《第3章力学量检测技术PPT讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章力学量检测技术PPT讲稿.ppt（100页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第3章力学量检测技术第1页，共100页，编辑于2022年，星期二3.1压力的测量压力的测量3.1.1压力的基本概念压力的基本概念压压力力是是工工业业生生产产过过程程中中重重要要的的工工艺艺参参数数之之一一，正正确确地地测测量量和和控控制制压压力力是是保保证证工工业业生生产产过过程程良良好好地地运运行行，达达到到高高产产优优质质低低耗耗及及安安全全生产的重要环节。生产的重要环节。1.压力的定义压力的定义压压力力是是垂垂直直而而均均匀匀地地作作用用在在单单位位面面积积上上的的力力，即即物物理理学学中中常常称称的的压压强强。工工程程上上，习习惯惯把把压压强强称称为为压压力力。由由此此定定义义，压压力
2、力可可表表示示为为(3-1)式中式中p压力；压力；F垂直作用力；垂直作用力；S受力面积。受力面积。第2页，共100页，编辑于2022年，星期二2.压力的表示方法压力的表示方法由于参照点不同，在工程上压力有几种不同表示方法。由于参照点不同，在工程上压力有几种不同表示方法。(1)绝绝对对压压力力被被测测介介质质作作用用于于物物体体表表面面上上的的全全部部压压力力称称为为绝绝对对压力，用符号压力，用符号表示。表示。(2)大大气气压压力力由由地地球球表表面面空空气气质质量量所所形形成成的的压压力力，称称为为大大气气压压力力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而变化，用符号它随地理纬度、海拔高度及气象条件
3、而变化，用符号表示。表示。(3)表表压压力力绝绝对对压压力力与与当当地地大大气气压压之之差差称称为为表表压压力力，用用符符号号表表示，示，。通通常常压压力力测测量量仪仪表表总总是是处处于于大大气气之之中中，其其测测得得的的压压力力值均是表压力。值均是表压力。(4)真真空空度度(负负压压)当当绝绝对对压压力力小小于于大大气气压压力力时时，表表压压力力为为负负值值(负压力负压力)，其绝对值称为真空度，用符号，其绝对值称为真空度，用符号表表示示，。(5)差压差压(压差压差)任意两个压力任意两个压力p1、p2之差称为差压之差称为差压()，。第3页，共100页，编辑于2022年，星期二图3-1 各种压力
4、之间的关系上述几种表示法的关系如图上述几种表示法的关系如图3-1所示。此外，工程上按压力随时间所示。此外，工程上按压力随时间的变化关系还有静态压力的变化关系还有静态压力(不随时间变化或变化缓慢的压力不随时间变化或变化缓慢的压力)和动和动态压力态压力(随时间作快速变化的压力随时间作快速变化的压力)之分。之分。第4页，共100页，编辑于2022年，星期二3.压力的计量单位压力的计量单位压压力力是是力力和和面面积积的的导导出出量量。在在国国际际单单位位制制中中，取取力力的的单单位位为为牛牛顿顿，面面积积单单位位为为米米2，则则压压力力单单位位为为牛牛顿顿/米米2，用用符符号号N/m2表表示示；压压力
5、力单单位位又又称称为为帕帕斯斯卡卡或或简简称称帕帕，符符号号为为Pa。1Pa 1N/m2。因因 帕帕 单单 位位 太太 小小，工工 程程 上上 常常 用用 kPa(103Pa)和和MPa(106Pa)表示。我国已规定帕斯卡为压力的法定单位。表示。我国已规定帕斯卡为压力的法定单位。由由于于历历史史发发展展的的原原因因、单单位位制制的的不不同同以以及及使使用用场场合合的的差差异异，压压力力还还有有多多种种不不同同的的单单位位。目目前前工工程程技技术术部部门门仍仍在在使使用用的的压压力力单单位位有有工工程程大大气气压压、物物理理大大气气压压、巴巴、毫毫米米水水柱柱、毫毫米米汞汞柱柱等等。各各种种压力
6、单位间的换算关系列于表压力单位间的换算关系列于表3-1中。中。第5页，共100页，编辑于2022年，星期二表表3-1压力单位换算表压力单位换算表单 位帕Pa(N/m2)巴(bar)毫米水柱(mmH2O)标准大气压(stm)工程大气压(kgf/cm2)毫米汞柱(mmHg)磅力/英吋2(lbf/m2)帕Pa(N/m2)1110-51.01971610-10.986923610-51.01971610-50.7500610-21.45044210-4巴(bar)110511.0197161040.98692361.0197160.750061031.45044210毫米水柱(mmH2O)0.9806
7、65100.98066510-410.967810-4110-40.7355610-11.422310-3第6页，共100页，编辑于2022年，星期二标准大气压(stm)1.013251051.013251.03322710411.03320.761031.469610工程大气压(kgf/cm2)0.9806651050.98066511040.967810.735561031.42239810毫米汞柱(mmHg)1.3332241021.33322410-31.35951101.31610-31.3595110-311.93410-2磅力/英吋2(lbf/m2)0.680491040.680
8、4910-10.703071030.680510-10.7030710-10.517151021第7页，共100页，编辑于2022年，星期二4.压力检测的基本方法压力检测的基本方法根据不同工作原理，压力检测方法可分为如下几种：根据不同工作原理，压力检测方法可分为如下几种：(1)重重力力平平衡衡方方法法利利用用一一定定高高度度的的工工作作液液体体产产生生的的重重力力或或砝砝码码的的重重量量与与被被测测压压力力相相平平衡衡的的原原理理，将将被被测测压压力力转转换换为为液液柱柱高高度度或或平平衡衡砝砝码码的的重重量量来测量。例如液柱式压力计和活塞式压力计。来测量。例如液柱式压力计和活塞式压力计。(2
9、)弹弹性性力力平平衡衡方方法法利利用用弹弹性性元元件件受受压压力力作作用用发发生生弹弹性性变变形形而而产产生生的的弹弹性性力力与与被被测测压压力力相相平平衡衡的的原原理理，将将压压力力转转换换成成位位移移，通通过过测测量量弹弹性性元元件件位位移移变变形形的的大大小小测测出出被被测测压压力力。此此类类压压力力计计有有多多种种类类型，可以测量压力、负压、绝对压力和压差，应用最为广泛。型，可以测量压力、负压、绝对压力和压差，应用最为广泛。(3)机机械械力力平平衡衡方方法法将将被被测测压压力力经经变变换换元元件件转转换换成成一一个个集集中中力力，用用外外力力与与之之平平衡衡，通通过过测测量量平平衡衡时
10、时的的外外力力测测知知被被测测压压力力。力力平平衡衡式式仪仪表表可可以以达到较高精度，但是结构复杂。达到较高精度，但是结构复杂。(4)物物性性测测量量方方法法利利用用敏敏感感元元件件在在压压力力的的作作用用下下，其其某某些些物物理理特特性性发发生生与与压压力力成成确确定定关关系系变变化化的的原原理理，将将被被测测压压力力直直接接转转换换为为各各种种电电量量来来测测量。如应变式、压电式、电容式压力传感器等等。量。如应变式、压电式、电容式压力传感器等等。第8页，共100页，编辑于2022年，星期二第9页，共100页，编辑于2022年，星期二3.1.2常用压力检测仪表常用压力检测仪表1.液柱式压力计
11、液柱式压力计应应用用液液柱柱测测量量压压力力的的方方法法是是以以流流体体静静力力学学原原理理为为基基础础的的。一一般般是是采采用用充充有有水水或或水水银银等等液液体体的的玻玻璃璃U形形管管、单单管管或或斜斜管管进进行行压压力力测测量量的的，其结构形式如图其结构形式如图3-2所示。所示。图3-2 液柱式压力计第10页，共100页，编辑于2022年，星期二(1)U形管压力计形管压力计图图3-2(a)所所示示的的U形形管管是是用用来来测测量量压压力力和和压压差差的的仪仪表表。在在U形形管管两两端端接接入入不不同同压压力力p1和和p2时时，根根据据流流体体静静力力平平衡衡原原理理可可知知，U形管两边管
12、内液柱差形管两边管内液柱差h与被测压力与被测压力p1和和p2的关系为的关系为(3-2)式式中中AU形形管管内内孔孔截截面面积积；U形形管管内内工工作作液液的的密密度度；g重力加速度。重力加速度。由由上上式式可可求求得得两两压压力力的的差差值值或或在在己己知知一一个个压压力力的的情情况况下下（例如压力），求出另一压力值。（例如压力），求出另一压力值。(3-3)可可见见U形形管管内内的的液液柱柱差差h与与被被测测差差压压或或压压力力成成正正比比，因因此此被被测测压压差差或压力可以用工作液高度或压力可以用工作液高度h的大小来表示。的大小来表示。第11页，共100页，编辑于2022年，星期二U形管压力
13、计实物图形管压力计实物图第12页，共100页，编辑于2022年，星期二(2)单管压力计单管压力计单单管管压压力力计计如如图图3-2(b)所所示示，它它相相当当于于将将U形形管管的的一一端端换换成成一一个个大大直直径径的的容容器器，测测压压原原理理与与U形形管管相相同同。当当大大容容器器一一侧侧通入被测压力通入被测压力p1，管一侧通入大气压，管一侧通入大气压p2时，满足下列关系时，满足下列关系(3-4)式式中中h两两液液面面的的高高度度差差；d玻玻璃璃管管直直径径；D大大容容器器直直径径。由于由于Dd，故故d2/D2可以忽略不计，则式可以忽略不计，则式(3-4)可写成可写成(3-5)管内工作液面
14、上升的高度管内工作液面上升的高度h1即可表示被测压力的大小。即可表示被测压力的大小。第13页，共100页，编辑于2022年，星期二(3)斜管压力计斜管压力计用用U形形管管或或单单管管压压力力计计来来测测量量微微小小的的压压力力时时，因因为为液液柱柱高高度度变变化化很很小小，读读数数困困难难，为为了了提提高高灵灵敏敏度度，减减小小误误差差，可可将将单单管管压压力力计计的的玻玻璃璃管管制制成成斜斜管管，如如图图3-2(c)所所示示。大大容容器器通通入入被被测测压压力力p1，斜斜管管通通大大气气压压力力p2，则则p1与与液液柱柱之之间间的的关关系系仍仍然然与与式式(3-5)相相同同(3-6)式中式中
15、L斜管内液柱的长度；斜管内液柱的长度；斜管倾斜角。斜管倾斜角。由于由于Lh，所以斜管压力计比单管压力计更灵敏，可以提高测量精度。所以斜管压力计比单管压力计更灵敏，可以提高测量精度。第14页，共100页，编辑于2022年，星期二2.弹性压力计弹性压力计当当被被测测压压力力作作用用于于弹弹性性元元件件时时，弹弹性性元元件件便便产产生生相相应应的的弹弹性性变变形形(即即机机械械位位移移)。根根据据变变形形量量的的大大小小，可可以以测测得得被被测测压压力力的的数值。数值。弹弹性性压压力力计计的的组组成成环环节节如如图图3-3所所示示。弹弹性性元元件件是是核核心心部部分分，其其作作用用是是感感受受压压力
16、力并并产产生生弹弹性性变变形形，弹弹性性元元件件采采用用何何种种形形式式要要根根据据测测量量要要求求选选择择和和设设计计；在在弹弹性性元元件件与与指指示示机机构构之之间间是是变变换换放放大大机机构构，其其作作用用是是将将弹弹性性元元件件的的变变形形进进行行变变换换和和放放大大；指指示示机机构构(如如指指针针与与刻刻度度标标尺尺)用用于于给给出出压压力力示示值值；调调整整机机构构用用于于调调整整零零点点和和量程。量程。图3-3 弹性压力计组成框图第15页，共100页，编辑于2022年，星期二(1)弹性元件弹性元件同同样样的的压压力力下下，不不同同结结构构、不不同同材材料料的的弹弹性性元元件件会会
17、产产生生不不同同的的弹弹性性变变形形。常常用用的的弹弹性性元元件件有有弹弹簧簧管管、波波纹纹管管、薄薄膜膜等等，如如表表3-2所所示示。其其中中波波纹纹膜膜片片和和波波纹纹管管多多用用于于微微压压和和低低压压测测量量；单单圈圈和和多圈弹簧管可用于高、中、低压或真空度的测量多圈弹簧管可用于高、中、低压或真空度的测量。第16页，共100页，编辑于2022年，星期二表表3-2 弹性元件的结构和特性弹性元件的结构和特性类别名称示 意 图压力测量范围 kPa输出特性动态性质最小最大时间常数/s自振频率/Hz薄膜式平薄膜010010510-510-210104波纹膜010-3010310-210-1101
18、02挠性膜010-5010210-211102第17页，共100页，编辑于2022年，星期二波纹管式波纹管010-3010310-210-110102弹簧管式单圈弹簧管010-10106102103多圈弹簧管010-2010510102第18页，共100页，编辑于2022年，星期二第19页，共100页，编辑于2022年，星期二第20页，共100页，编辑于2022年，星期二第21页，共100页，编辑于2022年，星期二弹弹性性元元件件常常用用的的材材料料有有铜铜合合金金、弹弹性性合合金金、不不锈锈钢钢等等，各各适适用用于于不不同同的的测测压压范范围围和和被被测测介介质质。近近来来半半导导体体硅硅
19、材材料料得得到到了了更更多多的的应应用用。各各种种弹弹性性元元件件组组成成了了多多种种型型式式的的弹弹性性压压力力计计，它它们们通通过过各各种种传传动动放放大大机机构构直直接接指指示示被被测测压压力力值值。这这类类直直读读式式测测压压仪仪表表有有弹弹簧簧管管压压力力计计、波波纹纹管差压计、膜盒式压力计等管差压计、膜盒式压力计等。(2)弹簧管压力计弹簧管压力计弹弹簧簧管管式式压压力力计计是是工工业业生生产产上上应应用用很很广广泛泛的的一一种种直直读读式式测测压压仪仪表表，以以单单圈圈弹弹簧簧管管结结构构应应用用最最多多。其其一一般般结结构构如图如图3-4所示。所示。被被测测压压力力由由接接口口引
20、引入入，使使弹弹簧簧管管自自由由端端产产生生位位移移，通通过过连连杆杆使使扇扇形形齿齿轮轮逆逆时时针针偏偏转转，并并带带动动啮啮合合的的中中心心齿齿轮轮转转动动，与与中中心心齿齿轮轮同同轴轴的的指指针针将将同同时时顺顺时时针针偏偏转转，并并在在面面板板的的刻度标尺上指示出被测压力值。刻度标尺上指示出被测压力值。图3-4 弹簧管压力计结构 1-弹簧管；2-连杆；3-扇形齿轮；4-底座；5-中心齿轮；6-游丝；7-表盘；8-指针；9-接头；10-横断面；11-灵敏度调整槽第22页，共100页，编辑于2022年，星期二通通过过调调整整螺螺钉钉可可以以改改变变连连杆杆与与扇扇形形齿齿轮轮的的接接合合点
21、点位位置置，从从而而改改变变放放大大比比，调调整整仪仪表表的的量量程程。转转动动轴轴上上装装有有游游丝丝，用用以以消消除除两两个个齿齿轮轮啮啮合合的的间间隙隙，减减小小仪仪表表的的变变差差。直直接接改改变变指指针针套套在在转转动动轴轴上上的的角角度度，就就可以调整仪表的机械零点。可以调整仪表的机械零点。弹弹簧簧管管压压力力计计结结构构简简单单,使使用用方方便便，价价格格低低廉廉，测测压压范范围围宽宽，应应用用十分广泛。一般弹簧管压力计的测压范围为十分广泛。一般弹簧管压力计的测压范围为-105109Pa；精确度最高可达精确度最高可达0.1。(3)弹性压力计信号远传方式弹性压力计信号远传方式弹弹性
22、性压压力力计计可可以以在在现现场场指指示示，但但是是许许多多情情况况下下要要求求将将信信号号远远传传至至控控制制室室。一一般般可可以以在在已已有有的的弹弹性性压压力力计计结结构构上上增增加加转转换换部部件件,实实现现信信号号的的远远距距离离传传送送。弹弹性性压压力力计计信信号号多多采采用用电电远远传传方方式式，即即把把弹弹性性元元件件的的变变形形或或位位移移转转换换为为电电信信号号输输出出。常常见见的的转转换换方方式式有有电电位位计计式式、霍霍尔尔元元件件式式、电电感感式式、差差动动变变压压器器式式等等，图图3-5给给出出两两种种电电远远传弹性压力计结构原理。传弹性压力计结构原理。第23页，共
23、100页，编辑于2022年，星期二图图3-5(a)为为电电位位器器式式，在在弹弹性性元元件件的的自自由由端端处处安安装装滑滑线线电电位位器器，滑滑线线电电位位器器的的滑滑动动触触点点与与自自由由端端连连接接并并随随之之移移动动，自自由由端端的的位位移移就就转转换换为为电电位位器器的的电电信信号号输输出出。这这种种远远传传方方法法比比较较简简单单，可可以以有有很很好好的的线线性性输输出出，但但是是滑滑线线电电位位器器的的结结构构可可靠靠性性较差较差。(a)电位器式 图3-5 弹性压力计信号电远传方式原理第24页，共100页，编辑于2022年，星期二图图3-5(b)为为霍霍尔尔元元件件式式，其其转
24、转换换原原理理基基于于半半导导体体材材料料的的霍霍尔尔效效应应。由由半半导导体体材材料料制制成成的的片片状状霍霍尔尔元元件件固固定定在在弹弹性性元元件件的的自自由由端端，并并处处于于两两对对磁磁场场方方向向相相反反的的磁磁极极组组件件构构成成的的线线性性不不均均匀匀磁磁场场的的间间隙隙中中。霍霍尔尔元元件件被被自自由由端端带带动动在在不不均均匀匀磁磁场场中中移移动动时时，将将感感受受不不同同的的磁磁场场强强度度。若若在在霍霍尔尔元元件件的的两两端端通通以以恒恒定定电电流流，则则在在垂垂直直于于磁磁场场和和电电流流方方向向的的另另两两侧侧将将产产生生霍霍尔尔电电势势，此此输输出出电电势势与与自自
25、由由端端位位移移相相对对应应，从从而而给给出出被被测测压压力力值值。这这种种仪仪表表结结构简单，灵敏度高，寿命长，但对外部磁场敏感，耐振性差构简单，灵敏度高，寿命长，但对外部磁场敏感，耐振性差。(b)霍尔元件式 图3-5 弹性压力计信号电远传方式原理第25页，共100页，编辑于2022年，星期二3.力平衡式压力计力平衡式压力计力力平平衡衡式式压压力力计计采采用用反反馈馈力力平平衡衡的的原原理理，反反馈馈力力的的平平衡衡方方式式可可以以是是弹弹性性力力平平衡衡或或电电磁磁力力平平衡衡等等。力力平平衡衡式式压压力力计计的的基基本本构构成成如如图图3-6所所示示，被被测测压压力力或或压压差差作作用用
26、于于弹弹性性敏敏感感元元件件上上，弹弹性性敏敏感感元元件件感感受受压压力力作作用用并并将将其其转转换换为为位位移移或或力力，并并作作用用于于力力平平衡衡系系统统，力力平平衡衡系系统统受受力力后后将将偏偏离离原原有有的的平平衡衡状状态态；由由偏偏差差检检测测器器输输出出偏偏差差值值至至放放大大器器；放放大大器器将将信信号号放放大大并并输输出出电电流流(或或电电压压)信信号号，电电流流信信号号控控制制反反馈馈力力或或力力矩矩发发生生机机构构，使使之之产产生生反反馈馈力力；当当反反馈馈力力与与作作用用力力平平衡衡时时，仪仪表表处处于于新新的的平平衡衡状状态态；显显示示机机构构可可输输出出与与被被测测
27、压压力力或或压压差差相相对对应应的的信信号。号。图3-6 力平衡式压力计的基本框图 第26页，共100页，编辑于2022年，星期二一方面带动输出轴转动，指示出杠杆转角的大小；另一方面使螺栓转动，从而压缩或拉长反馈弹簧(螺栓使弹簧产生的位移量为x)，改变反馈弹簧施加在杠杆上的力 。当集中力 产生的力矩与反馈力 产生的力矩相平衡时，系统处于平衡状态。由于反馈力 与压力差 产生的集中力 成比例，则弹簧的位移x与压力差 所产生的集中力 成比例，故输出轴转角 与压力差 成比例。图图3-7是是一一种种弹弹性性力力平平衡衡式式压压力力测测量量系系统统的的原原理理示示意意图图。它它由由弹弹性性敏敏感感元元件件
28、测测压压波波纹纹管管、杠杠杆杆、差差动动电电容容变变换换器器、伺伺服服放放大大器器A、伺伺服服电电机机M、减减速器和反馈弹簧等元部件组成。速器和反馈弹簧等元部件组成。图3-7 弹性力平衡式压力测量系统的原理 被测压力 、分别导入波纹管和密封壳体内，测压波纹管将压力差转换为集中力使杠杆转动，差动电容变换器的动极片偏离零位，电桥输出电压 ，其幅值与杠杆的转角成比例，而相位与杠杆偏转的方向(即压力差的方向)相对应。电压 经伺服放大器放大后，驱动伺服电机转动，经减速器后，第27页，共100页，编辑于2022年，星期二4.压力传感器压力传感器能能够够测测量量压压力力并并提提供供远远传传电电信信号号的的装
29、装置置统统称称为为压压力力传传感感器器。压压力力传传感感器器是是压压力力检检测测仪仪表表的的重重要要组组成成部部分分，其其结结构构型型式式多多种种多多样样，常常见见的的型型式式有有应应变变式式、压压阻阻式式、电电容容式式、压压电电式式、振振频频式式压压力力传传感感器器等等。此此外外还还有有光光电电式式、光光纤纤式式、超超声声式式压压力力传传感感器器等等。采采用用压压力力传传感感器器可可以以直直接接将将被被测测压压力力变变换换成成各各种种形形式式的的电电信信号号，便便于于满满足足自自动动化化系系统统集集中中检检测测与与控控制制的的要要求求，因因而而在在工工业业生生产产中中得到广泛应用。得到广泛应
30、用。第28页，共100页，编辑于2022年，星期二(1)应变式压力传感器应变式压力传感器应应变变式式压压力力传传感感器器是是一一种种通通过过测测量量各各种种弹弹性性元元件件的的应应变变来来间间接接测测量量压压力力的的传传感感器器。根根据据制制作作材材料料的的不不同同，应应变变元元件件可可以以分分为为金金属属和和半半导导体体两两大大类类。应应变变元元件件的的工工作作原原理理基基于于导导体体和和半半导导体体的的“应应变变效效应应”，即即当当导导体体和和半半导导体体材材料料发发生生机机械械变变形形时时，其其电电阻阻值值将将发发生生变变化化。电电阻值的相对变化与应变有以下关系：阻值的相对变化与应变有以
31、下关系：(3-7)式中式中为为材材料料的的应应变变；K为为材材料料的的电电阻阻应应变变系系数数，即即单单位位应应变变引引起起的的电电阻阻相相对对变变化化量量。金金属属材材料料的的K值值约约为为26，半半导导体体材材料料的的K值可达值可达60180。金金属属电电阻阻应应变变片片主主要要有有丝丝式式应应变变片片和和箔箔式式应应变变片片两两种种结结构构。如如图图3-8所示。所示。第29页，共100页，编辑于2022年，星期二图图3-8电阻应变片结构电阻应变片结构丝丝式式应应变变片片由由金金属属丝丝栅栅(亦亦称称敏敏感感栅栅)、基基底底、引引线线、保保护护膜膜等等组组成成。敏敏感感栅栅一一般般采采用用
32、直直径径0.0150.05mm的的金金属属丝丝，用用粘粘合合剂剂固固定定在在厚厚0.020.04mm的的纸纸或或胶胶膜膜基基底底上上。引引线线是是由由直直径径0.10.2mm低低阻阻镀镀锡锡铜铜线线制成，用于将敏感栅与测量电路相连。制成，用于将敏感栅与测量电路相连。箔箔式式应应变变片片的的敏敏感感栅栅是是用用厚厚度度为为0.0030.0lmm的的金金属属箔箔经经光光刻刻、腐腐蚀蚀等等工工艺艺制制成成的的。优优点点是是表表面面积积与与截截面面积积之之比比大大，散散热热条条件件好好，能能承承受受较较大大电电流流和和较较高高电电压压，因因而而输输出出灵灵敏敏度度高高，并并可可制制成成各各种种需需要要
33、的的形形状状，便于大批量生产。由于上述优点，它已逐渐取代丝式应变片。便于大批量生产。由于上述优点，它已逐渐取代丝式应变片。第30页，共100页，编辑于2022年，星期二应应变变片片与与弹弹性性元元件件的的装装配配可可以以采采用用粘粘贴贴式式或或非非粘粘贴贴式式，在在弹弹性性元元件件受受压压变变形形的的同同时时应应变变片片亦亦发发生生应应变变，其其电电阻阻值值将将有有相相应应的的改改变变。粘粘贴贴式式应应变变压压力力计计可可采采用用1、2或或4个个特特性性相相同同的的应应变变元元件件，粘粘贴贴在在弹弹性性元元件件的的适适当当位位置置上上，并并分分别别接接入入电电桥桥的的桥桥臂臂，则则电电桥桥输输
34、出出信信号号可可以以反反映映被被测测压压力力的的大大小小。为为了了提提高高测测量量灵灵敏敏度度，通通常常采采用用两两对对应应变变片片，并并使使相相对对桥桥臂臂的的应应变变片片分分别别处处于于接接受受拉拉应应力力和和压压应应力力的的位位置。置。应应变变式式压压力力传传感感器器所所用用弹弹性性元元件件可可根根据据被被测测介介质质和和测测量量范范围围的的不不同同而而采采用用各各种种型型式式，常常见见有有圆圆膜膜片片、弹弹性性梁梁、应应变变筒筒等等。图图3-9给给出出几几种种弹弹性性元元件件和和应应变变式式压压力力传传感感器器的的结结构构及及电电桥桥式式测测量电路示意图。量电路示意图。第31页，共10
35、0页，编辑于2022年，星期二图图3-9 应变式压力传感器应变式压力传感器应变式压力传感器实物图应变式压力传感器实物图第32页，共100页，编辑于2022年，星期二(2)压阻式压力传感器压阻式压力传感器固体受力后电阻率发生变化的现象固体受力后电阻率发生变化的现象称为称为压阻效应压阻效应。压阻式。压阻式压力传感器是基于半导体材料压力传感器是基于半导体材料(单晶硅单晶硅)的压阻效应原理制成的的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的成扩散压敏电阻，当硅膜
36、片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，阻值发生变化。硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。片所受压力成对应关系。第33页，共100页，编辑于2022年，星期二图图3-10为为一一种种压压阻阻式式压压力力传传感感器器的的结结构构示示意意图图，硅硅平平膜膜片片在在圆圆形形硅硅杯杯的的底底部部，其其两两边边有有两两个个压压力力腔腔，分分别别输输入入被被测测差差压压或或被被测测压压力力与与参参考考压压力力。高高压压
37、腔腔接接被被测测压压力力，低低压压腔腔与与大大气气连连通通或或接接参参考考压压力力。膜膜片片上上的的两两对对电电阻阻中中，一一对对位位于于受受压压应应力力区区，另另一一对对位位于于受受拉拉应应力力区区，当当压压力力差差使使膜膜片片变变形形，膜膜片片上上的的两两对对电电阻阻阻阻值值发发生生变变化化，使使电电桥桥输输出出相相应应压压力力变变化化的的信信号号。为为了了补补偿偿温温度度效效应应的的影影响响，一一般般还还可可在在膜膜片片上上沿沿对对压压力力不不敏敏感感的的晶晶向向生生成成一一个个电电阻阻，这这个个电电阻阻只只感感受受温温度度变变化化，可可接接入入桥桥路路作作为为温温度度补补偿偿电电阻阻，
38、以以提提高高测量精度。测量精度。图3-10 压阻式压力传感器 第34页，共100页，编辑于2022年，星期二压压阻阻式式压压力力传传感感器器的的特特点点是是灵灵敏敏度度高高，频频率率响响应应高高；测测量量范范围围宽宽，可可测测低低至至10Pa的的微微压压到到高高至至60Mpa的的高高压压；精精度度高高，工工作作可可靠靠，其其精精度度可可达达0.20.02；易易于于微微小小型型化化，目前国内生产出直径目前国内生产出直径1.82mm的压阻式压力传感器。的压阻式压力传感器。压阻式压力传感器实物图压阻式压力传感器实物图第35页，共100页，编辑于2022年，星期二(3)压电式压力传感器压电式压力传感器
39、某某些些电电介介质质沿沿着着某某一一个个方方向向受受力力而而发发生生机机械械变变形形(压压缩缩或或伸伸长长)时时，其其内内部部将将发发生生极极化化现现象象，而而在在其其某某些些表表面面上上会会产产生生电电荷荷。当当外外力力去去掉掉后后，它它又又会会重重新新回回到到不不带带电电的的状状态态，此此现现象象称称为为“压压电电效效应应”。常常用用的的压压电电材材料料有有天天然然的的压压电电晶晶体体(如如石石英英晶晶体体)和和压压电电陶陶瓷瓷(如如钛钛酸酸钡钡)两两大大类类，它它们们的的压压电电机机理理并并不不相相同同，压压电电陶陶瓷瓷是是人人造造多多晶晶体体，压压电电常常数数比比石石英英晶晶体体高高，
40、但但机机械械性性能能和和稳稳定定性性不不如如石石英英晶晶体体好好。它它们们都都具具有有较较好好特特性性，均是较理想的压电材料。均是较理想的压电材料。压压电电式式压压力力传传感感器器是是利利用用压压电电材材料料的的压压电电效效应应将将被被测测压压力力转转换换为为电电信信号号的的。由由压压电电材材料料制制成成的的压压电电元元件件受受到到压压力力作作用用时时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：(3-8)式式中中Q为为电电荷荷量量；k为为压压电电常常数数；S为为作作用用面面积积；p为为压压力力。通通过过测测量电荷量可知被测压力大小。量电荷量可知被测压力大小。第36页
41、，共100页，编辑于2022年，星期二图图3-11为为一一种种压压电电式式压压力力传传感感器器的的结结构构示示意意图图。压压电电元元件件夹夹于于两两个个弹弹性性膜膜片片之之间间，压压电电元元件件的的一一个个侧侧面面与与膜膜片片接接触触并并接接地地，另另一一侧侧面面通通过过引引线线将将电电荷荷量量引引出出。被被测测压压力力均均匀匀作作用用在在膜膜片片上上，使使压压电电元元件件受受力力而而产产生生电电荷荷。电电荷荷量量一一般般用用电电荷荷放放大大器器或或电电压压放放大大器器放放大大，转转换换为为电电压压或或电电流流输输出出，输输出出信信号与被测压力值相对应。号与被测压力值相对应。图3-11 压电式
42、压力传感器结构示意图压电式压力传感器实物图压电式压力传感器实物图第37页，共100页，编辑于2022年，星期二除除在在校校准准用用的的标标准准压压力力传传感感器器或或高高精精度度压压力力传传感感器器中中采采用用石石英英晶晶体体做做压压电电元元件件外外，一一般般压压电电式式压压力力传传感感器器的的压压电电元元件件材材料料多多为为压压电电陶陶瓷瓷，也也有有用用高高分分子子材材料料(如如聚聚偏偏二二氟氟乙乙烯烯)或或复复合合材材料料的的合成膜的。合成膜的。更更换换压压电电元元件件可可以以改改变变压压力力的的测测量量范范围围；在在配配用用电电荷荷放放大大器器时时，可可以以用用将将多多个个压压电电元元件
43、件并并联联的的方方式式提提高高传传感感器器的的灵灵敏敏度度；在在配配用用电电压压放放大大器器时时，可可以以用用将将多多个个压压电电元元件件串串联联的的方方式式提提高高传感器的灵敏度传感器的灵敏度。压压电电式式压压力力传传感感器器的的特特点点：体体积积小小，结结构构简简单单，工工作作可可靠靠；测测量量范范围围宽宽，可可测测100MPa以以下下的的压压力力；测测量量精精度度较较高高；频频率率响响应应高高，可可达达30kHz，是是动动态态压压力力检检测测中中常常用用的的传传感感器器，但但由由于于压压电电元元件件存存在电荷泄漏，故在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力不适宜测量缓慢变化的压力
44、和静态压力。第38页，共100页，编辑于2022年，星期二(4)电容式压力传感器电容式压力传感器电电容容式式压压力力传传感感器器采采用用变变电电容容测测量量原原理理，将将由由被被测测压压力力引引起起的的弹弹性性元元件件的的位位移移变变形形转转变变为为电电容容的的变变化化，用用测测量量电电容容的的方方法法测测出出电电容容量量，便可知道被测压力的大小便可知道被测压力的大小。根据平行板电容器的电容量表达式根据平行板电容器的电容量表达式(3-9)式式中中为为电电容容极极板板间间介介质质的的介介电电常常数数；A为为两两平平行行板板相相对对面面积积；d为两平行板间距。为两平行板间距。由由式式(3-9)可可
45、知知，改改变变A、d、其其中中任任意意一一个个参参数数都都可可以以使使电电容容量量发发生生变变化化，在在实实际际测测量量中中，大大多多采采用用保保持持其其中中两两个个参参数数不不变变，而而仅仅改改变变A或或d一一个个参参数数的的方方法法，把把参参数数的的变变化化转转换换为为电电容容量量的的变化。因此，电容量的变化与被测参数的大小成比例。变化。因此，电容量的变化与被测参数的大小成比例。第39页，共100页，编辑于2022年，星期二差动变极距式电容压力传感器差动变极距式电容压力传感器改变电容两平行板间距改变电容两平行板间距d的测量方式的测量方式有较高的灵敏度有较高的灵敏度，但当但当位移较大时非线性
46、严重位移较大时非线性严重。采用。采用差动电容法差动电容法可以可以改善改善非线性、提高灵敏度非线性、提高灵敏度、并、并可减小因可减小因受温度影响引起的受温度影响引起的不稳定性不稳定性。第40页，共100页，编辑于2022年，星期二图图3-12是是一一种种电电容容式式差差压压传传感感器器示示意意图图。左左右右对对称称的的不不锈锈钢钢基基座座内内有有玻玻璃璃绝绝缘缘层层，其其内内侧侧的的凹凹形形球球面面上上除除边边缘缘部部分分外外镀镀有有金金属属膜膜作作为为固固定定电电极极，中中间间被被夹夹紧紧的的弹弹性性膜膜片片作作为为可可动动测测量量电电极极，左左、右右固固定定电电极极和和测测量量电电极极经经导
47、导线线引引出出，从从而而组组成成了了两两个个电电容容器器。不不锈锈钢钢基基座座和和玻玻璃璃绝绝缘缘层层中中心心开开有有小小孔孔，不不锈锈钢钢基基座座两两边边外外侧侧焊焊上上了了波波纹纹密密封封隔隔离离膜膜片片，这这样样测测量量电电极极将将空空间间分分隔隔成成左左、右右两两个个腔腔室室，其其中中充充满满硅硅油油。当当隔隔离离膜膜片片感感受受两两侧侧压压力力的的作作用用时时，通通过过硅硅油油将将差差压压传传递递到到弹弹性性测测量量膜膜片片的的两两侧侧从从而而使使膜膜片片产产生生位位移移。电电容容极极板板间间距距离离的的变变化化，将将引引起起两两侧侧电电容器电容值的改变。容器电容值的改变。图3-12
48、 电容式差压传感器第41页，共100页，编辑于2022年，星期二对对于于差差动动平平板板电电容容器器，其其电电容容变变化化与与板板间间距距离离变变化化的的关关系系可可表示为：表示为：(3-10)式中式中C0为初始电容值；为初始电容值；d0为极板间初始距离；为极板间初始距离；d为距离变化量。为距离变化量。此此电电容容量量的的变变化化经经过过适适当当的的变变换换器器电电路路，可可以以转转换换成成反反映映被被测测差压的标准电信号输出。差压的标准电信号输出。这这种种传传感感器器的的特特点点是是：结结构构坚坚实实，灵灵敏敏度度高高，过过载载能能力力大大；精精度度高高，其其精精确确度度可可达达0.250.
49、05；可可以以测测量量压压力力和和差差压。压。第42页，共100页，编辑于2022年，星期二变面积式电容压力传感器变面积式电容压力传感器图图3-13所所示示为为一一种种变变面面积积式式电电容容压压力力传传感感器器。被被测测压压力力作作用用在在金金属属膜膜片片上上，通通过过中中心心柱柱和和支支撑撑簧簧片片，使使可可动动电电极极随随簧簧片片中中心心位位移移而而动动作作。可动电极与固定电极均是金属同可动电极与固定电极均是金属同图3-13 变面积式电容压力传感器 心心多多层层圆圆筒筒，断断面面呈呈梳梳齿齿形形，其其电电容容量量由由两两电电极极交交错错重重叠叠部部分分的的面面积积所所决决定定。固固定定电
50、电极极与与外外壳壳之之间间绝绝缘缘，可可动动电电极极则则与与外外壳壳导导通通。压压力力引引起起的的极极间间电电容容变变化化由由中中心心柱柱引引至至适适当当的的变变换换器器电电路路，转转换换成成反反映映被被测测压压力力的的标标准准电电信信号号输输出出。金金属属膜膜片片为为不不锈锈钢钢材材质质，膜膜片片后后设设有有带带波波纹纹面面的的挡挡块块，限限制制膜膜片片过过大大变变形形，以以保保护护膜膜片片在在过过载载时时不不至至于于损损坏坏。膜膜片片中中心心位位移移不不超超过过0.3mm，膜膜片片背背面面为为无无硅硅油油的的封封闭闭空空间间，不不与与被被测测介介质质接接触触，可可视视为为恒恒定定的的大大气