压力测量教学内容.ppt

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1、压力测量压力测量第一节第一节 概概 述述 垂直作用在单位面积上的力称垂直作用在单位面积上的力称压力压力。在国际单位制（在国际单位制（SI）和我国法定计量单位）和我国法定计量单位中，压力的单位是中，压力的单位是“帕斯卡帕斯卡”，简称，简称“帕帕”，符号为符号为“Pa”。即即1N的力垂直均匀作用在的力垂直均匀作用在1m2的面积上所的面积上所形成的压力值为形成的压力值为1Pa。过过去去采采用用的的压压力力单单位位“工工程程大大气气压压”（kgf/cm2）、“毫毫 米米 汞汞 柱柱”（mmHg）、“毫毫 米米 水水 柱柱”（mmH2O）、“物物 理理 大大 气气 压压”（atm）、“巴巴”（bar）、

2、“PSI”等等均均应应改改成成法法定定计计量量单单位位“帕帕”。1 kgf/cm2=0.9807105Pa1mmH2O=0.980710Pa1 mmHg=1.332102Pa1atm=1.01325105Pa1bar=105Pa 1PSI=6.89103Pa一、压力表示方式一、压力表示方式u绝对压力绝对压力u大气压力大气压力u表压力表压力表压力表压力=绝对压力绝对压力 大气压力大气压力u真空度真空度（负压）（负压）真空度真空度(负压负压)大气压力大气压力绝对压力绝对压力二、压力检测方法二、压力检测方法1.平衡法平衡法：通过仪表使液柱高度的重力或砝码：通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压

3、力相平衡的原理测量压力的重量与被测压力相平衡的原理测量压力2.弹性法弹性法：利用各种形式的弹性元件，在被测：利用各种形式的弹性元件，在被测介质的表压力或负压力作用下产生的弹性变介质的表压力或负压力作用下产生的弹性变形来反映被测压力的大小形来反映被测压力的大小3.电气式电气式：用压力敏感元件直接将压力转换成：用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化电阻、电荷量等电量的变化三、压力测量仪表的分类三、压力测量仪表的分类u 测量压力的仪表，按信号原理不同，测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分为四类：大致可分为四类：液柱式液柱式：根据流静体力学原理，把被测压：根据流静体力学原理，把被测

4、压力转换成液柱高度力转换成液柱高度机械式机械式：根据弹性元件受力变形的原理，：根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移将被测压力转换成位移电气式电气式：将被测压力转换成各种电量，如电：将被测压力转换成各种电量，如电感、电容、电阻、电位差等，依据电量的大感、电容、电阻、电位差等，依据电量的大小实现压力的间接测量小实现压力的间接测量活塞式活塞式：根据水压机液体传送压力的静压平：根据水压机液体传送压力的静压平衡原理，将被测压力转换成活塞面积上所加衡原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量平衡砝码的质量第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计 u利用工作液的液柱重力与被测压力相平衡利用

5、工作液的液柱重力与被测压力相平衡的的原理原理，通过液柱高度来反映被测压力的，通过液柱高度来反映被测压力的大小大小u优点：优点：结构简单，使用方便，可达到很高结构简单，使用方便，可达到很高的准确度的准确度u缺点：缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便玻璃管容易损坏及读数不方便u采用水银或水等为工作液，用采用水银或水等为工作液，用U形管或单管形管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的检进行测量，常用于低压、负压或压力差的检测测u被广泛用于实验室压力测量；内燃机进气道被广泛用于实验室压力测量；内燃机进气道压力、锅炉烟、风道各段压力、通风空调系

6、压力、锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量统各段压力的测量一、一、U形管压力计形管压力计P=P1P2 =g(h1+h2)提高工作液密度将提高工作液密度将增加压力的测量范增加压力的测量范围，但灵敏度要降围，但灵敏度要降低。低。二、单管压力计二、单管压力计 由于由于U形管压力形管压力计需两次读取液面高计需两次读取液面高度，为使用方便，设度，为使用方便，设计出一次读取液面高计出一次读取液面高度的单管压力计。度的单管压力计。因因 则则 故故 由于由于 Dd，所以所以 P=gh2 三、斜管微压计三、斜管微压计 主要用于测量微小压力、负压和压主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计

7、的测量管倾斜差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少读数放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。相对误差。倾斜式微压计倾斜式微压计 倾倾斜斜角角度度越越小小，l越越长长，测测量量灵灵敏敏度度就就越越高高；但但不不可可太太小小，否否则则液液柱柱易易冲冲散散，读读数数较较困困难难，误差增大。误差增大。这这种种倾倾斜斜管管液液柱柱式式压压力力计计可可以以测测量量到到0.98Pa的的微微压压。为为了了进进一一步步提提高高微微压压计计的的精精确确度度，应选用密度小的酒精作为工作液体。应选用密度小的酒精作为工作液体。四、液柱式压力计的测量误差及其修正四、液柱式压力计的测量误差及

8、其修正1.环境温度变化环境温度变化2.重力加速度变化重力加速度变化3.毛细现象毛细现象4.其它误差其它误差第三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计 用弹性传感器（又称弹性元件）组成的用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压力测量仪表称为压力测量仪表称为弹性式压力计弹性式压力计。弹性元件。弹性元件受压后产生的形变输出（力或位移），可以受压后产生的形变输出（力或位移），可以通过传动机构直接带动指针指示压力（或压通过传动机构直接带动指针指示压力（或压差），也可以通过某种电气元件组成变送器，差），也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力（或压差）信号的远传。实现压力（或压差）信号的远传。弹性元件在弹性限度

9、内受压后会产生弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大小与被测压力成正比关系。变形，变形大小与被测压力成正比关系。1.膜片膜片u按剖面形状分为平膜片和波纹膜片按剖面形状分为平膜片和波纹膜片u常用材料常用材料u可与其他转换元件合用可与其他转换元件合用u电容式压力传感器电容式压力传感器2.波纹管波纹管u优点优点：灵敏高，可测较低压力：灵敏高，可测较低压力u缺点缺点：迟滞误差较大，精度一般只有：迟滞误差较大，精度一般只有1.5级级P P3.弹簧管弹簧管截面为非圆形（椭圆截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），并弯形或扁圆形），并弯成圆弧状的空心管子成圆弧状的空心管子一端为封闭（自由端）一端为封闭（自由端

10、），一端为开口（固定，一端为开口（固定端）端）P P（1）弹簧管压力表）弹簧管压力表u结结构构简简单单，使使用用方方便便，价价格格低低廉廉，使使用用范范围围广，测量范围宽广，测量范围宽u可可测测负负压压、微微压压、低低压压、中压和高压中压和高压u精精度度有有 0.5、1.0、1.5、2.5级等级等（2）电远传式弹簧）电远传式弹簧 压力仪表压力仪表 u霍尔压力传感器霍尔压力传感器u电位器式压力传感器电位器式压力传感器(a)(a)电位器式电位器式 (b)(b)霍尔元件式霍尔元件式第四节第四节 典型测压传感器典型测压传感器（电气式检测）（电气式检测）u电电气气式式压压力力检检测测方方法法一一般般是是

11、用用压压力力敏敏感感元元件件直直接接将将压压力力转转换换成成电电荷荷、电容、电阻、电感量等电量的变化。电容、电阻、电感量等电量的变化。u能能实实现现压压力力电电量量转转换换的的压压敏敏元元件件主主要要有有压压电电材材料料、电电容容器器、应应变变片片和压阻元件等。和压阻元件等。1.1.压电式压力传感器压电式压力传感器 a.a.变换原理变换原理:压电效应压电效应 某些物质，如石英，当沿它的某个结晶轴施加某些物质，如石英，当沿它的某个结晶轴施加力的作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部力的作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷会被极化，表面产生电荷Q Q（Q=Q=k kp

12、pF F）；当外力去）；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为正压正压电效应（习惯也称压电效应）电效应（习惯也称压电效应）。F+Q=kpFkp-压电常数压电常数压电材料压电材料：单晶体、多晶体单晶体、多晶体 下面为单晶体下面为单晶体-石英石英nZ Z 轴称光轴轴称光轴nX X 轴称电轴轴称电轴nY Y 轴称机械轴轴称机械轴xy纵向及横向压电效应纵向及横向压电效应nQx=kpFxn纵向压电效应纵向压电效应，机械强度机械强度高，适用于高压测量高，适用于高压测量nQy=kpFyb/an横向压电效应横向压电效应，机械强度机械强度低，但可增大低，但可增大

13、b/ab/a提高灵提高灵敏度，适用于低压测量敏度，适用于低压测量yxba纵向及横向压电效应纵向及横向压电效应纵向压电效应（适用于高压）纵向压电效应（适用于高压）在纵向力作用下石英表面产生电荷横向压电效应（适用于低压）横向压电效应（适用于低压）在横向力作用下石英表面产生电荷 +FYFYFYFYFYFYFYFYFYFYFY-+串串联联+并并联联b b、测量电路、测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表

14、中。续显示仪表中。电压放大器电压放大器 电荷放大器电荷放大器 电荷放大器电路电荷放大器电路Qeep电荷放大器的显著特点电荷放大器的显著特点n 电荷放大器的输出电压仅与电荷量及反电荷放大器的输出电压仅与电荷量及反馈电容量有关，增益馈电容量有关，增益 A A 及电缆分布电容及电缆分布电容 C CC C 的变化都不影响放大器的输出。的变化都不影响放大器的输出。当当 A A1 1时，有时，有传感器电缆与电荷放大器连接之前先放电传感器电缆与电荷放大器连接之前先放电保持电缆插头清洁保持电缆插头清洁,干燥干燥试验测量之前仪器预热时间尽量长试验测量之前仪器预热时间尽量长(隔夜隔夜)非测量阶段置零非测量阶段置零

15、(“(“Reset“)Reset“)正确使用电荷放大器正确使用电荷放大器采用下述措施可减少仪器故障采用下述措施可减少仪器故障,提高测量精度：提高测量精度：温度变化引起的误差温度变化引起的误差 压电式压力传感器的压电元件的压压电式压力传感器的压电元件的压电常数因温度的变化而改变，使测量系电常数因温度的变化而改变，使测量系统的输出发生漂移，应对其适度冷却。统的输出发生漂移，应对其适度冷却。其他其他 传感器和测量线路的绝缘性能传感器和测量线路的绝缘性能 标定标定 安装安装 操作操作 环境振动噪声电磁场等各种干扰环境振动噪声电磁场等各种干扰u特特 点点 结构简单、紧凑，小巧轻便，工结构简单、紧凑，小巧

16、轻便，工作可靠，线性度好，高频特性良好，作可靠，线性度好，高频特性良好，但不适合静态压力测量。但不适合静态压力测量。将弹性元件的位移转换为电容量的变化。将弹性元件的位移转换为电容量的变化。将测压膜片作为电容器的可动极板，它与固将测压膜片作为电容器的可动极板，它与固定极板组成可变电容器。当被测压力变化时，由定极板组成可变电容器。当被测压力变化时，由于测压膜片的弹性变形产生位移改变了两块极板于测压膜片的弹性变形产生位移改变了两块极板之间的距离，造成电容量发生变化。之间的距离，造成电容量发生变化。测量原理测量原理2.电容式压力传感器（变送器）电容式压力传感器（变送器）图图2-5 2-5 电容式差压变

17、送器测量部件电容式差压变送器测量部件1-1-隔离膜片；隔离膜片；2 2，7-7-固定弧形固定弧形电极；电极；3-3-硅油；硅油；4-4-测量膜片；测量膜片；5-5-玻璃层；玻璃层；6-6-底座底座电容式压力变送器外形电容式压力变送器外形 3.电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器u应变片应变片是基于应变效应工作的一种压力是基于应变效应工作的一种压力敏感元件，当应变片受外力作用产生形敏感元件，当应变片受外力作用产生形变时，应变片的电阻值也将发生相应变变时，应变片的电阻值也将发生相应变化。化。u应变式压力传感器应变式压力传感器是由弹性元件、应变是由弹性元件、应变片以及相应的桥路组成的。片以及相应

18、的桥路组成的。r0，r、t达达最大值最大值r=0.58r0，r=0r=r0，r达达负的最大值负的最大值r=r0，t=04.压阻式压力传感器压阻式压力传感器u压阻元件压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件，它指在半导体材料的基片上用基成感元件，它指在半导体材料的基片上用基成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。时，其阻值由于电阻率的变化而改变。u扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单晶体硅膜片。是单晶体硅膜片。u优点优点：体积小，结构简单，能直接反

19、映：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变化，动态响应好微小的压力变化，动态响应好u缺点缺点：敏感元件易受温度的影响，从而：敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小影响压阻系数的大小n压电压电(石英石英)n Out ampn准静态测量准静态测量n无源敏感原理无源敏感原理n压阻压阻(半导体半导体)n静态测量静态测量(无无Reset“按钮按钮)有源敏感原理有源敏感原理Const.Current 1.4mAWheat-stone bridgeOut ampAmplifierOutpPressureChargeCharge amp.QuarzRange capacitorpOutPressur

20、eReset压电与压阻测量原理压电与压阻测量原理Charge amp.QuarzRange capacitorpOutPressureResetCharge amp.QuarzRange capacitorpOutPressureResetCharge amp.QuarzRange capacitorpOutPressureReset第五节第五节 压力测量仪表的选择压力测量仪表的选择1.仪表量程的选择仪表量程的选择u被测压力较稳定：最大工作压力不应被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的超过仪表满量程的3/4u被测压力波动较大或测脉动压力：最被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不

21、应超过仪表满量程的大工作压力不应超过仪表满量程的2/3u为保证测量准确度：最小工作压力不为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的应低于满量程的1/3u优先满足最大工作压力条件优先满足最大工作压力条件 2.仪表精度的选择仪表精度的选择 压力测量仪表的精度主要根据生产压力测量仪表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定。允许的最大误差来确定。3.仪表类型的选择仪表类型的选择u从被测介质压力大小来考虑从被测介质压力大小来考虑u被测介质的性质被测介质的性质u对仪表输出信号的要求对仪表输出信号的要求u使用的环境使用的环境u校验校验就是将被校验压力表和标准压力表通以相就是将被校验压力表和标准压力表通以

22、相同压力，比较它们的指示数值，如果被校表对于同压力，比较它们的指示数值，如果被校表对于标准表的读数误差，不大于被校表规定的最大允标准表的读数误差，不大于被校表规定的最大允许绝对误差时，则认为被校表合格。许绝对误差时，则认为被校表合格。u常用的校验仪器常用的校验仪器是是活塞式压力计活塞式压力计，它由压力，它由压力发生部分和测量部分组成，它的精度等级有发生部分和测量部分组成，它的精度等级有0.02、0.05和和0.2级，可用来校准级，可用来校准0.25级精密压力表，也级精密压力表，也可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为60MPa。第六节第六节 压力测

23、量仪表的校验与标定压力测量仪表的校验与标定压力发压力发生部分生部分测量测量部分部分使用情况一使用情况一a a 不需要不需要 标准压力表标准压力表压力发生压力发生部分部分-只起调节只起调节活塞柱位活塞柱位置的作用置的作用测量部分测量部分-测量活塞测量活塞产生标准产生标准压力压力使用情况二使用情况二标标 定定n标定是标定是 一般是对传感器组成的压力测量系统而言一般是对传感器组成的压力测量系统而言n静态标定静态标定 利用利用活塞式压力计、标准弹簧压力表或液活塞式压力计、标准弹簧压力表或液柱式压力计柱式压力计进行标定进行标定逐点校准逐点校准(静态静态)活塞压力计n对于测量动态压力的测量系统，除了对于测

24、量动态压力的测量系统，除了静态标定外，还要进行动态标定。静态标定外，还要进行动态标定。n动态标定的目的是要得到频率响应特动态标定的目的是要得到频率响应特性，确定动态误差、固有频率、阻尼性，确定动态误差、固有频率、阻尼比、适用范围等。比、适用范围等。动态标定动态标定准准静静态态/动动态态压压力力校校准准系系统统69046904型压力发生器型压力发生器 准静态压力范围准静态压力范围:0-700 bar:0-700 bar 动态压力范围动态压力范围:250 bar:250 bar69076907型通用校准仪型通用校准仪 双通道精密电荷放大器双通道精密电荷放大器 配标定软件配标定软件准静态校准与动态检

25、验准静态校准与动态检验准静态校准准静态校准n对比参考传感器，校对比参考传感器，校准传感器的线性和灵准传感器的线性和灵敏度敏度n需要考虑参考传感器需要考虑参考传感器的线性和的线性和 6907B1 型型压力发生器的精度压力发生器的精度动态快速检验动态快速检验n比较被测传感器与参比较被测传感器与参考传感器的峰值考传感器的峰值n比较压力曲线，需要比较压力曲线，需要双双 通道示波器与通道示波器与 6907B16907B1 型的模拟输出型的模拟输出连接连接激波管动态标定（教激波管动态标定（教P.126）激波管法校准压力传感器动态特性系统图激波管法校准压力传感器动态特性系统图试验装置包括试验装置包括激波管激波管、气源气源、测量测量和和记录记录部分部分。The EndThe End结束！结束！