为膜片式和活塞式两种。

图9-70所示为膜片式压电压力传感器。承压膜片受到的压力直接传送到压电晶片上，膜片还起到密封和产生预压的作用。压电式压力传感器可以测量几百帕到几百兆帕的压力；外形尺寸也可以做得很小，直径可小到几毫米。由于膜片质量很小，压电晶片的刚度很大，使传感器的固有频率高达100kHz以上，因此，此类传感器专门用于动态压力测量。为了提高传感器的灵敏度，压电晶片可以采用多片并联或串联的层叠结构。

压电式压力传感器可以配用电荷放大器，也可以配用电压放大器。在配用电压放大器时，中间应加入阻抗变换器。

图9-70 膜片式压电压力传感器

1、3—电极；2、8—绝缘层；4—压电晶片堆；5—膜片；6—顶压筒；7—壳体

图9-71 活塞式压电压力传感器

1—导线；2—壳体；3—砧盘；4—活塞；5—晶片

图9-71是活塞式压电压力传感器的结构示意图。测量时，传感器用螺纹旋在测孔上，流体压力通过活塞和砧盘作用在压电晶片上。

3.其他压力变送器

在工业生产中，对静态过程压力的监测和控制，广泛应用着各类压力变送器。与压力传感器一样，它们也是一种将压力转换为电量，能实现信号远传的装置。结构上，压力变送器通常由各种弹性元件和各种位移传感器组合而成。

图9-72 电阻式压力变送器(www.xing528.com)

1—传动机构；2—电刷；3—C形弹簧管

图9-72是一种电阻式压力变送器，它是在C形弹簧管压力表内附加一个滑线电阻而组成的。测量压力时，弹簧管的自由端移动，通过传动机构，一面带动指示指针转动，一面带动电刷在电阻器上滑行，使被测压力值的变化转换为电阻值的变化，并传至显示仪表。

图9-73是一种电感式压力变送器，它由C形弹簧管压力表和差动式电感传感器组成。弹簧管自由端的位移带动铁心在螺管线圈内移动，改变两个差动式线圈的自感，导致负载电阻输出电压的变化，从而反映被测压力的变化。

图9-73 电感式压力变送器

1—C形弹簧管；2—铁心

图9-74 霍尔式压力变送器

1—霍尔元件；2—磁铁；3—杠杆；4—顶杆；5—膜盒

霍尔式压力变送器的原理如图9-74所示。变送器由膜盒、顶杆、杠杆、霍尔元件、磁铁和恒定工作电源组成。霍尔元件固定在杠杆的一端，放在两对磁极相对的磁铁中间。当被测压力为零时，霍尔元件处在两磁极中间对称的位置上，由于霍尔元件两个半部通过的磁通量大小相等、方向相反，所以总的输出电势为零。当被测压力不为零时，膜盒的变形通过顶杆使杠杆产生位移，这时，霍尔元件偏离平衡位置，有电势输出。所产生的霍尔电势与压力成正比，霍尔电势的极性还可以反映压力的正、负。

测量压力差可以采用各种形式的差压变送器。图9-75是一种利用差动式变极距电容传感器原理的电容式差压变送器。被测压力p1、p2分别作用于左、右两片隔离膜片上，通过硅油将压力传送给测量膜片。测量膜片作为活动极板，在压差作用下向低压方向鼓起，从而导致与两个固定极板间的电容量一个增大、一个减小，测量差动电容的变化，即可得知差压的数值。图9-76是另一种膜片式差压变送器。当高压流体和低压流体分别进入高压腔和低压腔时，膜片在压差的作用下向低压腔移动，从而带动差动变压器的铁心移动，使两个次级线圈的感应电势发生变化，其差值与铁心位移成正比，因而也与压差成正比。

图9-75 电容式差压变送器

1—固定电极；2—测量膜片；3—隔离膜片；4—硅油；5—电容引出线

图9-76 膜片式差压变送器

1—铁心；2—膜片

以上介绍的是电测方法中使用的各种压力传感器和变送器，它们检测的压力信号可以远传，并通过动圈式指示仪表或电子电位差计显示压力值；也可以输送到控制装置，对压力变化过程实现自动控制。除此以外，工业生产中还大量应用着直接安装在工艺设备或管道上，直接显示和读取压力值的各类压力表，如各类液柱式压力计、各类指针显示的弹性压力表等。

三、压力测量装置使用中的几个问题

使用压力测量装置时，除了根据生产工艺对压力测量的要求、被测介质的性质、现场环境和经济适用等条件合理地选择测量装置的量程、精度、种类和型号外，还应注意以下使用中的问题。

1.压力传感器的安装问题

压力传感器在被测管道上的安装一般有图9-77所示的两种方式，即压力敏感元件与测压点周围壁面齐平的“齐平”安装方式和通过接管将介质引出的管道-容腔安装方式。这两种安装方式在测静态压力时，测量结果不会因安装方式不同而异。但在测动态压力时，对管道-容腔安装方式来说，在整个测量装置的动态特性中还应考虑管道和容腔的动态影响，如管道的频率特性、管道中介质的质量、管道的弹性、介质在管道和容腔中的能量损失和相位滞后等所带来的影响。

图9-77 传感器的安装方式

（a）“齐平”安装方式；（b）管道-容腔安装方式

1—膜片；2—管道；3—容腔

2.加速度影响的补偿问题

使用压电式压力传感器时，由于压电晶片本身有一定的质量，当被测体有振动时，就会产生与振动加速度对应的附加输出信号，使测量产生误差。为了消除加速度的影响，可以在传感器内部设置一附加质量和一组极性相反的补偿压电晶片，如图9-78所示。

3.压力测量装置的标定问题

压力是生产过程中的重要参数，也是一个安全指标，为了保证测量结果的准确性和确保安全生产，对压力测量装置应定期进行检查和标定。

图9-78 用附加质量补偿加速度的影响

图9-79 活塞式压力计示意图

1—砝码；2—托盘；3—活塞；4—油杯；5—被校压力表；6—手摇泵

压力测量装置的静态指标一般采用图9-79所示的活塞式压力计来进行标定。它是通过标准砝码的重力所产生的标准压力来对测量装置进行标定的，因此称为静重比较法。若已知活塞、托盘的质量m1（kg）、砝码的质量m2（kg）、活塞承压的有效面积A（m2）以及重力加速度g（m/s2），则产生的标准压力为

对压力测量装置的动态标定还必须借助于动态实验方法，即给测量装置输入一个脉冲、阶跃或正弦变化的压力源，然后测量其响应过程，从而得到输出和输入之间的动态关系。目前，使用最普遍的方法是阶跃压力信号输入法，产生阶跃压力信号的装置有快速阀门装置和激波管。快速阀门装置用于液体介质；激波管用于气体介质。各类阶跃压力信号发生装置的工作原理大致上相同，即当压力悬殊的两个容腔之间突然贯通时，在容积小的低压容腔内会得到一个压力基本恒定的阶跃信号，而被标定的传感器预先与低压容腔接通。