检测技术 教学课件 ppt 作者 郑华耀 第四章　压力的测量.pptx

第四章 压力的测量,第一节 压力的基本概念 第二节 传统压力测量方法 第三节 压力传感器,第一节 压力的基本概念,一、压力和差压的概念 二、压力的单位,一、压力和差压的概念,(1) 绝对压力 指作用于物体表面上的全部压力，其零点以绝对真空为基准，又称总压力或全压力，一般用小写字母p表示 (2) 大气压力 指地球表面上的空气柱重量所产生的压力，以p0表示 (3) 相对压力 指绝对压力与大气压力之差，一般用p表示 (4) 差压 任意两个压力之差称为差压二、压力的单位,表4-1 压力单位换算表,二、压力的单位,表4-1 压力单位换算表,第二节 传统压力测量方法,一、 液柱式压力计 二、弹性式压力表 三、差动变压器,一、 液柱式压力计,图4-1 U形玻璃管压力测量原理图,一、 液柱式压力计,图4-2 液柱式压力计,二、弹性式压力表,(一) 弹性元件 (二) 弹簧管压力表,(一) 弹性元件,1. 弹簧管(又称波登管) 2. 波纹管 3. 薄膜,(一) 弹性元件,图4-3 弹性元件示意图,1. 弹簧管(又称波登管),它是一端封闭并且弯成圆弧形的管子，管子的截面为扁圆形或椭圆形当被测压力从固定端输入后，它的自由端会产生弹性位移，通过位移大小进行测压。

弹簧管式压力计测量范围最高可达109Pa，在工业上应用普遍这一类压力计的弹簧管又有单圈管和多圈管之分，多圈弹簧管自由端的位移量较大，测量灵敏度较单圈弹簧管高2. 波纹管,这是一种表面上有多个同心环形状波纹的薄壁筒体，用金属薄管制成当输入压力时，其自由端产生伸缩变形，借此测取压力大小波纹管对压力灵敏度较高，可以用来测量较低的压力或压差3. 薄膜,膜片由金属薄片或橡皮膜做成，在外力作用下膜片中心产生一定的位移，反映外力的大小薄膜式压力计的膜片又分为平膜片、波纹膜片和挠性膜片，其中平膜片可以承受较大被测压力，平膜片变形量较小，灵敏度不高，一般在测量较大的压力而且要求变形不很大的场合使用二) 弹簧管压力表,(二) 弹簧管压力表,图4-4 单圈弹簧管结构,(二) 弹簧管压力表,图4-5 弹簧管压力计,三、差动变压器,三、差动变压器,图4-6 差动变压器等效电路,三、差动变压器,4M7.TIF,第三节 压力传感器,一、 电阻应变式传感器 二、 压电式传感器 三、电容式传感器 四、扩散硅压阻式传感器,一、 电阻应变式传感器,(一) 应变片结构 (二) 应变片原理 (三) 应变计的主要特性 (四)应变计的温度效应及其补偿 (五)测量电路 (六) 应变计式传感器,(一) 应变片结构,1. 敏感栅 2. 基底和盖片 3. 粘结剂 4. 引线,(一) 应变片结构,图4-8 电阻应变计结构图 1—基底 2—敏感栅 3—盖片 4—引线,1. 敏感栅,它是实现应变——电阻转换的敏感元件，由直径为0.015～0.05mm的金属细丝绕成栅状或用金属箔腐蚀成栅状。

电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等各种规格，以120Ω最为常用敏感栅在纵轴方向的长度称为栅长，用L表示在与应变片轴线垂直的方向上，敏感栅外侧之间的距离称为栅宽，用B表示应变片栅长的大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小实际上是应变片使用面积(内栅长×栅宽)内所测得的平均应变栅长有100mm、200mm及1mm、0.5mm、0.2mm等规格，分别适应于不同的用途2. 基底和盖片,基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅最早的基底和盖片多用专门的薄纸制成，基底厚度一般为0.02～0.04mm，基底的全长称为基长，其宽度称为基宽3. 粘结剂,它用来将盖片和敏感栅固结于基底上，同时用于将应变片基底粘贴在试件表面某个方向和位置上，也起着传递应变的作用常用的粘结剂分为有机和无机两大类有机粘结剂用于低温、常温和中温，常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺等；无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸盐、硼酸盐等4. 引线,它是从应变片的敏感栅中引出的细金属线，常用直径约为0.1～0.15mm的镀锡铜线或扁带形的其他金属材料制成。

对引线材料的性能要求为：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接大多数敏感栅材料都可制作引线二) 应变片原理,1. 金属材料的应变电阻效应 2. 半导体材料的应变电阻效应,(三) 应变计的主要特性,1. 灵敏系数 2. 横向效应 3. 机械滞后(Zj) 4.蠕变(θ)和零漂(P0) 5.应变极限(εlim) 6.动态特性,1. 灵敏系数,2. 横向效应,1)在标定条件下 2)在非标定条件下(标定的三个条件至少有一个不满足)，若仍用标称灵敏系数为K的应变片进行测试，将会产生较大的测量误差2. 横向效应,3. 机械滞后(Zj),应变片粘贴在试件上，在一定的温度下，增(加载)和减(卸载)试件应变的过程中，两条特性曲线不重合，如图4-9所示对应同一机械应变所指示应变量(输出)有差值，这一现象称为应变片的机械滞后，在室温条件下，要求最大差值Zj10με4.蠕变(θ)和零漂(P0),图4-9 应变计的机械滞后特性,4.蠕变(θ)和零漂(P0),图4-10 应变计的蠕变和零漂特性,5.应变极限(εlim),在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限εlim，如图4-11所示。

应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标，通常要求εlim≥8000με6.动态特性,(1)对正弦应变的响应 应变计对正弦应变波的响应是在其栅长l范围内所感受应变量的平均值 (2)对阶跃应变波的响应 当输入为阶跃应变波时，如图4-13所示，只有当应变波通过栅长以后，应变片才能反映波的最大值 (3)疲劳寿命(N) 它是指粘贴在试件上的应变计在恒幅交变应力作用下连续工作直至疲劳损坏时的循环次数，一般要求N=105～107次1)对正弦应变的响应,图4-11 应变计的应变极限特性,(1)对正弦应变的响应,图4-12 应变计对正弦应变波的响应,(1)对正弦应变的响应,(1)对正弦应变的响应,图4-13 应变计对阶跃应变波的响应,(2)对阶跃应变波的响应,当输入为阶跃应变波时，如图4-13所示，只有当应变波通过栅长以后，应变片才能反映波的最大值3)疲劳寿命(N),它是指粘贴在试件上的应变计在恒幅交变应力作用下连续工作直至疲劳损坏时的循环次数，一般要求N=105～107次四)应变计的温度效应及其补偿,1. 温度误差 2.温度补偿,1. 温度误差,2.温度补偿,(1) 温度自补偿 利用选择自身结构参数达到消除温度影响的作用。

(2) 桥路补偿法 桥路补偿法是利用选取桥路电阻的工作计和补偿计两电阻值相等、材料相同，并处于同一温度场，但对输出电压作用方向相反的原理来完成温度补偿的方法 (3)其他补偿方法 根据被测试件承受应变的情况，可不必另加专门的补偿块，而是将补偿计也贴在被测试件上，这样既能起到补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图4-16所示的粘贴法1) 温度自补偿,1)单丝自补偿应变计 2)双丝自补偿应变计4M14.TIF,(2) 桥路补偿法,桥路补偿法是利用选取桥路电阻的工作计和补偿计两电阻值相等、材料相同，并处于同一温度场，但对输出电压作用方向相反的原理来完成温度补偿的方法3)其他补偿方法,图4-15 补偿块半桥热补偿应变计,(3)其他补偿方法,图4-16 温度补偿方法,(五)测量电路,1. 电阻应变仪 2. 应变电桥及其输出特性,1. 电阻应变仪,图4-17 电阻应变仪框图,1. 电阻应变仪,图4-18 直流电桥,2. 应变电桥及其输出特性,(六) 应变计式传感器,1. 筒式压力传感器 2. 组合式压力传感器,1. 筒式压力传感器,筒式压力传感器的弹性元件如图4-19所示，一端盲孔，另一端有法兰与被测系统连接。

当应变管内腔与被测压力相通时，圆筒部分周向应变为ε＝p(2-μ)E(D2/d2-1)(4-21)式中，p为被测压力；D为圆筒外径；d为圆筒内径2. 组合式压力传感器,图4-19 筒式压力传感器的弹性元件,2. 组合式压力传感器,图4-20 组合式压力传感器,二、 压电式传感器,(一) 压电效应 (二) 压电材料 (三) 压电效应的表示 (四)等效电路和测量电路 (五)压电式传感器的应用,(一) 压电效应,1) 某些电介质沿一定方向受外力作用产生变形时，会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，并导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷Q，当外力消失，又恢复不带电状态；当外力变向，电荷极性随之改变 2)在电介质的极化方向上施加电场，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质在一定方向上产生机械变形，内部产生机械应力；当外电场撤消后，变形或应力随之消失二) 压电材料,1. 压电晶体 2. 压电陶瓷 3. 新型压电材料,1. 压电晶体,石英晶体是典型而常用的压电晶体石英晶体俗称水晶，即二氧化硅(SiO2)，有天然和人工之分它的主要特点是：压电常数小，工作时间稳定性极好、其压电温度系数很小；机械强度和品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；无热释电性，且绝缘性、重复性均好。

天然石英的上述性能尤佳，但资源少，常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器2. 压电陶瓷,它是一种经极化处理的人工多晶铁电体所谓“多晶”，是由无数细微的单晶组成；陶瓷烧结后有自发的电偶极矩形成微小的极化区域，称为“电畴”原始的电畴无序排列，经人工极化处理才趋向规则排列，从而具有很强的压电效应3. 新型压电材料,(1)压电半导体 压电半导体有硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)、碲化锌(ZnTe)和砷化镓(GaAs)等 (2)有机高分子压电材料 某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有了压电性高分子压电薄膜，如PVF、PVF2、PVC2)有机高分子压电材料,图4-21 石英晶体切片,(三) 压电效应的表示,(1)纵向压电效应 沿x轴施加作用力，产生电荷的现象 (2)横向压电效应 沿y轴施加作用力，产生电荷的现象 (3) 沿z轴拉力或压缩力均不会产生电荷3) 沿z轴拉力或压缩力均不会产生电荷图4-22 晶片上电荷符号与受力符号的关系 a) 在x轴方向受压力 b) 在x轴方向受拉力 c) 在y轴方向受压力 d) 在y轴方向受拉力,(四)等效电路和测量电路,1. 等效电路 2. 测量电路,1. 等效电路,压电式传感器的压电敏感元件在受力后，某一方向上的两个表面分别产生等量异号电荷，于是可把压电传感器视为一个电荷源，同理当压电元件的表面聚集不同极性的正、负电荷时，则也可将其视为一个有源电容器，它的绝缘电阻Ra≥1010Ω。

Ca=ε0εrA/t(4-27)式中，A为极化面积；t为压电片厚度1. 等效电路,图4-23 压电传感器等效电路和测量电路 a)等效电路 b)测量电路,2. 测量电路,(1) 电压放大器 把压电器件高输出阻抗变换为低输出阻抗，输入电压信号作比例放大 (2) 电荷放大器 把压电器件高内阻的电荷源变换为低内阻的电压源，实现阻抗匹配，其输出电压与输入电荷成正比，且传感器的灵敏度不受电缆变化的影响五)压电式传感器的应用,1. 压电元件的连接方式 2. 压电式压力传感器,1. 压电元件的连接方式,表4-2 压电片串、并联组合的特点,1. 压电元件的连接方式,表4-2 压电片串、并联组合的特点,2. 压电式压力传感器,图4-24 压电式压力传感器 a)一种压电式传感器结构 b)压电血压传感器 1—压电晶体 2—膜片 3—弹簧 4—外壳 1—敏感振膜 2—塑料块 3—双晶片 5—绝缘体 6—引线 4—环氧树脂 5—定位螺钉,三、电容式传感器,(一)工作原理 (二)一般特性 (三)测量电路 (四)电容式传感器应用,(一)工作原理,1。