.,第五章壓力測試技術,5.1壓力的力學測量方法5.2壓力的電學測量方法5.3電阻應變式壓力傳感器5.4壓阻式壓力傳感器5.5電感式壓力傳感器5.6壓電式壓力傳感器5.7壓力檢測儀表的安裝5.8傳感器的標定,.,格里克(Guericke),格里克是個博學多才的軍人，從小就喜歡讀書，愛好科學；萊比錫大學畢業1621年又到耶拿大學攻讀法律；1623年，再到萊頓大學鉆研數學和力學他1631年入伍，在軍隊中擔任軍械工程師，工作很出色后來，投身政界，1646年當選為馬德堡市市長無論在軍旅中，還是在市府內，都沒停止科學探索,.,馬德堡半球試驗,.,概述,垂直作用在單位面積上的力稱壓力。在國際單位制（SI）和我國法定計量單位中，壓力的單位是“帕斯卡”，簡稱“帕”，符號為“Pa”。即1N的力垂直均勻作用在1m2的面積上所形成的壓力值為1Pa。,.,:,表壓（Gaugepressure）:相對于大氣壓力的差壓。絕對壓力和大氣壓力之間的差壓,用符號Pg表示。正壓力（Positivepressure）：絕對壓力高于大氣壓力時的表壓，簡稱正壓。負壓力（Negativepressure）：絕對壓力低于大氣壓力時的表壓，簡稱負壓。真空度（Vacuum）：低于大氣壓力的絕對壓力,用符號Pv表示，Pv=|Pg|。,絕對壓力（Absolutepressure）:相對于絕對真空所測得的壓力,用符號Pi表示。,.,幾種通用的非法定的壓力計量單位,1工程大氣壓（單位符號為：at）（kgf/cm2）1kg的力垂直作用在1cm2面積上所形成的壓力。,2標準大氣壓（單位符號為：atm）最初規定在攝氏溫度0、緯度45、晴天時海平面上的大氣壓強為標準大氣壓，其值大約相當于76厘米汞柱高。但是汞的密度大小受溫度的影響。為了確保標準大氣壓是一個定值，1954年第十屆國際計量大會決議聲明，規定標準大氣壓值為1標準大氣壓101325牛頓米2，即為101325帕斯卡（Pa),.,4約定毫米水柱（單位符號為：mmH2O）在標準重力加速度下，4時1mm高的水柱在1cm2的底面上所產生的壓力。,3約定毫米汞柱（單位符號為：mmHg）在標準重力加速度下，0時1mm高的水銀柱在1cm2的底面上所產生的壓力。,托里拆利用1米長一端封閉的玻璃柱做的實驗，注滿水銀后倒立在水銀槽內，水銀的高度為760mm，如果是水，應該是10.336m,.,過去采用的壓力單位“工程大氣壓力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“物理大氣壓”（atm）、“巴”（bar）、“PSI”等均應改成法定計量單位帕。1kgf/cm2=0.9807105Pa1mmH2O=0.980710Pa1mmHg=1.332102Pa1atm=1.01325105Pa1bar=105Pa1PSI=6.89103Pa,PSI:磅/平方英寸，換算關系：1公斤力/平方厘米=14.223磅/平方英寸=0.1MPa,Bar:1巴(bar)=100,000帕(Pa)=10牛頓/平方厘米,.,表壓、絕對壓力和負壓（真空度）的關系,.,壓力測量方法,一、力學測量方法：液體壓力平衡、彈性力平衡二、電學測量方法：電位式、應變式、電容式、電感式、電渦流、壓電式、壓阻式,.,重力平衡方法：利用一定高度的工作液體產生的重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡。彈性力平衡方法：利用彈性元件受壓力作用發生彈性變形而產生的彈性力與被測壓力相平衡。機械力平衡方法：將被測壓力經變換元件轉換成一個集中力，用外力與之平衡。物性測量方法：利用敏感元件將被測壓力直接轉換為各種電量。,壓力測量方法（續）,.,5.1.1液體壓力平衡利用液柱對液柱底面產生的靜壓力與被測壓力相平衡的原理，通過液柱高度來反映被測壓力的大小優點：結構簡單，使用方便，有相當高的準確度，在本專業中應用很廣泛缺點：量程受液柱高度的限制，體積大，玻璃管容易損壞及讀數不方便,5.1壓力的力學測量方法,.,基本原理：流體靜力學原理一般是采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管、單管或斜管進行壓力測量的。,.,采用水銀或水為工作液，用U形管或單管進行測量，常用于低壓、負壓或壓力差的檢測被廣泛用于實驗室壓力測量或現場鍋爐煙、風道各段壓力、通風空調系統各段壓力的測量,.,一、U形管壓力計,P=P1P2=g(h1+h2),提高工作液密度將增加壓力的測量范圍，但靈敏度要降低。,.,.,靜止液體的壓力,.,流量孔板的壓降,.,測速管,.,壓力測量在氣固兩相流中的應用,.,完整的壓力測量系統,.,二、單管壓力計,由于U形管壓力計需兩次讀取液面高度，為使用方便，設計出一次讀取液面高度的單管壓力計。,.,因則故由于Dd，所以P=gh2,.,.,三、斜管微壓計,主要用于測量微小壓力、負壓和壓差，它將單管液柱壓力計的測量管傾斜放置，這樣可以提高靈敏度，減少讀數相對誤差。,.,由于Lh，所以斜管壓力計比單管壓力計更靈敏，可以提高測量精度,L斜管內液柱的長度；斜管傾斜角,.,傾斜角度越小，l越長，測量靈敏度就越高；但不可太小，否則液柱易沖散，讀數較困難，誤差增大。這種傾斜管液柱式壓力計可以測量到0.98Pa的微壓。為了進一步提高微壓計的精確度，應選用密度小的酒精作為工作液體。,.,.,5.1.2彈性力平衡方法,用彈性傳感器（又稱彈性元件）組成的壓力測量儀表稱為彈性式壓力計。彈性元件受壓后產生的形變輸出（力或位移），可以通過傳動機構直接帶動指針指示壓力（或壓差），也可以通過某種電氣元件組成變送器，實現壓力（或壓差）信號的遠傳。,.,基本原理：當被測壓力作用于彈性元件時，彈性元件便產生相應的彈性變形(即機械位移)。根據變形量的大小，可以測得被測壓力的數值。,彈性壓力計組成框圖,.,彈性元件在彈性限度內受壓后會產生變形，變形大小與被測壓力成正比關系。,常用的有彈簧管、波紋管、薄膜等。同樣壓力下，不同結構、不同材料的彈性元件產生不同的彈性變形。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測量。,.,.,.,（1）波紋管是一種表面有許多同心環狀波紋的薄壁圓筒。開口端焊接于固定基座上,并將流體通入管內，在流體壓力作用下，密封的自由端會產生一定的位移。在彈性范圍內，自由端的位移與作用壓力成線性關系。,.,（2）波登管是橫截面為空心橢圓形或扁圓形的金屬管。當管的固定端通入有一定壓力的流體時，管內外的壓力差(管外一般為大氣壓力)迫使管截面趨于圓形，這種變形導致波登管封閉的自由端產生線位移或角位移。,.,（3）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）,.,彈簧管壓力計彈簧管式壓力計是工業生產上應用很廣泛的一種直讀式測壓儀表，以單圈彈簧管結構應用最多。其一般結構如右圖所示。被測壓力彈簧管位移通過拉桿使扇形齒輪偏轉嚙合的中心齒輪轉動指針同時偏轉指示出被測壓力。,彈簧管壓力計結構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-靈敏度調整槽,.,彈簧管壓力表結構簡單，使用方便，價格低廉，使用范圍廣，測量范圍寬可測負壓、微壓、低壓、中壓和高壓精度有0.5、1.0、1.5、2.5等,.,.,（4）彈性壓力計信號遠傳方式彈性壓力計結構上增加轉換部件實現信號的遠傳。多采用電遠傳方式，常見的轉換方式有電位計式、霍爾元件式、電感式、差動變壓器式等。,(a)電位器式(b)霍爾元件式彈性壓力計信號電遠傳方式原理,.,（5）力平衡式壓力計采用反饋力平衡的原理，反饋力的平衡方式可以是彈性力平衡或電磁力平衡等。,41,.,彈性力平衡式壓力測量系統的原理示意圖,.,彈性式壓力計的誤差,1遲滯誤差相同壓力下，同一彈性元件正反行程的變形量不一樣，產生遲滯誤差。2后效誤差彈性元件的變形落后于被測壓力的變化，引起彈性后效誤差。3間隙誤差儀表的各種活動部件之間有間隙，示值與彈性元件的變形不可能完全對應，引起間隙誤差。4摩擦誤差儀表的活動部件運動時，相互間存在摩擦力，產生摩擦誤差。5溫度誤差環境溫度的變化會引起金屬材料彈性模量的變化，造成溫度誤差。,.,彈性式壓力計誤差的改善途徑,1用無遲滯誤差或遲滯誤差極小的“全彈性”材料和溫度誤差很小的“恒彈性”材料制造彈性元件。2采用新的轉換技術，減少或取消中間傳動機構，以減少間隙誤差和磨擦誤差。3限制彈性元件的位移量，采用無干磨擦的彈性支承或磁懸浮支承等。4采用合適的制造工藝，使材料的優良性能得到充分的發揮。,.,壓力儀表的校驗,常用的校驗儀表是活塞式壓力計。,校驗就是將被校壓力表和標準壓力表通以相同壓力，比較它們的指示值，如果被校表對于標準表的讀數誤差不大于被校表的最大允許絕對誤差時，則認為被校表合格。,.,1-油杯；2-針閥；3-進油閥；4-油缸；5-活塞；6-砝碼；7-托盤；8-聯接螺母；9-導管；10-手搖油泵；11-水平調節螺釘；12-底盤,.,.,5.2壓力的電學測量方法,壓力量的電測系統1.傳感器；2.測量回路；3.記錄或顯示器,.,5.3電阻應變式壓力傳感器,電阻應變測量系統電阻應變計傳感元件；電阻應變儀轉換部分，它將構件表面的應變轉換為電阻值的相對變化，并將應變計電阻的相對變化(以電橋轉換的方式)轉換成電壓或電流信號。記錄儀器記錄電阻應變儀的輸出。,.,應變式壓力傳感器工作原理,應變片是基于應變效應工作的一種壓力敏感元件，當應變片受外力作用產生形變時，應變片的電阻值也將發生相應變化。應變式壓力傳感器是由彈性元件、應變片以及相應的橋路組成的。,.,.,一根金屬電阻絲,在其未受力時,原始電阻值為R=式中:電阻絲的電阻率;L電阻絲的長度;S電阻絲的截面積。,應變效應:導體或半導體材料沿一定方向受力時,其阻值將發生變化,這種現象稱為應變效應。,工作原理,.,當電阻絲受到拉力F作用時,將伸長L,橫截面積相應減小S,電阻率將因晶格發生變形等因素而改變,故引起電阻值相對變化量為,式中L/L是長度相對變化量,用應變表示,.,S/S為圓形電阻絲的截面積相對變化量,即,由材料力學可知,在彈性范圍內,金屬絲受拉力時,沿軸向伸長,沿徑向縮短,那么軸向應變和徑向應變的關系可表示為,式中:電阻絲材料的泊松比,負號表示應變方向相反。,.,通常把單位應變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏度系數。,靈敏度系數受兩個因素影響:受力后材料幾何尺寸的變化,即（1+2）;受力后材料的電阻率發生的變化,即（/）/。對金屬材料電阻絲來說,靈敏度系數表達式中（1+2）的值要比（/）/）大得多,而半導體材料的（/）/）項的值比（1+2）大得多。大量實驗證明,在電阻絲拉伸極限內,電阻的相對變化與應變成正比,即K為常數。,.,用應變片測量應變或應力時,根據上述特點,在外力作用下,被測對象產生微小機械變形,應變片隨著發生相同的變化,同時應變片電阻值也發生相應變化。當測得應變片電阻值變化量R時,便可得到被測對象的應變值。根據應力與應變的關系,得到應力值為=E式中:試件的應力;試件的應變;E試件材料的彈性模量。由此可知,應力值正比于應變,而試件應變正比于電阻值的變化,所以應力正比于電阻值的變化,這就是利用應變片測量應變的基本原理。,.,電阻應變計測量特點,測量方法簡單，價格低廉；靈敏度高，測量應變的靈敏度可達l微應變，即等于10-6mmmm，準確度可達12；頻率響應好，可測量0500000Hz的動態應變,慣性極小；測量應變范圍大，量程寬；可在高溫(8001000)低溫(-100-270)高壓液(高達上萬個大氣壓)、高速旋轉(幾千轉幾萬轉分)強磁場、核幅射等特殊條件下進行測量。輸出為電信號。可遠距離傳輸信號或用計算機控制，也可用無線電發報方式進行遙測。用電阻應變計作為傳感元件可制成各種傳感器。用于測量力、壓強、扭矩、加速度等物理量，應用廣泛，應用于傳感器的精度可達0.051。電阻應變式壓力傳感器就是眾多電阻應變計中的一種。,.,應變式壓力變換的類形(1)直接粘貼式變換應變片直接粘貼在彈性元件上，反映彈性元件的變形。,圖3-21,.,(2)組合式變換電阻應變片不直接貼在彈性元件上，而是貼在由彈性元件所帶動的彈性懸臂梁上。由彈性元件感受壓力。,.,電阻應變式壓力傳感器（1）,結構原理壓力使彈性敏感元件變形，導致敏感元件的電阻發生變化。通過電橋記錄電信號的變化，達到測壓的目的。分為粘貼式與非粘貼式兩種；特點：結構簡單，靈敏度高，量程寬，應用特殊場合。輸出信號小，對環境溫度反應靈敏。,.,電阻應變片的種類,金屬應變片組成,敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分,敏感柵是應變片的核心部分,它粘貼在絕緣的基片上,其上再粘貼起保護作用的覆蓋層,兩端焊接引出導線。金屬電阻應變片的敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種。,.,金屬應變片式傳感器的核心元件是金屬應變片，它可將試件上的應變變化轉換成電阻變化。電阻絲應變片是用直徑為0.020.04mm具有高電阻率的電阻絲制成的。為了獲得高的阻值，將電阻絲排列成柵網狀，稱為敏感柵，并粘貼在絕緣的基片上，電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護用的覆蓋層。,.,.,(a)絲式(b)箔式(c)半導體,1敏感柵2基底3引線4蓋層5粘結劑6電極,.,(1)敏感柵應變計中實現應變-電阻轉換的敏感元件。它通常由直徑為0.0150.05mm的金屬絲繞成柵狀，或用金屬箔腐蝕成柵狀。圖中l表示柵長，b表示柵寬。其電阻值一般在100以上。(2)基底為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，通常用粘結劑將其固結在紙質或膠質的基底上。應變計工作時，基底起著把試件應變準確地傳遞給敏感柵的作用。為此，基底必須很薄，一般為0.020.04mm。有用專門的薄紙制成的基片稱為紙基。有用粘結劑和有機樹脂薄膜制成的膠基。,.,(3)引線它起著敏感柵與測量電路之間的過渡連接和引導作用。通常取直徑約0.10.15mm的低阻鍍錫銅線，并用釬焊與敏感柵端連接。(4)蓋層用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的保護層；起著防潮、防蝕、防損等作用。(5)粘結劑在制造應變計時，用它分別把蓋層和敏感柵固結于基底；在使用應變計時，用它把應變計基底再粘貼在試件表面的被測部位。因此它也起著傳遞應變的作用。,.,金屬絲式應變片有回線式和短接式二種，如圖所示。回線式最為常用，制作簡單，性能穩定，成本低，易粘貼，但其應變橫向效應較大。短接式應變片兩端用直徑比柵線直徑大510倍的鍍銀絲短接。優點是克服了橫向效應，但制造工藝復雜。常用材料：康銅、鎳鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金以及鉑、鉑烏合金等。,.,.,電阻應變效應：當金屬絲在外力作用下發生機械變形時其電阻值將發生變化,Fl、A、R,金屬的電阻應變效應,.,電阻絲應變效應,材料的縱向應變，即單位長度上的伸長量。橫向應變與縱向應變的比值，稱“泊松比”,.,高靈敏度系數電阻絲材料的要求,靈敏系數k0盡量大，以使變換器的輸出大。靈敏系數k0在盡可能大的應變范圍內是常數，即電阻變化與應變成線性關系.具有足夠的熱穩定性，電阻溫度系數要小，以減少溫度變化引起電阻變化所產生的誤差。電阻率高。當要求應變片具有一定的電阻值時，使得線材的長度短，絲柵的尺寸小。具有優良的加工與焊接性能。,.,金屬箔式應變片加工制作,它是利用照相制版或光刻技術將厚約0.0030.01mm的金屬箔片制成所需圖形的敏感柵，也稱為應變花。如圖。,.,優點：可制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵，其柵長l可做到0.2mm，以適應不同的測量要求；與被測件粘貼結面積大；散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度；橫向效應小。蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長,.,金屬薄膜應變片,它是薄膜技術發展的產物。采用真空蒸發或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1m以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵，最后再加上保護層。優點：應變靈敏系數大，允許電流密度大，工作范圍廣，可達197317缺點：難于控制電阻與溫度和時間的變化關系。,.,(1)準備：試件在粘貼部位的表面，用砂布在與軸向成45的方向交叉打磨至Ra為6.3m清洗凈打磨面劃線，確定貼片坐標線均勻涂一薄層粘結劑作底；應變計外表和阻值檢查刻劃軸向標記清洗。(2)涂膠：在準備好的試件表面和應變計基底上均勻涂一薄層粘結劑。,.,(3)貼片：將涂好膠的應變計與試件，按坐標線對準貼上用手指順軸向滾壓，去除氣泡和多余膠液按固化條件固化處理。(4)復查：貼片偏差應在許可范圍內；阻值變化應在測量儀器預調平范圍內；引線和試件間的絕緣電阻應大于200M。,.,5)接線：根據工作條件選擇好導線，然后通過中介接線片(柱)把應變計引線和導線焊接，并加以固定。6)防護：在安裝好的應變計和引線上涂以中性凡士林油、石蠟(短期防潮)；或石蠟松香黃油的混合劑(長期防潮)；或環氧樹脂、氯丁橡膠、清漆等(防機械劃傷)作防護用，以保證應變計工作性能穩定可靠。,.,.,金屬電阻應變片的典型結構,箔式應變片,.,電阻應變片的工作特性,1.應變片靈敏度系數影響因素：電阻絲靈敏度系數、敏感柵尺寸、形狀、粘結劑、基底、應變計粘貼位置及方向2.應變片的溫度特性溫度變化電阻絲與試件的線膨脹系數變化,.,電阻應變式壓力傳感器（2）,電阻應變片的溫度效應：由溫度變化引起的電阻變化；溫度補償方法：自補償法；橋路補償法：在電橋中加入補償片，補償溫度變化引起的電阻偏差。電阻應變式壓力傳感器結構懸鏈膜-應變管式張絲式在火電廠的應用稱重式給煤機汽車衡,.,橋路補償法,.,應變式傳感器的應用,一,應變式力傳感器,柱（筒）式力傳感器,應變片接線要求：,應變片粘貼在彈性體外壁應力分布均勻的中間部分，對稱粘貼多片。,應變片粘貼要求：,采用電橋連接方式，橫向粘貼的應變片起溫度補償的作用。,作為各種電子秤與材料試驗機的測力元件、發動機的推力測試、水壩壩體承載狀況監測,.,荷重傳感器原理演示,荷重傳感器上的應變片在重力作用下產生變形。軸向變短，徑向變長。,.,柱面展開圖,電橋連線圖,.,環式力傳感器,R2應變片所在的位置應力為零，故R2應變片起溫度補償作用。,.,應變式壓力傳感器,R1R4切向粘貼，R2R3在邊緣處徑向粘貼構成全橋電路,二,主要用來測量流動介質的動態和靜態壓力，如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、發動機內部的壓力、槍管及炮管內部的壓力、內燃機管道的壓力等。,.,膜片式壓力傳感器,R1R4切向粘貼，R2R3在邊緣處徑向粘貼構成全橋電路,測量流動介質的動態和靜態壓力，如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、發動機內部的壓力、槍管及炮管內部的壓力、內燃機管道的壓力,.,可以測量容器內儲存的溶液重量及液位。,.,應變式容器內液體重量傳感器,三,.,液位傳感器,式中A1、A2傳感器的傳輸系數；g重力加速度(m/s2)；被測溶液的密度(Kg/m3)。,溶液重量,式中Q容器內感壓膜上面溶液的重量(N)；D柱形容器的截面積(m2)。,.,投入式液位計,壓阻式固態壓力傳感器用于投入式液位計：p1的進氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導壓力而與液體相通。,.,投入式液位計外形（續）,壓阻式固態壓力傳感器,光柱顯示器,橡膠背壓管,.,投入式液位傳感器投入式液位傳感器安裝方便，適應于深度為幾米至幾十米，且混有大量污物、雜質的水或其他液體的液位測量。,.,應變式加速度傳感器,四,工作原理：,物體運動的加速度與作用在它上面的力成正比，與物體的質量成反。,殼體內充滿硅油調節阻尼系數,.,測量時，將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當被測物體以加速度a運動時，質量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，其上應變片發生形變，阻值變化，電橋不在平衡改變輸出電壓，即可測出加速度a。,測量原理,不適用于頻率較高的振動和沖擊場合，頻率為1060Hz范圍。,注意事項,.,汽車衡,.,汽車衡（以下參考北京遠亞興業商貿有限公司資料）,.,汽車衡,汽車衡,.,汽車衡稱重系統,.,稱重式皮帶給煤機,.,1為電磁振動給料機；2物料；3秤架；4力敏荷重傳感器5支點；6減速電機；7環行皮帶；8料倉。,.,通過放大器將測得的毫伏信號放大，再送入調節器，與物料流量給定值進行比較后，通過控制裝置去自動調節給料機的給料量。當實測流量低時，調節器使給料機增加給料量，直至實際流量與給定流量相等，調節器就保持不變，反之亦然。依次循環，達到物料連續計量與自動調節給料量的目的。,.,應變式力傳感器,應變式力傳感器,.,各種懸臂梁,.,各種懸臂梁,F,F,固定點,固定點,電纜,.,應變片在懸臂梁上的粘貼及變形,.,應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置,F,.,應變式荷重傳感器外形及受力位置（續）,F,F,.,應變式荷重傳感器外形及受力位置（續）,F,F,.,電子秤,磅秤,超市打印秤,遠距離顯示,.,電子天平,電子天平的精度可達十萬分之一,.,人體秤,.,吊鉤秤,便攜式,.,應變式數顯扭矩扳手,可用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2500N.m，耗電量10mA，有公制/英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。,.,壓阻式固態壓力傳感器內部結構,信號處理電路,.,小型壓阻式固態壓力傳感器,高壓進氣口,低壓進氣口,絕對壓力傳感器,.,小型壓阻式固態壓力傳感器（續）,呼吸、透析和注射泵設備中用的壓力傳感器,p1進氣管,p2進氣管,固態壓力傳感器,.,小型壓阻式固態壓力傳感器（續）,表壓壓力傳感器,p1進氣管,.,材料應變的測量,斜拉橋上的斜拉繩應變測試,.,.,5.4壓阻式壓力傳感器,壓阻元件是基于壓阻效應工作的一種壓力敏感元件，它指在半導體材料的基片上用基成電路工藝制成的擴散電阻，當它受外力作用時，其阻值由于電阻率的變化而改變。擴散電阻正常工作需依附彈性元件，常用的是單晶體硅膜片。,.,電阻的靈敏系數,對于半徑為r的圓導體，A=r2，A/A=2r/r又由材料力學可知，在彈性范圍內，,為導體的縱向應變，其數值一般很小，常以微應變度量；為電阻絲材料的泊松比，橫向應變與縱向應變的比值，稱“泊松比”一般金屬=0.30.5；為壓阻系數，與材質有關；為應力值；E為材料的彈性模量；,.,金屬電阻的靈敏系數,材料的幾何尺寸變化引起的材料的電阻率隨應變引起的（壓阻效應）,金屬材料：k0以前者為主，則k01+2=1.73.6半導體：k0值主要是由電阻率相對變化所決定,.,壓阻式壓力傳感器的測量特點,(1)結構簡單，可微型化。有效面積的直徑僅有零點幾毫米或更小；(2)精度高。實際精度可達0.1-0.05，最高可達0.01。可靠性高，廣泛用于宇航和航空工業中；(3)頻率響應高。傳感器本身的固有頻率高，可達50-1500kHz。因此可以測幾千赫幾十千赫以上的脈動壓力；(4)靈敏度高，其靈敏度系數比金屬絲應變式壓力傳感器高50-100倍。分辨力高，可測僅有1-2mm水柱的微壓；(5)輸出電平大，可達200mV左右，有時可不加放大器直接測量其輸出信號。,.,壓阻式壓力傳感器測量的主要缺點,壓阻式壓力傳感器在測量中存在著測量較大應變時，存在非線性較嚴重及電阻和靈敏度系數的溫度穩定性差的不足，因此必須找到有效、可靠的溫度補償措施。,.,.,.,r0，r、t達最大值,r=0.58r0，r=0,r=r0，r達負的最大值,r=r0，t=0,.,壓阻式壓力傳感器輸出,.,5.5電感式壓力傳感器,單繞組電感變換器,.,差動式電感傳感器,為了克服單繞組電感傳感器的缺陷，設計了差動式電感傳感器。即用兩只幾何尺寸完全相同、導磁體材料相同、上下線圈的電氣參數即線圈銅電阻，電感、匝數完全一致的單繞組電感傳感器組成。長處：靈敏度高，精度高；輸出信號大，結構簡單，工作可靠，壽命長。不足之處：因溫度影響造成測量誤差較大。不適合高頻脈動壓力的測量，常用于準動態、頻率較低的壓力測量。,.,電動差壓變送器,.,差壓變送器,.,5.6壓電式壓力傳感器,一、壓電式壓力傳感器概述壓電效應原理：壓電材料受壓時會在其表面產生電荷，其電荷量與所受的壓力成正比。壓電材料：單晶體、多晶體特點：結構簡單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，線性度好，頻率響應高，量程范圍廣,.,壓電?,壓電式傳感器是以某些晶體受力后在其表面產生電荷的壓電效應為轉換原理的傳感器。可測量能變換為力的各種物理量。,.,壓電效應分類,順壓電效應將機械能轉變為電能的現象(加力變形產生電荷)逆壓電效應電能轉換為機械能的現象。(施加電場電介質產生變形應力),.,(1)壓電效應(正壓電效應）,電介質在沿一定方向上受到外力,產生變形,外力去掉，回到不帶電狀態,內部產生極化現象，表面產生電荷,壓電效應動畫演示,.,當對壓電材料施以物理壓力時，材料體內之電偶極矩會因壓縮而變短，此時壓電材料為抵抗這變化會在材料相對的表面上產生等量正負電荷，以保持原狀。這種由于形變而產生電極化的現象稱為“正壓電效應”。正壓電效應實質上是機械能轉化為電能的過程。其中，為晶體的電極化率，單位是，為壓電常數，單位是,為應力，單位是。,.,未極化前：不具壓電性,撤銷外電場,極化現象的理解：,.,(2)逆壓電效應,極化方向上施加交變電場,產生機械變形,去外加電場，變形消失,逆壓電效應動畫演示,.,可以證明，正壓電效應和逆壓電效應中的系數是相等的，且具有正壓電效應的材料必然具有逆壓電效應。,當在壓電材料表面施加電場（電壓），因電場作用時電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗變化，會沿電場方向伸長。這種通過電場作用而產生機械形變的過程稱為“逆壓電效應”。逆壓電效應實質上是電能轉化為機械能的過程。其中，S為晶體的楊氏模量，dt為壓電常數，單位是，E為電場強度適量，單位是。,.,（1）壓電晶體,石英晶體外形圖,壓電晶體是一種單晶體。,例如：石英晶體；酒石酸鉀鈉等,二、壓電材料,1、常見壓電材料,.,天然形成的石英晶體外形圖,換能器,.,石英晶體,一種天然晶體，壓電系數d112.311012C/N；莫氏硬度為7、熔點為1750、膨脹系數僅為鋼的1/30。優點：轉換效率和轉換精度高、線性范圍寬、重復性好、固有頻率高、動態特性好、工作溫度高達550（壓電系數不隨溫度而改變）、工作濕度高達100%、穩定性好。,.,石英晶體的壓電效應,X軸：電軸或1軸；Y軸：機械軸或2軸；Z軸：光軸或3軸。,“縱向壓電效應”：沿電軸（X軸）方向的力作用下產生電荷“橫向壓電效應”：沿機械軸（Y軸）方向的力作用下產生電荷在光軸（Z軸）方向時則不產生壓電效應。,.,切片上電荷的符號與受力方向的關系,圖（a）是在X軸方向受壓力，圖（b）是在X軸方向受拉力，圖（c）是在Y軸方向受壓力，圖（d）是在Y軸方向受拉力。,.,石英晶體的壓電效應,（a）正負電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現象。（b）在X軸方向壓縮，表面A上呈現負電荷、B表面呈現正電荷。（c）沿Y軸方向壓縮，在A和B表面上分別呈現正電荷和負電荷,.,（2）壓電陶瓷,壓電陶瓷是一種人工制造的多晶體。例如：鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鍶等,壓電陶瓷外形圖,.,壓電陶瓷的壓電效應,人工制造的多晶體，壓電機理與壓電晶體不同。,壓電陶瓷的極化,.,陶瓷片極化,壓電陶瓷片內束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖,自由電荷與陶瓷片內的束縛電荷符號相反而數值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內極化強度對外的作用，因此陶瓷片對外不表現極性。,.,壓電陶瓷的正壓電效應,壓電陶瓷片上加上一個與極化反向平行的外力，陶瓷片將產生壓縮變形，原來吸附在極板上的自由電荷，一部分被釋放而出現放電現象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀，片內的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附部分自由電荷而出現充電現象。,放電電荷的多少與外力的大小成比例關系,Q電荷量；d33壓電陶瓷的壓電系數；F作用力。,.,常見壓電陶瓷,（1）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷具有較高的壓電系數和介電常數，機械強度不如石英。（2）鋯鈦酸鉛Pb（ZrTi）O3系壓電陶瓷（PZT）壓電系數較高，各項機電參數隨溫度、時間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的PZT材料。（3）鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷（PMN）具有較高的壓電系數，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續工作，可作為高溫下的力傳感器。,.,.,高分子壓電材料外形圖,（3）有機壓電材料,有機壓電材料屬于新一代的壓電材料。主要有壓電半導體和高分子壓電材料。,.,2、壓電材料的主要特性指標,壓電效應強弱：靈敏度,固有頻率、動態特性,固有電容、頻率下限,機電轉換效率,泄漏電荷、改善低頻特性,喪失壓電性的溫度,.,3、選擇壓電材料的原則,具有較大的壓電常數壓電元件機械強度高、剛度大并具有較高固有振動頻率。具有高的電阻率和較大的介電常數，以期減少電荷的泄露以及外部分布電容的影響，獲得良好的低頻特性。具有較高的居里點。（壓電性能破壞時的溫度轉變點）壓電材料的壓電特性不隨時間蛻變，有較好時間穩定性。,.,.,(a)等效為一個電荷源Q與一個電容Ca并聯的電路(b)等效成一個電源U=Q/Ca和一個電容Ca的串聯電路,三、壓電式壓力傳感器工作原理,.,壓電式壓力傳感器測量原理,.,壓電式壓力傳感器測量要求,壓電傳感器的晶體可以看成為一個產生電荷的高內阻發電元件，它把壓力的作用變換為電荷量。由于壓電元件的內阻很高且輸出信號微弱，一般不能直接記錄和顯示。顯然不能用一般的低輸入阻抗儀表來進行測量，否則，壓電晶片上的電荷就要通過測量電路的低輸入阻抗泄漏掉。只有當測量電路的輸入阻抗較高，快速測量被測參數的變化，所測得的結果才接近電荷的實際變化。,.,組成：測量線路的組成包括前置放大器、輸出信號電纜要求：1.實現阻抗變換，將壓電晶片的高輸出阻抗變換成低輸出阻抗；2.將微弱的輸出信號實現放大。,四、壓電式傳感器的測量電路,.,壓電元件常用連接形式,在實際使用中，如僅用單片壓電元件工作的話，要產生足夠的表面電荷就要很大的作用力，因此一般采用兩片或兩片以上壓電元件組合在一起使用。由于壓電元件是有極性的，因此連接方法有兩種：并聯連接和串聯連接。,.,(a),(b),.,（1）并聯：,（2）串聯：,（1）“并聯”，Q=2Q，U=U，C=2C并聯接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方，（2）“串聯”Q=Q，U=2U，C=C/2而串聯接法輸出電壓大，本身電容小。適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的地方。,.,圖上從電路上看，這是并聯接法，類似兩個電容的并聯。所以，外力作用下正負電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時相同。圖下從電路上看是串聯的，兩壓電片中間粘接處正負電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。,.,壓電式傳感器的信號調節電路,壓電式傳感器要求負載電阻RL必須有很大的數值，才能使測量誤差小到一定數值以內。因此常先接入一個高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。測量電路關鍵在高阻抗的前置放大器。前置放大器兩個作用:把壓電式傳感器的微弱信號放大；把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。,.,壓電傳感器在實際測量系統中的等效電路,.,（1）電壓放大器,Ca：傳感器的電容Ra：傳感器的漏電阻Cc：連接電纜的等效電容Ri：放大器的輸入電阻Ci：放大器的輸入電容,.,前置放大器輸入電壓,壓電元件的力F=Fmsint壓電元件的壓電系數為d11，產生的電荷為Q=d11F。,輸入電壓的幅值,當作用力是靜態力（=0）時，前置放大器的輸入電壓為零。原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態物理量。壓電式傳感器突出優點：高頻響應相當好。,.,壓電式壓力傳感器不能測靜態力壓電式壓力傳感器時間常數一定，傳感器的高頻響應好。測量低頻動態壓力，應增大壓電式壓力傳感器的時間常數壓電式壓力傳感器的時間常數與壓電式壓力傳感器的靈敏度ku的關系(C但ku）,.,傳感器的低頻響應范圍,如果被測物理量是緩慢變化的動態量，而測量回路的時間常數又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此為了擴大傳感器的低頻響應范圍，就必須盡量提高回路的時間常數。但這不能靠增加測量回路的電容量來提高時間常數，因為傳感器的電壓靈敏度與電容成反比的，切實可行的辦法是提高測量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，測量回路的時間常數就越大，傳感器的低頻響應也就越好。,.,電壓放大器應用限制,壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，元件少，價格便宜，工作可靠，但是電纜長度對傳感器測量精度的影響較大，在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場合的應用。,.,解決電纜問題的辦法,將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。,.,（2）電荷放大器,壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。能將高內阻的電荷源轉換為低內阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達10101012，輸出阻抗小于100。使用電荷放大器突出的一個優點：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關。,.,壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路,K是放大器的開環增益，（-K）表示放大器的輸出與輸入反相，若開環增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近“地”電位。,.,充電電壓接近等于放大器的輸出電壓,幾點結論：1、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關，而與放大器的放大系數的變化或電纜電容等均無關系，2、只要保持反饋電容的數值不變，就可得到與電荷量Q變化成線形關系的輸出電壓。3、反饋電容Cf小，輸出就大，4、要達到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當的反饋電容。5、輸出電壓與電纜電容無關條件：（1+K）Cf（Ca+Cc+Ci）,.,電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉換為電壓（Q/U轉換器），但并無放大電荷的作用，只是一種習慣叫法。,四通道電荷放大器外形,電荷放大器外形,.,五、壓電式傳感器的應用,壓電式力傳感器壓電式壓力傳感器壓電式加速度傳感器。,.,實例1：火炮堂內壓力測試,發射藥在堂內燃燒形成壓力完成炮彈的發射。堂內壓力的大小，不僅決定著炮彈的飛行速度，而且與火炮、彈丸的設計有著密切關系。,.,事故性碰撞：點火信號、電點火管、氣體發生劑、氣體、充氣、彈性體,實例2：汽車安全氣囊系統,.,實例4：指套式電子血壓計,實例3：壓電式血壓傳感器,.,實例5：水深測量儀,.,實例6：煤氣灶電子點火裝置,.,將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區域監控、交通數據信息采集（道路監控）及機場滑行道等。,實例7：交通檢測,.,實例8：氣體發生器輸出特性測試,密封容器壓力測試法,.,實例9：壓電式動態力傳感器在體育動態測量中的應用,壓電式步態分析跑臺,壓電式縱跳訓練分析裝置,壓電傳感器測量雙腿跳的動態力,.,5.7壓力檢測儀表的安裝,一、壓力檢測儀表的選擇1.儀表量程的選擇被測壓力較穩定：最大工作壓力不應超過儀表滿量程的3/4被測壓力波動較大或測脈動壓力：最大工作壓力不應超過儀表滿量程的2/3為保證測量準確度：最小工作壓力不應低于滿量程的1/3優先滿足最大工作壓力條件,.,2.儀表精度的選擇壓力檢測儀表的精度主要根據生產允許的最大誤差來確定，即要求實際被測壓力允許的最大絕對誤差應小于儀表的基本誤差。,.,3.儀表類型的選擇從被測介質壓力大小來考慮被測介質的性質對儀表輸出信號的要求使用的環境,.,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介質的壓力測量液體介質的管道上取壓,.,2.導壓管的鋪設導壓管是傳遞壓力、壓差信號的。,.,3.壓力、壓差計的安裝,.,壓力傳感器的安裝,1.管子越細、頻率越高，則吸收效應越顯著，壓力波的衰減也就越明顯。2.隨著傳壓管長的增加，系統的固有頻率就下降，即動態特性變差。,直管無腔室管道系統,.,有空腔的傳壓管系統,.,.,增大n，測量系統或環節的動態特性變好。若使n增大，則要使傳壓小管直徑d增加，而容腔體積V和傳壓小管長度L要減小d的增加，和V及L的減小，則會使阻尼比減小。當減小到一定程度時，就會使系統的固有頻率n和被測壓力的頻率接近直至相等，嚴重時產生共振。,.,.,非諧振傳壓管系統,消除共振，改善頻率響應特性，擴大測量動態壓力的頻率范圍,.,曲線1為容腔環節的頻率特性，它表征了壓力測量系統總的頻率特性；曲線1是增加了傳壓小管直徑d、減小長度L和V，使環節的固有頻率增加，然而此舉使阻尼比減少虛線1,采用非諧振傳壓管系統，改善了整個系統的頻率特性,.,基本參數指標,環境參數指標,可靠性指標,其他指標,量程指標：量程范圍、過載能力等靈敏度指標：靈敏度、分辨力、滿量程輸出等精度有關指標：精度、誤差、線性、滯后、重復性、靈敏度誤差、穩定性動態性能指標：固定頻率、阻尼比、時間常數、頻率響應范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩定時間等,溫度指標：工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數、熱滯后等抗沖振指標：允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差其他環境參數：抗潮濕、抗介質腐蝕等能力、抗電磁場干擾能力等,工作壽命、平均無故障時間、保險期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等,使用有關指標：供電方式（直流、交流、頻率及波形等）、功率、各項分布參數值、電壓范圍與穩定度等外形尺寸、重量、殼體材質、結構特點等安裝方式、饋線電纜等,.,5.8傳感器的標定,標定：通過試驗建立傳感器輸入量與輸出量之間的關系。標定曲線：試驗求得的傳感器輸入量與輸出量之間的關系曲線（輸出特性曲線）。標定方法：利用已知的標準值輸入到待標定的傳感器中，傳感器得到相應的輸出量，將輸出量與輸入的標準量繪制成曲線即得標定曲線。按傳感器的種類和使用情況不同，其標定方法也不同。荷重、應力、壓力傳感器等的靜標定方法是利用壓力試驗機進行