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壓差計的感壓元件有哪些類型

更新時間:2025-09-22      瀏覽次數:50
壓差計的感壓元件是直接感知并轉換壓力差的核心部件,其類型決定了壓差計的測量原理、精度、適用場景及結構形式。根據核心工作原理,感壓元件主要分為流體靜力型彈性形變型電參數變化型三大類,每類下包含多種具體結構,適用于不同的壓力介質(氣體 / 液體)、壓差范圍及環(huán)境條件。

一、流體靜力型感壓元件(依賴流體靜壓力差)

這類元件利用 “靜止流體中,壓力差與介質高度差成正比" 的原理工作,無需復雜機械或電子結構,屬于最基礎的感壓形式,核心是 “通過流體的物理位移體現壓差"。

1. U 型管(含改良型)

  • 結構:一根 U 形的透明玻璃 / 塑料 tube,內部充有特定介質(如酒精、水銀、硅油等,密度根據測量范圍選擇),兩側管口分別連接兩個測量點(高壓端 P1、低壓端 P2)。

  • 工作原理:當 P1≠P2 時,兩側介質液面產生高度差 Δh,根據公式 ΔP = ρ×g×Δh(ρ 為介質密度,g 為重力加速度),通過 Δh 計算壓差。

  • 改良形式

    • 單管傾斜式:將一側管子改為傾斜狀,放大液面高度差,提升小壓差(如幾十 Pa)的測量精度。

    • 雙杯式:U 型管兩端連接大容量 “杯狀容器",減少因液面變化導致的杯內介質體積波動,適用于需要穩(wěn)定讀數的場景。

  • 適用場景:實驗室校準、 HVAC 風道靜壓測量、低壓氣體壓差(如潔凈室壓差),缺點是易碎、讀數依賴人工、不適用于振動環(huán)境。

二、彈性形變型感壓元件(依賴彈性材料形變)

這類元件的核心是具有彈性的金屬 / 非金屬材料,當兩側存在壓差時,材料會發(fā)生可恢復的形變(如彎曲、膨脹、收縮),通過形變的大小或位移量反映壓差。廣泛應用于機械型壓差計(如指針式),結構緊湊且可聯動機械傳動機構。

1. 膜片(Diaphragm)

  • 結構:圓形薄片(厚度 0.1-1mm),材質可選金屬(銅合金、不銹鋼、哈氏合金,耐高壓 / 腐蝕)或非金屬(橡膠、聚四氟乙烯,耐低壓 / 化學介質),邊緣固定,兩側分別接觸高壓和低壓介質。

  • 工作原理:壓差作用下,膜片向低壓側彎曲,產生與壓差成正比的 “撓度"(中心位移量),可直接推動指針(簡單結構)或帶動杠桿、齒輪組(放大位移,提升精度)。

  • 特點:響應速度快,適用于中低壓差(0-1MPa),常用于氣體、液體壓差測量,尤其適合需要防泄漏的場景(如密封容器壓差)。

2. 膜盒(Capsule)

  • 結構:由兩個金屬膜片(如黃銅)邊緣焊接而成,形成 “中空的扁圓形盒體",盒內通常抽成真空(或充入固定壓力的氣體),外側接觸測量介質。

  • 工作原理:當膜盒外側(高壓端)與內側(低壓端 / 真空)存在壓差時,膜盒會膨脹或收縮,帶動連接的連桿產生直線位移,進而驅動指針或記錄筆。

  • 特點:形變位移比單膜片更大,測量精度更高,適用于微低壓差(0-10kPa,如風道靜壓、爐膛負壓),缺點是耐高壓能力弱,通常只用于氣體測量。

3. 波紋管(Bellows)

  • 結構:金屬(不銹鋼、磷青銅)制成的 “折疊式管狀結構",類似 “可伸縮的手風琴",一端封閉,另一端開口(連接高壓介質),外側接觸低壓介質。

  • 工作原理:壓差推動波紋管沿軸向伸縮,產生線性位移,通過拉桿、彈簧等部件將位移轉化為機械信號。

  • 特點:位移量大(可達幾十毫米),適合中高壓差(10kPa-10MPa),可測量氣體、液體壓差,常用于工業(yè)管道、液壓系統(tǒng),但響應速度較慢(因伸縮行程長)。

三、電參數變化型感壓元件(依賴電信號轉換)

這類元件是電子型壓差計的核心,通過壓差導致元件的電學參數(電容、電阻、壓電效應等)變化,將物理形變轉化為可測量的電信號,精度高、易實現自動化,廣泛應用于工業(yè)控制、自動化系統(tǒng)。

1. 電容式壓差傳感器(最主流)

  • 結構:由兩個平行極板組成,一個為固定極板(與外殼連接),另一個為可動極板(與彈性膜片一體化),兩極板間形成電容。

  • 工作原理:壓差作用于彈性膜片,帶動可動極板靠近 / 遠離固定極板,導致兩極板間距變化,電容值(C = εS/(4πkd),ε 為介電常數,S 為極板面積,d 為間距)隨之改變。通過電路將電容變化轉化為電壓 / 電流信號(如 0-5V、4-20mA)。

  • 特點

    • 精度高(誤差 ±0.1% FS 以內)、線性度好;

    • 受溫度影響?。赏ㄟ^補償電路修正);

    • 適用于低至微壓(Pa 級)、高至中壓(MPa 級)的氣體 / 液體壓差,是 HVAC、醫(yī)療設備、工業(yè)自動化的shou選。

2. 壓阻式壓差傳感器

  • 結構:在硅片(半導體材料)上通過光刻、擴散工藝制作 4 個等值電阻,組成惠斯通電橋,硅片一側為高壓腔,另一側為低壓腔。

  • 工作原理:壓差導致硅片產生微小形變,使電橋中的電阻因 “壓阻效應"(半導體形變時電阻值變化)發(fā)生差異,電橋輸出與壓差成正比的電壓信號。

  • 特點

    • 響應速度極快(微秒級),適合動態(tài)壓差(如氣流脈動、液體沖擊);

    • 體積小巧(可集成微型芯片),但溫度漂移較大(需加溫度補償電路),常用于汽車、航空航天等場景。

3. 壓電式壓差傳感器

  • 結構:核心為壓電晶體(如石英、壓電陶瓷),兩側安裝電極,晶體一側承受高壓,另一側承受低壓。

  • 工作原理:壓差作用于壓電晶體,使其內部產生極化現象,表面出現等量正負電荷,形成電壓信號(僅在壓差變化時產生信號,靜態(tài)壓差下無輸出)。

  • 特點

    • 靈敏度ji高,可測量微小動態(tài)壓差(如聲波、氣流振動);

    • 無靜態(tài)輸出,不適用于穩(wěn)定壓差測量,主要用于聲學檢測、流體脈動監(jiān)測等領域。

四、各類感壓元件的核心差異與選型參考

為了更清晰地選擇適配場景,以下是不同類型感壓元件的關鍵參數對比:


感壓元件類型測量范圍精度等級適用介質核心優(yōu)勢典型應用場景
U 型管(流體靜力)0-100kPa±1%-5%FS氣體、中性液體結構簡單、成本低、無需供電實驗室校準、潔凈室壓差監(jiān)測
膜片(彈性形變)0-1MPa±0.5%-2%FS氣體、液體密封性好、響應較快密封容器壓差、液壓系統(tǒng)低壓段
膜盒(彈性形變)0-10kPa±0.2%-1%FS氣體(干燥)微壓差測量精度高風道靜壓、爐膛負壓
波紋管(彈性形變)10kPa-10MPa±0.2%-1%FS氣體、液體耐中高壓、位移量大工業(yè)管道、制冷系統(tǒng)
電容式(電參數)0-10MPa±0.1%-0.5%FS氣體、液體高精度、低溫度漂移HVAC 控制、醫(yī)療設備、精密測量
壓阻式(電參數)0-5MPa±0.1%-1%FS氣體、液體響應快、體積小汽車進氣歧管、動態(tài)流體監(jiān)測
壓電式(電參數)動態(tài)壓差-(側重靈敏度)氣體、液體高靈敏度、快速響應聲學檢測、氣流脈動監(jiān)測

總結

感壓元件的選型本質是匹配測量需求


  • 若需低成本、非自動化測量(如人工巡檢),優(yōu)先選流體靜力型(U 型管)彈性形變型(膜片 / 膜盒);

  • 若需高精度、自動化控制(如工業(yè) PLC 系統(tǒng)),shou選電容式電參數感壓元件;

  • 若需測量動態(tài)壓差(如流體沖擊、振動),則選擇壓阻式壓電式;

  • 若測量介質為腐蝕性液體 / 氣體,需重點關注感壓元件材質(如聚四氟乙烯膜片、哈氏合金波紋管)



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