1、壓力儀表員工培訓壓力儀表-員工培訓o 壓力壓力 垂直作用于物體表面上的力垂直作用于物體表面上的力o 壓強壓強 o 在建筑環(huán)境與設(shè)備的測試中，并不嚴格區(qū)分壓力和壓強。在建筑環(huán)境與設(shè)備的測試中，并不嚴格區(qū)分壓力和壓強。通常所說的壓力實際上是指通常所說的壓力實際上是指壓強壓強。o 壓差壓差 測量兩個壓力之差稱壓差測量兩個壓力之差稱壓差o 表壓力表壓力 壓力儀表指示的壓力值壓力儀表指示的壓力值 缺省情況下，缺省情況下，所說的壓力值即指表壓力所說的壓力值即指表壓力 表壓力可正可負，為表壓力可正可負，為負時其絕對值稱為真空度。負時其絕對值稱為真空度。 概述概述PJPBPZ一、基本概念一、基本概念o 帕帕(

2、Pa) N/m2，國際單位，國際單位o 兆帕兆帕(MPa) 106Pao 工程大氣壓，工程大氣壓， kgf/cm2 ，98070 Pan 約等于一個大氣壓（約等于一個大氣壓（1.013e+5 Pa) ，“自來自來水壓頭是水壓頭是5公斤公斤”，用的就是這個單位。，用的就是這個單位。o mmH2O， 9.81 Pao mmHg ，133 Pa壓力單位壓力單位二壓力測量儀表的分類二壓力測量儀表的分類o 1液柱式壓力計液柱式壓力計o 2彈性式壓力計彈性式壓力計o 3電氣式壓力計電氣式壓力計o 4活塞式壓力計活塞式壓力計液柱式壓力計液柱式壓力計v 分類分類 U型管壓力計型管壓力計 單管壓力計單管壓力計

3、斜管式微壓計斜管式微壓計v 特點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，準確度比較特點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，準確度比較高，常用于測量低壓、負壓、差壓。高，常用于測量低壓、負壓、差壓。v 缺點：體積大，讀數(shù)不方便，玻璃管易損缺點：體積大，讀數(shù)不方便，玻璃管易損壞。壞。一一U型管壓力計型管壓力計o 假設(shè)被測的介質(zhì)為氣體，可忽略假設(shè)被測的介質(zhì)為氣體，可忽略被測介質(zhì)的高度形成的靜壓值。被測介質(zhì)的高度形成的靜壓值。根據(jù)流體靜力學原理可得：根據(jù)流體靜力學原理可得：U型管內(nèi)徑一般為型管內(nèi)徑一般為5-20mm，為，為了減少毛細現(xiàn)象，管子內(nèi)徑一了減少毛細現(xiàn)象，管子內(nèi)徑一般不少于般不少于10mm，P2P1U型管h1h20二單管式壓

4、力計二單管式壓力計 因為因為A1、A2為常數(shù)，這樣可通過一次讀為常數(shù)，這樣可通過一次讀數(shù)進行壓差測量。當數(shù)進行壓差測量。當A2/A1很小時，很小時，h1可忽略，公式簡化為：可忽略，公式簡化為： PdPx直管h1h2三、斜管式微壓計三、斜管式微壓計P1P2斜管h1h2L主要用于測量微小的壓力、負壓和壓差。為了減主要用于測量微小的壓力、負壓和壓差。為了減少讀數(shù)的相對誤差，拉長液柱，將測量管傾斜放少讀數(shù)的相對誤差，拉長液柱，將測量管傾斜放置。置。 彈性式壓力計彈性式壓力計一、概述一、概述o 原理：彈性壓力表是利用各種不同形狀彈性原理：彈性壓力表是利用各種不同形狀彈性感壓元件在被測壓力的作用下，產(chǎn)生彈

5、性變感壓元件在被測壓力的作用下，產(chǎn)生彈性變形制成的測壓儀表形制成的測壓儀表o 特點：結(jié)構(gòu)簡單、牢固可靠、測壓范圍廣、特點：結(jié)構(gòu)簡單、牢固可靠、測壓范圍廣、使用方便、造價低廉、有足夠的精度，可遠使用方便、造價低廉、有足夠的精度，可遠傳傳o 常用彈性壓力表：常用彈性壓力表：n 膜片（盒）式膜片（盒）式n 波紋管式波紋管式n 彈簧管式彈簧管式二彈性元件及其特性二彈性元件及其特性1膜片式：使用時周邊夾緊，測低壓、微壓。膜片式：使用時周邊夾緊，測低壓、微壓。將兩塊膜片沿周邊對焊起來，形成一膜盒，將兩塊膜片沿周邊對焊起來，形成一膜盒，膜盒式微壓計通常用于測量爐膛和煙道尾膜盒式微壓計通常用于測量爐膛和煙道尾

6、部負壓。精度等級為部負壓。精度等級為2.5，最高可達，最高可達1.5級。級。PxPxPxPx平薄片波紋片膜盒2 2波紋管：開口端固定，封閉端的位波紋管：開口端固定，封閉端的位移作為輸出，由于波紋管的位移相移作為輸出，由于波紋管的位移相對較大，故靈敏度高，常用于測量對較大，故靈敏度高，常用于測量較低的壓力（較低的壓力（1.0-101.0-106 6PaPa） 精度等級精度等級1.51.5級。級。Px3彈簧管：彈簧管： 單圈彈簧管單圈彈簧管 多圈彈簧管多圈彈簧管二彈性元件及其特性二彈性元件及其特性彈簧管壓力計彈簧管壓力計彈簧管壓力計彈簧管壓力計電氣式壓力檢測電氣式壓力檢測一一電容式壓力傳感器電容式

7、壓力傳感器： 將彈性元件的位移轉(zhuǎn)變成電信號。將彈性元件的位移轉(zhuǎn)變成電信號。運算放大器式電路運算放大器式電路 ：能克服變極距型電容傳感器的非線性 Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號 運算放大器式電路原理圖運算放大器式電路原理圖uC-ACxu0由運算放大器工作原理可知 uC-ACxu0電容式差壓/壓力變送器 二壓電式壓力傳感器二壓電式壓力傳感器 壓電效應壓電效應：壓電材料在受壓時會在其表面：壓電材料在受壓時會在其表面產(chǎn)生電荷，產(chǎn)生的電荷量與所受的壓力成產(chǎn)生電荷，產(chǎn)生的電荷量與所受的壓力成正比。正比。 壓電材料壓電材料： 單晶體，例如石英、酒石酸鉀鈉等單晶體，例如石英、酒石酸鉀鈉等 多晶

8、體，例如壓電陶瓷，在沒有極化之前，多晶體，例如壓電陶瓷，在沒有極化之前，因各單晶體的壓電效應都互相抵消表現(xiàn)為因各單晶體的壓電效應都互相抵消表現(xiàn)為電中性，為此必須對壓電陶瓷先進行極化電中性，為此必須對壓電陶瓷先進行極化處理，經(jīng)極化處理的壓電陶瓷具有非常高處理，經(jīng)極化處理的壓電陶瓷具有非常高的壓電系數(shù)，為石英的幾百倍。的壓電系數(shù)，為石英的幾百倍。二壓電式壓力傳感器二壓電式壓力傳感器v 特點特點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，具小巧輕便，工作可靠，具有線性度高量程范圍大等有線性度高量程范圍大等優(yōu)點。優(yōu)點。v 缺點缺點：但是由于產(chǎn)生的電：但是由于產(chǎn)生的電荷量少，因此后續(xù)需加高荷

9、量少，因此后續(xù)需加高阻抗的直流放大器。由于阻抗的直流放大器。由于晶體邊緣上存在漏電現(xiàn)象，晶體邊緣上存在漏電現(xiàn)象，因此不能用于穩(wěn)態(tài)測量。因此不能用于穩(wěn)態(tài)測量。壓電式壓力壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)傳感器結(jié)構(gòu)二壓電式壓力傳感器二壓電式壓力傳感器三固體壓阻式壓力壓差傳感器三固體壓阻式壓力壓差傳感器原理原理： 電阻的尺寸發(fā)生變化，例如電阻的長度、橫截面電阻的尺寸發(fā)生變化，例如電阻的長度、橫截面積發(fā)生變化將引起電阻的變化。積發(fā)生變化將引起電阻的變化。 電阻的電阻率發(fā)生變化也將引起電阻阻值的變化。電阻的電阻率發(fā)生變化也將引起電阻阻值的變化。分類：分類：應變片應變片：受壓或受拉時，電阻的尺寸：受壓或受拉時，電阻的尺

10、寸L、S 發(fā)生變化，引起電阻的變化。發(fā)生變化，引起電阻的變化。 半導體擴散硅半導體擴散硅：在壓力的作用下，電阻率發(fā)：在壓力的作用下，電阻率發(fā) 生變化。生變化。o 通常半導體擴散硅電阻變化的靈敏度要遠遠高于應變片，通常半導體擴散硅電阻變化的靈敏度要遠遠高于應變片，大約為大約為100100倍。倍。SLR/公式：公式：n 應變效應的理論基礎(chǔ)應變效應的理論基礎(chǔ)l金屬導體的電阻定律金屬導體的電阻定律( (線材線材) )2 2r A A = =r 2 2L L其全微分：其全微分：AdAdLdLRdR給出了總電阻的相對變化量與其它三個量的相對變化的關(guān)系。在力的作給出了總電阻的相對變化量與其它三個量的相對變化

11、的關(guān)系。在力的作用下，用下，L L、A A、均可發(fā)生變化。均可發(fā)生變化。1.1.應變式電阻傳感器應變式電阻傳感器l材料的泊松比材料的泊松比 與與 dL/LdL/L、dA/AdA/A 在力的作用下的相互關(guān)系在力的作用下的相互關(guān)系得得: :A A = =r 2 2yxyyxrdrLdLemmeeee則有，、徑向應變?yōu)樵O(shè)軸向應變?yōu)镵 K為靈敏系數(shù)為靈敏系數(shù)c c 是一個與材料性質(zhì)和加工方是一個與材料性質(zhì)和加工方法有關(guān)的常數(shù)。法有關(guān)的常數(shù)。xe2.2.半導體材料的應變電阻效應半導體材料的應變電阻效應 史密斯等學者發(fā)現(xiàn)，鍺、硅等單晶半導體材料具有壓阻效應，且滿足史密斯等學者發(fā)現(xiàn)，鍺、硅等單晶半導體材料具

12、有壓阻效應，且滿足：xEde e 單晶體的軸向應力單晶體的軸向應力x 單晶體的軸向應變單晶體的軸向應變E E 彈性模量彈性模量 單晶體的壓阻系數(shù)單晶體的壓阻系數(shù)( (不是圓周率不是圓周率)= = EEx ( (胡克定律胡克定律) )半導體材料的總電阻的相對變化與應變的關(guān)系為：半導體材料的總電阻的相對變化與應變的關(guān)系為：最后得到半導體應變電阻效應的靈敏系數(shù)最后得到半導體應變電阻效應的靈敏系數(shù) ：* * * 討論：一般材料討論：一般材料= 0.20.4、E =(0.12.1) 1011N/m2、=(4080) 10-11m2/N，所以：，所以：由此可見半導體材料的應變電阻效應要更大些。由此可見半導

13、體材料的應變電阻效應要更大些。l分類分類 ( (按敏感柵的結(jié)構(gòu)特點和構(gòu)成材料進行分類按敏感柵的結(jié)構(gòu)特點和構(gòu)成材料進行分類) )絲式絲式箔式箔式半導體式半導體式n電阻應變片的結(jié)構(gòu)及工作方式電阻應變片的結(jié)構(gòu)及工作方式l基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)xKRdRe1-5l工作方式工作方式 ( (工作原理工作原理) ) 應變片在使用時，用粘合劑粘在試件表面應變片在使用時，用粘合劑粘在試件表面，用來測量試件表面的應變的。粘貼時需使柵，用來測量試件表面的應變的。粘貼時需使柵絲的軸線沿應變方向。絲的軸線沿應變方向。應變方向應變方向應變片與試件的粘結(jié)應變片與試件的粘結(jié)試件試件應變片應變片注：當試件的應變方向不單一時，要使用多

14、片。注：當試件的應變方向不單一時，要使用多片。3 3、電阻應變片應變電阻的測量、電阻應變片應變電阻的測量)(dIdURdRx或或e e實際使用中均用電測法，即實際使用中均用電測法，即1 1直流電橋法直流電橋法當負載電阻當負載電阻R R L L時，輸出電壓時，輸出電壓U U0 0 4332110RRRRRREU1-6 431421432321432132414314214323214321324101RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRREULLL 當負載電阻當負載電阻R L為有限值時的輸出電壓為有限值時的輸出電壓U0 4314214323214

15、3211RRRRRRRRRRRRRRRRRL 實際使用中負載電阻實際使用中負載電阻R L雖然無法滿足，但下式很容易滿足：雖然無法滿足，但下式很容易滿足：此時輸出電壓此時輸出電壓U0仍可表示為仍可表示為： 4332110RRRRRREU電橋的平衡條件電橋的平衡條件: : 這是我們熟知的：這是我們熟知的：U0=0 R1R4-R2R3=0n電壓靈敏度電壓靈敏度 根據(jù)電橋的平衡條件，在平衡條件下有：根據(jù)電橋的平衡條件，在平衡條件下有：應變片受應變作用，電橋從平衡狀態(tài)開始，應變片受應變作用，電橋從平衡狀態(tài)開始， R R 1 1 R R 1 1+R R 1 1， U U0 0 為：為：實際應用中，可用電阻

16、應變片來代替實際應用中，可用電阻應變片來代替R1，設(shè)橋臂比，設(shè)橋臂比n :(1)單臂電橋單臂電橋(2)半橋差動電路半橋差動電路由于由于n = 1 所以所以。、ESRREUV2121110輸出輸出U 0為純線性，且靈敏度提高了一倍。為純線性，且靈敏度提高了一倍。11RR22RR3R4R0U1-7(2)全橋電路全橋電路 輸出輸出U 0為也純線性，且靈敏度又提高為也純線性，且靈敏度又提高了一倍。了一倍。11RR44RR33RR22RR0U1-84.4.應變式電阻傳感器的應用應變式電阻傳感器的應用p 應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器l薄板式薄板式( (膜片式膜片式) )壓力傳感器壓力傳感器 當流體的壓

17、強作用在薄板上，薄板當流體的壓強作用在薄板上，薄板就會產(chǎn)生形變就會產(chǎn)生形變( (應變應變) )，貼在另一側(cè)的應變，貼在另一側(cè)的應變片隨之形變片隨之形變( (應變應變) )，通過橋式等測量電路，通過橋式等測量電路，可以測出與應變相對應的輸出電壓，從，可以測出與應變相對應的輸出電壓，從而得到壓力的大小。而得到壓力的大小。p 貼片位置貼片位置 在在t =r的兩的兩個半徑處分別粘貼個半徑處分別粘貼個于檢測徑向應變和個于檢測徑向應變和切向應變的應變片，切向應變的應變片，構(gòu)成全差動電橋。構(gòu)成全差動電橋。R1R2R3R400707021rrr.r0r等半徑貼片等半徑貼片 筒式應變壓力傳感器筒式應變壓力傳感器

18、DD0P筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器性能特點：可用于高壓測量。性能特點：可用于高壓測量。結(jié)構(gòu)特點：圓柱盲孔，環(huán)向應變。結(jié)構(gòu)特點：圓柱盲孔，環(huán)向應變。環(huán)向應變環(huán)向應變p0212DDnpnEp;)(me壁厚較薄時壁厚較薄時)(;.00212501DDhpDhEpme零應變用于零應變用于溫度補償溫度補償 以上兩款壓力傳感器均是利用彈性元件將壓力以上兩款壓力傳感器均是利用彈性元件將壓力轉(zhuǎn)變成應變，再用應變電阻（應變片）將這種應變轉(zhuǎn)變成應變，再用應變電阻（應變片）將這種應變轉(zhuǎn)變成電阻的變化，從而測得作用壓力的大小。金轉(zhuǎn)變成電阻的變化，從而測得作用壓力的大小。金屬應變片的性能較為穩(wěn)定，工藝也較為成熟，但比

19、屬應變片的性能較為穩(wěn)定，工藝也較為成熟，但比較復雜，貼片的工藝水平對性能的影響較大，輸出較復雜，貼片的工藝水平對性能的影響較大，輸出較小。較小。l 固態(tài)壓力傳感器固態(tài)壓力傳感器 (1)(1)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 利用半導體擴散技術(shù)，在利用半導體擴散技術(shù)，在n型硅型硅基底基底( (硅杯的圓形膜片硅杯的圓形膜片) )上擴散出上擴散出4 4個個p型電阻，利用其壓阻效應，構(gòu)型電阻，利用其壓阻效應，構(gòu)成敏感電橋，當壓力作用在薄片成敏感電橋，當壓力作用在薄片上，通過橋式等測量電路，可以上，通過橋式等測量電路，可以測出與應變相對應的輸出電壓，測出與應變相對應的輸出電壓，從而得到壓力的大小。從而得到壓力的大小。擴散電阻硅杯式固體壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖擴散電阻Si_np擴散電阻Si_nph0rrtrop薄圓板受均勻壓力后的應力分布薄圓板受均勻壓力后的應力分布d (2) (2) 受壓圓膜的應力分布受壓