常用压力检测仪表，安全生产信息化技术解析

1.弹性压力计

弹性压力的组成一般包括以下几个主要环节，具体组成如图3-19所示。

图3-19 弹性压力计的组成图

1）弹性元件是弹性压力计的核心部分，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进行选择和设计。

2）变换放大机构位于弹性元件和指示机构之间，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大。

3）指示机构，如指针、刻度标尺，用于给出压力示值。

4）调整机构用于调整仪表的零点和量程。

弹性元件的主要形式有以下几种：

1）弹性膜片。这是一种外缘固定的圆形片状弹性元件，膜片的弹性特性一般由中心位移与压力的关系表示。按剖面形状和特性，又分为平膜片、波纹膜片和挠性膜片3种，其中平膜片的使用位移很小，弹性特性有良好的线性关系；波纹膜片是压有环状同心波纹的圆膜片，波纹形状有正弦形、锯齿形、梯形等，其位移与压力关系由波纹的形状、深度和波纹数确定，为了测量微小压力，还可以制成膜盒，以增大膜片的位移；挠性膜片仅作为隔离膜片使用，要与测力弹簧配用。

2）波纹管。波纹管由整片弹性材料加工而成，是一种壁面具有多个同心环状波纹、一端封闭的薄壁圆管。波纹管的开口端固定，由此引入被测压力，在其内腔及周围介质的压差作用下，封闭管将产生位移，此位移与压力在一定的范围内呈线性关系。使用时一般要应用在线性段，也可以在波纹管内加螺旋弹簧以改善特性。用波纹管作为弹性元件的压力计，一般用于测量低压或压差。

3）弹簧管。弹簧管是一根弯成圆弧状的、具有不等截面的金属管。常见的不等截面是扁圆或椭圆，弹簧管的一端封闭并处于自由状态为自由端，另一端为固定端。被测压力由固定端通入弹簧管内腔，在压力作用下，弹簧管有变圆的趋向，弹簧管也随之产生向外伸直的变形，从而引起自由端位移，自由端的位移量与所加压力有关，可以由此得知被测压力的大小。单圈弹簧管中心角一般是270°，为了给自由端增加位移量，可以做成多圈弹簧管形式。

各种弹性元件组成了多种形式的弹性压力计，如弹簧管压力计、波纹管压力计和膜盒式压力计，它们通过各种传动放大机构直接指示被测压力值，属于直读式测压仪表。

2.压力传感器

能够检测压力值，并提供远传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，可以满足安全检测系统集中检测与控制的要求，在工业安全检测中得到广泛应用。压力传感器的结构形式多种多样，常见的形式有应变式、压阻式、压电式、电容式、振频式等，此外还有光电式、光纤式、超声式等。

（1）应变式压力传感器

各种应变元件与弹性元件配用，组成应变式压力传感器。应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化，其电阻值的相对变化与应变有如下关系：

式中，ε为材料的应变；K为材料的电阻应变系数。金属材料的K值为2～6，半导体材料的K值可达60～180。

应变元件可做成丝状、片状或体状，应变丝或应变片与弹性元件的装配可以采用粘贴式或非粘贴式，在弹性元件受压变形的同时应变元件也发生变化，其电阻值将有相应的改变。粘贴式压力计通常采用4个特性相同的应变元件，粘贴在弹性元件的适当位置，并分别接入电桥的4个臂，则电桥输出的信号可以反映被测压力的大小。为了提高测量灵敏度，通常使相对桥臂的两对应变元件分别处于接受拉应力和压应力的位置上。应变式压力传感器所用的弹性元件可以根据被测介质和测量范围的不同采用各种形式，常用的有圆膜片、弹性梁、应变筒等。各类应变式压力传感器的精度均较高，测量范围可达几百兆帕。

（2）压阻式压力传感器

压阻式压力传感器基于半导体的压阻效应，它不同于应变式压力传感器所用的丝状、片状或体状应变元件，而是用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定的晶向制成扩散压敏电阻，硅平膜片在微小变形时有良好的特性。当硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化，其相对电阻变化可表示为：

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式中，π_e为压阻系数；σ为应力。

硅平膜片的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。

压阻式压力传感器的灵敏度高，频率响应高；结构比较简单，可以小型化；可用于静态、动态压力的测量；应用广泛，测量范围在0～0.0005MPa、0～0.002MPa至0～210MPa；其精确度为±0.2%～±0.02%。

（3）电容式压力传感器

电容式压力传感器的测量原理是将弹性元件的位移转化为电容量的变化，以测压膜片为电容的可动极板，它与固定极板组成可变电容。当被测压力变化时，测压膜片产生位移而改变两极板间的距离，测量相应的电容量变化，可知被测压力值。

对于差动平板电容器，其电容相对变化与极间距离变化的关系可以表示为：

式中，C₀为初始电容值；d₀为极板间初始距离；Δd为极板距离变化值。

此电容的变化经过适当的转换电路，可以输出标准电信号（4～20mA）。这种传感器结构坚实，灵敏度高，过载能力大；精确度高，可达±0.25%～±0.05%，可以测量压力和压差，仪表测量范围为0～0.00001MPa至0～70MPa。

（4）振频式压力传感器

振频式压力传感器利用感压元件本身的谐振频率与压力关系，通过测量频率信号的变化来检测压力，这类传感器有振筒、振弦、振膜、石英谐振等多种形式。

此种仪表体积小，输出频率信号，重复性好，耐振；精确度高，为±0.1%和±0.01%，测量范围为0～0.014MPa至0～50MPa；适用于气体测量。

（5）压电式压力传感器

压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的，它是动态压力检测中常用的传感器，不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。

由压电材料制成的压电元件受到压力作用时将产生电荷，当外力去除后电荷将消失，在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间呈线性关系，电荷输出为：

q=kSp （3-17）

式中，q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。测量电荷量可知被测压力大小。

压电式压力传感器体积小，结构简单，工作可靠；频率响应高，不需要外加电源；测量范围为0～0.0007MPa至0～70MPa；测量精确度为±1%，±0.2%，±0.06%。但是其输出阻抗高，需要特殊信号传输导线；温度效应较大。

（6）集成式压力传感器

采用微机械加工技术与微电子集成工艺相结合的新型结构形式，发展了集成化的传感器，进而可以形成各种智能型仪表。

以压阻式压力传感器为基础的集成传感器已有产品生产，它可以同时检测差压、静压、温度3个参数。在此基础上，以半导体材料为基础，利用微机械和微电子加工技术，又开发出微电容式、微谐振式等形式的压力传感器，具有重量轻、功耗低、响应快和便于集成化的特点，各种新型压力传感器都具有良好的发展前景。