第四章壓力的測量第一節(jié)壓力的基本概念

第二節(jié)傳統(tǒng)壓力測量方法

第三節(jié)壓力傳感器第一節(jié)壓力的基本概念一、壓力和差壓的概念

二、壓力的單位一、壓力和差壓的概念(1)絕對壓力指作用于物體表面上的全部壓力，其零點(diǎn)以絕對真空為基準(zhǔn)，又稱總壓力或全壓力，一般用小寫字母p表示。

(2)大氣壓力指地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力，以p0表示。

(3)相對壓力指絕對壓力與大氣壓力之差，一般用p表示。

(4)差壓任意兩個(gè)壓力之差稱為差壓。二、壓力的單位表4-1壓力單位換算表二、壓力的單位表4-1壓力單位換算表第二節(jié)傳統(tǒng)壓力測量方法一、液柱式壓力計(jì)

二、彈性式壓力表

三、差動(dòng)變壓器一、液柱式壓力計(jì)圖4-1U形玻璃管壓力測量原理圖一、液柱式壓力計(jì)圖4-2液柱式壓力計(jì)二、彈性式壓力表(一)彈性元件

(二)彈簧管壓力表(一)彈性元件1.彈簧管(又稱波登管)

2.波紋管

3.薄膜(一)彈性元件圖4-3彈性元件示意圖1.彈簧管(又稱波登管)它是一端封閉并且彎成圓弧形的管子，管子的截面為扁圓形或橢圓形。當(dāng)被測壓力從固定端輸入后，它的自由端會產(chǎn)生彈性位移，通過位移大小進(jìn)行測壓。彈簧管式壓力計(jì)測量范圍最高可達(dá)109Pa，在工業(yè)上應(yīng)用普遍。這一類壓力計(jì)的彈簧管又有單圈管和多圈管之分，多圈彈簧管自由端的位移量較大，測量靈敏度較單圈彈簧管高。2.波紋管這是一種表面上有多個(gè)同心環(huán)形狀波紋的薄壁筒體，用金屬薄管制成。當(dāng)輸入壓力時(shí)，其自由端產(chǎn)生伸縮變形，借此測取壓力大小。波紋管對壓力靈敏度較高，可以用來測量較低的壓力或壓差。3.薄膜膜片由金屬薄片或橡皮膜做成，在外力作用下膜片中心產(chǎn)生一定的位移，反映外力的大小。薄膜式壓力計(jì)的膜片又分為平膜片、波紋膜片和撓性膜片，其中平膜片可以承受較大被測壓力，平膜片變形量較小，靈敏度不高，一般在測量較大的壓力而且要求變形不很大的場合使用。(二)彈簧管壓力表(二)彈簧管壓力表圖4-4單圈彈簧管結(jié)構(gòu)(二)彈簧管壓力表圖4-5彈簧管壓力計(jì)三、差動(dòng)變壓器三、差動(dòng)變壓器圖4-6差動(dòng)變壓器等效電路三、差動(dòng)變壓器4M7.TIF第三節(jié)壓力傳感器一、電阻應(yīng)變式傳感器

二、壓電式傳感器

三、電容式傳感器

四、擴(kuò)散硅壓阻式傳感器一、電阻應(yīng)變式傳感器(一)應(yīng)變片結(jié)構(gòu)

(二)應(yīng)變片原理

(三)應(yīng)變計(jì)的主要特性

(四)應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償

(五)測量電路

(六)應(yīng)變計(jì)式傳感器(一)應(yīng)變片結(jié)構(gòu)1.敏感柵

2.基底和蓋片

3.粘結(jié)劑

4.引線(一)應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖4-8電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1—基底2—敏感柵3—蓋片4—引線1.敏感柵它是實(shí)現(xiàn)應(yīng)變——電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件，由直徑為0.015～0.05mm的金屬細(xì)絲繞成柵狀或用金屬箔腐蝕成柵狀。電阻應(yīng)變片的電阻值為60Ω、120Ω、200Ω等各種規(guī)格，以120Ω最為常用。敏感柵在縱軸方向的長度稱為柵長，用L表示。在與應(yīng)變片軸線垂直的方向上，敏感柵外側(cè)之間的距離稱為柵寬，用B表示。應(yīng)變片柵長的大小關(guān)系到所測應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變片測得的應(yīng)變大小實(shí)際上是應(yīng)變片使用面積(內(nèi)柵長×柵寬)內(nèi)所測得的平均應(yīng)變。柵長有100mm、200mm及1mm、0.5mm、0.2mm等規(guī)格，分別適應(yīng)于不同的用途。2.基底和蓋片基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護(hù)敏感柵。最早的基底和蓋片多用專門的薄紙制成，基底厚度一般為0.02～0.04mm，基底的全長稱為基長，其寬度稱為基寬。3.粘結(jié)劑它用來將蓋片和敏感柵固結(jié)于基底上，同時(shí)用于將應(yīng)變片基底粘貼在試件表面某個(gè)方向和位置上，也起著傳遞應(yīng)變的作用。常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫，常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂、聚酰亞胺等；無機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽等。4.引線它是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線，常用直徑約為0.1～0.15mm的鍍錫銅線或扁帶形的其他金屬材料制成。對引線材料的性能要求為：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。(二)應(yīng)變片原理1.金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)

2.半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)(三)應(yīng)變計(jì)的主要特性1.靈敏系數(shù)

2.橫向效應(yīng)

3.機(jī)械滯后(Zj)

4.蠕變(θ)和零漂(P0)

5.應(yīng)變極限(εlim)

6.動(dòng)態(tài)特性1.靈敏系數(shù)2.橫向效應(yīng)1)在標(biāo)定條件下

2)在非標(biāo)定條件下(標(biāo)定的三個(gè)條件至少有一個(gè)不滿足)，若仍用標(biāo)稱靈敏系數(shù)為K的應(yīng)變片進(jìn)行測試，將會產(chǎn)生較大的測量誤差。2.橫向效應(yīng)3.機(jī)械滯后(Zj)應(yīng)變片粘貼在試件上，在一定的溫度下，增(加載)和減(卸載)試件應(yīng)變的過程中，兩條特性曲線不重合，如圖4-9所示。對應(yīng)同一機(jī)械應(yīng)變所指示應(yīng)變量(輸出)有差值，這一現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的機(jī)械滯后，在室溫條件下，要求最大差值Zj<10με。4.蠕變(θ)和零漂(P0)圖4-9應(yīng)變計(jì)的機(jī)械滯后特性4.蠕變(θ)和零漂(P0)圖4-10應(yīng)變計(jì)的蠕變和零漂特性5.應(yīng)變極限(εlim)在恒溫條件下，使非線性誤差達(dá)到10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱為應(yīng)變極限εlim，如圖4-11所示。應(yīng)變極限是衡量應(yīng)變計(jì)測量范圍和過載能力的指標(biāo)，通常要求εlim≥8000με。6.動(dòng)態(tài)特性(1)對正弦應(yīng)變的響應(yīng)應(yīng)變計(jì)對正弦應(yīng)變波的響應(yīng)是在其柵長l范圍內(nèi)所感受應(yīng)變量的平均值。

(2)對階躍應(yīng)變波的響應(yīng)當(dāng)輸入為階躍應(yīng)變波時(shí)，如圖4-13所示，只有當(dāng)應(yīng)變波通過柵長以后，應(yīng)變片才能反映波的最大值。

(3)疲勞壽命(N)它是指粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)在恒幅交變應(yīng)力作用下連續(xù)工作直至疲勞損壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)，一般要求N=105～107次。(1)對正弦應(yīng)變的響應(yīng)圖4-11應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變極限特性(1)對正弦應(yīng)變的響應(yīng)圖4-12應(yīng)變計(jì)對正弦應(yīng)變波的響應(yīng)(1)對正弦應(yīng)變的響應(yīng)(1)對正弦應(yīng)變的響應(yīng)圖4-13應(yīng)變計(jì)對階躍應(yīng)變波的響應(yīng)(2)對階躍應(yīng)變波的響應(yīng)

當(dāng)輸入為階躍應(yīng)變波時(shí)，如圖4-13所示，只有當(dāng)應(yīng)變波通過柵長以后，應(yīng)變片才能反映波的最大值。(3)疲勞壽命(N)它是指粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)在恒幅交變應(yīng)力作用下連續(xù)工作直至疲勞損壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)，一般要求N=105～107次。

(四)應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償1.溫度誤差

2.溫度補(bǔ)償1.溫度誤差2.溫度補(bǔ)償(1)溫度自補(bǔ)償利用選擇自身結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到消除溫度影響的作用。

(2)橋路補(bǔ)償法橋路補(bǔ)償法是利用選取橋路電阻的工作計(jì)和補(bǔ)償計(jì)兩電阻值相等、材料相同，并處于同一溫度場，但對輸出電壓作用方向相反的原理來完成溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

(3)其他補(bǔ)償方法根據(jù)被測試件承受應(yīng)變的情況，可不必另加專門的補(bǔ)償塊，而是將補(bǔ)償計(jì)也貼在被測試件上，這樣既能起到補(bǔ)償作用，又能提高輸出的靈敏度，如圖4-16所示的粘貼法。(1)溫度自補(bǔ)償1)單絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)。

2)雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)。4M14.TIF(2)橋路補(bǔ)償法橋路補(bǔ)償法是利用選取橋路電阻的工作計(jì)和補(bǔ)償計(jì)兩電阻值相等、材料相同，并處于同一溫度場，但對輸出電壓作用方向相反的原理來完成溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

(3)其他補(bǔ)償方法圖4-15補(bǔ)償塊半橋熱補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)(3)其他補(bǔ)償方法圖4-16溫度補(bǔ)償方法(五)測量電路1.電阻應(yīng)變儀

2.應(yīng)變電橋及其輸出特性1.電阻應(yīng)變儀圖4-17電阻應(yīng)變儀框圖1.電阻應(yīng)變儀圖4-18直流電橋2.應(yīng)變電橋及其輸出特性(六)應(yīng)變計(jì)式傳感器1.筒式壓力傳感器

2.組合式壓力傳感器1.筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器的彈性元件如圖4-19所示，一端盲孔，另一端有法蘭與被測系統(tǒng)連接。當(dāng)應(yīng)變管內(nèi)腔與被測壓力相通時(shí)，圓筒部分周向應(yīng)變?yōu)棣牛絧(2-μ)E(D2/d2-1)(4-21)式中，p為被測壓力；D為圓筒外徑；d為圓筒內(nèi)徑。2.組合式壓力傳感器圖4-19筒式壓力傳感器的彈性元件2.組合式壓力傳感器圖4-20組合式壓力傳感器二、壓電式傳感器(一)壓電效應(yīng)

(二)壓電材料

(三)壓電效應(yīng)的表示

(四)等效電路和測量電路

(五)壓電式傳感器的應(yīng)用(一)壓電效應(yīng)1)某些電介質(zhì)沿一定方向受外力作用產(chǎn)生變形時(shí)，會引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，并導(dǎo)致其兩個(gè)相對表面(極化面)上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷Q，當(dāng)外力消失，又恢復(fù)不帶電狀態(tài)；當(dāng)外力變向，電荷極性隨之改變。

2)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，同樣會引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對位移而導(dǎo)致電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形，內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力；當(dāng)外電場撤消后，變形或應(yīng)力隨之消失。(二)壓電材料1.壓電晶體

2.壓電陶瓷

3.新型壓電材料1.壓電晶體石英晶體是典型而常用的壓電晶體。石英晶體俗稱水晶，即二氧化硅(SiO2)，有天然和人工之分。它的主要特點(diǎn)是：壓電常數(shù)小，工作時(shí)間穩(wěn)定性極好、其壓電溫度系數(shù)很?。粰C(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因素高，且剛度大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)特性好；無熱釋電性，且絕緣性、重復(fù)性均好。天然石英的上述性能尤佳，但資源少，常用于精度和穩(wěn)定性要求高的場合和制作標(biāo)準(zhǔn)傳感器。2.壓電陶瓷它是一種經(jīng)極化處理的人工多晶鐵電體。所謂“多晶”，是由無數(shù)細(xì)微的單晶組成；陶瓷燒結(jié)后有自發(fā)的電偶極矩形成微小的極化區(qū)域，稱為“電疇”。原始的電疇無序排列，經(jīng)人工極化處理才趨向規(guī)則排列，從而具有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)。3.新型壓電材料(1)壓電半導(dǎo)體壓電半導(dǎo)體有硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)、氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)、碲化鋅(ZnTe)和砷化鎵(GaAs)等。

(2)有機(jī)高分子壓電材料某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電極化后具有了壓電性高分子壓電薄膜，如PVF、PVF2、PVC。(2)有機(jī)高分子壓電材料圖4-21石英晶體切片(三)壓電效應(yīng)的表示(1)縱向壓電效應(yīng)沿x軸施加作用力，產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。

(2)橫向壓電效應(yīng)沿y軸施加作用力，產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。

(3)沿z軸拉力或壓縮力均不會產(chǎn)生電荷。(3)沿z軸拉力或壓縮力均不會產(chǎn)生電荷。圖4-22晶片上電荷符號與受力符號的關(guān)系

a)在x軸方向受壓力b)在x軸方向受拉力c)在y軸方向受壓力d)在y軸方向受拉力(四)等效電路和測量電路1.等效電路

2.測量電路1.等效電路壓電式傳感器的壓電敏感元件在受力后，某一方向上的兩個(gè)表面分別產(chǎn)生等量異號電荷，于是可把壓電傳感器視為一個(gè)電荷源，同理當(dāng)壓電元件的表面聚集不同極性的正、負(fù)電荷時(shí)，則也可將其視為一個(gè)有源電容器，它的絕緣電阻Ra≥1010Ω。Ca=ε0εrA/t(4-27)式中，A為極化面積；t為壓電片厚度。1.等效電路圖4-23壓電傳感器等效電路和測量電路

a)等效電路b)測量電路2.測量電路(1)電壓放大器把壓電器件高輸出阻抗變換為低輸出阻抗，輸入電壓信號作比例放大。

(2)電荷放大器把壓電器件高內(nèi)阻的電荷源變換為低內(nèi)阻的電壓源，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，其輸出電壓與輸入電荷成正比，且傳感器的靈敏度不受電纜變化的影響。(五)壓電式傳感器的應(yīng)用1.壓電元件的連接方式

2.壓電式壓力傳感器1.壓電元件的連接方式表4-2壓電片串、并聯(lián)組合的特點(diǎn)1.壓電元件的連接方式表4-2壓電片串、并聯(lián)組合的特點(diǎn)2.壓電式壓力傳感器圖4-24壓電式壓力傳感器

a)一種壓電式傳感器結(jié)構(gòu)b)壓電血壓傳感器

1—壓電晶體2—膜片3—彈簧4—外殼1—敏感振膜2—塑料塊3—雙晶片

5—絕緣體6—引線4—環(huán)氧樹脂5—定位螺釘三、電容式傳感器(一)工作原理

(二)一般特性

(三)測量電路

(四)電容式傳感器應(yīng)用(一)工作原理1.變極距型電容傳感器

2.變面積型電容傳感器

3.變介質(zhì)型電容傳感器(一)工作原理電容式傳感器是將被測非電量轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器，其工作基于靜電場的有關(guān)定律。以平板電容器為例，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)影響時(shí)，其電容量與真空介電常數(shù)ε0(8.854×10-12F·m-1)、極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr、極板的有效面積A以及兩極板間的距離δ有關(guān)，即C=ε0εrAδ(4-41)式中，δ、A、εr三個(gè)參量中任意一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，都會引起電容量的變化，因此電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。1.變極距型電容傳感器(1)近似線性處理

(2)近似非線性處理1.變極距型電容傳感器圖4-25變極距型電容傳感器原理圖1.變極距型電容傳感器1.變極距型電容傳感器1.變極距型電容傳感器圖4-26C=f(δ)特性曲線1.變極距型電容傳感器(2)近似非線性處理4M27.TIF(2)近似非線性處理圖4-28變極距型電容傳感器差動(dòng)式結(jié)構(gòu)3.變介質(zhì)型電容傳感器圖4-29變面積型電容傳感器3.變介質(zhì)型電容傳感器圖4-30變介質(zhì)型電容傳感器(二)一般特性1.等效電路

2.靜電引力

3.寄生電容

4.溫度影響1.等效電路圖4-31電容傳感器的等效電路2.靜電引力電容兩極板間存在靜電場，它產(chǎn)生靜電引力作用于動(dòng)極板，使動(dòng)極板產(chǎn)生附加位移，造成測量誤差。在被測力較小時(shí)，要考慮靜電引力的影響。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。靜電引力造成的測量誤差，可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)來消除。3.寄生電容圖4-32驅(qū)動(dòng)電纜法原理圖4.溫度影響(1)溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響環(huán)境溫度的改變將引起電容式傳感器各零件幾何尺寸和相互之間幾何位置的變化，從而導(dǎo)致溫度附加誤差，這個(gè)誤差在改變間隙的電容傳感器中更顯得嚴(yán)重，因?yàn)樗某跏奸g隙很小。

(2)溫度對介質(zhì)的影響傳感器的電容值與介質(zhì)的介電常數(shù)成正比，如果介質(zhì)介電常數(shù)的溫度系數(shù)不為零，必然要引起傳感器電容值的改變，造成溫度附加誤差。4.溫度影響圖4-33電容式傳感器的溫度誤差(三)測量電路1.變壓器電橋

2.脈沖調(diào)寬電路

3.運(yùn)算放大器電路(三)測量電路圖4-34變壓器電橋2.脈沖調(diào)寬電路圖4-35差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路2.脈沖調(diào)寬電路圖4-36各點(diǎn)電壓波形2.脈沖調(diào)寬電路圖4-37運(yùn)算放大器電路(四)電容式傳感器應(yīng)用1.電容式壓力傳感器

2.膜片電極式壓力傳感器1.電容式壓力傳感器圖4-38電容式壓力傳感器1.電容式壓力傳感器圖4-39膜片式壓力傳感器四、擴(kuò)散硅壓阻式傳感器(一)基本原理

(二)壓阻式壓力傳感器習(xí)題與思考題1.何謂金屬的電阻應(yīng)