3.3壓力測量3.3壓力測量

3.3.1概述 壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的工藝參數(shù)之一，正確地測量和控制壓力是保證工業(yè)生產(chǎn)過程良好地運(yùn)行，達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低耗及安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。

1.壓力的定義 壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力，即物理學(xué)中常稱的壓強(qiáng)。工程上，習(xí)慣把壓強(qiáng)稱為壓力。由此定義，壓力可表示為

式中p—壓力；F—垂直作用力；S—受力面積。

3.3.1概述2.壓力的表示方法由于參照點(diǎn)不同，在工程上壓力有幾種不同表示方法。(1)絕對壓力：被測介質(zhì)作用于物體表面上的全部壓力稱為絕對壓力。(2)大氣壓力：由地球表面空氣質(zhì)量所形成的壓力，稱為大氣壓力。它隨地理緯度、海拔高度及氣象條件而變化。(3)表壓力：絕對壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐罘Q為表壓力。通常壓力測量儀表總是處于大氣之中，其測得的壓力值均是表壓力。2.壓力的表示方法

(4)真空度(負(fù)壓)：當(dāng)絕對壓力小于大氣壓力時(shí)，表壓力為負(fù)值(負(fù)壓力)，其絕對值稱為真空度，用符號表示。(5)差壓(壓差)：任意兩個(gè)壓力p1、p2之差稱為差壓()， 。

這幾種表示法的關(guān)系如圖3-1所示。此外，工程上按壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系還有靜態(tài)壓力(不隨時(shí)間變化或變化緩慢的壓力)和動(dòng)態(tài)壓力(隨時(shí)間作快速變化的壓力)之分。Chapter2壓力測量教程課件圖3-1各種壓力之間的關(guān)系3.壓力的計(jì)量單位 壓力是力和面積的導(dǎo)出量。在國際單位制中，取力的單位為牛頓，面積單位為米2，則壓力單位為牛頓/米2，用符號N/m2表示。壓力單位又稱為帕斯卡或簡稱帕，符號為Pa。1Pa＝1N/m2。因帕單位太小，工程上常用kPa(103Pa)和MPa(106Pa)表示。我國已規(guī)定帕斯卡為壓力的法定單位。圖3-1各種壓力之間的關(guān)系3.壓力的計(jì)量單位

由于歷史發(fā)展的原因、單位制的不同以及使用場合的差異，壓力還有多種不同的單位。目前工程技術(shù)部門仍在使用的壓力單位有工程大氣壓、物理大氣壓、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。各種壓力單位間的換算關(guān)系列于表3-1中。

表3-1壓力單位換算表單位帕Pa(N/m2)巴(bar)毫米水柱(mmH2O)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)工程大氣壓(kgf/cm2)毫米汞柱(mmHg)磅力/英吋2(lbf/m2)帕Pa(N/m2)11×10-51.019716×10-10.9869236×10-51.019716×10-50.75006×10-21.450442×10-4巴(bar)1×10511.019716×1040.98692361.0197160.75006×1031.450442×10毫米水柱(mmH2O)0.980665×100.980665×10-410.9678×10-41×10-40.73556×10-11.4223×10-3 由于歷史發(fā)展的原因、單位制的不同以及使用場合的差異，壓力標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)1.01325×1051.013251.033227×10411.03320.76×1031.4696×10工程大氣壓(kgf/cm2)0.980665×1050.9806651×1040.967810.73556×1031.422398×10毫米汞柱(mmHg)1.333224×1021.333224×10-31.35951×101.316×10-31.35951×10-311.934×10-2磅力/英吋2(lbf/m2)0.68049×1040.68049×10-10.70307×1030.6805×10-10.70307×10-10.51715×1021標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.013251.013251.03322711.4＃.壓力檢測的基本方法根據(jù)不同工作原理，壓力檢測方法可分為如下幾種：

(1)重力平衡方法 這種方法利用一定高度的工作液體產(chǎn)生的重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度或平衡砝碼的重量來測量。例如液柱式壓力計(jì)和活塞式壓力計(jì)。

(2)彈性力平衡方法 利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性變形而產(chǎn)生的彈性力與被測壓力相平衡的原理，將壓力轉(zhuǎn)換成位移，通過測量彈性元件位移變形的大小測出被測壓力。此類壓力計(jì)有多種類型，可以測量壓力、負(fù)壓、絕對壓力和壓差，應(yīng)用最為廣泛。(3)機(jī)械力平衡方法 這種方法是將被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)集中力，用外力與之平衡，通過測量平衡時(shí)的外力測知被測壓力。力平衡式儀表可以達(dá)到較高精度，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

(4)物性測量方法 利用敏感元件在壓力的作用下，其某些物理特性發(fā)生與壓力成確定關(guān)系變化的原理，將被測壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來測量。如應(yīng)變式、壓電式、電容式壓力傳感器等等。4＃.壓力檢測的基本方法3.3.2

液柱式壓力計(jì) 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(jìn)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(jì) 圖3-2(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和時(shí)，根據(jù)流體靜力平衡原理可知，U形管兩邊管內(nèi)液柱差h與被測壓力和的關(guān)系為

(3-2)

式中A—U形管內(nèi)孔截面積；—U形管內(nèi)工作液的密度；g—重力加速度。 由上式可求得兩壓力的差值或在己知一個(gè)壓力的情況下（例如壓力），求出另一壓力值。

3.3.2液柱式壓力計(jì) (3-3)

可見U形管內(nèi)的液柱差h與被測差壓或壓力成正比，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3-2液柱式壓力計(jì) (3-3)（2）單管壓力計(jì)

由于U形管壓力計(jì)需兩次讀取液面高度，為使用方便，設(shè)計(jì)出一次讀取液面高度的單管壓力計(jì)。（2）單管壓力計(jì)由于U形管壓力計(jì)需兩次讀取

因則故由于D>>d，所以P=ρgh2

d—玻璃管直徑；D—大容器直徑。（書P92（3－43）式推導(dǎo)）因d—玻璃管直徑；D—大容器直徑。（問#：U形管壓力計(jì)兩肘管的內(nèi)徑分別為d1=6mm，d2=6.5mm，管內(nèi)封液為水，被測壓力作用于較細(xì)肘管，使水柱從零位下降195mm。如果以該值的2倍作為被測壓力值，試確定由于沒有讀取較粗肘管的水柱從零位的升高值而造成的測量誤差。問#：U形管壓力計(jì)兩肘管的內(nèi)徑分別為d1=6mm，d2解：

解：(3)斜管壓力計(jì) 用U形管或單管壓力計(jì)來測量微小的壓力時(shí)，因?yàn)橐褐叨茸兓苄?，讀數(shù)困難，為了提高靈敏度，減小誤差，可將單管壓力計(jì)的玻璃管制成斜管，如圖3--2(c)所示。大容器通入被測壓力p1，斜管通大氣壓力p2，則p1與液柱之間的關(guān)系仍然與式(3-5)相同，

(3)斜管壓力計(jì) (3-6)

式中l(wèi)—斜管內(nèi)液柱的長度；—斜管傾斜角。由于l>>h，所以斜管壓力計(jì)比單管壓力計(jì)更靈敏，可以提高測量精度。(注是體積相等而不是面積相等）

3.3.3彈性壓力計(jì)當(dāng)被測壓力作用于彈性元件時(shí)，彈性元件便產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形(即機(jī)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(jì)的組成環(huán)節(jié)如圖3-3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(jì)；在彈性元件與指示機(jī)構(gòu)之間是變換放大機(jī)構(gòu)，其作用是將彈性元件的變形進(jìn)行變換和放大；指示機(jī)構(gòu)(如指針與刻度標(biāo)尺)用于給出壓力示值；調(diào)整機(jī)構(gòu)用于調(diào)整零點(diǎn)和量程。圖3-3彈性壓力計(jì)組成框圖3.3.3彈性壓力計(jì)圖3-3彈性壓力計(jì)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3-2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。(1)彈性元件

表3-2彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性類別名稱示意圖壓力測量范圍kPa輸出特性動(dòng)態(tài)性質(zhì)最小最大時(shí)間常數(shù)/s自振頻率/Hz薄膜式平薄膜0～100～10510-5～10-210～104波紋膜0～10-30～10310-2～10-110～102撓性膜0～10-50～10210-2～11～102Px 表3-2彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性類別名示意圖壓力波紋管式波紋管0～10-30～10310-2～10-110～102彈簧管式單圈彈簧管0～10-10～106－102～103多圈彈簧管0～10-20～105－10～102波波0～10-30～10310-2～10-110～102彈單彈性元件具有：彈性滯后和彈性后效的特性（P93）彈性滯后：由于摩擦產(chǎn)生的加載曲線與卸載曲線不重合產(chǎn)生。彈性后效：彈性元件受載后在一定時(shí)間間隔內(nèi)逐漸完成變形的一種現(xiàn)象。

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(jì)，它們通過各種傳動(dòng)放大機(jī)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(jì)、波紋管差壓計(jì)、膜盒式壓力計(jì)等。彈性元件具有：彈性滯后和彈性后效的特性（P93） 彈性元件常(2)彈簧管壓力計(jì) 彈簧管式壓力計(jì)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3-4所示。 被測壓力由接口(接頭9）引入，使彈簧管自由端（1）產(chǎn)生位移，通過拉桿（2）使扇形齒輪（3）逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)嚙合的中心齒輪（5）轉(zhuǎn)動(dòng)，與中心齒輪同軸的指針將同時(shí)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，圖3-4彈簧管壓力計(jì)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-靈敏度調(diào)整槽(2)彈簧管壓力計(jì)圖3-4彈簧管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)

彈簧管截面為非圓形（橢圓形或扁圓形），并彎成圓弧狀的空心管子一端為封閉（自由端），一端為開口（固定端）彈簧管彈簧管壓力表：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價(jià)格低廉，使用范圍廣，測量范圍寬105～109Pa可測負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓精度有0.5、1.0、1.5、2.5等彈簧管壓力表：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(diǎn)位置，從而改變放大比，調(diào)整儀表的量程。轉(zhuǎn)動(dòng)軸上裝有游絲，用以消除兩個(gè)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(dòng)軸上的角度，就可以調(diào)整儀表的機(jī)械零點(diǎn)。在面板的刻度標(biāo)尺上指示出被測壓力值。3.3.4壓阻式壓力計(jì)壓阻元件是基于壓阻效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件，它指在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻（并非宏觀的電阻），當(dāng)它受外力作用時(shí)，其阻值由于電阻率的變化而改變。擴(kuò)散電阻正常工作需依附彈性元件，常用的是單晶體硅膜片。單晶體硅膜片：如在N型單晶硅表面用氧化技術(shù)生成一層二氧化硅薄膜即構(gòu)成～擴(kuò)散電阻：在需要電阻的地方除去氧化膜，并有擴(kuò)散技術(shù)向硅的深處擴(kuò)散雜質(zhì)硼，使之形成P型區(qū)，這些P型區(qū)形成壓阻敏感元件為擴(kuò)散電阻。3.3.4壓阻式壓力計(jì)Chapter2壓力測量教程課件設(shè)有一段長為l，截面積為A，電阻率為ρ的導(dǎo)體(如金屬絲)，它具有的電阻為

當(dāng)它受到軸向力F而被拉伸(或壓縮)時(shí)，其l、A和ρ均發(fā)生變化，如圖3-1所示，因而導(dǎo)體的電阻隨之發(fā)生變化。通過對式(3-2)兩邊取對數(shù)后再作微分，即可求得其電阻相對變化

(3-2)

(3-1)圖3.1導(dǎo)體受拉伸后的參數(shù)變化

設(shè)有一段長為l，截面積為A，電阻率為ρ的導(dǎo)體(如金屬絲)，它式中

——材料的軸向線應(yīng)變，常用單位με(1με=1×10-6mm/mm);而:

其中:

r——導(dǎo)體的半徑，受拉時(shí)r縮小；μ——導(dǎo)體材料的泊松比。代入式(3-2)可得:

式中

——材料的軸向線應(yīng)變，常用單位με(1με=1×10定義：應(yīng)變電阻縱向靈敏度為:

(3-8)史密茲(C.S.Smith)等學(xué)者很早發(fā)現(xiàn)，鍺、硅等單晶半導(dǎo)體材料具有壓阻效應(yīng)：

(2-6)

式中：

σ——作用于材料的軸向應(yīng)力；

π——半導(dǎo)體材料在受力方向的壓阻系數(shù)；

E——半導(dǎo)體材料的彈性模量。定義：應(yīng)變電阻縱向靈敏度為:

將式(3-6)代入式(3-3)，并寫成增量形式可得

式中

——半導(dǎo)體材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)。

將式(3-6)代入式(3-3)，并寫成增量形式可得

式中優(yōu)點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)簡單，能直接反映微小的壓力變化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好缺點(diǎn)：敏感元件易受溫度的影響，從而影響壓阻系數(shù)的大小壓阻式壓力計(jì)：優(yōu)點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)簡單，能直接反映微小的壓力變化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好3.3.6壓力檢測儀表的選擇與校驗(yàn)一、壓力檢測儀表的選擇1.儀表量程的選擇被測壓力較穩(wěn)定：最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的3/4被測壓力波動(dòng)較大或測脈動(dòng)壓力：最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的2/3為保證測量準(zhǔn)確度：最小工作壓力不應(yīng)低于滿量程的1/3優(yōu)先滿足最大工作壓力條件3.3.6壓力檢測儀表的選擇與校驗(yàn)一、壓力檢測儀表的選擇2.儀表精度的選擇

壓力檢測儀表的精度主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實(shí)際被測壓力允許的最大絕對誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差。3.儀表類型的選擇從被測介質(zhì)壓力大小來考慮被測介質(zhì)的性質(zhì)對儀表輸出信號的要求使用的環(huán)境2.儀表精度的選擇3.儀表類型的選擇二＃、壓力儀表的校驗(yàn)校驗(yàn)就是將被校驗(yàn)壓力表和標(biāo)準(zhǔn)壓力表通以相同壓力，比較它們的指示數(shù)值，如果被校表對于標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)誤差，不大于被校表規(guī)定的最大準(zhǔn)許絕對誤差時(shí)，則認(rèn)為被校表合格。常用的校驗(yàn)儀器是活塞式壓力計(jì)，它由壓力發(fā)生部分和測量部分組成，它的精度等級有0.02、0.05和0.2級，可用來校準(zhǔn)0.25級精密壓力表，也可校準(zhǔn)各種工業(yè)用壓力表，被校壓力的最高值為60MPa。二＃、壓力儀表的校驗(yàn)校驗(yàn)就是將被校驗(yàn)壓力表和標(biāo)準(zhǔn)壓力表通以相壓力發(fā)生部分測量部分壓力發(fā)生部分測量部分三＃、壓力表的安裝1.取壓口的選擇在管道或煙道上取壓測量流動(dòng)介質(zhì)的壓力測量液體介質(zhì)的管道上取壓三＃、壓力表的安裝1.取壓口的選擇2.導(dǎo)壓管的鋪設(shè)

導(dǎo)壓管是傳遞壓力、壓差信號的。2.導(dǎo)壓管的鋪設(shè)3.壓力、壓差計(jì)的安裝3.壓力、壓差計(jì)的安裝3.3壓力測量3.3壓力測量

3.3.1概述 壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的工藝參數(shù)之一，正確地測量和控制壓力是保證工業(yè)生產(chǎn)過程良好地運(yùn)行，達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低耗及安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。

1.壓力的定義 壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力，即物理學(xué)中常稱的壓強(qiáng)。工程上，習(xí)慣把壓強(qiáng)稱為壓力。由此定義，壓力可表示為

式中p—壓力；F—垂直作用力；S—受力面積。

3.3.1概述2.壓力的表示方法由于參照點(diǎn)不同，在工程上壓力有幾種不同表示方法。(1)絕對壓力：被測介質(zhì)作用于物體表面上的全部壓力稱為絕對壓力。(2)大氣壓力：由地球表面空氣質(zhì)量所形成的壓力，稱為大氣壓力。它隨地理緯度、海拔高度及氣象條件而變化。(3)表壓力：絕對壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐罘Q為表壓力。通常壓力測量儀表總是處于大氣之中，其測得的壓力值均是表壓力。2.壓力的表示方法

(4)真空度(負(fù)壓)：當(dāng)絕對壓力小于大氣壓力時(shí)，表壓力為負(fù)值(負(fù)壓力)，其絕對值稱為真空度，用符號表示。(5)差壓(壓差)：任意兩個(gè)壓力p1、p2之差稱為差壓()， 。

這幾種表示法的關(guān)系如圖3-1所示。此外，工程上按壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系還有靜態(tài)壓力(不隨時(shí)間變化或變化緩慢的壓力)和動(dòng)態(tài)壓力(隨時(shí)間作快速變化的壓力)之分。Chapter2壓力測量教程課件圖3-1各種壓力之間的關(guān)系3.壓力的計(jì)量單位 壓力是力和面積的導(dǎo)出量。在國際單位制中，取力的單位為牛頓，面積單位為米2，則壓力單位為牛頓/米2，用符號N/m2表示。壓力單位又稱為帕斯卡或簡稱帕，符號為Pa。1Pa＝1N/m2。因帕單位太小，工程上常用kPa(103Pa)和MPa(106Pa)表示。我國已規(guī)定帕斯卡為壓力的法定單位。圖3-1各種壓力之間的關(guān)系3.壓力的計(jì)量單位

由于歷史發(fā)展的原因、單位制的不同以及使用場合的差異，壓力還有多種不同的單位。目前工程技術(shù)部門仍在使用的壓力單位有工程大氣壓、物理大氣壓、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。各種壓力單位間的換算關(guān)系列于表3-1中。

表3-1壓力單位換算表單位帕Pa(N/m2)巴(bar)毫米水柱(mmH2O)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)工程大氣壓(kgf/cm2)毫米汞柱(mmHg)磅力/英吋2(lbf/m2)帕Pa(N/m2)11×10-51.019716×10-10.9869236×10-51.019716×10-50.75006×10-21.450442×10-4巴(bar)1×10511.019716×1040.98692361.0197160.75006×1031.450442×10毫米水柱(mmH2O)0.980665×100.980665×10-410.9678×10-41×10-40.73556×10-11.4223×10-3 由于歷史發(fā)展的原因、單位制的不同以及使用場合的差異，壓力標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)1.01325×1051.013251.033227×10411.03320.76×1031.4696×10工程大氣壓(kgf/cm2)0.980665×1050.9806651×1040.967810.73556×1031.422398×10毫米汞柱(mmHg)1.333224×1021.333224×10-31.35951×101.316×10-31.35951×10-311.934×10-2磅力/英吋2(lbf/m2)0.68049×1040.68049×10-10.70307×1030.6805×10-10.70307×10-10.51715×1021標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.013251.013251.03322711.4＃.壓力檢測的基本方法根據(jù)不同工作原理，壓力檢測方法可分為如下幾種：

(1)重力平衡方法 這種方法利用一定高度的工作液體產(chǎn)生的重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度或平衡砝碼的重量來測量。例如液柱式壓力計(jì)和活塞式壓力計(jì)。

(2)彈性力平衡方法 利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性變形而產(chǎn)生的彈性力與被測壓力相平衡的原理，將壓力轉(zhuǎn)換成位移，通過測量彈性元件位移變形的大小測出被測壓力。此類壓力計(jì)有多種類型，可以測量壓力、負(fù)壓、絕對壓力和壓差，應(yīng)用最為廣泛。(3)機(jī)械力平衡方法 這種方法是將被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)集中力，用外力與之平衡，通過測量平衡時(shí)的外力測知被測壓力。力平衡式儀表可以達(dá)到較高精度，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

(4)物性測量方法 利用敏感元件在壓力的作用下，其某些物理特性發(fā)生與壓力成確定關(guān)系變化的原理，將被測壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來測量。如應(yīng)變式、壓電式、電容式壓力傳感器等等。4＃.壓力檢測的基本方法3.3.2

液柱式壓力計(jì) 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(jìn)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(jì) 圖3-2(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和時(shí)，根據(jù)流體靜力平衡原理可知，U形管兩邊管內(nèi)液柱差h與被測壓力和的關(guān)系為

(3-2)

式中A—U形管內(nèi)孔截面積；—U形管內(nèi)工作液的密度；g—重力加速度。 由上式可求得兩壓力的差值或在己知一個(gè)壓力的情況下（例如壓力），求出另一壓力值。

3.3.2液柱式壓力計(jì) (3-3)

可見U形管內(nèi)的液柱差h與被測差壓或壓力成正比，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3-2液柱式壓力計(jì) (3-3)（2）單管壓力計(jì)

由于U形管壓力計(jì)需兩次讀取液面高度，為使用方便，設(shè)計(jì)出一次讀取液面高度的單管壓力計(jì)。（2）單管壓力計(jì)由于U形管壓力計(jì)需兩次讀取

因則故由于D>>d，所以P=ρgh2

d—玻璃管直徑；D—大容器直徑。（書P92（3－43）式推導(dǎo)）因d—玻璃管直徑；D—大容器直徑。（問#：U形管壓力計(jì)兩肘管的內(nèi)徑分別為d1=6mm，d2=6.5mm，管內(nèi)封液為水，被測壓力作用于較細(xì)肘管，使水柱從零位下降195mm。如果以該值的2倍作為被測壓力值，試確定由于沒有讀取較粗肘管的水柱從零位的升高值而造成的測量誤差。問#：U形管壓力計(jì)兩肘管的內(nèi)徑分別為d1=6mm，d2解：

解：(3)斜管壓力計(jì) 用U形管或單管壓力計(jì)來測量微小的壓力時(shí)，因?yàn)橐褐叨茸兓苄?，讀數(shù)困難，為了提高靈敏度，減小誤差，可將單管壓力計(jì)的玻璃管制成斜管，如圖3--2(c)所示。大容器通入被測壓力p1，斜管通大氣壓力p2，則p1與液柱之間的關(guān)系仍然與式(3-5)相同，

(3)斜管壓力計(jì) (3-6)

式中l(wèi)—斜管內(nèi)液柱的長度；—斜管傾斜角。由于l>>h，所以斜管壓力計(jì)比單管壓力計(jì)更靈敏，可以提高測量精度。(注是體積相等而不是面積相等）

3.3.3彈性壓力計(jì)當(dāng)被測壓力作用于彈性元件時(shí)，彈性元件便產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形(即機(jī)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(jì)的組成環(huán)節(jié)如圖3-3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(jì)；在彈性元件與指示機(jī)構(gòu)之間是變換放大機(jī)構(gòu)，其作用是將彈性元件的變形進(jìn)行變換和放大；指示機(jī)構(gòu)(如指針與刻度標(biāo)尺)用于給出壓力示值；調(diào)整機(jī)構(gòu)用于調(diào)整零點(diǎn)和量程。圖3-3彈性壓力計(jì)組成框圖3.3.3彈性壓力計(jì)圖3-3彈性壓力計(jì)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3-2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。(1)彈性元件

表3-2彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性類別名稱示意圖壓力測量范圍kPa輸出特性動(dòng)態(tài)性質(zhì)最小最大時(shí)間常數(shù)/s自振頻率/Hz薄膜式平薄膜0～100～10510-5～10-210～104波紋膜0～10-30～10310-2～10-110～102撓性膜0～10-50～10210-2～11～102Px 表3-2彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性類別名示意圖壓力波紋管式波紋管0～10-30～10310-2～10-110～102彈簧管式單圈彈簧管0～10-10～106－102～103多圈彈簧管0～10-20～105－10～102波波0～10-30～10310-2～10-110～102彈單彈性元件具有：彈性滯后和彈性后效的特性（P93）彈性滯后：由于摩擦產(chǎn)生的加載曲線與卸載曲線不重合產(chǎn)生。彈性后效：彈性元件受載后在一定時(shí)間間隔內(nèi)逐漸完成變形的一種現(xiàn)象。

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(jì)，它們通過各種傳動(dòng)放大機(jī)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(jì)、波紋管差壓計(jì)、膜盒式壓力計(jì)等。彈性元件具有：彈性滯后和彈性后效的特性（P93） 彈性元件常(2)彈簧管壓力計(jì) 彈簧管式壓力計(jì)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3-4所示。 被測壓力由接口(接頭9）引入，使彈簧管自由端（1）產(chǎn)生位移，通過拉桿（2）使扇形齒輪（3）逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)嚙合的中心齒輪（5）轉(zhuǎn)動(dòng)，與中心齒輪同軸的指針將同時(shí)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，圖3-4彈簧管壓力計(jì)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-靈敏度調(diào)整槽(2)彈簧管壓力計(jì)圖3-4彈簧管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)

彈簧管截面為非圓形（橢圓形或扁圓形），并彎成圓弧狀的空心管子一端為封閉（自由端），一端為開口（固定端）彈簧管彈簧管壓力表：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價(jià)格低廉，使用范圍廣，測量范圍寬105～109Pa可測負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓精度有0.5、1.0、1.5、2.5等彈簧管壓力表：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(diǎn)位置，從而改變放大比，調(diào)整儀表的量程。轉(zhuǎn)動(dòng)軸上裝有游絲，用以消除兩個(gè)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(dòng)軸上的角度，就可以調(diào)整儀表的機(jī)械零點(diǎn)。在面板的刻度標(biāo)尺上指示出被測壓力值。3.3.4壓阻式壓力計(jì)壓阻元件是基于壓阻效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件，它指在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻（并非宏觀的電阻），當(dāng)它受外力作用時(shí)，其阻值由于電阻率的變化而改變。擴(kuò)散電阻正常工作需依附彈性元件，常用的是單晶體硅膜片。單晶體硅膜片：如在N型單晶硅表面用氧化技術(shù)生成一層二氧化硅薄膜即構(gòu)成～擴(kuò)散電阻：在需要電阻的地方除去氧化膜，并有擴(kuò)散技術(shù)向硅的深處擴(kuò)散雜質(zhì)硼，使之形成P型區(qū)，這些P型區(qū)形成壓阻敏感元件為擴(kuò)散電阻。3.3.4壓阻式壓力計(jì)Chapter2壓力測量教程課件設(shè)有一段長為l，截面積為A，電阻率為ρ的導(dǎo)體(如金屬絲)，它具有的電阻為

當(dāng)它受到軸向力F而被拉伸(或壓縮)時(shí)，其l、A和ρ均發(fā)生變化，如圖3-1所示，因而導(dǎo)體的電阻隨之發(fā)生變化。通過對式(3-2)兩邊取對數(shù)后再作微分，即可求得其電阻相對變化