自动检测技术3.压力测量(上).ppt

检测技术基础第4章 压力测量,郑丹丹 ,天津大学 电气与自动化工程学院,4.1 概述,垂直并且均匀作用在单位面积上的力称为“压强”工程技术上一般称其为“压力” 国际单位 :帕斯卡，简称帕（Pa）,4.1.1 压力的概念,,工程上经常使用兆帕（MPa）,,常用单位：工程大气压（公斤），kgf/cm2,psi lb/in2,生产和生活中不同的压力概念,(1)大气压力：大气压力是地球表面上空气的重量所产生的压力 符号：P0表示 影响因素：气象情况、海拔高度和地理纬度 测量仪表：气压表,压力单位之一：标准大气压，atm,(2)表压力：如果测压仪表所指示的压力是以大气压力为零起算的压力，则测量结果称为表压力 符号PG 领域：工程中,,(3)绝对压力：是指不附带任何条件的全压力，它等于大气压力和表压力之和 符号：Pa PaP0十PG 如：液体、气体和蒸汽所处空间的全部压力4)真空压力：当绝对压力小于大气压力时，大气压力与绝对压力之差 PGP0Pa 又称：真空度、负压力、疏空压力5)差压（压差）：两个相关压力之差 符号P 注意：基准点任意且相同,不同压力间的关系,,4.1.2 压力测量系统的分类,静重式,,弹性式,,电远传式,,静 重 式,液柱式压力计,活塞式压力计,U型管 单管 斜管 钟罩 环天平,,,测压力 测真空 单活塞 双活塞 圆柱形活塞 球形活塞,,,,用途,结构,,弹簧管式 膜片式 膜盒式 波纹管式,弹性式,,电远传式,,,电阻式 电感式 电容式 振弦式,4.2 液柱式压力计,原理 误差来源,4.2.1 液柱式压力计的原理,原理：利用液柱所产生的压力与被测压力平衡,封液： 水、酒精、水银,4.2.2 液柱式压力计的测量误差及其修正,（1）环境温度变化的影响,封液影响,,标尺长度影响,精密测量时考虑；,,（2）重力加速度变化的影响,封液标准高度,,,,体积膨胀系数；,H海拔高度； R地球半径；海拔纬度。

3）毛细现象造成的影响；,（4）安装、读数、刻度等方面的误差毛细现象使封液表面形成弯月面，不仅引起读数误差，还会引起液柱的升高或降低通过加大管径来解决 酒精：D=3mm；水银：D=8mm,4.3 弹性式压力计 4.3.1 弹簧管压力计,压力单位PSI,充液防震,全不锈钢,耐震压力表,单圈弹簧管压力计,结构：弹簧管、齿轮传动机构、指针、刻度盘4.3 弹性式压力计 4.3.1 弹簧管压力计,即,受压后短轴长度增加：,故,弹簧管的长度（弧线长）不变,整理得,由于,故,4.3.1 弹簧管压力计,,特点： 精度等级：普通型： 级； 精密：0.10.5 级 测量范围：真空109 Pa； 工作范围：1/31/2量程(压力波动大)； 1/32/3量程(压力波动小)； 注意：防尘、防爆、防腐等问题，并要定期 校验弹性式压力计,4.3.2 膜式压力计,膜片式测量腐蚀性介质，非凝固、非结晶的粘性介质； 膜盒式测量气体的微压和负压特点 精度：2.5 级 测量范围： 膜片式：真空或06106 Pa 膜盒式：04104 Pa,4.3.3 波纹管式压力计,波纹管是外周沿轴向有深槽形波纹褶皱，可沿轴向伸缩的薄壁管子。

它受压时线性输出范围比受拉时大，故常在压缩状态下使用 用途：做流量和液位测量的显示仪表4.3.4 弹性式压力计的误差来源,迟滞误差：相同压力下，同一弹性元件正反行程的变形不一样； 弹性后效误差：弹性元件变形落后于被测压力变化；（动态响应误差） 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完全对应； 摩擦误差：仪表活动部件运动时，相互间有摩擦力； 温度误差：环境温度改变会引起金属材料弹性模量变化达到0.1%的精度是极为困难的,4.3.5 弹性式压力计的改善途径,采用“全弹性”和“恒弹性”材料：减小迟滞误差和后效误差；如合金Ni42CrTi、Ni36CrTiA、熔凝石英； 采用新的转化技术，减小中间环节，如电阻应变技术、差动变压器技术； 采用无干摩擦的弹性轴承或磁悬浮轴承； 改善制造工艺 远传式压力计的发展史,,,,,传感器,电路,通信,扩散硅（压阻式）80年代,扩散硅（压阻式）90年代,谐振式 90年代,21世紀,A,电容式 70年代,A,A,A,A,A,A,电容式 80年代,A,D,D,电容式 90年代,A,D,D,D,D,D,D,D,A（模拟）方式、D（数字）方式,21 世紀是数字化的时代,4.4 电远传式压力计,,,2005年,4.4 电远传式压力计 根据测量原理分类：,电阻,电容,电感,振弦式,,4.4.0 远传式弹簧管压力计,差动变压器式压力计,4.4.0 远传式弹簧管压力计,铁心向上时，,铁心向下时，,,,,,差动变压器式压力计,,差动结构使信号成倍增强,4.4.0 远传式弹簧管压力计,霍尔式压力计,霍尔电势,KH：霍尔元件灵敏度系数，与霍尔元件的物理性质和几何尺寸相关。

4.4.0 远传式弹簧管压力计,霍尔式压力计,4.4.1 电阻应变式压力变送器,4.4.1 电阻应变式压力变送器,金属电阻丝 半导体电阻,应变,压力,,,,电阻R,,硅片上扩散生成,压力传感器,压力变送器,,（1）金属电阻丝应变片式传感器,单根导线的电阻 R：电阻率、长度l和截面积S，其关系：,在均匀拉伸应力的作用下，导线电阻的相对变化量为,,对于圆导线， ，故近似有,受拉伸时，l增大的同时d 减小，两者关系为,为材料的泊松比 金属:.2.4 ；半导体:0.351）金属电阻丝应变片式传感器,定义应变,,：导线每单位应变引起的电阻值的相对变化量 越大越好！,,,拉伸应力引起,,材料应变 灵敏系数,金属材料,,影响很小,,为材料的泊松比为应变；,式中：,K =1.73.6,材料 康铜 （Ni 45%,Cu 55%）灵敏系数约为1.92.1，铁铬铝合金 （Fe70%，Cr2%，AL）灵敏系数约为2.42.6； 直径 0.050.15 mm纸或胶质：0.02-0.04mm,,箔式应变片,光学蚀刻法,箔式应变片,,0.0030.01,,薄膜式特点：耐高温，如用铂、铬应变片（蓝宝石基底），温度达800。

真空蒸镀 沉积 溅射,0.1N*100 nm,,,薄膜式应变片,,温度影响 金属材料的电阻具有一定的温度系数； 弹性元件（基底）与金属应变电阻两者的线膨胀系数不等； 注：如果固体（非晶体或多晶体）在温度升高时形状不变，说明固体在各方向上膨胀规律相同因此可以用一个方向上的线膨胀规律来表现它的体膨胀 线膨胀系数 定义温度每升高1，某方向上的长度增量L与室温下（严格些应是0时）同方向上的长度L0之比，即,差动结构（2个应变片）电桥（相邻桥臂） 实现：温度补偿，输出电压灵敏度1倍 电桥结构（4个应变片）电桥（4个桥臂） 温度补偿，电压灵敏度2倍温度补偿方法,粘贴位置 防止受被测介质污染、氧化、腐蚀，贴在弹性元件不和被测介质接触的一面方法：分析膜片上的应变分布状况！,应变片分布设计？,,,,,,,,,膜片,,,,受压,,,,受拉,x 0.58 r,压力作用前，无应变：,压力作用后：,,,压力作用前,,压力作用后,,弹性膜片,金属电阻丝应变片贴牢在悬臂梁上下表面，悬臂梁远端加砝码使它弯曲，上表面受到拉伸，下表面受到压缩所以上表面电阻阻值变大，下表面电阻阻值变小,举例：用电阻应变片制作电子秤,举例：用电阻应变片制作电子秤,应变片的结构示意图 1 敏感栅 2 引线 3 粘结剂 4 盖层 5 基底,举例：用电阻应变片制作电子秤,分别将一个、两个或四个电阻应变片与固定电阻组成电桥（所谓单臂、半桥或全桥）,以电压表为平衡检测器。

未加砝码时，调节电桥平衡，输出电压为零随着负载增加，电桥不平衡性加大，电压表读数越大线性关系,优点：金属丝或箔式应变片性能稳定，精确度高，已得到广泛应用 缺点：灵敏度系数较小（2.42.6），对粘贴工艺要求严格金属电阻丝应变片式传感器的特点,（2）半导体压阻式传感器,4.4.1 电阻应变式压力变送器,为材料的泊松比为应变；,半导体材料,（2）半导体压阻式传感器,4.4.1 电阻应变式压力变送器,半导体材料,电阻率的相对变化量,压阻系数；,应变值；,E 半导体材料的弹性模量；,灵敏度系数,半导体材料的,、E、K均为各向异性4.4.1 电阻应变式压力变送器,（3）单晶硅的晶向和晶面表示及其压阻系数,晶向和晶面表示方法,4.4.1 电阻应变式压力变送器,（3）单晶硅的晶向和晶面表示及其压阻系数,压阻系数,纵向应力； 横向应力； 纵向压阻系数； 横向压阻系数4.4.1 电阻应变式压力变送器,（3）单晶硅的晶向和晶面表示及其压阻系数,压阻系数 独立的正应力,正应力,4.4.1 电阻应变式压力变送器,（3）单晶硅的晶向和晶面表示及其压阻系数,压阻系数 独立的剪应力,剪应力,4.4.1 电阻应变式压力变送器,（3）单晶硅的晶向和晶面表示及其压阻系数,压阻系数,剪应力,正应力,压阻系数,,正应力,,剪应力,4.4.1 电阻应变式压力变送器,（3）单晶硅的晶向和晶面表示及其压阻系数,压阻系数,剪应力不引起正向压阻效应,,正应力不引起剪切压阻效应,,剪切应力只在自身剪切平面内产生压阻效应无交叉影响。

由于正立方晶体的对称性，正向压阻效应相等纵向压阻系数,由于对称性，正应力产生横向压阻效应并且相等横向压阻系数,由于对称性，剪切压阻效应相等剪切压阻系数,正向电阻率相对变化量 由正向压阻效应和横向压阻效应构成； 剪切电阻率相对变化量 仅由剪切压阻效应构成。