压力液位传感器实验报告03

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，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、实验数据记录与处理

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：

由式子P=ρgh 计算求出不同液位时的真实压力值，其中g=9.8N/Kg 计算示例：T=17.3℃，h=10cm=0.1m时，密度为998.722千克每立方米，带入公式可得P=998.722×9.8×0.1=0.0009787Mpa ，由于1at=9.807×104Pa ，将压力测量值换算成兆帕单位，用同样的方法求得压力值如表2所示。 2. 液位传感器测量校正曲线：

把液位传感器测量的数值和用水的实际高度，在直角坐标上作图，X 轴为液位传感器测量的实际数值，Y 轴为水的实际测量高度，这些点可以连接成一条直线，以后只要根据仪表读数，就可以知道实际的液位高度。

将压力测量值（Mpa ）作为X 轴，真实压力作为Y 轴，做出如下压力校正曲线：

0.008

压力计算值/M P a

0.006

0.004

0.002

0.000

压力测量值/MPa

图一 压力校正曲线

将液位测量值（cm ）作为X 轴，液位实际高度（cm ）作为Y 轴，做出如下液位校正曲线：

液位实际高度(c m )

液位测量值(cm)

图2 液位校正曲线

六、实验结果及讨论

从压力传感器测量校正曲线可以看出，压力传感器校正曲线正向测量回归曲线方程为y=1.05604x－0.00198，R 2=0.99716，回测回归曲线为

y=1.063x－0.00207，R 2=0.99671，正向校正曲线与回测时压力传感器校正曲线基本重合，说明压力的测量值与实际值拟合程度较好，即压力传感器的误差较小。如果该压力传感器灵敏度较高，则在回放时，相同高度，压力显示值应相同，即校正曲线的拟合程度好，本实验回放曲线与原曲线存在较小偏差，可能是回放时液位读数存在一定误差，或者该传感器灵敏度精确度不是太高。 从液位传感器校正曲线可以看出，正向回归方程为y=1.00304x+0.22281，R 2=0.99987，回测回归曲线为y=1.00098x+0.20628，R 2=0.99991，说明正向校正曲线与回测时液位传感器曲线也是基本重合的，说明液位的测量值与实际值拟合程度较好，即液位传感器的误差较小，实验数据比较可靠。 七、实验问题回答

1. 压力传感器有哪几种主要测量原理？最少说明三种

答：（1）压阻式压力传感器测量原理：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。 （2）半导体压力传感器：种装置也是应用压电效应与电桥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。

（3）压电式压力传感器：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。

2. 液位传感器的安装有什么要求？测量原理是什么？

答：测量液位需在塔的上下测量端分别安装液位传感器，所测值即为测量口之间压力差。本实验测量液位选用的是压差式传感器。传感器通过一定的设计结构或按规定安装，当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，把压力前后相差的变化转换传感器内置压敏元件的变化，再把输出由压敏元件形变产生微弱信号。 3. 怎样使用压力校正曲线？用实验数据举例说明。

答：由压力回归曲线方程y=1.05604x－0.00198可知，当 实验测得一个压力值x=0.004609Mpa时，可由上述方程解得真实压力y=0.002887MPa 4 传感器的接线方式有那些？有什么应用区别？

答：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。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，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 。 5. 如何用液位传感器控制一个自动阀？

答：先从仪表设定一个需要控制的液面高度，当传感器测量到的高度超过（或低于）这个设定值时，仪表会输出一个信号，通过继电器的控制，控制阀门的开合，使塔内液面高度保持在一定范围内。