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1、压力测量,压力的 基本概念液柱式压力计 U型管压力计、单管压力计、斜管式微压计弹性式压力计 弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式 电气式压力测量 电容式压力压差变送器、霍尔压力变送器、压电式压力传感器、固体压阻式压力压差传感器压力检测仪表的选择,压力 垂直作用于物体表面上的力压强 垂直作用于单位面积物体表面上的力在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压力和压强。通常所说的压力实际上是指压强。压差 测量两个压力之差称压差表压力 压力仪表指示的压力值 缺省情况下，所说的压力值即指表压力 表压力可正可负，为负时其绝对值称为真空度。,概述,一、基本概念,帕(Pa)N/m2，国际单位兆帕(MPa)106Pa
2、工程大气压，kgf/cm2，98070 Pa 约等于一个大气压（1.013e+5 Pa)，“自来水压头是5公斤”，用的就是这个单位。mmH2O，9.81 PammHg，133 Pa,压力单位,二压力测量仪表的分类,1液柱式压力计2弹性式压力计3电气式压力计4活塞式压力计,液柱式压力计,分类U型管压力计单管压力计斜管式微压计特点：结构简单，使用方便，准确度比较高，常用于测量低压、负压、差压。缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损坏。,一U型管压力计,假设被测的介质为气体，可忽略被测介质的高度形成的静压值。根据流体静力学原理可得：,U型管内径一般为5-20mm，为了减少毛细现象，管子内径一般不少于1
3、0mm，,二单管式压力计,因为A1、A2为常数，这样可通过一次读数进行压差测量。当A2/A1很小时，h1可忽略，公式简化为：,Pd,Px,直管,h1,h2,三、斜管式微压计,P1,主要用于测量微小的压力、负压和压差。为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放置。,弹性式压力计一、概述,原理：弹性压力表是利用各种不同形状弹性感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变形制成的测压仪表特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远传常用弹性压力表：膜片（盒）式波纹管式弹簧管式,二弹性元件及其特性,1膜片式：使用时周边夹紧，测低压、微压。将两块膜片沿周边对焊起来，形成一
4、膜盒，膜盒式微压计通常用于测量炉膛和烟道尾部负压。精度等级为2.5，最高可达1.5级。,2波纹管：开口端固定，封闭端的位移作为输出，由于波纹管的位移相对较大，故灵敏度高，常用于测量较低的压力（1.0-106Pa）精度等级1.5级。,3弹簧管：单圈弹簧管 多圈弹簧管,二弹性元件及其特性,弹簧管压力计,弹簧管压力计,电气式压力检测,一电容式压力传感器：将弹性元件的位移转变成电信号。,运算放大器式电路,最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性,Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号,运算放大器式电路原理图,由运算放大器工作原理可知,结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。,电容式差
5、压/压力变送器,二压电式压力传感器,压电效应：压电材料在受压时会在其表面产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成正比。压电材料：单晶体，例如石英、酒石酸钾钠等 多晶体，例如压电陶瓷，在没有极化之前，因各单晶体的压电效应都互相抵消表现为电中性，为此必须对压电陶瓷先进行极化处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，为石英的几百倍。,二压电式压力传感器,特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，具有线性度高量程范围大等优点。缺点：但是由于产生的电荷量少，因此后续需加高阻抗的直流放大器。由于晶体边缘上存在漏电现象，因此不能用于稳态测量。,压电式压力传感器结构,二压电式压力传感器,三固体压阻式压力压差
6、传感器,原理：电阻的尺寸发生变化，例如电阻的长度、横截面积发生变化将引起电阻的变化。电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变化。分类：应变片：受压或受拉时，电阻的尺寸L、S 发生变化，引起电阻的变化。半导体扩散硅：在压力的作用下，电阻率发 生变化。通常半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高于应变片，大约为100倍。,公式：,应变效应的理论基础金属导体的电阻定律(线材),其全微分：,给出了总电阻的相对变化量与其它三个量的相对变化的关系。在力的作用下，L、A、均可发生变化。,1.应变式电阻传感器,材料的泊松比 与 dL/L、dA/A 在力的作用下的相互关系,得:,A=r 2,y,x,y,y,x,r,
7、dr,L,dL,e,m,m,e,e,e,e,=,-,=,=,=,则有,，,、径向应变为,设轴向应变为,K为灵敏系数,c 是一个与材料性质和加工方法有关的常数。,x,e,-,半导体材料的总电阻的相对变化与应变的关系为：,最后得到半导体应变电阻效应的灵敏系数：,*,讨论：一般材料=0.20.4、E=(0.12.1)1011N/m2、=(4080)10-11m2/N，所以：,由此可见半导体材料的应变电阻效应要更大些。,分类(按敏感栅的结构特点和构成材料进行分类),丝式箔式半导体式,电阻应变片的结构及工作方式基本结构,1-5,工作方式(工作原理),应变片在使用时，用粘合剂粘在试件表面，用来测量试件表面
8、的应变的。粘贴时需使栅丝的轴线沿应变方向。,注：当试件的应变方向不单一时，要使用多片。,1直流电桥法,当负载电阻R L时，输出电压U0,1-6,当负载电阻R L为有限值时的输出电压U0,实际使用中负载电阻R L虽然无法满足，但下式很容易满足：,此时输出电压U0仍可表示为：,电桥的平衡条件:这是我们熟知的：U0=0 R1R4-R2R3=0,电压灵敏度,根据电桥的平衡条件，在平衡条件下有：,应变片受应变作用，电桥从平衡状态开始，R 1 R 1+R 1，U0 为：,实际应用中，可用电阻应变片来代替R1，设桥臂比n:,(1)单臂电桥,(2)半桥差动电路,由于n=1 所以,输出U 0为纯线性，且灵敏度提
9、高了一倍。,1-7,(2)全桥电路,输出U 0为也纯线性，且灵敏度又提高了一倍。,1-8,4.应变式电阻传感器的应用,应变式压力传感器薄板式(膜片式)压力传感器 当流体的压强作用在薄板上，薄板就会产生形变(应变)，贴在另一侧的应变片随之形变(应变)，通过桥式等测量电路，可以测出与应变相对应的输出电压，从而得到压力的大小。,贴片位置,在t=r的两个半径处分别粘贴个于检测径向应变和切向应变的应变片，构成全差动电桥。,筒式应变压力传感器,性能特点：可用于高压测量。结构特点：圆柱盲孔，环向应变。,环向应变p,壁厚较薄时,以上两款压力传感器均是利用弹性元件将压力转变成应变，再用应变电阻（应变片）将这种应
10、变转变成电阻的变化，从而测得作用压力的大小。金属应变片的性能较为稳定，工艺也较为成熟，但比较复杂，贴片的工艺水平对性能的影响较大，输出较小。,固态压力传感器(1)结构 利用半导体扩散技术，在n型硅基底(硅杯的圆形膜片)上扩散出4个p型电阻，利用其压阻效应，构成敏感电桥，当压力作用在薄片上，通过桥式等测量电路，可以测出与应变相对应的输出电压，从而得到压力的大小。,(2)受压圆膜的应力分布,径向 切向,单晶体的轴向应力 单晶体的压阻系数(不是圆周率),压力检测仪表的选择与校验,一压力检测仪表的选择 测压范围，测试精度要求，被测介质的物理化学性质。,1.仪表量程选用为保证安全性，压力较稳定时，最大工
11、作压力不超过仪表量程的3/4，压力波动较大时，最大工作压力不超过仪表量程的2/3。为保证准确度，最小工作压力不低于满量程的1/3。,2仪表精度的选择,根据在测量时允许的最大测量误差选择仪表，可根据仪表的精度等级算出用该仪表测量可能引起的最大示值绝对误差。另外在选择仪表时不需一味追求高精度，只要满足测量精度要求即可。,弹簧管压力表量程和精度系列,我国目前弹簧管压力表量程系列，1,1.6,2.5,4.0,6.0kPa以及10n倍 精度系列，精密表 0.1,0.16,0.25,0.4 工业表 1.0,1.5,2.5,3被测介质的物理化学性质选择被测介质的性质，例如，氧气、乙炔都有专门的测量仪表，对腐蚀性介质要采用不锈钢或其他耐腐蚀的材料，使用环境。,
