热工测量及仪表-第5章-压力仪表.ppt

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1、第五章 压力测试技术,5.1 压力的力学测量方法5.2 压力的电学测量方法5.3 电阻应变式压力传感器5.4 压阻式压力传感器5.5 电感式压力传感器5.6 压电式压力传感器5.7 压力检测仪表的安装5.8 传感器的标定,格里克(Guericke),格里克是个博学多才的军人，从小就喜欢读书，爱好科学；莱比锡大学毕业1621年又到耶拿大学攻读法律；1623年，再到莱顿大学钻研数学和力学他1631年入伍，在军队中担任军械工程师，工作很出色后来，投身政界，1646年当选为马德堡市市长无论在军旅中，还是在市府内，都没停止科学探索,马德堡半球试验,概述,垂直作用在单位面积上的力称压力。在国际单位制（SI

2、）和我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。即1N的力垂直均匀作用在1m2的面积上所形成的压力值为1Pa。,:,表压（Gauge pressure）:相对于大气压力的差压。绝对压力和大气压力之间的差压,用符号Pg表示。正压力（Positive pressure）：绝对压力高于大气压力时的表压，简称正压。负压力（Negative pressure）：绝对压力低于大气压力时的表压，简称负压。真空度（Vacuum）：低于大气压力的绝对压力,用符号Pv表示，Pv=|Pg|。,绝对压力（Absolute pressure）:相对于绝对真空所测得的压力,用符号Pi表示。,几

3、种通用的非法定的压力计量单位,1 工程大气压（单位符号为：at）（kgf/cm2）1kg的力垂直作用在 1cm2面积上所形成的压力。,2 标准大气压（单位符号为：atm）最初规定在摄氏温度0、纬度45、晴天时海平面上的大气压强为标准大气压，其值大约相当于76厘米汞柱高。但是汞的密度大小受温度的影响。为了确保标准大气压是一个定值，1954年第十届国际计量大会决议声明，规定标准大气压值为1标准大气压101325牛顿米2，即为101325帕斯卡（Pa),4 约定毫米水柱（单位符号为：mmH2O）在标准重力加速度下，4时1mm高的水柱在1cm2的底面上所产生的压力。,3 约定毫米汞柱（单位符号为：mm

4、Hg）在标准重力加速度下，0时1mm高的水银柱在1cm2的底面上所产生的压力。,托里拆利用1米长一端封闭的玻璃柱做的实验，注满水银后倒立在水银槽内，水银的高度为760mm，如果是水，应该是10.336m,过去采用的压力单位“工程大气压力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“物理大气压”（atm）、“巴”（bar）、“PSI”等均应改成法定计量单位帕。1 kgf/cm2=0.9807105Pa1mmH2O=0.980710Pa1 mmHg=1.332102Pa1atm=1.01325105Pa1bar=105Pa 1PSI=6.89103Pa,PSI:磅/

5、平方英寸，换算关系：1公斤力/平方厘米=14.223磅/平方英寸=0.1MPa,Bar:1巴(bar)=100,000帕(Pa)=10牛顿/平方厘米,表压、绝对压力和负压（真空度）的关系,压力测量方法,一、力学测量方法：液体压力平衡、弹性力平衡二、电学测量方法：电位式、应变式、电容式、电感式、电涡流、压电式、压阻式,重力平衡方法：利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡。弹性力平衡方法：利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡。机械力平衡方法：将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡。物性测量方法：利用敏感元件将被测压力直接转换为各种电量

6、。,压力测量方法（续）,液体压力平衡利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来反映被测压力的大小优点：结构简单，使用方便，有相当高的准确度，在本专业中应用很广泛缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便,5.1 压力的力学测量方法,基本原理：流体静力学原理 一般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行压力测量的。,采用水银或水为工作液，用U形管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的检测被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量,一、U形管压力计,P=P1P2=g(h1+h2),提高工作液密度将增加

7、压力的测量范围，但灵敏度要降低。,静止液体的压力,流量孔板的压降,测速管,压力测量在气固两相流中的应用,完整的压力测量系统,二、单管压力计,由于U形管压力计需两次读取液面高度，为使用方便，设计出一次读取液面高度的单管压力计。,因 则 故 由于 Dd，所以 P=gh2,三、斜管微压计,主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。,由于Lh，所以斜管压力计比单管压力计更灵敏，可以提高测量精度,L斜管内液柱的长度；斜管倾斜角,倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液柱易冲散，读数较困难，误差增大。这种倾斜管液柱式压力计

8、可以测量到0.98Pa的微压。为了进一步提高微压计的精确度，应选用密度小的酒精作为工作液体。,5.1.2 弹性力平衡方法,用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压力测量仪表称为弹性式压力计。弹性元件受压后产生的形变输出（力或位移），可以通过传动机构直接带动指针指示压力（或压差），也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力（或压差）信号的远传。,基本原理：当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形(即机械位移)。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。,弹性压力计组成框图,弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大小与被测压力成正比关系。,常用的有弹簧管、波纹管、薄膜等。同样压力下

9、，不同结构、不同材料的弹性元件产生不同的弹性变形。波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高中低压或真空度测量。,（1）波纹管 是一种表面有许多同心环状波纹的薄壁圆筒。开口端焊接于固定基座上,并将流体通入管内，在流体压力作用下，密封的自由端会产生一定的位移。在弹性范围内，自由端的位移与作用压力成线性关系。,（2）波登管 是横截面为空心椭圆形或扁圆形的金属管。当管的固定端通入有一定压力的流体时，管内外的压力差(管外一般为大气压力)迫使管截面趋于圆形，这种变形导致波登管封闭的自由端产生线位移或角位移。,（3）弹簧管截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），并弯成圆弧状的空心管子一端为封闭

10、（自由端），一端为开口（固定端）,弹簧管压力计 弹簧管式压力计是工业生产上应用很广泛的一种直读式测压仪表，以单圈弹簧管结构应用最多。其一般结构如右图所示。被测压力弹簧管位移通过拉杆使扇形齿轮偏转啮合的中心齿轮转动指针同时偏转指示出被测压力。,弹簧管压力计结构1-弹簧管；2-连杆；3-扇形齿轮；4-底座；5-中心齿轮；6-游丝；7-表盘；8-指针；9-接头；10-横断面；11-灵敏度调整槽,弹簧管压力表结构简单，使用方便，价格低廉，使用范围广，测量范围宽可测负压、微压、低压、中压和高压精度有0.5、1.0、1.5、2.5等,（4）弹性压力计信号远传方式 弹性压力计结构上增加转换部件实现信号的远传

11、。多采用电远传方式，常见的转换方式有电位计式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式等。,(a)电位器式(b)霍尔元件式弹性压力计信号电远传方式原理,（5）力平衡式压力计 采用反馈力平衡的原理，反馈力的平衡方式可以是弹性力平衡或电磁力平衡等。,41,弹性力平衡式压力测量系统的原理示意图,弹性式压力计的误差,1迟滞误差 相同压力下，同一弹性元件正反行程的变形量不一样，产生迟滞误差。2后效误差 弹性元件的变形落后于被测压力的变化，引起弹性后效误差。3间隙误差 仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性元件的变形不可能完全对应，引起间隙误差。4摩擦误差 仪表的活动部件运动时，相互间存在摩擦力，产生摩擦误差。

12、5温度误差 环境温度的变化会引起金属材料弹性模量的变化，造成温度误差。,弹性式压力计误差的改善途径,1用无迟滞误差或迟滞误差极小的“全弹性”材料和温度误差很小的“恒弹性”材料制造弹性元件。2采用新的转换技术，减少或取消中间传动机构，以减少间隙误差和磨擦误差。3限制弹性元件的位移量，采用无干磨擦的弹性支承或磁悬浮支承等。4采用合适的制造工艺，使材料的优良性能得到充分的发挥。,压力仪表的校验,常用的校验仪表是活塞式压力计。,校验就是将被校压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示值，如果被校表对于标准表的读数误差不大于被校表的最大允许绝对误差时，则认为被校表合格。,1-油杯；2-针阀；3-进油

13、阀；4-油缸；5-活塞；6-砝码；7-托盘；8-联接螺母；9-导管；10-手摇油泵；11-水平调节螺钉；12-底盘,5.2 压力的电学测量方法,压力量的电测系统1.传感器；2.测量回路；3.记录或显示器,5.3 电阻应变式压力传感器,电阻应变测量系统电阻应变计传感元件；电阻应变仪转换部分，它将构件表面的应变转换为电阻值的相对变化，并将应变计电阻的相对变化(以电桥转换的方式)转换成电压或电流信号。记录仪器记录电阻应变仪的输出。,应变式压力传感器工作原理,应变片是基于应变效应工作的一种压力敏感元件，当应变片受外力作用产生形变时，应变片的电阻值也将发生相应变化。应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以

14、及相应的桥路组成的。,一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为 R=式中:电阻丝的电阻率;L电阻丝的长度;S 电阻丝的截面积。,应变效应:导体或半导体材料沿一定方向受力时,其 阻值将发生变化,这种现象称为应变效应。,工作原理,当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长L,横截面积相应减小S,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变,故引起电阻值相对变化量为,式中L/L是长度相对变化量,用应变表示,S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即,由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为,式中:电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。,通常把单位应变

15、能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。,灵敏度系数受两个因素影响:受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2）;受力后材料的电阻率发生的变化,即（/）/。对金属材料电阻丝来说,灵敏度系数表达式中（1+2）的值要比（/）/）大得多,而半导体材料的（/）/）项的值比（1+2）大得多。大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即K为常数。,用应变片测量应变或应力时,根据上述特点,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量R时,便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系,得到应力值为=E 式中:试件的

16、应力;试件的应变;E试件材料的弹性模量。由此可知,应力值正比于应变,而试件应变正比于电阻值的变化,所以应力正比于电阻值的变化,这就是利用应变片测量应变的基本原理。,电阻应变计测量特点,测量方法简单，价格低廉；灵敏度高，测量应变的灵敏度可达l微应变，即等于10-6mmmm，准确度可达12；频率响应好，可测量0500 000 Hz的动态应变,惯性极小；测量应变范围大，量程宽；可在高温(8001000)低温(-100-270)高压液(高达上万个大气压)、高速旋转(几千转几万转分)强磁场、核幅射等特殊条件下进行测量。输出为电信号。可远距离传输信号或用计算机控制，也可用无线电发报方式进行遥测。用电阻应变

17、计作为传感元件可制成各种传感器。用于测量力、压强、扭矩、加速度等物理量，应用广泛，应用于传感器的精度可达0.051。电阻应变式压力传感器就是众多电阻应变计中的一种。,应变式压力变换的类形(1)直接粘贴式变换应变片直接粘贴在弹性元件上，反映弹性元件的变形。,图3-21,(2)组合式变换电阻应变片不直接贴在弹性元件上，而是贴在由弹性元件所带动的弹性悬臂梁上。由弹性元件感受压力。,电阻应变式压力传感器（1）,结构原理压力使弹性敏感元件变形，导致敏感元件的电阻发生变化。通过电桥记录电信号的变化，达到测压的目的。分为粘贴式与非粘贴式两种；特点：结构简单，灵敏度高，量程宽，应用特殊场合。输出信号小，对环境

18、温度反应灵敏。,电阻应变片的种类,金属应变片组成,敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分,敏感栅是应变片的核心部分,它粘贴在绝缘的基片上,其上再粘贴起保护作用的覆盖层,两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。,金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。电阻丝应变片是用直径为0.020.04mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅网状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基片上，电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。,(a)丝式(b)箔式(c)半导体,1 敏感栅2 基底 3 引线 4 盖层 5 粘结剂6 电

19、极,(1)敏感栅应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。它通常由直径为0.0150.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。图中l表示栅长，b表示栅宽。其电阻值一般在100以上。(2)基底为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。应变计工作时，基底起着把试件应变准确地传递给敏感栅的作用。为此，基底必须很薄，一般为0.020.04mm。有用专门的薄纸制成的基片称为纸基。有用粘结剂和有机树脂薄膜制成的胶基。,(3)引线它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.10.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。(4)盖层用纸、胶作成

20、覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。(5)粘结剂在制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；在使用应变计时，用它把应变计基底再粘贴在试件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。,金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图所示。回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但其应变横向效应较大。短接式应变片两端用直径比栅线直径大510倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。,电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时 其电阻值将发生变化,F l、A、R,金属的电阻应变效应,电阻丝应变效应,

21、材料的纵向应变，即单位长度上的伸长量。横向应变与纵向应变的比值，称“泊松比”,高灵敏度系数电阻丝材料的要求,灵敏系数k0尽量大，以使变换器的输出大。灵敏系数k0在尽可能大的应变范围内是常数，即电阻变化与应变成线性关系.具有足够的热稳定性，电阻温度系数要小，以减少温度变化引起电阻变化所产生的误差。电阻率高。当要求应变片具有一定的电阻值时，使得线材的长度短，丝栅的尺寸小。具有优良的加工与焊接性能。,金属箔式应变片加工制作,它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.0030.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。如图。,优点：可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可做到0.2mm，以

22、适应不同的测量要求；与被测件粘贴结面积大；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；横向效应小。蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长,金属薄膜应变片,它是薄膜技术发展的产物。采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达197317缺点：难于控制电阻与温度和时间的变化关系。,(1)准备：试件在粘贴部位的表面，用砂布在与轴向成45的方向交叉打磨至Ra为6.3m清洗净打磨面划线，确定贴片坐标线均匀涂一薄层粘结剂作底；应变计外表和阻值检查刻划轴向标记清洗。(2)涂胶：在准备好的试件表面和应

23、变计基底上均匀涂一薄层粘结剂。,(3)贴片：将涂好胶的应变计与试件，按坐标线对准贴上用手指顺轴向滚压，去除气泡和多余胶液按固化条件固化处理。(4)复查：贴片偏差应在许可范围内；阻值变化应在测量仪器预调平范围内；引线和试件间的绝缘电阻应大于200M。,5)接线：根据工作条件选择好导线，然后通过中介接线片(柱)把应变计引线和导线焊接，并加以固定。6)防护：在安装好的应变计和引线上涂以中性凡士林油、石蜡(短期防潮)；或石蜡松香黄油的混合剂(长期防潮)；或环氧树脂、氯丁橡胶、清漆等(防机械划伤)作防护用，以保证应变计工作性能稳定可靠。,金属电阻应变片的典型结构,箔式应变片,电阻应变片的工作特性,1.应

24、变片灵敏度系数影响因素：电阻丝灵敏度系数、敏感栅尺寸、形状、粘结剂、基底、应变计粘贴位置及方向2.应变片的温度特性 温度变化 电阻丝与试件的线膨胀系数变化,电阻应变式压力传感器（2）,电阻应变片的温度效应：由温度变化引起的电阻变化；温度补偿方法：自补偿法；桥路补偿法：在电桥中加入补偿片，补偿温度变化引起的电阻偏差。电阻应变式压力传感器结构悬链膜-应变管式张丝式在火电厂的应用称重式给煤机汽车衡,桥路补偿法,应变式传感器的应用,一,应变式力传感器,柱（筒）式力传感器,应变片接线要求：,应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称粘贴多片。,应变片粘贴要求：,采用电桥连接方式，横向粘贴的应变片

25、起温度补偿的作用。,作为各种电子秤与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,柱面展开图,电桥连线图,环式力传感器,R2应变片所在的位置应力为零，故R2应变片起温度补偿作用。,应变式压力传感器,R1R4切向粘贴，R2R3在边缘处径向粘贴构成全桥电路,二,主要用来测量流动介质的动态和静态压力，如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等。,膜片式压力传感器,R1R4切向粘贴，R2R3在边缘处径向粘贴构成全桥电路,测量流动介质的动态和静态压力

26、，如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力,可以测量容器内储存的溶液重量及液位。,应变式容器内液体重量传感器,三,液位传感器,式中 A1、A2传感器的传输系数；g 重力加速度(m/s2)；被测溶液的密度(Kg/m3)。,溶液重量,式中 Q容器内感压膜上面溶液的重量(N)；D柱形容器的截面积(m2)。,投入式液位计,压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。,投入式液位计外形（续）,压阻式固态压力传感器,光柱 显示器,橡胶背压管,投入式液位传感器 投入式液位传感器安装方便，适应

27、于深度为 几米 至 几十米，且混有 大 量 污物、杂质的水或其他液体的液位测量。,应变式加速度传感器,四,工作原理：,物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反。,壳体内充满硅油调节阻尼系数,测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度 a 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，其上应变片发生形变，阻值变化，电桥不在平衡改变输出电压，即可测出加速度a。,测量原理,不适用于频率较高的振动和冲击场合，频率为1060Hz范围。,注意事项,汽车衡,汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）,汽车衡,汽车衡,汽车衡称重系统,称重式皮带给煤机,

28、1为电磁振动给料机；2物料；3秤架；4力敏荷重传感器5支点；6减速电机；7环行皮带；8料仓。,通过放大器将测得的毫伏信号放大，再送入调节器，与物料流量给定值进行比较后，通过控制装置去自动调节给料机的给料量。当实测流量低时，调节器使给料机增加给料量，直至实际流量与给定流量相等，调节器就保持不变，反之亦然。依次循环，达到物料连续计量与自动调节给料量的目的。,应变式力传感器,应变式力传感器,各种悬臂梁,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,F,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）

29、,F,F,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,人体秤,吊钩秤,便携式,应变式数显扭矩扳手,可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,压阻式固态 压力传感器 内部结构,信号处理电路,小型压阻式固态压力传感器,高压进气口,低压进气口,绝对压力传感器,小型压阻式固态压力传感器（续）,呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器,p1进气管,p2进气管,固态压力传感器,小型压阻式固态压力传感器（续）,表压压力传感器,p1进气管,材料应变

30、的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,5.4 压阻式压力传感器,压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件，它指在半导体材料的基片上用基成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单晶体硅膜片。,电阻的灵敏系数,对于半径为r的圆导体，A=r2，A/A=2r/r又由材料力学可知，在弹性范围内，,为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；为电阻丝材料的泊松比，横向应变与纵向应变的比值，称“泊松比”一般金属=0.30.5；为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量；,金属电阻的灵敏系数,材料的几何尺寸变化引起的材料

31、的电阻率随应变引起的（压阻效应）,金属材料：k0以前者为主，则k01+2=1.73.6半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定,压阻式压力传感器的测量特点,(1)结构简单，可微型化。有效面积的直径仅有零点几毫米或更小；(2)精度高。实际精度可达0.1-0.05，最高可达0.01。可靠性高，广泛用于宇航和航空工业中；(3)频率响应高。传感器本身的固有频率高，可达5 0-1 500 kHz。因此可以测几千赫几十千赫以上的脉动压力；(4)灵敏度高，其灵敏度系数比金属丝应变式压力传感器高50-1 00倍。分辨力高，可测仅有1-2 mm水柱的微压；(5)输出电平大，可达200 mV左右，有时可不加

32、放大器直接测量其输出信号。,压阻式压力传感器测量的主要缺点,压阻式压力传感器在测量中存在着测量较大应变时，存在非线性较严重及电阻和灵敏度系数的温度稳定性差的不足，因此必须找到有效、可靠的温度补偿措施。,r0，r、t达最大值,r=0.58r0，r=0,r=r0，r达负的最大值,r=r0，t=0,压阻式压力传感器输出,5.5 电感式压力传感器,单绕组电感变换器,差动式电感传感器,为了克服单绕组电感传感器的缺陷，设计了差动式电感传感器。即用两只几何尺寸完全相同、导磁体材料相同、上下线圈的电气参数即线圈铜电阻，电感、匝数完全一致的单绕组电感传感器组成。长处：灵敏度高，精度高；输出信号大，结构简单，工作

33、可靠，寿命长。不足之处：因温度影响造成测量误差较大。不适合高频脉动压力的测量，常用于准动态、频率较低的压力测量。,电动差压变送器,差压变送器,5.6 压电式压力传感器,一、压电式压力传感器概述压电效应原理：压电材料受压时会在其表面产生电荷，其电荷量与所受的压力成正比。压电材料：单晶体、多晶体特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线性度好，频率响应高，量程范围广,压电?,压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。可测量能变换为力的各种物理量。,压电效应分类,顺压电效应将机械能转变为电能的现象(加力 变形 产生电荷)逆压电效应电能转换为机械能的现象。(施加电场

34、 电介质产生变形 应力),(1)压电效应(正压电效应）,电介质在沿一定方向上受到外力,产生变形,外力去掉，回到不带电状态,内部产生极化现象，表面产生电荷,压电效应动画演示,当对压电材料施以物理压力时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以保持原状。这种由于形变而产生电极化的现象称为“正压电效应”。正压电效应实质上是机械能转化为电能的过程。其中，为晶体的电极化率，单位是，为压电常数，单位是,为应力，单位是。,未极化前：不具压电性,撤销外电场,极化现象的理解：,(2)逆压电效应,极化方向上施加交变电场,产生机械变形,去外加电场，变形消失,

35、逆压电效应动画演示,可以证明，正压电效应和逆压电效应中的系数是相等的，且具有正压电效应的材料必然具有逆压电效应。,当在压电材料表面施加电场（电压），因电场作用时电偶极矩会被拉长，压电材料为抵抗变化，会沿电场方向伸长。这种通过电场作用而产生机械形变的过程称为“逆压电效应”。逆压电效应实质上是电能转化为机械能的过程。其中，S为晶体的杨氏模量，dt 为压电常数，单位是，E为电场强度适量，单位是。,（1）压电晶体,石英晶体外形图,压电晶体是一种单晶体。,例如：石英晶体；酒石酸钾钠等,二、压电材料,1、常见压电材料,天然形成的石英晶体外形图,换能器,石英晶体,一种天然晶体，压电系数d112.311012

36、C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。,石英晶体的压电效应,X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。,“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷“横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。,切片上电荷的符号与受力方向的关系,图（a）是在X轴方向受压力，图（b）是在X轴方向受拉力，图（c）是在Y轴方向受压力，图（d）是在Y轴方向受拉力。,石英晶

37、体的压电效应,（a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。（b）在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。（c）沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷,（2）压电陶瓷,压电陶瓷是一种人工制造的多晶体。例如：钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锶等,压电陶瓷外形图,压电陶瓷的压电效应,人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。,压电陶瓷的极化,陶瓷片极化,压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图,自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。,压电陶瓷的正压电效应,压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行

38、的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。,放电电荷的多少与外力的大小成比例关系,Q 电荷量；d33 压电陶瓷的压电系数；F 作用力。,常见压电陶瓷,（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。（3）铌镁酸铅

39、Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。,高分子压电材料外形图,（3）有机压电材料,有机压电材料属于新一代的压电材料。主要有压电半导体和高分子压电材料。,2、压电材料的主要特性指标,压电效应强弱：灵敏度,固有频率、动态特性,固有电容、频率下限,机电转换效率,泄漏电荷、改善低频特性,丧失压电性的温度,3、选择压电材料的原则,具有较大的压电常数压电元件机械强度高、刚度大并具有较高固有振动频率。具有高的电阻率和较大的介电常数，以期减少电荷的泄露以及外部分布电容的影响，获得良好的低频特性。

40、具有较高的居里点。（压电性能破坏时的温度转变点）压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好时间稳定性。,(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路(b)等效成一个电源U=Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路,三、压电式压力传感器工作原理,压电式压力传感器测量原理,压电式压力传感器测量要求,压电传感器的晶体可以看成为一个产生电荷的高内阻发电元件，它把压力的作用变换为电荷量。由于压电元件的内阻很高且输出信号微弱，一般不能直接记录和显示。显然不能用一般的低输入阻抗仪表来进行测量，否则，压电晶片上的电荷就要通过测量电路的低输入阻抗泄漏掉。只有当测量电路的输入阻抗较高，快速测量被测参数的变化，所测得的结

41、果才接近电荷的实际变化。,组成：测量线路的组成包括前置放大器、输出信号电缆要求：1.实现阻抗变换，将压电晶片的高输出阻抗变换成低输出阻抗；2.将微弱的输出信号实现放大。,四、压电式传感器的测量电路,压电元件常用连接形式,在实际使用中，如仅用单片压电元件工作的话，要产生足够的表面电荷就要很大的作用力，因此一般采用两片或两片以上压电元件组合在一起使用。由于压电元件是有极性的，因此连接方法有两种：并联连接和串联连接。,(a),(b),（1）并联：,（2）串联：,（1）“并联”，Q=2Q，U=U，C=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，（2）

42、“串联”Q=Q，U=2U，C=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。,图上从电路上看，这是并联接法，类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。图下从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。,压电式传感器的信号调节电路,压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的

43、前置放大器。前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。,压电传感器在实际测量系统中的等效电路,（1）电压放大器,Ca：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻Ci：放大器的输入电容,前置放大器输入电压,压电元件的力 F=Fmsint压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q=d11F。,输入电压的幅值,当作用力是静态力（=0）时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。,压电式压力传感器不能测静态力压电式压力传感器时间常数一定，传感器的高频

44、响应好。测量低频动态压力，应增大压电式压力传感器的时间常数压电式压力传感器的时间常数与压电式压力传感器的灵敏度ku的关系(C 但ku）,传感器的低频响应范围,如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。,电压放大器

45、应用限制,压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。,解决电缆问题的办法,将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。,（2）电荷放大器,压电式传感器另一种专用的前置放大器。能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10101012，输出阻抗小于100。使用电荷放大器突出的一个优点：在

46、一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。,压电传感器与电荷放大器连接等效电路,K是放大器的开环增益，（-K）表示放大器的输出与输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近“地”电位。,充电电压接近等于放大器的输出电压,几点结论：1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成 线形关系的输出电压。3、反馈电容Cf小，输出就大，4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。5、输出电压与电缆电容无关条件：（1+K）Cf（Ca+Cc+Ci）,电荷放大器能将压电传感器

47、输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。,四通道电荷放大器外形,电荷放大器外形,五、压电式传感器的应用,压电式力传感器压电式压力传感器压电式加速度传感器。,实例1：火炮堂内压力测试,发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。,事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、气体、充气、弹性体,实例2：汽车安全气囊系统,实例4：指套式电子血压计,实例3：压电式血压传感器,实例5：水深测量仪,实例6：煤气灶电子点火装置,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距

48、、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。,实例7：交通检测,实例8：气体发生器输出特性测试,密封容器压力测试法,实例9：压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用,压电式步态分析跑台,压电式纵跳训练分析装置,压电传感器测量双腿跳的动态力,5.7 压力检测仪表的安装,一、压力检测仪表的选择1.仪表量程的选择被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的1/3优先满足最大工作压力条件,2.仪表精度的选择 压力检测仪

49、表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。,3.仪表类型的选择从被测介质压力大小来考虑被测介质的性质对仪表输出信号的要求使用的环境,压力表的安装,1.取压口的选择在管道或烟道上取压测量流动介质的压力测量液体介质的管道上取压,2.导压管的铺设 导压管是传递压力、压差信号的。,3.压力、压差计的安装,压力传感器的安装,1.管子越细、频率越高，则吸收效应越显著，压力波的衰减也就越明显。2.随着传压管长的增加，系统的固有频率就下降，即动态特性变差。,直管无腔室管道系统,有空腔的传压管系统,增大n，测量系统或环节的动态特性变好。若使n增大，则要使

50、传压小管直径d增加，而容腔体积V和传压小管长度L要减小d的增加，和V及L的减小，则会使阻尼比减小。当减小到一定程度时，就会使系统的固有频率n和被测压力的频率接近直至相等，严重时产生共振。,非谐振传压管系统,消除共振，改善频率响应特性，扩大测量动态压力的频率范围,曲线1为容腔环节的频率特性，它表征了压力测量系统总的频率特性；曲线1是增加了传压小管直径d、减小长度L和V，使环节的固有频率增加，然而此举使阻尼比减少虚线1,采用非谐振传压管系统，改善了整个系统的频率特性,基本参数指标,环境参数指标,可靠性指标,其他指标,量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有关指标