2动态压力测量技术

sc
U

EK 4
1
三、压阻式压力Leabharlann Baidu感器


1954年史密斯等人发现硅和锗等半导体材料具 有压阻效应。1958年研制出半导体电阻应变片， 包括体形、扩散型与薄膜型三种，而压阻式压 力传感器利用的就是扩散型半导体应变片。 压阻式压力传感器是以硅膜片作为弹性敏感元 件，在该膜片上用集成电路扩散工艺制成四个 等值半导体电阻，组成惠斯登电桥，当膜片受 力后，由于半导体的压阻效应，电阻值发生变 化，使电桥输出反映压力的变化，利用这种方 法制成的压力传感器称为压阻式压力传感器。
(2-15)
式中
——电阻片的电阻温度系数； t ——温度变化量。
at
由于 t 的存在，感受元件与粘贴上其的电阻片的 线膨胀系数不同而引起电阻变化量为：
( R R )2 K (1 2 ) t
（2——16）
式中
1 ——传感器感受元件的线膨胀系数；
2 ——电阻片材料的线膨胀系数；
（2—13）

B温度补偿
如果电阻应变片粘贴在压力传感器上，当有温度变 化时，有三方面的作用引起电阻应变片电阻的改 变，它们是电阻丝的温度系数、电阻丝的线膨胀 系数与压力传感器感受元件的线膨胀系数。 当压力传感器受到温度为 t ( C ) 的温度变化时，所引 起的电阻温度效应为

(
R R
)1 t t
y
Fc / M (1 q ) 4 q
2 2 2
[s in t tg
1
2 q 1 q
2
]
（2——66） 式中
D 2 ME
——阻尼度
q
0
E M

f f0
——阻尼振动频率与自振频率比
0
——自振角频率
令
D1
1 (1 q ) 4 q
2 2 2 2
U

U
A
U
U
B
R R 1 1 R R R R 1 1 4 4
R R 2 2 R R R R 2 2 3 3
U
如略去分子分母中的 R i 的二次微量，可简化为：
U ( R U 1 R 2 R 3 R 4 )
R 4(R
4 桥式电路输出与低温补偿

A桥式电路的输出
全桥电路如左图2—11。 所谓全桥即四个桥臂电 阻相等即： R 、 、 、 R4 R1 R 2 3 都是工作片，受某一压 力作用后，其对应阻值 增量分为 R 、 R 、 R 、 R 4 。
1
2
3
在测量前要先调平衡，并设四个桥臂电阻相等 即：R 1 R 2 R 3 R 4 R . 此时电桥输出 U 0 ，当测量时，各桥臂电阻都有了变化， 阻值增量分别为 R 1 、 R 2 、 R 3、 R 4，则输出电 压 U 为：
1静态标定(参照热工测量仪表) 2标定数据的处理 2A直线法:适用线性标定 2B绘图法:精度最高 2C折线内插法:求未知 2D拟合直线法:直线拟合,适用线形标定 3动态标定

动态标定
图2—37压力传感器的物理模型

图2—37是压力传感器的物理模型，图a表示膜片在压力F的作用 下产生了变形y.因而产生了弹性力 E ，惯性力 M d y / d t 和膜片在 运动时受到空气或其他气、液体的阻力Ddy/dt。这是由三个元 件组成的一个单自由度的二阶振荡环节，则外力F由惯性力、弹 性力和阻尼力所平衡，其运动方程为
上的横向应变片 R 1 与纵向应变片 R 2 同时产生正 应变 1 与负应变 2 ，如图2—3所示，即电阻应 变片 R 1 受拉伸而 R 2 受压缩，连成如图2—4的电 桥电路。该电路不仅增加了仪器的输出，同时可 进行自温度补偿，此输出通过电缆引线与应变仪 的电桥盒相连接。为了提高力的传递效果，测压 膜片一般不做成平膜片，而是做成垂链膜片，用 它来增加应变筒的刚性，提高应变筒的自振频率， 这种柔软的膜片，将力传递给应变筒。
注意事项：
1如果在高温下或工作温度不甚高但是温度有波动，且在较长 的时间进行测量时，应通入冷却水或冷风。以减少因温度的影 响而带来的误差 2在安装传感器时也要确保传感器处于良好的受力状态
此两点不可轻视，否则会带来严重的后果。 该传感器的特点是具有较高的强度和抗冲击稳定性， 具有优良的静态特性和动态特性，具有较高的自振频 率可达30KHz以上，测量上限压力可达到9.6MPa， 适与测量高频脉冲压力。又加上强制水冷却，也适合 高温下的动态压力测量，如火箭发动机的压力测量， 内燃机、压气机等的动态测量。
2 2
y


M
d y dt
2
2
D
dy dt
Ey F
( 2－64）
式中 M——运动质量， E——弹性模数； D——阻尼系数。 如外力F按正弦变化，即 F F c s in t ，式（2——64）除 以M则有
d y dt
2 2
20
dy dt
0 y
2
1 M
F c s in t
该方程的全解为
y t 0 Fc e M M (1 q 1 s in [ t 0 2 1 2 tg 1 1 2 ]

1 2 q ] q 2 1
Fc 2 2 2 2 ) 4 q
s in [ t tg
（2——65）
略去式（2——65）中第一项很快衰减的固有振荡，则压力传 感器的动态特性为
压阻式压力传感器是六十年代初出现的，
随着半导体工业和集成电路的迅速发展， 国际上到七十年代这种传感器已在航空、 宇航、风洞及其它领域得到了广泛的应 用。
压阻压力传感器的特点
1、结构简单，可微型化。国内研制的硅杯直径为 1mm的传感器。国外有直径为0.8mm的，量程为 0.686MPa，其输出为40mV。还有直径为1mm厚 度为0.1mm的扁型传感器，由于微型化，大量用于 宇航和医学领域中。 2、可测高频。由于传感器小而轻，因此膜片刚度大， 自振频率高，如日本PE104—1F型压阻压力传感器 自振频率可达90KHz，也有直径2mm，厚 0.025~0.075mm的传感器，直接装于测压管内， 可测300~500kHz以下的脉动压力。 3、灵敏度高。半导体的灵敏度系数比金属电阻应变 片高35~70倍，因此，传感器输出信号大，可达 200mV，这就可不必放大而直接用记录仪记录。 4、精度高。非线形误差和滞后误差都较小。目前一 般可达0.1~0.05%，最高可达0.01%。
——畸变因素 ——滞后角
（2——67） （2——68）

1
a r c tg
第二章 动态压力测量技术
应用举例： 1动态压力测量可以发现火箭发动机燃烧室的压力是 否振荡，改变燃烧条件，经过反复的测量和对比可 以找出最好的燃烧方案。 2通过动态压力的测量可以发现热机如内燃机、空气 压缩机、制冷机、热泵、螺杆压缩机、透平压缩机 等内部的压力变化，以及吸排气的阻力损失等，同 时测得的压力－位移曲线又可绘制出示功图，从而 进一步分析热机循环过程的完善程度以及改进的途 径，提高热机的效率，以利于节约能源和开发新型 机器。
四、压电式压力传感器
(与热工仪表类似) 1压电效应与压电材料 2压电压力传感器的结构 3压电传感器的温度补偿 4压电传感器的测量原理 5压电式压力传感器的特点

五、电感式压力传感器

(与热工仪表类似) 1电感式压力传感器的工作原理 2电感变换器的特性
六、静态与动态压力标定
1
R
2
R
3
R
4 )
2
因
Ri 2
R
，则可简化为：
U ( R U 1 R 2 R 3 R 4 )
4R
又因
R R
K
，故
UK 4 ( 1 2 3 4 )
U
当
2 与 4 为负应变时，则全桥输出为：
U UK 4 ( 1 2 3 4 )
压阻压力传感器的缺点
1、受温度影响大 。因此国内只用于100℃以下，国外大多用 于150℃以下，如用水冷却或温度补偿，可用到480℃。 2、量程小。用于0.686MPa以下。 3、不耐腐蚀。受腐蚀性气体或液体影响较大。 4、工艺复杂，要求严格，制作困难。
总结：
这种扩散型压阻式压力传感器主要存在的问题是半导体工艺 问题和温度影响问题。这种传感器对于温度变化极为敏感。 以零点漂移与灵敏度漂移两种形式表现出来，因此必须有 可靠的温度补偿措施。 但总的看来，这种压阻式压力传感 器具有独特的优点，因此国际上对这种压力传感器的研究 工作非常重视，我国也有类似产品。
一、概述
动态压力测量在热物理过程的研究中起着极 为重要的作用，动态压力测量首先把被测压 力参数变为电量，这个任务由压力传感器完 成。 压力传感器分为：电阻应变式、压阻式、压 电式和电感式等。

二、电阻应变式压力传感器
被测的动态压力作用在弹性敏感元件上， 使它产生变形，在其变形的部位粘贴有 电阻应变片，电阻应变片感受动态压力 的变化，按这种原理设计的传感器称为 电阻应变式压力传感器。 常用的电阻应变式压力传感器有： 测低压：膜片式压力传感器 测中压：膜片—应变筒式压力传感器 测高压：应变筒式压力传感器
而由式（2—6）可知，当弹性敏感元件受到 动态压力作用后随之产生的变形 ， 值可由丝 式应变片或箔式应变片测出，从而得到了 R 的 变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种 应变效应的原理实现了动态压力的测量。
2 膜片－应变筒式压力传感器

左图是水冷BPR-3型应 变压力式传感器，主要 由应变片1、受压外壳2、 冷却水管4，应变筒12 和垂链膜片等组成。传 感器的弹性敏感元件是 一个薄壁筒，也是传感 器的核心部分，是由合 金钢制成的，壁厚 0.2~0.3mm，筒受压 缩变形，粘贴在外壁
3 膜片式应变压力传感器

膜片式应变压力传感器不宜 测量较大的压力，当变形大 时，非线形较大，但小压力 测量中由于变形很小，非线 形误差可小于0.5%，同时 又有较高的灵敏度，因此在 冲击波的测量中，国内外都 用过这种膜片式压力传感器。
这种传感器与膜片—应变筒式压力传感器相比，自振频率较低， 因此在低高压高频率测量中，应严防冲击压力频率与膜片自振频 率相接近，否则会带来严重的波形与压力值的失真与偏低。
U
（2－19） 当满足下列三个条件时，电阻片温度系数引起的 虚假应变 和片膨胀系数引起的虚假应变 相等。
t1 t2
4
( 1 t1 t 2 )
（1）所用的电阻应变片为同批制造，即它们的电阻温度 系数、线膨胀系数和灵敏度系数均相同，且初始值R相等； （2）工作片与补偿片均处于同一温度场； （3）工作片与补偿片应粘贴在同种材料上，即要 相同
K ——电阻片的灵敏度系数。
因此，由于温度变化所引起的总的电阻变化为：
( R R )t ( R R )1 ( R R )2
at t K (1 2 ) t
（2—17）
由此而引起的虚假应变与虚假应力。解决的办法 之一是采用电桥自测温度补偿法，即在工作应变 片的邻臂上接上温度补偿片，该温度补偿片也可 以是工作片。当由于温度变化时，电桥输出为： EK

1金属电阻的应变效应

材料的电阻变化率由下式决定： dR d dL dA （2—1） R L A 式中： R——材料电阻； ———材料电阻率； L————材料的长度； A——材料的截面积。
R K R L Ke L
（2－6） 比例系数K称为金属电阻应变片的灵敏度系数。 它的物理意义是单位所引起的电阻相对变化。
1
满足该三条件后则 与 大小相等方向一致，而邻 臂电桥输出为0，因此经温度补偿 后的电桥输出为：
t1 t2
（2－10） 从而得到了自温补偿，消除了由于温度的变化引 起带来的虚假应变。 虽然自温补偿能消除虚假应变，但实际测试中仍 尽量减少温度的变化，因为在高温时，很难使各应 变片的完全一致，另外对于纸基的常用的应变片工 作温度一般在30~60℃。因此，当有温度变化时应 尽量采用冷却方案，使应变片维持温度恒定，且在 静、动标定与测试中冷却条件需要一致。