第3章力与压力测量传感器
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第三章 压力测量
则： ∆P = P1 – P2= (ρ2 -ρ1 ) g H + (ρ –ρ1 ) g (h1+h2) 只要读出(h1+h2)便可知∆P
ρ
如果U型管两边液面上介质为相同气体，其密度为ρ0，
即ρ1=ρ2=ρ0，则上式可化简为： P1 = P2 + (ρ–ρ0 ) g (h1+h2) 由于一般ρ > > ρ0 ，可得： P1 = P2 + ρ g (h1+h2) 或 ∆P = P1 – P2= ρ g (h1+h2 ) 如果是P2当地大气压，即U型管一端与大气相通，另一 端接被测压力，就可以直接测得被测压力的表压力： P1 = ρ g (h1+h2 )
0.984
0.996
霍尔元件厚度d---越薄，灵敏度越高 --- 薄片 限制---阻抗增大，功耗增大，发热温升
②电磁特性：
激励电流---UH~I 线性关系，电流灵敏度： 磁感应强度--- UH~B 多数非线性，材料不 同-特性不同 内阻---R~B 多数线性，磁阻效应，降低霍尔电势
（3）霍尔式压力传感器：
• 各种单位之间的换算详见教材第87页表3.1
3.2 液柱式压力计
• 一、液体压力计 工作原理： • 液柱式压力计测量压力是以流体静力学 理论为基础的压力测量方法。根据流体静 力学，一定高度的液柱对底面产生的静压 力要与被测压力相平衡，这样液柱的高度 实际上就反映了被测压力的大小。
ρ
如果U型管两边液面上介质为相同气体，其密度为ρ0，
即ρ1=ρ2=ρ0，则上式可化简为： P1 = P2 + (ρ–ρ0 ) g (h1+h2) 由于一般ρ > > ρ0 ，可得： P1 = P2 + ρ g (h1+h2) 或 ∆P = P1 – P2= ρ g (h1+h2 ) 如果是P2当地大气压，即U型管一端与大气相通，另一 端接被测压力，就可以直接测得被测压力的表压力： P1 = ρ g (h1+h2 )
0.984
0.996
霍尔元件厚度d---越薄，灵敏度越高 --- 薄片 限制---阻抗增大，功耗增大，发热温升
②电磁特性：
激励电流---UH~I 线性关系，电流灵敏度： 磁感应强度--- UH~B 多数非线性，材料不 同-特性不同 内阻---R~B 多数线性，磁阻效应，降低霍尔电势
（3）霍尔式压力传感器：
• 各种单位之间的换算详见教材第87页表3.1
3.2 液柱式压力计
• 一、液体压力计 工作原理： • 液柱式压力计测量压力是以流体静力学 理论为基础的压力测量方法。根据流体静 力学，一定高度的液柱对底面产生的静压 力要与被测压力相平衡，这样液柱的高度 实际上就反映了被测压力的大小。
自动检测技术第三章压力及力检测
第3章 压力检测
在测量上所称的压力就是物理学中的压强， 它是反映物质状态的一个参数；在工业自动化生 产过程中是重要工艺参数之一。 本章简单介绍压力的概念及单位，重点讲解应 变式压力计、压电式压力传感器、电容式压力传 感器和霍尔式压力计等的测量原理及测压方法。
3.1 压力的概念及单位
1、压力的概念: 压力是垂直而均匀地作用在单 位面积上的力。大小由受力面积和垂直作用力 的大小两个因素决定。表达式为： 2、 压力的单位 （1）工程大气压 （2）标准大气压 （3）约定毫米汞柱 （4）约定毫米水柱 常用的几种压力单位与帕斯卡的换算关系见表 3.1.1所示。
其输出电压为
3.2 应变式压力计
3.2 应变式压力计
3.2.5 应变式压力传感器
1、膜式应变传感器 图是一种简单的平膜压力传感器，应变片贴在膜片的 内表面。膜片感受压力时产生应变，使应变片有一定 的电阻输出。
3.2 应变式压力计
2、测力式应变传感器 右图为一种带水冷的测力计式压力传感器。 3、扩散硅型压力传感器 图(a)是一个杯型组合式测量元件 图(b)是膜片一个截面示意图
3.4 压电式压力传感器
3.4.2 压电材料
1、压电晶体
（1）石英晶体： 石英晶体即二氧化硅（SiO2），有天然的和人工培育的 两种。压电系数d11=2.31×10-12C/N，在几百摄氏度的温度 范围内，压电系数几乎不随温度而变。到575℃时，它完全 失去了压电性质，这就是它的居里点。石英的熔点为 1750℃，密度为2.65×103kg/m3，有很大的机械强度和稳 定的机械性质，可承受高达6.8×107～9.8×107Pa的应
在测量上所称的压力就是物理学中的压强， 它是反映物质状态的一个参数；在工业自动化生 产过程中是重要工艺参数之一。 本章简单介绍压力的概念及单位，重点讲解应 变式压力计、压电式压力传感器、电容式压力传 感器和霍尔式压力计等的测量原理及测压方法。
3.1 压力的概念及单位
1、压力的概念: 压力是垂直而均匀地作用在单 位面积上的力。大小由受力面积和垂直作用力 的大小两个因素决定。表达式为： 2、 压力的单位 （1）工程大气压 （2）标准大气压 （3）约定毫米汞柱 （4）约定毫米水柱 常用的几种压力单位与帕斯卡的换算关系见表 3.1.1所示。
其输出电压为
3.2 应变式压力计
3.2 应变式压力计
3.2.5 应变式压力传感器
1、膜式应变传感器 图是一种简单的平膜压力传感器，应变片贴在膜片的 内表面。膜片感受压力时产生应变，使应变片有一定 的电阻输出。
3.2 应变式压力计
2、测力式应变传感器 右图为一种带水冷的测力计式压力传感器。 3、扩散硅型压力传感器 图(a)是一个杯型组合式测量元件 图(b)是膜片一个截面示意图
3.4 压电式压力传感器
3.4.2 压电材料
1、压电晶体
（1）石英晶体： 石英晶体即二氧化硅（SiO2），有天然的和人工培育的 两种。压电系数d11=2.31×10-12C/N，在几百摄氏度的温度 范围内，压电系数几乎不随温度而变。到575℃时，它完全 失去了压电性质，这就是它的居里点。石英的熔点为 1750℃，密度为2.65×103kg/m3，有很大的机械强度和稳 定的机械性质，可承受高达6.8×107～9.8×107Pa的应
第三章 压力检测仪表
设电桥中四个桥臂电阻为 R1、R 2、R3、R（4 其中
任一个电阻可以是应变片）。
AC两端为输入—接直流电源，用 UAC 表示
从ABC半个桥看，流经 R1的电流
I1
U AC R1 R2
R1 两端压降：
UAB I1R1 R 3 两端压降：
R1 R1 R2
U AC
U AD
R3 R3 R4
UAC
S a x
指仪表指针位移（角位移或线位移）的变化量与引起该位移的
被测参数变化量的比值。
• 灵敏限：指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。 通常：灵敏限≤允许绝对误差的1/2
4. 分辨力与分辨率（适用于数字式仪表）
• 分辨力：测试仪表数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测 参数变化量。不同量程的分辨力不同，相应于最低量程的分辨 力称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度。例：0～1.0000V的数 字电压表。分辨力是？
max 测量范围上限值－测量范围下限值
100％
允
允max 测量范围上限值－测量范围下限值
100％
• 仪表精度等级的确定
国家根据仪表的允许误差来统一规定仪表的精度等级
（0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，
1.5，2.5，4.0），具体办法：将仪表允许相对百分误
差中的“±”及“％”去掉便可确定仪表的精度等级。
任一个电阻可以是应变片）。
AC两端为输入—接直流电源，用 UAC 表示
从ABC半个桥看，流经 R1的电流
I1
U AC R1 R2
R1 两端压降：
UAB I1R1 R 3 两端压降：
R1 R1 R2
U AC
U AD
R3 R3 R4
UAC
S a x
指仪表指针位移（角位移或线位移）的变化量与引起该位移的
被测参数变化量的比值。
• 灵敏限：指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。 通常：灵敏限≤允许绝对误差的1/2
4. 分辨力与分辨率（适用于数字式仪表）
• 分辨力：测试仪表数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测 参数变化量。不同量程的分辨力不同，相应于最低量程的分辨 力称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度。例：0～1.0000V的数 字电压表。分辨力是？
max 测量范围上限值－测量范围下限值
100％
允
允max 测量范围上限值－测量范围下限值
100％
• 仪表精度等级的确定
国家根据仪表的允许误差来统一规定仪表的精度等级
（0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，
1.5，2.5，4.0），具体办法：将仪表允许相对百分误
差中的“±”及“％”去掉便可确定仪表的精度等级。
3第三章检测仪表与传感器-1.
1. 液柱式压力计
测量原理：P=h 所以 h=P/
单管压力计
U型管压力计
斜管压力计
2. 活塞式压力计
• 测量原理： P=G/S 所以 G=P•S • 精确度高 • 常用作标准仪表，检 验其它压力计
3、弹性式压力计与弹簧管压力表
• 工作原理：采用弹性元件将压强大小转换为位移 量，再通过机械传动和放大，推动指针偏移。变 形位移与所受压力成正比 • 根据弹性元件形式的不同分为以下3类： – 弹簧管式压力计 – 薄膜式压力计 – 波纹管式压力计
帕 Pa N/m2 106N/m2 10mH2O 毫米汞柱 水柱 巴 psi mm m dyn/cm2 lb/in2 兆帕 MPa 工程大气压
物理大气压 20º C海平面
二、压力计的分类与工作原理
工业压力计通常转换原理的不同进行分类：
• • • •
液柱式压力计 活塞式压力计 弹性式压力计 电气式压力计
仪表允许的最大绝对误 差值 允 100% 测量范围上限值 测量范围下限值
仪表精度等级：用允许误差的绝对值表示： 常用仪表等级有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2， 0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等，书上例题1-2
变差：在测量条件不变的情况下，同一仪表对相同 的被测参数进行正、反行程测量时，其显示的 差异。
线性度与反应时间
传感器原理及应用第3章力压力敏传感器
D.温度和蠕变补偿应变计
201 —温度自补偿应变计
9/12
/19 —蠕变自补偿应变计
第3章 力/压力Hale Waihona Puke Baidu传感器——电阻应变计
传 2.半导体应变计 感 A.半导体材料的压阻效应
——当半导体材料受到应力作用时，其晶格间距会发生变化，使得其电
器 阻率发生变化，这一现象称为压阻效应。
半导体材料的电阻在外力作用下的相对变化与金属相同，但半导体
原 理 材料的电阻率的相对变化与应力s成正比，即：dE
及 式中π为材料的压阻系数，则： 对于半导体材料，其压阻系数
d R R 1 2 d 1 2 E G
应 很大，G主要由πE决定，即G≈πE，一般在50~100之间。即：
用 dREd
201 9/12 /19
第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计
传 1.金属应变计 感 是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感器元件。是目
前国内外应用数量最多的传感器元件之一。
器 A.金属应变计的基本原理
原 ——金属导体受外力作用时发生机械形变，导致其阻值大小发生变化的
理 及
现象，称为金属的电阻应变效应。
201 9/12 /19
第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计
传 C. 应变片应用 感 器 原 理 及 应 用
第三章第二节压力检测及仪表
二、弹性式压力计
1.定义:在被测压力的作用下,利用各种形式的弹性元件受 压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。 2.特点:结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、 价格低廉、测量范围宽、有足够的精度、应用广泛。 3.测量范围:几百帕到数千兆帕。
4.弹性元件（根据测压范围的不同） (1).弹簧管式弹性元件(单圈和多圈的) 是截面呈椭圆形或扁圆形的中空 金属管,当通入压力p后, 它的自由 端就会产生位移。 适合测高、中、低压。
4.弹性元件（根据测压范围的不同）
(2).薄膜式弹性元件 由具有弹性的金属或非金属片构成,在压力作用下能产 生变形。 适合测中、低压。
膜片
膜盒
硅油
4.弹性元件（根据测压范围的不同） (3).波纹管式弹性元件:外部存在波纹的弹性金属片构成 金属筒体。易于变形,且位移很大。
适合测微压和低压(不超过1MPa)。
dR dl dA d , R l A
dA d ( r 2 ) dr 2 , 2 A r r
dr dl - - r l
μ为应变材料的泊松比;ε=dl/l为应变。
dR dl dA d d 1 2 R l A
2.应变片式压力传感器 (1) 理论基础 dR dl dA d d 1 2 R l A 1 2 —由几何尺寸变化引起的。电阻丝在外力作用时 发生机械变形,其电阻随之发生变化的现象,叫应变效应。 d —由电阻率变化引起的。受压力后,其晶格间距发生 变化,电阻率随压力变化的现象,叫压阻效应。 金属材料,以应变效应为主,称为金属电阻应变片,制成 应变式压力传感器。 半导体材料,以压阻效应为主,称为半导体应变片,制成 压阻式压力传感器。 导体阻值的变化只取决于电阻率和材料几何尺寸的变化。
热工检测技术-第3章-压力测量及仪表电子教案
因
4
D2h2
d2h1
4
故
p
gh1(1
d2 D2
)
由于 D>>d，所以 P =ρgh1
斜管微压计
主要用于测量微小压力、负压和压 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 相对误差。
2 1
➢ 倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高； 但不可太小，否则液柱易冲散，读数较困难， 误差增大。
➢ 这种倾斜管液柱式压力计可以测量到0.98Pa 的微压。为了进一步提高微压计的精确度，
应选用密度小的酒精作为工作液体。
倾斜式微压计
3.2 弹性式压力计
用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压 力测量仪表称为弹性式压力计。弹性元件受压 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。
压力传感器从其原理及结构来看可分为：液柱 式、机械式及电气式
测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分为四 类：
➢ 液柱式：根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱 高度
➢ 活塞式：根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力 转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量
➢ 机械式：根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转 换成位移
确定校验点
第3章_压力检测-王威立
直流测量电桥
欲使电桥达到平衡，直流电桥其相邻两臂的电阻比值 应该相等。
2、电桥电压灵敏度
若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥输出
的电压为:
R3 R1 R4 R2 R3 RR4 R1 R1 U0 U ( ) U R1 R1 R2 R3 R4 ( R1 R1 R2 )( R3 R4 ) R`1 R4 R1 R3 R1 R4 U U R R R ( R1 R1 R2 )( R3 R4 ) 1 (1 2 )(1 4 ) R1 R1 R3
传感器原理
本章的主要内容
测压系统实例 压力的概念及单位
集成压敏传感器
应变式压力计
光纤压力传感器
压力 检测
薄膜应变片
电子秤
压电式压力传感器
霍尔式压力计
电容式压力传感器
§3.1 压力的概念及单 位
一.
二. 三. 四.
压力的概念
压力的常用单位
压力单位换算表 压力的关系
一、压力的概念 压力的概念
压力是垂直地作用在单 位面积上的力。它的大 小由两个因素，即受力 面积和垂直作用力的大 小决定。其表达式为
2、金属丝应变效应
对于确定的材料，(1+2μ)项是常数，其数值约在1~2 之间，实验证明dρ/ρ╱εx 也是一个常数。
dR dR R K S x ，或 K S R x （ 3 9 ）
第3章压力检测与仪表
压力有三种表示方法，即绝对压力、表压 力、负压力或真空度，它们的关系如下图所示。
P绝对压力
P表压 P真空度 P绝对压力
大气压力线 绝对压力的零线
绝对压力、表压、负压(真空度)的关系
刘玉长
三、压力检测方法
(1) 弹性力平衡法： 利用弹性元件受压力作用发生弹性形变而产生的弹性 力与被测压力相平衡的原理。
刘玉长
第一节概述
一、压力定义与单位
垂直作用在单位面积上的力称压力。 在国际单位制(SI)和我国法定计量单位中， 压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为 “Pa”。 由于历史原因，其它一些压力单位还在使 用，表3-1给出了各种压力单位之间的换算关系。
刘玉长
表3-1 常用压力换算表
刘玉长
二、压力的表示方法
P πd 2 H 2 4V
P与测量管段上的高 度差H的平方成正比。
刘玉长
二、热电偶式真空计
利用发热丝周围气体的导热率与气体的 稀薄程度(真空度)间的关系。
刘玉长
一组是加热丝，一般用铂丝 或钨丝，通入恒定的加热电流；
另一组是热电偶的热电极，
其工作端焊在加热丝上，用来测量 加热丝表面温度的变化，一般用镍 铬—康铜热电偶。
可以测量气体和蒸汽的压强， 测量上限通常为13.33mPa(即10－4 mmHg)。
三、电离式真空计
在一定条件下，电子在单位距离上所形 成的离子数，正比于气体的压强：
P绝对压力
P表压 P真空度 P绝对压力
大气压力线 绝对压力的零线
绝对压力、表压、负压(真空度)的关系
刘玉长
三、压力检测方法
(1) 弹性力平衡法： 利用弹性元件受压力作用发生弹性形变而产生的弹性 力与被测压力相平衡的原理。
刘玉长
第一节概述
一、压力定义与单位
垂直作用在单位面积上的力称压力。 在国际单位制(SI)和我国法定计量单位中， 压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为 “Pa”。 由于历史原因，其它一些压力单位还在使 用，表3-1给出了各种压力单位之间的换算关系。
刘玉长
表3-1 常用压力换算表
刘玉长
二、压力的表示方法
P πd 2 H 2 4V
P与测量管段上的高 度差H的平方成正比。
刘玉长
二、热电偶式真空计
利用发热丝周围气体的导热率与气体的 稀薄程度(真空度)间的关系。
刘玉长
一组是加热丝，一般用铂丝 或钨丝，通入恒定的加热电流；
另一组是热电偶的热电极，
其工作端焊在加热丝上，用来测量 加热丝表面温度的变化，一般用镍 铬—康铜热电偶。
可以测量气体和蒸汽的压强， 测量上限通常为13.33mPa(即10－4 mmHg)。
三、电离式真空计
在一定条件下，电子在单位距离上所形 成的离子数，正比于气体的压强：
第3章 压力传感器
通进气歧管 真空腔 引线 硅片
16
绝缘垫
氧化铝片
P
二、进气压力传感器的检测 检测步骤： 1）拔下传感器插头，接通点火开关，测量VCC端子与E2间 电压应该为4.5~5.5V。
进气压力传感器 VCC
PIM
电子控制单元ECU
稳压电源
混合IC
E2
A/D转换
单片机
硅片
E1
进气
进气压力传感器与ECU的连接电路示意图
大气压力传感器
大气压力 (BARO) 传感器一般安装在发动机集中控制电 脑ECM/PCM (发动机控制模块/动力系统控制模块)内，电脑 通过大气压力传感器测量车辆所处位置的海拔高度以及车辆 爬山时的相对海拔高度。并把这种变化转换为输入的信号， 输入到电脑内，从而调整点火正时和燃油供给量，使发动机 性能得到稳定发挥。
真空室 IC
3) 滤清器：滤除进气杂质，以 免膜片受到腐蚀和脏污而 。
4) IC：集成传感器电路。
滤清器
接线端 进气歧管压力
5) 接线端：
压阻效应式进气压力传感器 结构图
P 12
2.传感器工作原理 压阻式歧管压力传感器的硅 膜片一面通真空室，另一面导入 进气歧管压力。在压差作用下， 硅膜片就会产生机械应变而产生 应力，应变电阻的阻值在膜片应 力的作用下就会发生变化，电桥 上电阻值的平衡就被打破，从而 使电桥输出电压变化。由于该电 压值很小，再经过混合集成电路 真空室 的放大处理后，从ECU的PIM端 子提供给微电脑电路。
16
绝缘垫
氧化铝片
P
二、进气压力传感器的检测 检测步骤： 1）拔下传感器插头，接通点火开关，测量VCC端子与E2间 电压应该为4.5~5.5V。
进气压力传感器 VCC
PIM
电子控制单元ECU
稳压电源
混合IC
E2
A/D转换
单片机
硅片
E1
进气
进气压力传感器与ECU的连接电路示意图
大气压力传感器
大气压力 (BARO) 传感器一般安装在发动机集中控制电 脑ECM/PCM (发动机控制模块/动力系统控制模块)内，电脑 通过大气压力传感器测量车辆所处位置的海拔高度以及车辆 爬山时的相对海拔高度。并把这种变化转换为输入的信号， 输入到电脑内，从而调整点火正时和燃油供给量，使发动机 性能得到稳定发挥。
真空室 IC
3) 滤清器：滤除进气杂质，以 免膜片受到腐蚀和脏污而 。
4) IC：集成传感器电路。
滤清器
接线端 进气歧管压力
5) 接线端：
压阻效应式进气压力传感器 结构图
P 12
2.传感器工作原理 压阻式歧管压力传感器的硅 膜片一面通真空室，另一面导入 进气歧管压力。在压差作用下， 硅膜片就会产生机械应变而产生 应力，应变电阻的阻值在膜片应 力的作用下就会发生变化，电桥 上电阻值的平衡就被打破，从而 使电桥输出电压变化。由于该电 压值很小，再经过混合集成电路 真空室 的放大处理后，从ECU的PIM端 子提供给微电脑电路。
第三章压力测量
1 U形管压力计
1.1原理：在U形管的两个管口
分别接压力p1、p2。当p1＝ p2时，两管的液体高度相等， 当p1>p2时，管内的液面便会 产生高度差，如果将其中一管 通大气压，则所测得的压力为 表压。
形管压力计
h
U形管压力计
△P=P1－P2 =ρg(h1+h2)
提高工作液密度将 增加压力的测量范 围，但灵敏度要降
作用； C、但不能远传压力指示。 ▲触点的供电电压：交流电不得超过380V，直流220V
以下； ▲触点的最大容量10VA，电流1A。
下图为不锈钢耐震电接点压力表
★在热力生产过程中，不仅需要进行压力的显 示，而且还需要将压力控制在某一范围内。例 如：锅炉汽包压力，过热蒸汽压力等
3.4膜片电接点压力表
1mmH2O = 0.9807×10Pa 1 mmHg = 1.332×102Pa
1atm = 1.01325×105Pa
1bar=105Pa
1PSI=6.89×103Pa
2.3压力的表示方式
由于压力参考点不同，在工程上压力的表 示方式有3种：绝对压力Pa、表压P、真空 度或负压Pv
1) 绝对压力Pa是被测介质作用于物体表面上 的全部压力，以绝对压力零位为基准（也 就是以绝对真空作为基准所表示的压力）。 用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。
（右图） 浮球式压力计原理图
热工测试技术第3章 压力测试技术
7
第2节 稳态压力的测量 节
(1)半球形 半球形
x = 0, K p = 1 x = 1d , K p = max x ≥ 3d , K p ≈ 0
注意半球形位置， 注意半球形位置，稳态流 体内压力测量探针就是基 于这个原理设计的
8
第2节 稳态压力的测量 节
3、流体静压的测量及静压探针 、 流道壁面上的静压力 测压孔应开在直线型管壁上； 测压孔应开在直线型管壁上； 测压孔的轴线应与壁面垂直； 测压孔的轴线应与壁面垂直； 测压孔的直径为0.5mm左右，最大不应超过1.5mm； 左右，最大不应超过 测压孔的直径为 左右 ； 测压孔的边缘应整齐、光洁。 测压孔的边缘应整齐、光洁。
4
第1节 压力的基本概念 节
5
第2节 稳态压力的测量 节
1.基本原理 基本原理 流体稳态压力测量的基本原理流体沿水平方向稳定流动 其静压与动压之和沿流线不变， 时，其静压与动压之和沿流线不变，即
p0 = p s + 1 2 ρc = const 2
1 2 1 ρc + p s = ρc12 + p s1 2 2
第3章 压力测试技术 章
掌握流体稳态压力测量的基本原理及方法； 掌握流体稳态压力测量的基本原理及方法； 掌握稳态压力传感器的原理及结构； 掌握稳态压力传感器的原理及结构； 测量误差产生的原因及解决方法； 测量误差产生的原因及解决方法； 动态压力测量传感器的基本原理及结构； 动态压力测量传感器的基本原理及结构； 压力计及压力测量系统的标定； 压力计及压力测量系统的标定； 真空测量技术。 真空测量技术。
第2节 稳态压力的测量 节
(1)半球形 半球形
x = 0, K p = 1 x = 1d , K p = max x ≥ 3d , K p ≈ 0
注意半球形位置， 注意半球形位置，稳态流 体内压力测量探针就是基 于这个原理设计的
8
第2节 稳态压力的测量 节
3、流体静压的测量及静压探针 、 流道壁面上的静压力 测压孔应开在直线型管壁上； 测压孔应开在直线型管壁上； 测压孔的轴线应与壁面垂直； 测压孔的轴线应与壁面垂直； 测压孔的直径为0.5mm左右，最大不应超过1.5mm； 左右，最大不应超过 测压孔的直径为 左右 ； 测压孔的边缘应整齐、光洁。 测压孔的边缘应整齐、光洁。
4
第1节 压力的基本概念 节
5
第2节 稳态压力的测量 节
1.基本原理 基本原理 流体稳态压力测量的基本原理流体沿水平方向稳定流动 其静压与动压之和沿流线不变， 时，其静压与动压之和沿流线不变，即
p0 = p s + 1 2 ρc = const 2
1 2 1 ρc + p s = ρc12 + p s1 2 2
第3章 压力测试技术 章
掌握流体稳态压力测量的基本原理及方法； 掌握流体稳态压力测量的基本原理及方法； 掌握稳态压力传感器的原理及结构； 掌握稳态压力传感器的原理及结构； 测量误差产生的原因及解决方法； 测量误差产生的原因及解决方法； 动态压力测量传感器的基本原理及结构； 动态压力测量传感器的基本原理及结构； 压力计及压力测量系统的标定； 压力计及压力测量系统的标定； 真空测量技术。 真空测量技术。
传感器及实用检测技术课件 第3-2-1章
第3章 力敏传感器及检测
3.3 压阻式压力传感器
3.3.1 压阻式压力传感器的工作原理与主要特点 1.工作原理 工作原理 工作原理：是基于半导体材料的压阻效应的。 工作原理：是基于半导体材料的压阻效应的。压阻效 应是指当半导体材料某一轴向受外力作用时,其电阻率ρ发生 变化的现象。能产生明显的压阻效应的材料很多,但半导体 材料的这种效应特别显著,能直接反映出很微小的应变。常 见的半导体应变片是用锗和硅等半导体材料作为敏感栅的, 一般为单根状,如图3－17所示。
第3章 力敏传感器及检测
具有正温度系数R1
具有负温度系数R2
图3－16 双金属敏感栅自补偿应变片
第3章 力敏传感器及检测 3.2.5 应变式传感器的用途
应变式传感器按其用途不同,可分为： 应变式力传感器； 应变式压力传感器等。 1.应变式力传感器 应变式力传感器 应变式力传感器主要用途： 应变式力传感器主要用途：测量荷重及力。它在电子 自动秤中的应用非常普遍,例如电子轨道衡、电子吊车衡、 电子配料秤、商用电子秤、自动灌包定量秤、电子皮带秤等。 在工业及国防上使用应变式力传感器的地方也很多,例如各 种机械零件受力状态、材料试验设备、发动机推力测试等。
第3章 力敏传感器及检测 3.4.3 压电元件的应用特点
压电式传感器中的压电元件无论是石英切片还是压电 陶瓷,它的内阻都很高 而输出的信号功率很小 它的内阻都很高,而输出的信号功率很小 它的内阻都很高 而输出的信号功率很小。因此一般不 能直接显示、记录和使用,而需要经过阻抗变换和信号放大。
第3章_压力检测-王威立20140320
2、金属丝应变效应
对于确定的材料，(1+2μ)项是常数，其数值约在1~2 之间，实验证明dρ/ρ╱εx 也是一个常数。
dR dR R K S x ，或 K S R x （ 3 9 ）
上式表示金属丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关 系。
二、电阻应变片
1
金属电阻应变片
2
半导体电阻应变片
二、压力的常用单位
标准大气压
压力的概念
单位符号为 atm，是指在纬度 45°的海平面上，0℃时的平 均大气压力。
二、压力的常用单位
约定毫米汞柱
压力的概念
单位符号为 mmHg，即在标准重力 加速度下，0℃时 1mm 高的水银柱 2 在 1 cm 的底面上所产生的压力
二、压力的常用单位
约定毫米水柱
压力的概念 单位符号为 mmH2O，即在标准重 力加速下，4℃ 时1mm 高的水柱在 1 cm 2 的底面上所产生的压力。
三、压力单位换算表
压力的概念
cm
2
§3.2 应变式压力计
一.
电阻应变效应 电阻应变片 电阻应变片的粘贴 电阻应变片的温度补偿 电阻应变片的转换电路 应变片式压力传感器
二.
三. 四. 五. 六.
直流测量电桥
欲使电桥达到平衡，直流电桥其相邻两臂的电阻比值 应该相等。
2、电桥电压灵敏度
第3章_压力测量
14
3.3.1霍尔压力传感器
霍尔传感器，是一种磁-电转换器。
霍尔效应：把半导体单晶薄片置于磁场B中，当在晶片 的x轴方向上通以—定大小的电流I时，在晶片的y轴方 向的两个端面上，因为自由电荷受磁场中洛伦兹力作 用而产生电场这种现象称霍尔效应，相应的电压称为 霍尔电势。
VH K H IB
15
霍尔效应演示
C
0A
22
柱面线位移型.
C
0A
23
２）电容压力传感器
I0
（1）测量部分
测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等. 测量原理: 将被测压力的变化转换成电容量的变化。
24
电容式压力变送器的压力与电容的转换关系简单推导如下： 压差ΔP与移动距离Δd 近似线性关系
d K1P
31
金属丝： A r
2
dR dl 2dr d R l r
金属丝体积不变：
dr dl r l
dR d 2 R
对金属材料，电阻率不变：
dR (1 2 ) R
32
应变计
金属应变片
33
半导体应变计-压阻式
dR dl 2dr d R l r
12
• 膜盒压力表主要用于测量较低压力或负压的 气体压力，压力测量范围为－20～40kPa， 仪表的准确度等级一般为1.5～2.5级。
传感器技术与应用第3章 力传感器
QXX d11FX
在覆以金属极面间产生的电压为
u XX
QXX CX
d11FX CX
图3-13 垂直于电轴X切割的石英晶体切片
如果在同一切片上，沿机械轴Y方向施
加作用力Fy时，则在与X轴垂直的平面上
产生电荷为
QXY
a—丝式应变花；b—箔式应变花
图3-10 应变花的基本形式
3.2.3 电阻应变片的测量电路
弹性元件表面的应变传递给电阻应变片 敏感丝栅，使其电阻变化。测量出电阻变 化，便可知应变（被测量）大小。
图3-11（a）、（b）为半桥测量电路
图（a）中，无应变时，
R1=R2=R3=R4=R，则桥路输出电压为
3. 弹性滞后
实际的弹性元件在加载／卸载的正反 行程中变形曲线是不重合的，这种现象称 为弹性滞后现象,它会给测量带来误差。
4. 弹性后效
当载荷从某一数值变化到另一数值时, 弹性元件变形不是立即完成相应的变形， 而是经一定的时间间隔逐渐完成变形，这 种现象称为弹性后效。
5. 固有振荡频率 弹性敏感元件都有自己的固有振荡
当电阻丝受到拉力F时，一是受力后 材料几何尺寸L、S变化；
二是受力后材料的电阻率ρ也发生了 变化，则其阻值发生变化。
3.2.2 电阻应变片的分类 电阻应变片主要分为金属电阻应变片
和半导体应变片两类。
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❖压力测量传感器的特性参数、测量电路与温度 补偿方法
❖压力测量传感器性能及应用范围比较
❖压力测量传感器应用实例
2020/11/18
4
3.1 电阻式压力传感器
3.1.1金属电阻应变式传感器
金属电阻应变式传感器是利用应变效应原理制成的 一种测量微小机械变化量的传感器。它是由弹性元件 和电阻应变片构成。当弹性元件感受被测物理量时， 其表面产生应变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片 也产生应变，其阻值将随着弹性元件的应变而变化。 通过测量电阻应变片的电阻值，可以用来测量被测的 物理量。金属电阻应变传感器具有结构简单、测量精 度高、使用方便、动态性能好等特点，被广泛应用于 测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数。
丝的灵敏系数，即单位应变所引起的电阻的相对变化。
2020/11/18
11
❖ 由式(3-4)可知，电阻丝的灵敏系数受两个因素的影响：
一是(1+2μ)，它是由电阻丝几何尺寸改变引起的，对
某种材料来说，它是常数；另一个是（Δρ/ρ）/ε，对
于同一种金属材料，其值也是常数，但比(1+2μ)小很
多，可以忽略，故k0≈1+2μ。理论与实验证明，对于 每一种电阻丝，在一定的相对变形范围内，金属材料 的灵敏系数k0将保持不变。 ❖ 因此，由式（3-5）可知，当金属电阻丝受到外界应力 的作用时，其电阻的变化与受到应力的大小成正比。
14
（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 2) 机械滞后
i
应变片安装在试件上以后，在一
定的温度下，应变片的指示应变εi
与试件机械应变εm应该是一个确
定关系，但实验表明，在加载和
卸载过程中，对同一机械应变量，
两过程的特性曲线并不重合，卸
载时的指示应变高于加载时的指
示应变，如图3-3所示，这种现象
称为应变片的机械滞后。加载和
RLS RLS
(3-2)
经过整理，可得下式:
R(12) (3-3)
R
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10
❖ 式中，μ为为泊松比，定义为材料在单向受拉或受压
时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值。如果
令:
k0
12
(3-4)
则有:
R R
k0
(3-5)
式中，ε=ΔL/L为金属导体电阻丝的纵向应变；k0为电阻
2020/11/18
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1.1 传感器基本概念
1. 电阻应变片原理及主要特性
（1）工作原理 金属导体材料在受到外界力作用时，将产生机械变形， 机械变形会导致其电阻值变化，这种因形变而使其电阻
值发生变化的现象被称为“应变效应”。
L
2r
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（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 4) 温度效应
粘贴在试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产 生电阻相对变化外，在环境温度变化时，也会引起电 阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效 应。温度变化对电阻应变片的影响是多方面的，这里 仅考虑两种主要影响：
一是当环境温度变化Δt时，由于敏感栅材料的电阻 温度系数αt的存在，引起电阻的相对变化；
m
卸载特性曲线之间的最大差值
m
Δεm称为应变片的机械滞后值。
2020/11/18
15
（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 3) 零漂和蠕变
已粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定，试 件上没有机械应变的情况下，应变片的指示会随着时 间增长而逐渐变化，这就是应变片的零点漂移，简称 零漂。
已粘贴的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒定 的机械应变长时间作用下，应变片的指示会随时间的 变化而变化，这种现象称为蠕变。一般来说，蠕变的 方向与原来应变量变化的方向相反。
即金属导体电阻丝的电阻的相对变化率与电阻丝的应
变呈线性关系变化，这就是金属电阻应变式的工作原 理。
2020/11/18
12
（2）应变片的结构
❖ 常用的金属应变片分为电阻丝应变片和箔式应变片。
它们基本结构大体相同，由敏感栅、基底、覆盖层、
引线和黏结剂组成。
引出线
覆盖层
基片
b
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l
电阻丝
二是当环境温度变化Δt时，由于敏感材料和试件材 料的膨胀系数不同，应变片产生附加的形变，从而引 起电阻的相对变化。
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17
（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 5) 应变极限与疲劳寿命 100％
❖
应变片的应变极限是指在一定温度下， 应变片的指示应变εi与试件的真实应 9 0 ％
变εm的相对误差达到规定值（一般为
L
图3-1金属电阻丝伸长后几何尺寸变化
8
F 2(rr)
Leabharlann Baidu
❖ 设有一根电阻丝，如图3-1所示，它在未受到外力作用时的初始 电阻为
RL S
（3-1）
式中，ρ——电阻丝的电阻率； L——电阻丝的长度； S——电阻丝的截面积。
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9
❖ 当电阻丝在外力F的作用下被拉伸(或压缩)，则其ρ、L、S均发 生变化，变化量分别为Δρ、ΔL、ΔS。几何尺寸的变化引起电 阻值的变化，电阻值相应变化为ΔR，其电阻的相对变化量为 :
10%）时的真实应变值εj，如右图所
示。
i( R R )
❖ 对于已安装的应变片，在恒定幅值的 交变力作用下，可以连续工作而不产 生疲劳损坏的循环次数N称为应变片 O 的疲劳寿命。
j m
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❖ 6） 绝缘电阻和最大工作电流
❖ 应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的 电阻值Rm。通常要求Rm在50MΩ～100MΩ 以上。绝缘电阻 下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误 差。
第3章力与压力测量传感器
实用传感器技术教程
2
2020/11/18
第3章 力与压力测量传感器
3.1 电阻式压力传感器
1.2
3.2 压电式传感器 3.3 差动变压器式传感器
1.2
3.4 集成压力传感器 3.5 压磁式传感器
1.2
3.6 力与压力测量传感器性能比较
2020/11/18
3
❖本章要点
❖电阻式、压电式、差动变压器式、压磁式与集 成式压力传感器等压力测量传感器结构与工作 原理
13
（3）电阻应变传感器主要特性
❖1) 灵敏系数K
当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件 受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使 其产生电阻相对变化ΔR/R。实验表明，在一定应变范 围内ΔR/R由下式确定：
R K R
式中:ε为应变片的纵向应变； K为应变片的灵敏系数。
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❖压力测量传感器性能及应用范围比较
❖压力测量传感器应用实例
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3.1 电阻式压力传感器
3.1.1金属电阻应变式传感器
金属电阻应变式传感器是利用应变效应原理制成的 一种测量微小机械变化量的传感器。它是由弹性元件 和电阻应变片构成。当弹性元件感受被测物理量时， 其表面产生应变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片 也产生应变，其阻值将随着弹性元件的应变而变化。 通过测量电阻应变片的电阻值，可以用来测量被测的 物理量。金属电阻应变传感器具有结构简单、测量精 度高、使用方便、动态性能好等特点，被广泛应用于 测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数。
丝的灵敏系数，即单位应变所引起的电阻的相对变化。
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❖ 由式(3-4)可知，电阻丝的灵敏系数受两个因素的影响：
一是(1+2μ)，它是由电阻丝几何尺寸改变引起的，对
某种材料来说，它是常数；另一个是（Δρ/ρ）/ε，对
于同一种金属材料，其值也是常数，但比(1+2μ)小很
多，可以忽略，故k0≈1+2μ。理论与实验证明，对于 每一种电阻丝，在一定的相对变形范围内，金属材料 的灵敏系数k0将保持不变。 ❖ 因此，由式（3-5）可知，当金属电阻丝受到外界应力 的作用时，其电阻的变化与受到应力的大小成正比。
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（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 2) 机械滞后
i
应变片安装在试件上以后，在一
定的温度下，应变片的指示应变εi
与试件机械应变εm应该是一个确
定关系，但实验表明，在加载和
卸载过程中，对同一机械应变量，
两过程的特性曲线并不重合，卸
载时的指示应变高于加载时的指
示应变，如图3-3所示，这种现象
称为应变片的机械滞后。加载和
RLS RLS
(3-2)
经过整理，可得下式:
R(12) (3-3)
R
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❖ 式中，μ为为泊松比，定义为材料在单向受拉或受压
时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值。如果
令:
k0
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(3-4)
则有:
R R
k0
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式中，ε=ΔL/L为金属导体电阻丝的纵向应变；k0为电阻
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1.1 传感器基本概念
1. 电阻应变片原理及主要特性
（1）工作原理 金属导体材料在受到外界力作用时，将产生机械变形， 机械变形会导致其电阻值变化，这种因形变而使其电阻
值发生变化的现象被称为“应变效应”。
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（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 4) 温度效应
粘贴在试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产 生电阻相对变化外，在环境温度变化时，也会引起电 阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效 应。温度变化对电阻应变片的影响是多方面的，这里 仅考虑两种主要影响：
一是当环境温度变化Δt时，由于敏感栅材料的电阻 温度系数αt的存在，引起电阻的相对变化；
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卸载特性曲线之间的最大差值
m
Δεm称为应变片的机械滞后值。
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（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 3) 零漂和蠕变
已粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定，试 件上没有机械应变的情况下，应变片的指示会随着时 间增长而逐渐变化，这就是应变片的零点漂移，简称 零漂。
已粘贴的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒定 的机械应变长时间作用下，应变片的指示会随时间的 变化而变化，这种现象称为蠕变。一般来说，蠕变的 方向与原来应变量变化的方向相反。
即金属导体电阻丝的电阻的相对变化率与电阻丝的应
变呈线性关系变化，这就是金属电阻应变式的工作原 理。
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（2）应变片的结构
❖ 常用的金属应变片分为电阻丝应变片和箔式应变片。
它们基本结构大体相同，由敏感栅、基底、覆盖层、
引线和黏结剂组成。
引出线
覆盖层
基片
b
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电阻丝
二是当环境温度变化Δt时，由于敏感材料和试件材 料的膨胀系数不同，应变片产生附加的形变，从而引 起电阻的相对变化。
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（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 5) 应变极限与疲劳寿命 100％
❖
应变片的应变极限是指在一定温度下， 应变片的指示应变εi与试件的真实应 9 0 ％
变εm的相对误差达到规定值（一般为
L
图3-1金属电阻丝伸长后几何尺寸变化
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❖ 设有一根电阻丝，如图3-1所示，它在未受到外力作用时的初始 电阻为
RL S
（3-1）
式中，ρ——电阻丝的电阻率； L——电阻丝的长度； S——电阻丝的截面积。
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❖ 当电阻丝在外力F的作用下被拉伸(或压缩)，则其ρ、L、S均发 生变化，变化量分别为Δρ、ΔL、ΔS。几何尺寸的变化引起电 阻值的变化，电阻值相应变化为ΔR，其电阻的相对变化量为 :
10%）时的真实应变值εj，如右图所
示。
i( R R )
❖ 对于已安装的应变片，在恒定幅值的 交变力作用下，可以连续工作而不产 生疲劳损坏的循环次数N称为应变片 O 的疲劳寿命。
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❖ 6） 绝缘电阻和最大工作电流
❖ 应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的 电阻值Rm。通常要求Rm在50MΩ～100MΩ 以上。绝缘电阻 下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误 差。
第3章力与压力测量传感器
实用传感器技术教程
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第3章 力与压力测量传感器
3.1 电阻式压力传感器
1.2
3.2 压电式传感器 3.3 差动变压器式传感器
1.2
3.4 集成压力传感器 3.5 压磁式传感器
1.2
3.6 力与压力测量传感器性能比较
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❖本章要点
❖电阻式、压电式、差动变压器式、压磁式与集 成式压力传感器等压力测量传感器结构与工作 原理
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（3）电阻应变传感器主要特性
❖1) 灵敏系数K
当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件 受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使 其产生电阻相对变化ΔR/R。实验表明，在一定应变范 围内ΔR/R由下式确定：
R K R
式中:ε为应变片的纵向应变； K为应变片的灵敏系数。
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