1．液柱式壓力計
應(yīng)用液柱測量壓力的方法是以流體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。一般是采用充有水或水銀等液體的玻璃u形管、單管或斜管進行壓力測量的，其結(jié)構(gòu)形式如圖3-2所示。
（1）u形管壓力計
圖1（a）所示的u形管是用來測量壓力和壓差的儀表。在u形管兩端接入不同壓力p1，和p2時，根據(jù)流體靜力平衡原理可知，u形管兩邊管內(nèi)液柱差危與被測壓力p1和p2的關(guān)系為
（1）
式中，a為u形管內(nèi)孔截面積；ρ為u形管內(nèi)工作液的密度；g為重力加速度。
由上式可求得兩壓力的差值△p或在已知一個壓力的情況下（例如壓力p2），求出另一壓力值。
（2）
可見u形管內(nèi)的液柱差h與被測壓差或壓力成正比，因此被測壓差或壓力可以用工作液高度h的大小來表示。
圖1 液柱式壓力計
（2）單管壓力計
u形管壓力計中h需兩次讀數(shù)，讀數(shù)誤差較大。為了減小讀數(shù)誤差，可以采用單管壓力計。
單管壓力計如圖1（b）所示，它相當(dāng)于將u形管的一端換成一個大直徑的容器，測壓原理與u形管相同。當(dāng)大容器一側(cè)通入被測壓力pl，管一側(cè)通入大氣壓p2時，滿足下列關(guān)系
（3）
式中，h為兩液面的高度差；hl為玻璃管內(nèi)液面上升高度；h2為大容器內(nèi)液面下降高度；d為玻璃管直徑；d為大容器直徑。由于d>>d，故d2／d2可以忽略不計，即h2的變化可以忽略不計，故，式（3）可寫成
（4）
管內(nèi)工作液面上升的高度h即可表示被測壓力的大小。
（3）斜管壓力計
用u形管或單管壓力計來測量微小的壓力時，因為液柱高度變化很小，讀數(shù)困難，為了提高靈敏度，減小誤差，可將單管壓力計的玻璃管制成斜管，如圖1（c）所示。大容器通入被測壓力p1，斜管通大氣壓力p2，則△p與液柱之間的關(guān)系仍然與式（4）相同，
?。?）
式中，l為斜管內(nèi)液柱的長度；α為斜管傾斜角。
由于l>h，所以斜管壓力計比單管壓力計更靈敏，可以提高測量精度。
2．彈性壓力計
當(dāng)被測壓力作用于彈性元件時，彈性元件便產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形（即機械位移）。根據(jù)變形量的大小，可以測得被測壓力的數(shù)值。
彈性壓力計的組成如圖2所示。彈性元件是核心部分，其作用是感受壓力并產(chǎn)生彈性變形，彈性元件采用何種形式要根據(jù)測量要求選擇和設(shè)計；在彈性元件與指示機構(gòu)之間是變換放大機構(gòu)，其作用是將彈性元件的變形進行變換和放大；指示機構(gòu)（如指針與刻度標(biāo)尺）用于給出壓力示值；調(diào)整機構(gòu)用于調(diào)整零點和量程。
圖2 彈性壓力計組成框圖
（1）彈性元件
同樣的壓力下，不同結(jié)構(gòu)、不同材料的彈性元件會產(chǎn)生不同的彈性變形。常用的彈性元件有彈簧管、波紋管、薄膜等，如表1所示。其中波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓或真空度的測量。
表1 彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性（點擊下圖）
彈性元件常用的材料有銅合金、彈性合金、不銹鋼等，各適用于不同的測壓范圍和被測介質(zhì)。近來半導(dǎo)體硅材料得到了更多的應(yīng)用。各種彈性元件組成了多種型式的彈性壓力計，它們通過各種傳動放大機構(gòu)直接指示被測壓力值。這類直讀式測壓儀表有彈簧管壓力計、波紋管差壓計、膜盒式壓力計等。
（2）彈簧管壓力計
彈簧管式壓力計是工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用很廣泛的一種直讀式測壓儀表，以單圈彈簧管結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多。其一般結(jié)構(gòu)如圖3所示。
被測壓力由接口引入，使彈簧管自由端產(chǎn)生位移，通過拉桿使扇形齒輪逆時針偏轉(zhuǎn)，并帶動嚙合的中心齒輪轉(zhuǎn)動，與中心齒輪同軸的指針將同時順時針偏轉(zhuǎn)，并在面板的刻度標(biāo)尺上指示出被測壓力值。通過調(diào)整螺釘可以改變拉桿與扇形齒輪的接合點位置，從而改變放大比，調(diào)整儀表的量程。轉(zhuǎn)動軸上裝有游絲，用以消除兩個齒輪嚙合的間隙，減小儀表的變差。直接改變指針套在轉(zhuǎn)動軸上的角度，就可以調(diào)整儀表的機械零點。
彈簧管壓力計結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉，測壓范圍寬，應(yīng)用十分廣泛。一般彈簧管壓力計的測壓范圍為-105～109pa，精度最高可達±0.1％。
（3）彈性壓力計信號遠傳方式
彈性壓力計可以在現(xiàn)場指示，但是許多情況下要求將信號遠傳至控制室。一般可以在已有的彈性壓力計結(jié)構(gòu)上增加轉(zhuǎn)換部件，實現(xiàn)信號的遠距離傳送。彈性壓力計信號多采用電遠傳方式，即把彈性元件的變形或位移轉(zhuǎn)換為電信號輸出。常見的轉(zhuǎn)換方式有電位計式、霍爾元件式、電感式、差動變壓器式等，圖4給出兩種電遠傳彈性壓力計結(jié)構(gòu)原理。
圖3 彈簧管壓力計結(jié)構(gòu)
1-彈簧管；2-連桿；3-扇形齒輪；4-底座；5-中心齒輪；6-游絲；7-表盤；8-指針；9-接頭；10-橫斷面；11一靈敏度調(diào)整槽
（a）電位器式（b）霍爾元件式
圖4 彈性壓力計信號電遠傳方式原理
圖4（a）為電位器式，在彈性元件的自由端處安裝滑線電位器，滑線電位器的滑動觸點與自由端連接并隨之移動，自由端的位移就轉(zhuǎn)換為電位器的電信號輸出。這種遠傳方法比較簡單，可以有很好的線性輸出，但是滑線電位器的結(jié)構(gòu)可靠性較差。
圖4（b）為霍爾元件式，其轉(zhuǎn)換原理基于半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)。由半導(dǎo)體材料制成的片狀霍爾元件固定在彈性元件的自由端，并處于兩對磁場方向相反的磁極組件構(gòu)成的線性不均勻磁場的間隙中。霍爾元件被自由端帶動在不均勻磁場中移動時，將感受不同的磁場強度。若在霍爾元件的兩端通以恒定電流，則在垂直于磁場和電流方向的另兩側(cè)將產(chǎn)生霍爾電勢，此輸出電勢即對應(yīng)于自由端位移，從而給出被測壓力值。這種儀表結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，壽命長，但對外部磁場敏感，耐振性差。
3．力平衡式壓力計
力平衡式壓力計采用反饋力平衡的原理，反饋力的平衡方式可以是彈性力平衡或電磁力平衡等。力平衡式壓力計的基本構(gòu)成如圖5所示，被測壓力或壓差作用于彈性敏感元件上，彈性敏感元件感受壓力作用并將其轉(zhuǎn)換為位移或力，并作用于力平衡系統(tǒng)，力平衡系統(tǒng)受力后將偏離原有的平衡狀態(tài)；由偏差檢測器輸出偏差值至放大器；放大器將信號放大并輸出電流（或電壓）信號，電流信號控制反饋力或力矩發(fā)生機構(gòu)，使之產(chǎn)生反饋力；當(dāng)反饋力與作用力平衡時，儀表處于新的平衡狀態(tài)；顯示機構(gòu)可輸出與被測壓力或壓差相對應(yīng)的信號。
圖5 力平衡式壓力計的基本框圖
圖6是一種彈性力平衡式壓力測量系統(tǒng)的原理示意圖。它由彈性敏感元件（測壓波紋管）、杠桿、差動電容變換器、伺服放大器a、伺服電機m、減速器和反饋彈簧等元部件組成。
被測壓力p1、p2分別導(dǎo)入波紋管和密封殼體內(nèi)，測壓波紋管將壓力差轉(zhuǎn)換為集中力fp使杠桿轉(zhuǎn)動，差動電容變換器的動極片偏離零位，電橋輸出電壓uc，其幅值與杠桿的轉(zhuǎn)角成比例，而相位與杠桿偏轉(zhuǎn)的方向（即壓力差的方向） 相對應(yīng)。電壓uc經(jīng)伺服放大器放大后，驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速器后，一方面帶動輸出軸轉(zhuǎn)動，指示出杠桿轉(zhuǎn)角的大??；另一方面使螺栓轉(zhuǎn)動，從而壓縮和拉長反饋彈簧（螺栓使彈簧產(chǎn)生的位移量為x），改變反饋彈簧施加在杠桿上的力fxs。當(dāng)集中力fp產(chǎn)生的力矩與反饋力fxs產(chǎn)生的力矩相平衡時，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。由于反饋力fxs與壓力差△p=p1-p2產(chǎn)生的集中力fp成比例，則彈簧的位移x與壓力差△p所產(chǎn)生的集中力fp成比例，故輸出軸轉(zhuǎn)角β與壓力差△p成比例。
圖6 彈性力平衡式壓力測量系統(tǒng)的原理
4．壓力傳感器
能夠測量壓力并提供遠傳電信號的裝置統(tǒng)稱為壓力傳感器。壓力傳感器是壓力檢測儀表的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)型式多種多樣，常見的型式有應(yīng)變式、壓阻式、電容式、壓電式、振頻式壓力傳感器等。此外還有光電式、光纖式、超聲式壓力傳感器等。采用壓力傳感器可以直接將被測壓力變換成各種形式的電信號，便于滿足自動化系統(tǒng)集中檢測與控制的要求，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。
（1）應(yīng)變式壓力傳感器
應(yīng)變式壓力傳感器是一種通過測量各種彈性元件的應(yīng)變來間接測量壓力的傳感器。根據(jù)制作材料的不同，應(yīng)變元件可以分為金屬和半導(dǎo)體兩大類。應(yīng)變元件的工作原理基于導(dǎo)體和半導(dǎo)體的“應(yīng)變效應(yīng)”，即當(dāng)導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化。電阻值的相對變化與應(yīng)變有以下關(guān)系：
?。?）
式中，ε為材料的應(yīng)變；k為材料的電阻應(yīng)變系數(shù)，即單位應(yīng)變引起的電阻相對變化量。金屬材料的k值約為2～6，半導(dǎo)體材料的k值可達60～180。
金屬電阻應(yīng)變片主要有絲式應(yīng)變片和箔式應(yīng)變片兩種結(jié)構(gòu)。如圖7所示。
絲式應(yīng)變片由金屬絲柵（亦稱敏感柵）、基底、引線、保護膜等組成。敏感柵一般采用直徑0.015～0.05mm的金屬絲，用粘合劑固定在厚0.02～0.04mm的紙或膠膜基底上。引線是由直徑0.1～0.2mm低阻鍍錫銅線制成，用于將敏感柵與測量電路相連。
圖7 電阻應(yīng)受片結(jié)構(gòu)
箔式應(yīng)變片的敏感柵是用厚度為0.003～0.01mm的金屬箔經(jīng)光刻、腐蝕等工藝制成的。優(yōu)點是表面積與截面積之比大，散熱條件好，能承受較大電流和較高電壓，因而輸出靈敏度高，并可制成各種需要的形狀，便于大批量生產(chǎn)。由于上述優(yōu)點，它已逐漸取代絲式應(yīng)變式。
應(yīng)變片與彈性元件的裝配可以采用粘貼式或非粘貼式，在彈性元件受壓變形的同時應(yīng)變片亦發(fā)生應(yīng)變，其電阻值將有相應(yīng)的改變。粘貼式應(yīng)變壓力計可采用1、2或4個特性相同的應(yīng)變元件，粘貼在彈性元件的適當(dāng)位置上，并分別接入電橋的橋臂，則電橋輸出信號可以反映被測壓力的大小。（