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1、压力和液位传感器测量实验一、实验目的 1. 了解压力传感器和液位传感器的工作原理和结构 2. 学习如何安装和使用压力传感器、液位传感器 3. 学习如何测定和校正传感器的量程曲线 4. 学习传感器、数字转换仪表的连接和参数设置 5. 学习用液位计和电磁阀一起控制液位的原理及应用 二、实验装置及试剂 压力传感器一台，液位传感器一台，直流电源，数字显示仪表，高位槽，低位槽，电磁阀三、实验原理 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业过程的测量和自控包括石油、化工、航空、制药、环境等不同的行业和过程，按照不同的类型，还可以有用来测量液体或气体压力的，测量物体重量的，测量流体压差
2、的和物体的位移量。也可以分别叫做压力传感器、重量传感器、液位传感器和差压传感器等名称，下本实验简单介绍一些常用传感器原理及其应用。 实验装置为一个透明的有机玻璃塔，也可以作为一个液体罐。在塔体的下部，安装有压力传感器，通过改变液体的高度，或者气体的压力，都可以造成系统压力的变化，可以用来测量塔内液体水产生的压力，并显示在数字仪表上。该数据也可以直接连接到计算机上，实现在线监控和采集。 在塔的上、下部位，安装有液位传感器，用来测量液体的位差。本实验中液体是水，不管液体上方的气体压力如何变化，液位传感器只是测量上下两个测量口之间的压力差。 液位传感器除了测量水的液位，还可以用来控制液位。本实验就采
3、用液位传感器，控制一个电磁阀。先从仪表设定一个需要控制的液位高度，当传感器测量到的高度超过这个设定值时，仪表会输出一个信号，控制电磁阀的打开，让塔内的液体排出。当液位低于设定的数值时，仪表会停止控制信号的输出，电磁阀处于关闭的状态，这样，就能保持塔内的液位，处在一个固定的范围内波动。传感器测量原理： 压力传感器的种类繁多，有压阻式压力传感器、电容式压力传感器、半导体应变片压力传感器电、感式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。压阻式压力传感器： 通常是将电阻膜片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在一个固定
4、基体上， 当基体受力发生应力变化时，膜片的电阻值也发生相应的改变，如果电路中有一个恒流源，从而使加在电阻上的电压发生变化。通过用电桥放大后测量该电压值，就可以知道施加到膜片上的压力值。 电阻膜片应用最多的是金属电阻膜片和半导体膜片两种。金属电阻膜片又分丝状膜片和金属箔状片两种。 金属电阻膜片是利用吸附在基体材料上金属丝或金属箔，受应力变化时，电阻发生变化的特性来测量的。应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。 陶瓷电阻膜片没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，陶瓷电阻膜片的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温
5、度范围高达-40 135 ，而且具有测量的高精度、高稳定性。在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向。 扩散硅的原理，是利用被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化。 电容式压力传感器：将膜片和基片构成一个腔体，待测压力使得陶瓷膜片弯曲情形，如此就能改变组件的电容量，借着加入必须的电子电路，尽可能将此变形与压力之变化互成关系。因此电容量的变化即比例于压力的变化。 半导体压力传感器：此种装置也是应用压电效应与电桥
6、电阻形式获得量测结果，在硅支撑物上利用扩散的方法，用以产生膜片，包含电桥电阻的单元以静电处理固定在支撑玻璃上。所以，它就与外界形成机械性的隔离。当硅质膜片偏向时，电桥的输出就随着改变。 采用硅- 蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 以内），因此，利用硅- 蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅- 蓝宝石半导体敏感元件，无p-n 漂移，因此，从根本上简化了制造工
7、艺，提高了重复性，确保了高成品率。可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。 压电式压力传感器： 这种转换器的工作原理是利用材料的压电效应， 当该材料收到一定压力变化时，会在材料两端产生电压。压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度
8、和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。 现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT 、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用 的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的
9、特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用。传感器接线原理：对于压力传感器，信号的输出可以分成三线制和二线制两种方式。一般三线制信号输出通常是电压信号，而电流信号的输出一般为两线制。当压力传感器接受到不同的压力时，元件会发生电阻或电压的变化。当在元件的两端接上一个直流电压时，也就是通常的电源，那么在回路中，就会产生对应力的电流。如果把这个电流通过一个电阻，那么电阻两端就会产生一个固定的电压。该电流或电压值，随压力的变化而变化，得到了准确的电压或电流值，就可以反算出元件承受的压力。 在三线制方式，通常一根是电源的正极，用红线表示，一根是电源的负极
10、，一般用蓝色或绿色的线连接，第三根是信号线的正极，一般是黄色线，信号线的负极和电源的负极，是同一根线。比如，一个三线制的压力传感器，电源电压为4V，压力测量的范围是0.00-0.10MPa，信号输出范围是 0-5V，则当信号电压为 1V 时，压力为0.02MPa。在二线制方式，通常一根是电源的正极，用红线表示，一根是电源的负极，一般用蓝色或绿色的线连接，当压力发生变化时，该回路中的电流就发生相应的变化，一般是在回路中接一个电阻，再把电阻两端的直流电压引出来测量。当然，也可以直接测量电路中的电流。 比如，一个二线制的压力传感器，电源电压为24V，压力测量的范围是0.00-0.10MPa，信号输出
11、范围是0-20MA，则当回路中电流测量值为10MA时，系统的压力为0.05MPa。 本实验中，采用水的变化来引起压力和压差的变化，用压力传感器来测量气体或液体的压力，用差压传感器来测量液位的差别，也就是液体高度。 实验采用水为实验物系，水可以连续的加入到一个透明的有机玻璃塔中，该塔也可以代表一个液体罐。当液位不同时，压力传感器测量到的压力不同，同样液位传感器测量的数值也不同。通过不断的改变液体的高度，就可以按照下式（1）、（2）计算出压力和液位值：液体压力=H（液体高度）+液体上方气体压力（液柱高度） （1） 液位值=低点的（液体高度）+液体上方气体压力（液柱高度）-高点的（液体高度）+液体上
12、方气体压力（液柱高度） （2） 也可以改变液体上方的气体压力，来观察压力传感器和液位传感器的数值变化。 除了用来测量压力和液位以外，该装置可以用来控制液体的高度。当液位传感器测量的液体高度，大于仪表设定好的控制值时，仪表会驱动电磁阀打开，让液体流到下面的罐中，当塔内液体小于要求的高度时，电磁阀会自动关闭。 四、实验步骤 1. 检查实验装置的仪器和设备，是否完好。2. 将水管连接到水龙头上，并连接到有机玻璃塔的进口，检查是否漏水，水能否流入到塔内。3. 检查压力传感器、液位传感器连线是否正确，并按照实验原理和仪表说明书，将信号，电源线连接好。 4. 连接完成后，让指导教师检查。待老师确认后，可以
13、开始实验。 5. 按照仪表的操作说明，和传感器的量程说明，设定好仪表的输入上下限。 6. 改变液体的高度，每次改变 10 厘米水柱，分别记录压力传感器的数值和液位传感器的数值，记录液体的温度。五、实验数据记录表2原始数据整理表（原始数据记录见实验报告尾）序号实验时间压力显示值MPa液位显示值/m液体高度/m液体温度111：230.70.067022.2211：231.10.0450.094021.9311：242.10.1450.197022.1411：253.20.2520.307022.4511：274.10.3430.400022.4611：285.10.4350.495022.7711
14、：306.00.5260.588022.8811：327.10.6310.69622.9911：358.00.7220.790022.91011：378.80.8000.872022.91111：377.70.6990.766022.91211：376.80.6020.669022.91311：375.70.5010.565522.91411：394.80.4040.463522.81511：403.80.3140.371522.81611：412.80.2150.270522.81711：421.90.1250.176522.91811：440.90.0240.074923.01911：450.7-0.054023.4六、实验数据处理：1. 压力传感器测量校正曲线： 把压力传感器测量的数值和用水的高度换算的数值，在直角坐标上作图，X轴为压力传感器测量的实际数值，Y轴为用水的密度、温度和高度换算出的水压力，这些点可以连接成一条直线，以后只要根据仪表读数，就可以知道真实的压力了。查得不同温度下水的密度如下表所示：表3 不同温度下水的密度温度（）22.221.922.122.422.722.822.923.023.4密度（Kg/m3）997.724997.792997.970 9
