4 压力测量及仪表

1．当应变波为正弦波
4.3 应变式传感器
4.3 应变式传感器
根据上面的公式即可计算动态应变测量时 的误差或根据要求计算应变片的工作频率。 对于钢材，有v=5000m/s ，可得下表
4.3 应变式传感器
2．应变片为阶跃波
4.3 应变式传感器
三、转换电路 （一）直流电桥
4.3 应变式传感器
由分压器原理，从上图(a)可知，负载电流为
4.3 应变式传感器
• 应变式传感器基本上是利用金属的电阻应变效应将被测量转换为电量输 出的。 • 它有以下优点： • （1） 结构简单，使用方便，性能稳定、可靠，由于有保护覆盖层，可 工作于各种恶劣环境； • （2） 易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测； • （3） 灵敏度高，测量速度快，范围大、体积小、动态响应好，适合静 态、动态测量，如变形可从弹性到塑性，由1～20%变化；分辨率可达 1～2微应变（με）；误差小于1%； • （4） 可以测量多种物理量。 • 因此，至今，它仍是测力与应变的主要传感器，广泛应用于测量应变力、 压力、转矩、位移、加速度等。其缺点是电阻会随温度变化，产生误差。 测量容器内部应变时无法粘贴，故难以测量。
4.4 压阻式传感器
三、温度误差及其补偿 零位漂移 ：扩散电阻引起 灵敏度漂移 ：压阻系数引起
4.4 压阻式传感器
电桥输出为
4.4 压阻式传感器
四、压阻式传感器举例 （一）半导体应变式传感器 （二）压阻式压力传感器
二、类型与特点 1.半导体应变式传感器 2.扩散型压阻式传感器 3.压阻式传感器的特点
压阻式传感器的优点是： （1）灵敏度高； （2）分辨率高，精度高，测压是可达10-20Pa，精度可达0.1%，甚 至达到0.05%； （3）频率响应高，固有振动频率可达1.5MHz，是一个很好的动态传 感器； （4）体积小，重量轻，传感器外径可做到0.8mm，目前最小可达 0.25mm，可做微型传感器； （5）没有运动组件，所以工作可靠、耐振、耐冲击、耐腐蚀、抗干 扰力强，可工作在较恶劣的环境之中。 其缺点是：受温度影响大，制造工艺复杂。
当IL=0时，电桥平衡，此时的输出电压UO=0，电桥平 衡的条件为 R1/R2=R3/R4 设R1为工作应变片，应变将使其阻值变化ΔR1，R2， R3，R4为固定电阻，并设RL=∞，则有
4.3 应变式传感器
设桥臂比n=R2/R1 ，则有
电桥灵敏度定义为
则此电桥的电压灵敏度为
当n=1，即R1=R2时，ku取最大值
（五）绝缘电阻和最大工作电流 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。通常要求在50～100MΩ以上。 最大工作电流是指已安装的应变片，允许通过敏 感栅而不影响其工作特性的最大电流 。通常静态测 量时取25mA左右，动态测量时取75～100mA
4.3 应变式传感器
（六）动态响应
影响应变片频率响应特性的主要因素是应变片的基长 和应变波在试件材料中的传播速度。
此电桥一般采用差动式全等臂半桥，即取 R1=R2=R3=R4=R，当应变片受到应变时，R1 增加ΔR，R2减小ΔR，其输出电压为
4.4 压阻式传感器
一、基本工作原理 压阻效应：半导体材料受到应力作用时，其电阻 压阻效应 率会发生变化，这种现象称为压阻效应。 电阻的变化主要是由电阻率的变化∆ρ/ρ引起的， 因此
绝对压力
绝对零压力
压力检测方法
• 重力平衡法：液位压力计(U形管)、负荷式压 力计 • 机械力平衡法 • 弹力平衡法 • 物性测量方法 • (1) 电测式压力计：电阻、电感、感应式，霍 尔式，应变式，电容式，振弦式，压电式 • (2) 其它新型：集成式、光纤
4.2 常见压力检测仪表
• 4.2.1 液柱式压力计 • p=Hρg • <(2～3) ×105Pa
4.4 压阻式传感器
具有立方对称性的晶体的压阻系数，可用以下矩阵描述：
在应力σ作用下电阻变化率为 其中行标为1～3表示x、y、z方向的电阻相对变化，4～6表 示绕x、y、z旋转方向的电阻相对变化；列号为1～3表示x、 y、z方向经受拉压应力，4～6表示绕x、y、z旋转方向经受 切应力
4.4 压阻式传感器
ku百度文库U/4
4.3 应变式传感器
（二）交流电桥
4.3 应变式传感器
其输出电压为
其初始平衡条件为 Z1Z4=Z2Z3 也可写为
4.3 应变式传感器
若电桥初始时已平衡，设应变将使Z1变化 ΔZ1，而Z2，Z3，Z4不变，类似地可得
对上图(b)所示的半桥交流应变电桥，其平衡条件为
即
4.3 应变式传感器
4 压力测量及仪表
4.1 压力单位与压力检测方法
• • • • 压力的单位： 国际单位制：帕，Pa，kPa，Mpa 毫米汞柱：1.333224×102 Pa 标准大气压：1.01325×105 Pa
压力的表示方法
• • • • • 绝对压力 大气压力 表压力 真空度 差压
绝对压力 表压力 差压
大气压力 负压力
P
H
4.2.2 活塞式压力计
P
可以用于0.25×105～109Pa的精确测量
4.2.3 弹性压力计
弹性元件 变换放大 机构 指示机构
• (1) 原理
调整机构
• (2) 测压弹性元件：弹性膜片、波纹管、 弹簧管 • (3) 弹簧管压力计 • (4) 波纹管差压计 • (5) 信号远传方式：电位式、霍尔式、电 感式、差动变压器式
4.3 应变式传感器
一、工作原理 （一）金属的电阻应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时， 其电阻值将发生变化，这种现象称为金 属的电阻应变效应。
4.3 应变式传感器
4.3 应变式传感器
电阻丝的灵敏系数:单位应变引起的电阻 值相对变化
对金属丝而言
通常金属丝的灵敏系数为1.7～3.6
4.3 应变式传感器
（二）应变片的基本结构及测量原理
4.3 应变式传感器
二、金属应变片的主要特性 （一）灵敏系数 （二）横向效应
4.3 应变式传感器
（三）机械滞后、零点漂移和蠕变
用于衡量应变片特性对时间的稳定性
（四）应变极限和疲劳寿命
应变极限是指在一定温度下，应变片的指示应变与试 件的真实应变的相对误差达规定值时的真实应变值。 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称为应变片的疲劳寿命。