天津大学研究生新编化工新实验技术实验报告 压力和液位传感器测量实验.docx
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天津大学研究生新编化工新实验技术实验报告压力和液位传感器测量实验
化工专业实验报告
实验名称：
压力和液位传感器测量实验
实验人员：
同组人：
实验地点：
天大化工技术实验中心20-615室
实验时间：
2012年5月9日
班级/学号：
11级制药工程班30组号
指导教师：
郭红宇
实验成绩：
实验十一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，有机玻璃塔一个，螺丝刀两把，导线若干。
三、实验原理
1.传感器概述
⑴传感器的概念：
从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并按一定规律转化成可输用信号的器件或装置;简单说，就是将外界信号转化为电信号的装置。
⑵传感器的组成：
由敏感元件和转换器件两部分组成。
敏感元件感知外界信号的原理主要有：
①物理性质：
基于热、光、电、磁和声等物理效应；②化学类：
基于化学反应原理；③生物类：
基于酶、抗体和激素等分子的识别功能。
根据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件等。
⑶传感器的分类：
按测量原理分类：
物理传感器和化学传感器
按输入量分类：
压力传感器、位移传感器、液位传感器、重量传感器等
2.压力传感器:
⑴压力传感器的种类：
电压阻式压力传感器、电容式压力传感器、半导体应变片压力传感器、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。
⑵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。
⑶电容式压力传感器:
将膜片与基体构成一个腔体，待测压力使得陶瓷膜片弯曲变形，从而改变电容量，引起电路电流变化。
（4）半导体应变片压力传感器：
应用压电效应与电桥电阻形式获得测量结果。
在硅支撑物上理工扩散的方法，用以产生膜片。
当膜片偏向时，电桥的输出就随之改变。
（5）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。
实验装置为一个透明的有机玻璃塔。
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。
四、实验步骤
1.检查实验装置的仪器和设备，是否完好。
2.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。
3.连接完成后，让指导教师检查。
待老师确认后，可以开始实验。
4.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。
5.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？
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。
7.实验完成后，关闭仪表和电源，最后拆除线路。
表1：
压力-液位测量原始数据记录表
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
（摄氏度）
1
15:
52
0.0009
0.132
0.10
24.3
2
15:
54
0.0018
0.229
0.20
24.3
3
15:
55
0.0028
0.328
0.30
24.3
4
15:
57
0.0039
0.428
0.40
24.3
5
15:
58
0.0048
0.522
0.50
24.0
6
15:
59
0.0057
0.621
0.60
23.9
7
16:
00
0.0070
0.717
0.70
23.9
8
16:
01
0.0080
0.815
0.80
23.9
9
16:
02
0.0089
0.902
0.90
23.7
表2压力-液位数据回测原始记录表
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
（摄氏度）
1
16：
04
0.0089
0.881
0.90
23.7
2
16：
05
0.0078
0.792
0.80
23.8
3
16：
06
0.0070
0.691
0.70
24.0
4
16：
07
0.0059
0.593
0.60
24.0
5
16：
07
0.0050
0.499
0.50
24.0
6
16：
08
0.0037
0.399
0.40
24.1
7
16:
09
0.0029
0.298
0.30
24.1
8
16:
10
0.0019
0.205
0.20
24.2
9
16:
11
0.0009
0.107
0.10
24.2
五、实验数据计算及处理
压力传感器测量校正曲线：
由于压力大小与液面高度成正比，所以可以首先将初始液面高度和初始压力值分别校正为0m,其他液面高度和压力依次校正，其次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。
仪表设置：
Inp:
32;SCL:
0;SCH:
0.100
设g=9.8N/kg，24.1℃水的密度为997.27g/cm
，以第一组数据为例，计算如下。
压力计算公式；P=ρgh=997.27*9.8*0.10Pa=0.000977MPa
表3：
压力-液位传感器校正曲线表
序号
实验时间
压力显示值
（Mpa）
真实压力（MPa）
液位显示值
（m）
液体高度
（m）
液体温度
（摄氏度）
1
15:
52
0.0009
0.000977
0.132
0.10
24.1
2
15:
54
0.0018
0.001954
0.229
0.20
24.4
3
15:
55
0.0028
0.002931
0.328
0.30
24.4
4
15:
57
0.0039
0.003908
0.428
0.40
24.7
5
15:
58
0.0048
0.004885
0.522
0.50
24.8
6
15:
59
0.0057
0.005862
0.621
0.60
24.9
7
16:
00
0.0070
0.006839
0.717
0.70
24.9
8
16:
01
0.0080
0.007816
0.815
0.80
24.9
9
16:
02
0.0089
0.008739
0.902
0.90
24.9
表4压力-液位数据回测校正曲线表
序号
实验时间
压力显示值
（Mpa）
真实压力（MPa）
液位显示值
（m）
液体高度
（m）
液体温度
（摄氏度）
1
16：
04
0.0089
0.008739
0.881
0.90
23.7
2
16：
05
0.0078
0.007816
0.792
0.80
23.8
3
16：
06
0.0070
0.006839
0.691
0.70
24.0
4
16：
07
0.0059
0.005862
0.593
0.60
24.0
5
16：
07
0.0050
0.004885
0.499
0.50
24.0
6
16：
08
0.0037
0.003908
0.399
0.40
24.1
7
16:
09
0.0029
0.002931
0.298
0.30
24.1
8
16:
10
0.0019
0.001954
0.205
0.20
24.2
9
16:
11
0.0009
0.000977
0.107
0.10
24.2
根据实验数据绘制相应的曲线图如下：
压力传感器校正曲线图
压力传感器回测校正曲线图
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。
仪表设置：
Inp:
33;SCL:
0;SCH:
5.000
液位传感器回测校正曲线：
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斜率为0.959，R2为0.9989，回测时压力传感器校正曲线斜率为0.9707，R2为0.9988，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，液位传感器校正曲线斜率为1.0278，R2为0.9999，回放时液位传感器校正曲线斜率为1.0278，R2为0.9999，说明液位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，操作比较规范，认为造成的误差较小，实验数据比较可靠。
因此在数据不是过大或过小的测量范围可以利用校正的曲线，由显示值直接算出实际值。
七、实验问题与讨论
1.压力传感器有哪几种主要测量原理？
（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）电容式压力传感器:
将膜片与基体构成一个腔体，待测压力使得陶瓷膜片弯曲变形，从而改变电容量，引起电路电流变化。
（3）半导体应变片压力传感器：
应用压电效应与电桥电阻形式获得测量结果。
在硅支撑物上理工扩散的方法，用以产生膜片。
当膜片偏向时，电桥的输出就随之改变。
2.液位传感器的安装要求。
测量原理？
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.如何让传感器控制一个自动阀？
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。
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