第二篇壓力測(cè)量

第二篇壓力測(cè)量第1頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一章：壓力測(cè)量概述教學(xué)目的及要求：

1、使學(xué)生了解壓力檢測(cè)的重要意義

2、明確壓力的基本概念及表示方法教學(xué)的主要內(nèi)容：

1、壓力檢測(cè)的意義

2、壓力的概念第2頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一教學(xué)重點(diǎn)：壓力的概念及表示方法教學(xué)難點(diǎn)：壓力表的量程選擇及精度的確定實(shí)驗(yàn)教學(xué)：壓力表的校驗(yàn)主要參考書(shū)：

《過(guò)程參數(shù)檢測(cè)》 清華大學(xué)出版

《檢測(cè)技術(shù)》 機(jī)械工業(yè)出版

《過(guò)程檢測(cè)儀表》 化學(xué)工業(yè)出版社作業(yè)練習(xí)：6學(xué)時(shí)（課外）第3頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一章 壓力測(cè)量概述一、壓力檢測(cè)的意義：壓力是過(guò)程生產(chǎn)中的四大重要參數(shù)之一。它是監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程能否完全可靠、正常運(yùn)行的重要的參數(shù)指標(biāo)，尤其在化工生產(chǎn)過(guò)程中壓力這一參數(shù)更顯得尤為重要。1、在化工生產(chǎn)過(guò)程中： 壓力既影響物料平衡，也影響化學(xué)反應(yīng)速度，是標(biāo)志生產(chǎn)過(guò)程能否正常進(jìn)行的重要參數(shù)。2、安全生產(chǎn)的需要 從確保安全生產(chǎn)的角度，壓力檢測(cè)也是非常重要的。如：確保壓力容器內(nèi)的壓力在安全指標(biāo)之內(nèi)，確保易燃易爆介質(zhì)的壓力不超標(biāo)。

第4頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、其它工業(yè)生產(chǎn)中壓力檢測(cè)的作用 在其它工業(yè)生產(chǎn)中壓力的檢測(cè)與控制也非常普遍和重要。?？梢?jiàn)到一些工業(yè)裝置上都裝有壓力表。舉例：工業(yè)鍋爐

a）汽包壓力：壓力過(guò)高容易爆炸，壓力低動(dòng)力不足；

b）爐膛壓力：一般應(yīng)維持在0，高了爐門(mén)縫冒煙塵，低了膛內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓降低溫度。若維持在10，節(jié)能20％。4、壓力也是間接測(cè)量物位的手段

a）用孔板測(cè)量流量?jī)H能產(chǎn)生差壓，而這個(gè)差壓靠壓力檢測(cè)的方法來(lái)測(cè)取才能最終求出流量。

b）物位：液面的高度可以靠測(cè)取壓力的大小來(lái)表達(dá)。總之，壓力的檢測(cè)是一般生產(chǎn)過(guò)程所不可缺少的環(huán)節(jié)，只有按工藝要求保持壓力的穩(wěn)定，才能維持生產(chǎn)的正常進(jìn)行。所以壓力準(zhǔn)確測(cè)量是自動(dòng)化儀表人員的重要任務(wù)。

第5頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、壓力的概念

1、定義：均勻而垂直作用于單位面積上的力稱為壓力（即壓強(qiáng)）

2、公式：式中：

F為均勻而垂直作用的力單位：牛頓（N）

A為受力面積單位：平方米（）

P為壓力單位：帕斯卡（Pa）

3、壓力的單位在工程技術(shù)上，表達(dá)壓力的單位，常用的有以下幾種：工程大氣壓、帕斯卡、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、毫米汞柱、毫米水柱、

4、壓力單位間的換算關(guān)系第6頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

5、壓力的幾種表示方法

1）絕對(duì)壓力：以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)的壓力表達(dá)，又稱總壓力或全壓力，常用P表示。

2）大氣壓力：地球表面的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力表達(dá)，常用表示（用較易）

3）表壓力（又稱表壓）：一般測(cè)壓儀表所指示的壓力常以p表示，當(dāng)絕對(duì)壓力大于大氣壓力時(shí)，它等于絕對(duì)壓力減大氣壓力之差。即：在被測(cè)介質(zhì)的絕對(duì)壓力大于大氣壓力時(shí)，表壓＝絕對(duì)壓力－大氣壓力

4）負(fù)壓或真空度（又稱疏空壓力）：即在被測(cè)介質(zhì)的絕對(duì)壓力低于大氣壓力時(shí)的一種壓力表達(dá)。第7頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一在被測(cè)介質(zhì)的絕對(duì)壓力低于大氣壓力時(shí)： 真空度（接近真空的程度）＝大氣壓力－絕對(duì)壓力即真空度等于大氣壓力減絕對(duì)壓力之差。（前提被測(cè)的絕對(duì)壓力低于大氣壓力）常用Pa表示。指出：在壓力測(cè)量中，以上所說(shuō)到的表壓、絕對(duì)壓力、大氣壓力和真空度都是經(jīng)常用到的表達(dá)方式，它們之間的相互關(guān)系可用下圖表示：（大氣壓力也可能不恰為1個(gè)atm）。

表壓、絕對(duì)壓力、真空度、大氣壓力間的關(guān)系第8頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二章 壓力測(cè)量方法教學(xué)目的及要求：

1、使學(xué)生了解和掌握三類測(cè)量壓力的基本方法和原理

2、熟知各類壓力檢測(cè)方法的特點(diǎn)及應(yīng)注意的問(wèn)題主要教學(xué)內(nèi)容：§1、液柱測(cè)壓法一、U型管壓力計(jì)

1、結(jié)構(gòu)：充液介質(zhì)：水銀、水、酒精

第9頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、原理：

·A=h·A+·A h=

用表壓表示：h= h= 3、應(yīng)用范圍：適于測(cè)低壓、負(fù)壓及壓力差讀數(shù)精度1mm。二、單管壓力計(jì)

1、結(jié)構(gòu)

2、原理

3、特點(diǎn)：由于杯徑>>管徑，所以h 4、應(yīng)用范圍：低壓、負(fù)壓和差壓，讀數(shù)精度：0.5mm第10頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、液柱測(cè)壓中應(yīng)考慮的問(wèn)題

1、誤差問(wèn)題：

a）讀數(shù)誤差b）充液介質(zhì)密度的影響c）標(biāo)尺刻度的影響

d）毛細(xì)管吸附作用e）使用地點(diǎn)及環(huán)境

2、正確選擇充液介質(zhì)

3、常用的標(biāo)尺材料

4、讀數(shù)的位置

5、安裝要求：垂直安裝§2、應(yīng)用彈性形變測(cè)量壓力一、彈性元件的基本結(jié)構(gòu)和特性二、彈性元件的測(cè)壓原理三、影響彈性元件測(cè)壓性能的主要因素：第11頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

1、彈性元件的材料、加工、及熱處理

2、描述彈性元件技術(shù)指標(biāo)

3、彈性元件的溫度效應(yīng)四、彈性元件測(cè)壓的主要特點(diǎn)§3、應(yīng)用電測(cè)法測(cè)量壓力一、壓電式測(cè)壓原理及特點(diǎn)二、壓磁式測(cè)壓原理及特點(diǎn)三、應(yīng)變片式測(cè)壓原理及特點(diǎn)四、霍爾片測(cè)壓原理、特點(diǎn)及應(yīng)用方法五、利用熱電真空計(jì)測(cè)量氣體真空度的方法第12頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：

1、熟練掌握各種測(cè)壓方法的原理

2、電測(cè)壓力法的實(shí)用特點(diǎn)作業(yè)：見(jiàn)習(xí)題集P39：1、4、5、6～9自學(xué)題主要參考書(shū)：《過(guò)程檢測(cè)儀表》 化學(xué)工業(yè)出版社第13頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二章 壓力測(cè)量方法§1、液柱測(cè)壓法應(yīng)用液柱測(cè)量壓力的方法是以流體靜力學(xué)為基礎(chǔ)的。一般采用充有水或水銀等玻璃U型管或單管進(jìn)行測(cè)量。下面我們首先討論：U型管壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和測(cè)壓原理。一、U型管壓力計(jì)

1、結(jié)構(gòu)：如下圖，一般常由一支U型玻璃管構(gòu)成。充液介質(zhì)：水銀、水、酒精等。第14頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、原理：

a）在U型管兩端同時(shí)通大氣，而未接被測(cè)壓力時(shí)，U型管兩邊管內(nèi)的液面高度相等，同處于標(biāo)尺0線上。

b）當(dāng)將U型管的一端接入被測(cè)壓力P后，如果P大于，則U型管兩邊管內(nèi)的液面就會(huì)產(chǎn)生高度差，這個(gè)液柱的高度差就反映了U型管兩端所受壓力的差值。

c）根據(jù)流體的靜力學(xué)原理可知，在U型管2—2截面上，右邊被測(cè)壓力P作用在液面上的力應(yīng)為左邊這段高度為h的液柱和大氣壓力作用在液面上的力所平衡，即有：

若被測(cè)壓力用表壓表達(dá)，則有：由于一旦U型管內(nèi)的充入介質(zhì)確定，則、g均為定數(shù)。所以h可以直接反映被測(cè)壓力p的大小，此即為U型管測(cè)壓的基本原理。

第15頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一如果U型管一端接大氣，則其兩端的液柱高度之差直接反映了被測(cè)介質(zhì)的表壓。3、應(yīng)用范圍：適用于低壓、負(fù)壓和壓力差，讀數(shù)誤差可達(dá)

1mm，測(cè)低壓相對(duì)誤差較大。二、單管壓力計(jì)如果在結(jié)構(gòu)上把U型管壓力計(jì)中的一只管換成大直徑的杯，即可構(gòu)成單管壓力計(jì)。

1、結(jié)構(gòu)：如下圖，杯徑較管徑大得多。

2、原理：同U型管第16頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、特點(diǎn)：由于杯徑>>管徑，所以>>， 有：h4、應(yīng)用范圍：測(cè)量低壓、負(fù)壓和差壓，量程范圍一般在

0～250，讀數(shù)誤差：0.5mm三、液柱測(cè)壓中應(yīng)考慮的問(wèn)題：

1、誤差問(wèn)題

a）主要的測(cè)量誤差是讀數(shù)誤差。

b）其它影響測(cè)量結(jié)果的因素：①充液密度的影響②標(biāo)尺刻度誤差③毛細(xì)管的吸附作用④使用的地點(diǎn)及環(huán)境溫度影響等必要時(shí)應(yīng)作修正。第17頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、正確選擇充液介質(zhì)①測(cè)低壓充低密度介質(zhì)（可使h大）②測(cè)高壓充高密度介質(zhì)（否則冒頂）③要避免充液與被測(cè)介質(zhì)有化學(xué)反應(yīng)3、常用的標(biāo)尺材料：玻璃、鋼、銅4、讀數(shù)的位置（見(jiàn)右圖）

1）眼與液柱面水平

2）水銀柱讀凸部

3）水讀凹部5、應(yīng)垂直安裝，否則引入附加誤差。第18頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§2、應(yīng)用彈性形變測(cè)量壓力彈性元件在受到被測(cè)壓力作用時(shí)，一般總要產(chǎn)生彈性形變，在彈性限度內(nèi)，一般說(shuō)來(lái)彈性元件的形變程度與被測(cè)壓力的大小是有對(duì)應(yīng)關(guān)系的，因此我們可以通過(guò)測(cè)量彈性元件的形變程度來(lái)測(cè)量壓力的大小，應(yīng)該說(shuō)這是目前工業(yè)上進(jìn)行壓力檢測(cè)的主要形式。一般說(shuō)來(lái)，采用不同材料、不同形狀的彈性元件作為感壓元件可以制造出多種形狀和各種量程范圍的測(cè)壓儀表，所以正確得了解一些常用彈性元件的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)及其相應(yīng)的測(cè)壓機(jī)理，是我們后面研究測(cè)壓儀表的基礎(chǔ)。一、彈性元件的基本結(jié)構(gòu)和特性根據(jù)各彈性元件的輸出特性，分別給出了各彈性元件的形變位移量x與被測(cè)壓力間的數(shù)學(xué)表達(dá)式：第19頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、平薄膜片： 輸出公式：（都是指數(shù)曲線但坡度不同，所以取底數(shù)K1，K2，……）2、波紋膜片： 輸出公式：第20頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、撓性膜片： 輸出公式：4、波紋管：輸出公式：

第21頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5、單圈彈簧管： 輸出公式：6、多圈彈簧管： 輸出公式：

注意：式中的K1……K6，a，b均為常數(shù)。第22頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、彈性元件的測(cè)壓原理我們知道，當(dāng)彈性元件在軸向受到外力作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生拉伸或壓縮位移，即有： F＝C·S

式中，F(xiàn)：軸向外力；S：位移量；C：彈性元件的剛度系數(shù)因?yàn)镕＝·p

則有S＝·p

由于測(cè)壓儀表的彈性元件通常都是工作在其彈性特性的線性范圍內(nèi)，故根據(jù)虎克定律，我們可以近似認(rèn)為上式中的為一常數(shù)。

設(shè)：彈性元件通常工作在彈性特性的線性范圍內(nèi)，所以可視為一常數(shù)。即有：S＝K·p K為彈性元件的結(jié)構(gòu)系數(shù)第23頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一這樣就保證了彈性元件的位移與被測(cè)壓力呈線性關(guān)系。因此我們只要通過(guò)測(cè)量彈性元件的位移即可知道被測(cè)壓力的大小，這就是簡(jiǎn)單的彈性元件的測(cè)壓原理。當(dāng)然，隨著彈性元件的型狀、結(jié)構(gòu)的不同，彈性元件所輸出的形變位移量與其所受的被測(cè)壓力p之間函數(shù)關(guān)系有時(shí)很難保證是一種簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，如前例中的平膜片、波紋膜片、波紋管等，它們有的是指數(shù)關(guān)系，有的是函數(shù)關(guān)系，但不管位移與被測(cè)壓力之間是一種什么函數(shù)關(guān)系，有一點(diǎn)是確定的，這就是彈性元件的彈性位移與被測(cè)壓力間總應(yīng)存在著一種單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。只有保證了這一條，用彈性元件測(cè)壓才有意義。當(dāng)然一般說(shuō)來(lái)，使位移與被測(cè)壓力間保持線性關(guān)系的彈性元件用途更廣泛一些。三、影響彈性元件測(cè)壓性能的因素：

1、彈性元件的材料、加工、熱處理等方面的質(zhì)量嚴(yán)重影響著彈性元件的基本性能特性。主要表現(xiàn)在：

第24頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1）靈敏度。（定義式）——線性元件

（定義式）——非線性元件一般說(shuō)來(lái)，我們希望彈性元件的靈敏度高些為好。2）不完全彈性。具體表現(xiàn)：

a）彈性滯后：表現(xiàn)在壓力增加或減小時(shí)彈性元件的形變量不一樣。

b）彈性后效：在彈性極限內(nèi)，當(dāng)作用在彈性元件上的壓力很快去掉時(shí)，它也不能立即恢復(fù)原狀，還有一個(gè)數(shù)值不大的，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能恢復(fù)。

c）殘余變形：形成系統(tǒng)誤差。以上a、b、c嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的精度。

第25頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、溫度效應(yīng) 在溫度變化時(shí)，大多數(shù)彈性元件的彈性將減弱。 有：式中，，：元件在標(biāo)準(zhǔn)和工作狀態(tài)時(shí)的彈性模數(shù) ：彈性模數(shù)的溫度系數(shù)，參數(shù)金屬為負(fù) 例：黃銅＝－4.8×

：溫度變化量 因?yàn)闉樨?fù)，所以越大，越小，故彈性越弱。此亦是造成附加誤差的因素。一般彈性元件希望采用低溫度系數(shù)的恒彈性金屬材料。第26頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、彈性元件的特性

1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉

2、精度較好，安裝、使用方便

3、測(cè)壓范圍較寬：所以用途很廣。第27頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§3、應(yīng)用電測(cè)法測(cè)量壓力電測(cè)壓力法是通過(guò)傳感器直接把被測(cè)壓力變換為電信號(hào)，一般人們可利用某些機(jī)械或電氣元件的一些典型的物理特性來(lái)實(shí)現(xiàn)這種壓力與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。如常見(jiàn)的壓電式、壓磁式、電容式、電感式、電阻應(yīng)變式……等方法，目前都已是比較成熟的一些電測(cè)壓力的方法。電測(cè)壓力法較前面講述的液柱測(cè)壓法、彈性元件測(cè)壓法更有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 特點(diǎn)：

a）動(dòng)態(tài)特性好，適于測(cè)量快速變化的壓力信號(hào)

b）耐壓上限高，適于超高壓場(chǎng)合

c）輸出信號(hào)易于遠(yuǎn)傳下面首先介紹壓電式測(cè)壓原理。第28頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、壓電式測(cè)壓原理及特點(diǎn)：自然界中的某些晶體，在受壓發(fā)生機(jī)械變形時(shí)（如壓縮或伸長(zhǎng)），則在兩個(gè)相對(duì)的物面上會(huì)產(chǎn)生異性電荷，這種沒(méi)有外電場(chǎng)存在，由于機(jī)械變形而引起的電現(xiàn)象即稱為“壓電效應(yīng)”。由于機(jī)械形變而引起的電現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。如天然晶體石英、鈦酸鋇等都是此類現(xiàn)象。其中采用石英晶體作為壓力—電量變換元件的較為普遍。下面我們簡(jiǎn)單介紹以下如何應(yīng)用石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 天然的石英晶體，一般為六棱形，如下圖a所示。第29頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖a表示一個(gè)石英晶體，它有3個(gè)相互垂直的軸，即x，y，z軸。圖b是垂直于縱軸zz的剖面。在剖面上，有兩組3對(duì)互相垂直的軸xx和yy（各3根） 石英晶體在三個(gè)相互垂直的方向xx,yy,zz上的物理性質(zhì)是不同的。其中xx軸稱為電氣軸，yy軸稱為機(jī)械軸，zz軸稱為光軸。在實(shí)際應(yīng)用中，我們一般是從棱柱體中割出一個(gè)各面與軸平行的小塊，即ABCD和EFGH平面與z、y軸平行，EADH，F(xiàn)BCG平面與y，x軸平行，F(xiàn)EAB與GHDC平面與z，x軸平行。如圖c。該晶塊的一對(duì)晶面ABCD、EFGH由于正交于xx軸，平行于yy軸和zz軸，所以當(dāng)沿著xx軸方向有力作用時(shí)，由于晶體的壓電效應(yīng)，結(jié)果會(huì)在ABCD和EFGH面上將有等量的異性電荷Qx于－Qx出現(xiàn)。如果用Ax表示晶塊的受力面積，用表示作用在Ax面積上的壓力,則：

第30頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Qx＝K··Ax

由上式可知：在Ax和K確定后，晶塊表面所產(chǎn)生的電荷量Qx的大小，即單值反映了被測(cè)壓力的大小。只要測(cè)出Qx來(lái)便可知道了。

如果我們沿晶塊的yy方向上施加壓力，則在平面ABCD和EFGH（而不是EABF、HDCG）平面上也會(huì)出現(xiàn)等量的異性電荷。但這種情況下在上述兩平面上所出現(xiàn)的電荷Qy（和－Qy）在數(shù)量上除和壓力即受壓面積有關(guān)外，還與晶塊的厚度有關(guān)。沿zz軸方向上施加壓力，則沒(méi)有“壓電效應(yīng)”。第31頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一石英晶體作為壓力傳感器的敏感元件被廣泛應(yīng)用于壓力的自動(dòng)檢測(cè)之中，石英作為壓力的敏感元件與其它壓電材料相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a）機(jī)械強(qiáng)度大，最大的安全應(yīng)力為98牛頓/ b）單位體積電阻率大，大于歐姆·米

c）不易老化

d）抗?jié)穸饶芰?qiáng)二．壓磁式測(cè)壓原理及特點(diǎn)壓磁式測(cè)壓是根據(jù)“壓磁效應(yīng)”原理把被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的。壓磁效應(yīng)：當(dāng)鐵磁物體受壓后，不僅材料內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力隨壓力變化，而且材料的導(dǎo)磁系數(shù)也隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“壓磁效應(yīng)”。第32頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一舉例：導(dǎo)磁式壓力傳感器就是其中一種。

1、結(jié)構(gòu)示意圖此傳感器是由一組初級(jí)線圈和兩組次級(jí)線圈嵌繞在具有空腔的鐵芯骨架上，空腔內(nèi)填入鐵磁物質(zhì)，正常情況下，由初級(jí)線圈接入交流電，產(chǎn)生交變磁通，通過(guò)磁絡(luò)穿過(guò)兩個(gè)次級(jí)線圈，在這兩個(gè)次級(jí)線圈上分別感應(yīng)出相應(yīng)的電壓。第33頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、原理a)在被測(cè)壓力為零時(shí)，由于內(nèi)、外空腔內(nèi)的鐵磁物質(zhì)的受壓相同，所以磁路對(duì)稱，則在兩個(gè)次級(jí)線圈上，將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感生電壓，但由于兩個(gè)次級(jí)線圈的匝數(shù)相同，但繞向相反，于是所產(chǎn)生的感生電勢(shì)將是大小相等，但方向相反，將兩個(gè)次級(jí)線圈同名端相接，則次級(jí)線圈的輸出電壓為零。b)當(dāng)被測(cè)壓力加在外空腔的鐵磁性物質(zhì)上以后，則外空腔側(cè)的磁路導(dǎo)磁率將發(fā)生變化，磁路不對(duì)稱，兩個(gè)次級(jí)線圈上的感生電壓將不相等，于是傳感器的總輸出電壓將不再是零，而是一個(gè)與被測(cè)的壓力信號(hào)成比例的電壓信號(hào)產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)了壓力－電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。若將此信號(hào)送至顯示儀表，即可顯示出被測(cè)壓力的大小。3、測(cè)壓范圍：可測(cè)1000HZ以下的1000Kgf/cm2(9.806×10Pa)的壓力。第34頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三．應(yīng)變片測(cè)壓原理及特點(diǎn)（壓阻式壓力變送器或傳感器）應(yīng)用應(yīng)變片測(cè)壓是又一種測(cè)量壓力的方法，這種方法主要是通過(guò)應(yīng)變片將其所感受的被測(cè)壓力p轉(zhuǎn)換成應(yīng)變片本身電阻阻值的變化。然后通過(guò)相應(yīng)的橋路將阻值的變化再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)顯示儀表將其被測(cè)壓力顯示出來(lái)。

1、應(yīng)變片的構(gòu)成：應(yīng)變片一般是由純金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料制成的電阻體。

應(yīng)變片外形結(jié)構(gòu)有低基、膠基、或箔式常用的材料有：鉑、錳銅、康銅等。其中應(yīng)用錳銅絲制作的應(yīng)變片最多。

2、原理：在外界壓力的作用下，應(yīng)變片阻值發(fā)生變化。即有：ΔR=K·R·P第35頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

ΔR:材料電阻R在壓力P作用下的阻值變化量。

K:壓力系數(shù)，表示在1牛頓/cm的壓力作用下1Ω的材料電阻所能產(chǎn)生的電阻變化值。3．靈敏系數(shù)：K=

金屬導(dǎo)體：K≈1+2μ半導(dǎo)體：K≈E

一般：金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K不超過(guò)5

半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K在100～200之間。顯然半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬導(dǎo)體的靈敏系數(shù)大幾十倍之多。如：康銅絲應(yīng)變片的K=2.0～2.1PJ-320型半導(dǎo)體、P型單晶體應(yīng)變片的K=140PBD7-1K型

第36頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一根據(jù)選材不同，半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)可以做成可正、可負(fù)。即拉伸應(yīng)變片可增加（K為正）或可降低（K為負(fù)）。半導(dǎo)體應(yīng)變片雖然具有遠(yuǎn)比金屬導(dǎo)體應(yīng)變片大的靈敏度，但是其溫度特性不好，受溫度的影響較大，因此應(yīng)用中必須采取相應(yīng)的溫度補(bǔ)償措施。故目前應(yīng)用較多的還是金屬應(yīng)變片。四．霍爾片測(cè)壓原理、特點(diǎn)及應(yīng)用方法：霍爾片元件作為一種檢測(cè)和轉(zhuǎn)換元件。在自動(dòng)儀表中應(yīng)用很多，尤其是將其與其它轉(zhuǎn)換元件配合，可以有效地測(cè)量壓力。并能將壓力信號(hào)遠(yuǎn)傳，所以在壓力測(cè)量?jī)x表中，霍爾片的應(yīng)用非常廣泛。下面討論霍爾片的基本構(gòu)成及其工作原理。第37頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

1、霍爾片的構(gòu)成：霍爾片是由半導(dǎo)體材料制成的薄片，常用的材料鍺、銻化銅、砷化銅等。其霍爾片結(jié)構(gòu)如圖：薄片長(zhǎng)為l，寬為b,厚為d。

2、工作原理用半導(dǎo)體材料制成的霍爾薄片，如果在其Z軸方向上的一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，而在y軸方向上加一外電場(chǎng)（由直流穩(wěn)壓源提供），則在y軸方向上會(huì)有一恒定的電流沿y軸方向流過(guò)，如果在c端接入電源正極，則沿電流的相反方向產(chǎn)生電子流。電子在霍爾片中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到一個(gè)沿負(fù)向第38頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

X軸方向的洛倫磁力qvB的作用，（電流在磁場(chǎng)中所受的磁力作用方向用左手定則判斷）這里q是電子的電荷量，v是電子運(yùn)動(dòng)的速度，B是磁感應(yīng)強(qiáng)度。由于霍爾片中運(yùn)動(dòng)的電子受到了磁力的作用，從而使電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，于是在霍爾片的一個(gè)端面上會(huì)有電子的積累，而其另一個(gè)端面上將會(huì)由于缺少負(fù)電荷而形成正電荷過(guò)剩，于是在霍爾片的X軸方向上將出現(xiàn)空間電荷區(qū)，形成電位差，這一電位差我們稱為霍爾電勢(shì)。該物理現(xiàn)象，我們稱為霍爾效應(yīng)?；魻栯妱?shì)的大小與構(gòu)成霍爾片的半導(dǎo)體材料，霍爾片的幾何形狀，以及通過(guò)霍爾片的電流強(qiáng)度I（稱為控制電流）、磁感應(yīng)強(qiáng)度B等因素都有關(guān)，其具體的數(shù)量關(guān)系如下：

霍爾電勢(shì)：＝第39頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一由上式可知：霍爾電勢(shì)顯然與外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流I成正比，提高B和I值可增大，但I(xiàn)和B的提高要有一定限制。一般?。篒=3～20mA，I過(guò)高會(huì)使霍爾片發(fā)熱，B值一般由永久磁鐵形成，數(shù)值均在幾千高斯，太高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，永久磁鐵亦很難實(shí)現(xiàn)。由此得到的霍爾電勢(shì)一般均為幾十毫伏，可是霍爾元件的輸出是很小的。從上式還可以看出，霍爾電勢(shì)與其幾何形狀有關(guān)，顯然霍爾片的厚度d越小，則越大，因此霍爾元件一般都做成薄片狀，當(dāng)然一般也不能過(guò)薄，因?yàn)榛魻柶^(guò)薄，會(huì)使其內(nèi)阻增大，從而影響霍爾電勢(shì)的輸出。此外霍爾片的長(zhǎng)寬比也影響霍爾電勢(shì)的大小，但這種影響不是一般的直接比例關(guān)系，而由決定。一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)＞4時(shí)，可以消除霍爾片形狀對(duì)其霍爾電勢(shì)的影響。一般在霍爾片的材料、形狀一旦確定以后，、d、均可視為常數(shù)。第40頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一因此我們又可定義：=-霍爾常數(shù)，單位：毫伏/毫安·千高斯則有：=·B·I

一般說(shuō)來(lái)，應(yīng)用中常將I固定，通過(guò)B的變化來(lái)影響的大小，從而測(cè)量有關(guān)參數(shù)。3、霍爾效應(yīng)在壓力測(cè)量中的應(yīng)用：由上述霍爾電勢(shì)產(chǎn)生的原理可知，對(duì)于材料和結(jié)構(gòu)已定的霍爾片，其霍爾電勢(shì)僅與B和I有關(guān)。如果我們通過(guò)穩(wěn)壓電源確保流過(guò)霍爾片的直流電流I恒定，則霍爾電勢(shì)的大小就僅由通過(guò)霍爾片的磁感應(yīng)強(qiáng)度B來(lái)決定了。如果我們用兩對(duì)永久磁鐵的磁極構(gòu)成一個(gè)線性的非均勻磁場(chǎng)。第41頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、霍爾元件在應(yīng)用中的問(wèn)題：1)霍爾元件對(duì)溫度變化敏感，應(yīng)用中需采取恒溫或溫度補(bǔ)償措施。這是半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)。2)要確保恒流特性，否則會(huì)帶來(lái)較大誤差3)易存在不等位電勢(shì)，主要是由霍爾片電阻率不均勻，厚度不均勻，以及在工藝上無(wú)法保證A、B完全處于同一等位面上，由此都會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。五．利用熱電真空計(jì)測(cè)量氣體真空度的方法熱電真空計(jì)的原理示意如右圖：

第42頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一檢測(cè)元件由鉑絲制成，裝于與被測(cè)氣體介質(zhì)連通的玻璃管中，與、、構(gòu)成橋路，由恒定的電流加熱，在環(huán)境溫度和玻璃管內(nèi)氣體介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)恒定的情況下，檢測(cè)電阻所產(chǎn)生的熱量與玻璃管內(nèi)氣體介質(zhì)導(dǎo)熱而散失的熱量相平衡，則此時(shí)溫度一定，故其電阻一定。設(shè)此時(shí)橋路平衡，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)的真空度升高時(shí)，由于氣體稀薄，致使熱量傳遞的能力降低，即氣體的導(dǎo)熱系數(shù)變小，則鉑電阻的溫度會(huì)因散熱減弱而升高，于是阻值增大，從而使橋路的不平衡電壓△U輸出增大，真空度越高，△U輸出越大，由此檢測(cè)了被測(cè)氣體的真空度。熱電真空計(jì)一般對(duì)環(huán)境溫度變化比較敏感，所以實(shí)用中常附加有恒溫或溫度補(bǔ)償裝置。一般該真空計(jì)可測(cè)到10mmHg的真空度。第43頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三章 壓力測(cè)量?jī)x表教學(xué)目的及要求

1、使學(xué)生掌握壓力儀表的構(gòu)成及原理

2、了解和掌握壓力儀表的選型、安裝及使用方法主要教學(xué)內(nèi)容§1、彈簧管壓力表一、單圈彈簧管壓力表的測(cè)壓原理二、彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu) 第44頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、壓力表的選擇、校驗(yàn)和安裝

1、壓力表的選擇

1）種類及型號(hào)的選擇

2）儀表量程的選擇

3）儀表精度等級(jí)的選擇

2、壓力表的校驗(yàn)

1）標(biāo)準(zhǔn)表量程的選擇

2）標(biāo)準(zhǔn)表精度的選擇規(guī)定

3、壓力表的安裝

1）測(cè)壓點(diǎn)的選擇（液體、氣體）

2）導(dǎo)壓管的鋪設(shè)要求

3）取壓點(diǎn)的選擇

4）壓力表連接處的密封墊選擇第45頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：

1、彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)及原理

2、壓力表量程及精度選擇的方法作業(yè)：見(jiàn)習(xí)題集P39：10、11、12、13主要參考書(shū)：

《過(guò)程檢測(cè)儀表》化學(xué)工業(yè)出版

第46頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三章 壓力測(cè)量?jī)x表引言：前面我們從壓力檢測(cè)的基理入手，著重介紹了幾種常用的壓力檢測(cè)方法。這些方法可概括為：液注法測(cè)量、彈性形變法測(cè)量和內(nèi)容繁多的電測(cè)法測(cè)量。在初步了解了這些典型的測(cè)壓方法之后。下面我們將著重介紹如何應(yīng)用這些測(cè)壓原理和測(cè)壓元件來(lái)構(gòu)成實(shí)用的測(cè)壓儀表。壓力測(cè)量?jī)x表又簡(jiǎn)稱壓力儀表。由于各種生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求不同，所以壓力儀表有多種多樣的形式，如有現(xiàn)場(chǎng)指示型、遠(yuǎn)傳變送器、報(bào)警調(diào)節(jié)型、指針指示型、指針記錄型、數(shù)字顯示型等。下面我們重點(diǎn)介紹一種目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一種，彈簧管壓力測(cè)量?jī)x表。第47頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1、彈簧管壓力表彈簧管壓力表是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種測(cè)壓儀表，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，其中以單圈彈簧管壓力表的應(yīng)用最多。下面重點(diǎn)介紹單圈彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)和測(cè)壓原理。一、單圈彈簧管壓力表的測(cè)壓原理出示單圈彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)原理圖第48頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一單圈彈簧管壓力表的主要部件是一根彎成圓弧形的單圈彈簧管，該彈簧管是感受壓力的敏感元件。它是一根截面呈扁圓形或橢圓形的空心彈簧管，該扁圓形彈簧管的長(zhǎng)軸a與圖面垂直的彈簧管中心軸o相平行。該彈簧管的A端為固定端，即被測(cè)壓力的輸入端（即開(kāi)口的）。而B(niǎo)端是彈簧管的自由端，即位移的輸出端，通常是封閉的，r為彈簧管中心初始角。（初始值一般為270°）△r則為中心角的變化量。R和r分別為彈簧管彎曲圓弧的外半徑和內(nèi)半徑，a和b分別為彈簧管扁圓截面的長(zhǎng)半軸和短半軸。單圈扁圓空心彈簧管的主要作用是作為一個(gè)壓力—位移的轉(zhuǎn)換元件，即通過(guò)它將其感受的壓力轉(zhuǎn)換成自由端的位移量。其轉(zhuǎn)換原理如下：第49頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一當(dāng)它的固定端通入被測(cè)壓力p后，由于橢圓形截面在壓力p的作用下將趨向圓形，其自由端就由B移B′（如虛線所示），彈簧管的中心角，隨即減小△r。根據(jù)彈性形變的原理可知，中心角的相對(duì)變化值與被測(cè)壓力p的關(guān)系可用下式表示：

=P式中 μ，E-彈簧管材料的泊松系數(shù)和彈性模數(shù)

h-彈簧管壁厚

k-彈簧管的幾何參數(shù)k=α,β-與比值有關(guān)的參數(shù)

a-長(zhǎng)半軸（長(zhǎng)軸半徑）b-短半軸上式僅適用于計(jì)算薄壁（即<0.7～0.8）彈簧管。第50頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一由上式可知：如要求P與成正比關(guān)系，必須使式中其余各參數(shù)均為定值。而中心角的變化量△r又與中心角的初始值r成正比（一般取r=270°）.同時(shí)△r還與橢圓彈簧管的短半軸b有關(guān)，b越小，則△r的變化量越大。如果b=a,則△r將等于零。所以說(shuō)：具有均勻壁厚的圓形彈簧管是不能作為測(cè)壓元件的。當(dāng)然△r的數(shù)值還與彈簧管的材料性質(zhì)、幾何尺寸等因素有關(guān)。一般彈簧一旦取定，這些參數(shù)均為定值。實(shí)用中，有時(shí)為了增加彈簧管受壓變形時(shí)的位移量，多采用多圈彈簧管結(jié)構(gòu)，其基本原理與單圈彈簧管相同，但其受壓后的位移量△r卻較單圈式大的多。二、彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)：彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)如下圖所示（見(jiàn)書(shū)p16圖2-2）第51頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一被測(cè)壓力由接頭9通入，迫使彈簧管1的自由端B向右上方擴(kuò)展。自由端B的彈性形變位移經(jīng)由拉桿2使扇形齒輪3作逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，于是指針5通過(guò)同軸的中心齒輪4作順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，從而在面板6的刻度標(biāo)尺上顯示出被測(cè)壓力P的數(shù)值，由于自由端的位移與被測(cè)壓力之間具有線性比例關(guān)系，所以彈簧管壓力表的刻度標(biāo)尺一般總是線性的。需要指出：

a.這里游絲7是用來(lái)克服因扇形齒輪和中心齒輪的間隙所產(chǎn)生的儀表變差的。

b.調(diào)整螺釘8是用來(lái)調(diào)整儀表量程的，這主要是通過(guò)調(diào)整螺釘8的位置，進(jìn)而改變機(jī)械傳動(dòng)的放大系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。彈簧管的材料：一般視被測(cè)壓力的大小和介質(zhì)的性質(zhì)而選用相應(yīng)的材料。

第52頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、壓力表的選擇、校驗(yàn)和安裝正確地選擇、校驗(yàn)和安裝是保證壓力表在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮應(yīng)用作用的重要措施。

1、壓力表的選擇要根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程所提出的技術(shù)條件和具體的使用環(huán)境，本著節(jié)約的原則，來(lái)進(jìn)行種類、型號(hào)、量程、精度等級(jí)的選擇。1）、種類、型號(hào)的選擇：a應(yīng)根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)，如：溫度的高低、粘度大小、腐蝕強(qiáng)弱、臟污程度、易燃易爆等方面來(lái)考慮。b.要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件：如高溫、腐蝕、潮濕、振動(dòng)等方面由此來(lái)確定壓力表的種類、材質(zhì)及型號(hào)2）、儀表量程的選擇：