第3章 压力测量
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弹性膜片及膜盒
平面膜 波纹管
波纹膜
中国矿业大学动力工程系
弹簧管
Δ 1 2 R2 b2 P 1 2 2 E bh a K
μ、Ｅ——弹簧管的泊松系数和 弹性模量
h ——弹簧管的壁厚
Ｋ——弹簧管的几何参数Ｒh／a2
α、β——与a和b有关的参数 提高灵敏度
中国矿业大学动力工程系
五、固态压力传感器
采用半导体应变压力测量原理，其敏感元件是用单晶硅制成的硅杯。 C型硅杯适用于压力传感器，E型硅杯适用于测量静压力。
被测压力和大气压力分别加在密 封隔离膜片1、3上，通过硅油2把 压力变化传递给半导体传感器4。 由于压阻效应，硅半导体应变电 阻值发生变化，电桥取出信号， 由测量电路转换成4～20mA，DC 信号输出。 采用集成电路技术，单晶硅膜片 集压敏元件和弹性元件于一身， 直接在硅膜片上扩散形成应变测 量桥路元件、温度补偿电路、输 出放大电路和电源变换电路。 传感器体积小，静态特性和稳定 性高。
中国矿业大学动力工程系
0 —— 绝对零压力； pamb —— 大气压力； p1、p2 —— 绝对压力； pe1 —— p1对应的表压力； pe2 —— p2对应的真空表压;
绝对压力=表压力+大气压力 差压力=p1-p2
中国矿业大学动力工程系
3.按信号转换原理分
1．液柱式压力测量:根据流体静力学原理，把被测压 力转换成液柱高度差进行测量。一般常用仪器是充有水 或水银等液体的玻璃U形管或单管等。 2．弹性式压力测量:根据弹性元件受力变形的原理， 将被测压力转换成弹性元件的位移或力进行测量。常用 的弹性元件有弹簧管、弹性膜片、弹性膜盒和波纹管等。 3．电气式压力测量:利用敏感元件将被测压力直接转 换成各种电参量进行测量，例如电阻、电容、电流及电 压等。 4．活塞式压力测量:根据液压机械中液体传递压力的 原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的重 力进行测量。它被普遍用作标准仪器对其它压力测量仪 表进行检定，例如压力校验台等。
膜盒中心上推杠杆4，带动杠杆5绕支点0逆时针转动，拉动拉杆7带动曲柄 8和轴12逆时针转动。
中国矿业大学动力工程系
3．波纹管压力计 双波纹管差压表就是一 种机械位移变换就地显 示压差的波纹管压力计， 它主要作为流量和水位 等测量的中间变换或显 示仪表。由于波纹管在 轴向容易变形，所以灵 敏度较高，在测量低压 高压侧波纹管压缩，填充液(硅油)12流向 时它比弹簧管和膜片灵 低压侧波纹管，自由端右移，带动连接轴1 敏得多。其缺点是迟滞 向低压侧移动，同时拉伸量程弹簧7，直至 差压(p+ - p-) 作用力与弹簧7变形力平衡。 值太大
零平衡微压计 （补偿微压计）
具有一大一小两个容器，二者用橡皮管连通。 大容器中间一内螺纹孔，里面一根微调丝杆。 丝杆下端与仪器底部相连；丝杆上端连标有刻度的帽子，转动帽子大容 器沿丝杆上下移动，实现调整。 调整到小容器水面与观测针尖接触为止。即通过光学系统观察，观测针 尖与它反射在水面上的影像正好尖头相接触。 被测压力直接从标尺上读出。
问题：与直管式
比较，斜管式微
压计的优点是什
么？
p p pamb g ( h1 h2 ) A1 h1 l sin , h2 l A2 p p pamb lK A1 gl sin A 2
中国矿业大学动力工程系
中国矿业大学动力工程系
3.3 弹性式压力计
利用材料在弹性范围内变形与外力为线性关 系的原理，制成不同形式及满足不同要求的压力 计。 以弹性元件为压力敏感元件，弹性元件受压 变形，变形力与被测压力相平衡。
Fp Apx
Fx Kx
F A x px K K
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一、弹性元件
中国矿业大学动力工程系
六、应变测量中的电桥电路
• 将应变片作为 R1 接在电路中，调整其他电阻阻 值，使电桥平衡。
•当应变片阻值变化时，电桥失衡。输出 u
E I1 R1 R2
EBD I1 R1 I 2 R3 R1 R4 R2 R3 E R1 R2 R3 R4 0
中国矿业大学动力工程系
二、压力分类
1. 从测量的角度分： 静定压：每秒变化量为压力计分度值的1%以下 变动压：单位时间的变化量超过静定压限度的 脉动压：随时间作周期性变化，且变化量超过 静定压限度的。
2. 按测量的方法分： 绝对压力：以绝对真空作为零点压力 表压力：以大气压力作为零点压力 差压力：以大气压力以外的任意压力作为零点 压力
保证安全生产之必须。
监视各重要压力容器(除氧器、加热器以及管 道等)承压情况，防止设备超压爆炸。
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3.1 压力的概念及单位
一、压力的定义
1 、法向压力
作用在一个定点上的压力由垂直施 加在该点单位面积上的力dF 确定
p lim ( dF / dA)
dቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 0
而静止流体中某点压力与在该点所取的面方向 无关，即某点各方向上的压力相等。 (各向同性, 静压)
连接轴系统移动，轴上挡板3拨动摆杆4摆 动，带动扭力管5扭转，芯轴6把扭转信号 传给显示部件显示差压信号。
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4．弹簧管压力计 弹簧管压力计主要 由感压元件弹簧管、 齿轮机械传动放大 机构、指针标尺等 部分构成 ，弹簧管 压力计分为普通型 压力计、精密压力 计、密封型压力计、 充油型压力计、差 压计、双针型压力 计等。
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3.4.2 应变式压力测量
一. 应变式压力传感器 1 、基本思路： 利用金属应变片或半导体应变片，将测压弹性 元件的应变转换成电阻变化。
压力作用
电阻材料与受 力，材料同时 变形
电阻阻值变化
电桥失衡 比较得压力值
输出电压变化
关键在于: 材料变形与压力的关系
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ρ-电阻率 l-长度 S-截面积
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二、应变片结构及性能
金属应变片
由金属丝排绕或金属箔片刻蚀制成
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半导体压阻片
(a)扩散硅压阻元件组成；
(b)硅膜片示意图
1一N型单晶硅；2一一次SiO2涂层；3一扩散P型区；4一作连接导线的金属； 5一二次SiO2涂层
采用集成电路技术直接在硅杯上刻制而成
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应变片的选用
静态测量时, 选用标准电阻应变片
动态测量时, 选用电阻值较大的应变片 材质不均匀或测量时间较长时, 选用较大 基长的应变片 测量时, 必须选用同一批次生产的应变片
28
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三 、应变片的温度误差及补偿
• 应变片的温度误差
1 、应变片材料与试件的线膨胀特性不一样，导 致应变片阻值产生误差； 2 、金属丝电阻本身随温度变化而变化。
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3.4.1 电位器式压力测量
电位器式压力测量的原理是把被测压力信号转换成 电位器电阻变化，通过测量电阻值达到测量压力目的的 一种测量技术。适用于压力变化比较大的场合。
电位器式压力传感器，其弹性元件的形变端与电位 器的滑动触点刚性相连； 弹性元件承受压力，产生形变，带动滑动触点移动； 弹性元件的位移输出，转换成电位器滑动触点的位 移，从而把被测压力变化，变换成电位器电阻值变化； 测量电位器电阻值的变化，得知被测压力的大小。 电阻值的测量，常采用不平衡电桥测量法或恒流源 测量法。
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二、常用弹性式压力计
1．膜片式压力计 可用于测量对铜和钢及其合金 有腐蚀作用或粘度较大介质的压 力或真空度（采用不锈钢膜片）。 若采用敞开式法兰结构或隔膜式 结构，可用于测量高粘度、易结 晶或高温介质的压力或真空度。 膜片式压力计的测量范围一般为 0~5.88×106Pa，精度为2.5级。
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第三章 压力测量及仪表
学习要求 掌握流体稳态压力测量的基本原理、 弹性压力计的测压原理，几种压力信号变送
方法;电容式压力变送器的特点、结构原理、
调整及使用方法，智能型压力变送器
。
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压力测量概述
确定生产过程中各种工质所处的状态。 热力设备运行过程中，保证工质状态符合设计 要求，工艺过程正常进行，取得最佳经济效益。
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单管式压力计
p p pamb g (h1 h2 ) d2 d2 g h1 h1 D 2 gh1 1 D 2 gh1 若：D 31.6d , 误差 0.1%
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电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效 应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其 电阻值随着所受机械变形 (伸长或缩短) 的变化而 发生变化。
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2 、基本原理：
• 应变片
dR dL R L dR K R
K —应变片的灵敏系数 ε—应变量
应用电桥电路，将微小的电阻变化转换为电压或 电流的变化，通过放大进行测量，由测得的应变 推算出应力值。
•温度误差补偿方法
1 、线路补偿法
2 、温度自补偿法
29
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线路补偿法
利用补偿片与测量 片组成电桥
中国矿业大学动力工程系
温度自补偿法
补偿丝和作用丝随温度变化产生的电阻变 化相等。
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四．应变式压力传感器
应变式压力传感器是将应变片粘贴在感压弹性元件 上构成的，它可将被测压力的变化转换成电阻的变化。
弹簧管自由端的位移通过拉杆4，使扇形齿轮3做逆时针偏转。
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5 、电接点压力计
• 电接点压力计测量工作原
理和弹簧压力计相同。
• 报警信号可以显示、连接 继电器联锁，但不能远距
离 传送。
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3.4 电气式压力测量
电气式压力测量是利用压力敏感元件将被测 压力信号直接转换成各种电参数的测量方法，在 集中测量、自动控制等自动化场合得到广泛应用。 电气式压力测量方法有电位器式、应变式、 电感式、电容式、压电式、压阻式、压磁式、霍 尔效应式、振弦式、光纤式 。
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dR K 推导：R R
l S
全微分
dR
l l d dl 2 dS S S S
相对变化量
dR d dl dS R l S r-半径 dS 2rdr dr dR dl dl dl 2 μ-泊松系数 2 e E 2 S r r dS dl R l l l 2 dr dl 1 2 e E S l r l K d d dl eF K-应变丝的灵敏度系数 eE l dl F-应力 E-弹性模量 F E E l 25 ε-应变 ε=dl/l πe-压阻系数
1Pa
。
1N 1m 2
中国矿业大学动力工程系
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”。 其物理意义是 l N力垂直均匀地作用于1m2面积上所产生 的压力，称为1 Pa。
表3-1 压力单位换算表
单位名称 工程大气压 毫米汞柱 毫米水柱 符 号 与Pa换算关系 1 kgf/cm2=9.81×104Pa 1 mmHg=1.33×102Pa 1 mmH2O=9.81Pa kgf/cm2 mmHg mmH2O
推杆4带动扇形齿轮6摆动
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2、膜盒式压力计
膜盒压力表的弹性感压元件为膜盒，适用于测量空气 或其他无腐蚀性气体的微压或负压。例如电厂锅炉风烟系 统中风、烟压力测量及锅炉炉膛负压等参数的测量。 膜盒式压力计的测量范围为150~40000Pa，精度一 般为2.5级，较高的可达1.5级。
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3.2.液柱式压力计
一、液柱式压力计
应用流体静力学知识，通过液柱高度与压 力的关系设计而成，基本原理比较简单。
p p pamb 2 1 g (h1 h2 ) 当 2 1时 2 gh h1 h2 p 2 gh1
平面膜 波纹管
波纹膜
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弹簧管
Δ 1 2 R2 b2 P 1 2 2 E bh a K
μ、Ｅ——弹簧管的泊松系数和 弹性模量
h ——弹簧管的壁厚
Ｋ——弹簧管的几何参数Ｒh／a2
α、β——与a和b有关的参数 提高灵敏度
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五、固态压力传感器
采用半导体应变压力测量原理，其敏感元件是用单晶硅制成的硅杯。 C型硅杯适用于压力传感器，E型硅杯适用于测量静压力。
被测压力和大气压力分别加在密 封隔离膜片1、3上，通过硅油2把 压力变化传递给半导体传感器4。 由于压阻效应，硅半导体应变电 阻值发生变化，电桥取出信号， 由测量电路转换成4～20mA，DC 信号输出。 采用集成电路技术，单晶硅膜片 集压敏元件和弹性元件于一身， 直接在硅膜片上扩散形成应变测 量桥路元件、温度补偿电路、输 出放大电路和电源变换电路。 传感器体积小，静态特性和稳定 性高。
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0 —— 绝对零压力； pamb —— 大气压力； p1、p2 —— 绝对压力； pe1 —— p1对应的表压力； pe2 —— p2对应的真空表压;
绝对压力=表压力+大气压力 差压力=p1-p2
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3.按信号转换原理分
1．液柱式压力测量:根据流体静力学原理，把被测压 力转换成液柱高度差进行测量。一般常用仪器是充有水 或水银等液体的玻璃U形管或单管等。 2．弹性式压力测量:根据弹性元件受力变形的原理， 将被测压力转换成弹性元件的位移或力进行测量。常用 的弹性元件有弹簧管、弹性膜片、弹性膜盒和波纹管等。 3．电气式压力测量:利用敏感元件将被测压力直接转 换成各种电参量进行测量，例如电阻、电容、电流及电 压等。 4．活塞式压力测量:根据液压机械中液体传递压力的 原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的重 力进行测量。它被普遍用作标准仪器对其它压力测量仪 表进行检定，例如压力校验台等。
膜盒中心上推杠杆4，带动杠杆5绕支点0逆时针转动，拉动拉杆7带动曲柄 8和轴12逆时针转动。
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3．波纹管压力计 双波纹管差压表就是一 种机械位移变换就地显 示压差的波纹管压力计， 它主要作为流量和水位 等测量的中间变换或显 示仪表。由于波纹管在 轴向容易变形，所以灵 敏度较高，在测量低压 高压侧波纹管压缩，填充液(硅油)12流向 时它比弹簧管和膜片灵 低压侧波纹管，自由端右移，带动连接轴1 敏得多。其缺点是迟滞 向低压侧移动，同时拉伸量程弹簧7，直至 差压(p+ - p-) 作用力与弹簧7变形力平衡。 值太大
零平衡微压计 （补偿微压计）
具有一大一小两个容器，二者用橡皮管连通。 大容器中间一内螺纹孔，里面一根微调丝杆。 丝杆下端与仪器底部相连；丝杆上端连标有刻度的帽子，转动帽子大容 器沿丝杆上下移动，实现调整。 调整到小容器水面与观测针尖接触为止。即通过光学系统观察，观测针 尖与它反射在水面上的影像正好尖头相接触。 被测压力直接从标尺上读出。
问题：与直管式
比较，斜管式微
压计的优点是什
么？
p p pamb g ( h1 h2 ) A1 h1 l sin , h2 l A2 p p pamb lK A1 gl sin A 2
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3.3 弹性式压力计
利用材料在弹性范围内变形与外力为线性关 系的原理，制成不同形式及满足不同要求的压力 计。 以弹性元件为压力敏感元件，弹性元件受压 变形，变形力与被测压力相平衡。
Fp Apx
Fx Kx
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一、弹性元件
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六、应变测量中的电桥电路
• 将应变片作为 R1 接在电路中，调整其他电阻阻 值，使电桥平衡。
•当应变片阻值变化时，电桥失衡。输出 u
E I1 R1 R2
EBD I1 R1 I 2 R3 R1 R4 R2 R3 E R1 R2 R3 R4 0
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二、压力分类
1. 从测量的角度分： 静定压：每秒变化量为压力计分度值的1%以下 变动压：单位时间的变化量超过静定压限度的 脉动压：随时间作周期性变化，且变化量超过 静定压限度的。
2. 按测量的方法分： 绝对压力：以绝对真空作为零点压力 表压力：以大气压力作为零点压力 差压力：以大气压力以外的任意压力作为零点 压力
保证安全生产之必须。
监视各重要压力容器(除氧器、加热器以及管 道等)承压情况，防止设备超压爆炸。
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3.1 压力的概念及单位
一、压力的定义
1 、法向压力
作用在一个定点上的压力由垂直施 加在该点单位面积上的力dF 确定
p lim ( dF / dA)
dቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 0
而静止流体中某点压力与在该点所取的面方向 无关，即某点各方向上的压力相等。 (各向同性, 静压)
连接轴系统移动，轴上挡板3拨动摆杆4摆 动，带动扭力管5扭转，芯轴6把扭转信号 传给显示部件显示差压信号。
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4．弹簧管压力计 弹簧管压力计主要 由感压元件弹簧管、 齿轮机械传动放大 机构、指针标尺等 部分构成 ，弹簧管 压力计分为普通型 压力计、精密压力 计、密封型压力计、 充油型压力计、差 压计、双针型压力 计等。
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3.4.2 应变式压力测量
一. 应变式压力传感器 1 、基本思路： 利用金属应变片或半导体应变片，将测压弹性 元件的应变转换成电阻变化。
压力作用
电阻材料与受 力，材料同时 变形
电阻阻值变化
电桥失衡 比较得压力值
输出电压变化
关键在于: 材料变形与压力的关系
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ρ-电阻率 l-长度 S-截面积
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二、应变片结构及性能
金属应变片
由金属丝排绕或金属箔片刻蚀制成
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半导体压阻片
(a)扩散硅压阻元件组成；
(b)硅膜片示意图
1一N型单晶硅；2一一次SiO2涂层；3一扩散P型区；4一作连接导线的金属； 5一二次SiO2涂层
采用集成电路技术直接在硅杯上刻制而成
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应变片的选用
静态测量时, 选用标准电阻应变片
动态测量时, 选用电阻值较大的应变片 材质不均匀或测量时间较长时, 选用较大 基长的应变片 测量时, 必须选用同一批次生产的应变片
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三 、应变片的温度误差及补偿
• 应变片的温度误差
1 、应变片材料与试件的线膨胀特性不一样，导 致应变片阻值产生误差； 2 、金属丝电阻本身随温度变化而变化。
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3.4.1 电位器式压力测量
电位器式压力测量的原理是把被测压力信号转换成 电位器电阻变化，通过测量电阻值达到测量压力目的的 一种测量技术。适用于压力变化比较大的场合。
电位器式压力传感器，其弹性元件的形变端与电位 器的滑动触点刚性相连； 弹性元件承受压力，产生形变，带动滑动触点移动； 弹性元件的位移输出，转换成电位器滑动触点的位 移，从而把被测压力变化，变换成电位器电阻值变化； 测量电位器电阻值的变化，得知被测压力的大小。 电阻值的测量，常采用不平衡电桥测量法或恒流源 测量法。
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二、常用弹性式压力计
1．膜片式压力计 可用于测量对铜和钢及其合金 有腐蚀作用或粘度较大介质的压 力或真空度（采用不锈钢膜片）。 若采用敞开式法兰结构或隔膜式 结构，可用于测量高粘度、易结 晶或高温介质的压力或真空度。 膜片式压力计的测量范围一般为 0~5.88×106Pa，精度为2.5级。
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第三章 压力测量及仪表
学习要求 掌握流体稳态压力测量的基本原理、 弹性压力计的测压原理，几种压力信号变送
方法;电容式压力变送器的特点、结构原理、
调整及使用方法，智能型压力变送器
。
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压力测量概述
确定生产过程中各种工质所处的状态。 热力设备运行过程中，保证工质状态符合设计 要求，工艺过程正常进行，取得最佳经济效益。
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单管式压力计
p p pamb g (h1 h2 ) d2 d2 g h1 h1 D 2 gh1 1 D 2 gh1 若：D 31.6d , 误差 0.1%
中国矿业大学动力工程系
电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效 应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其 电阻值随着所受机械变形 (伸长或缩短) 的变化而 发生变化。
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2 、基本原理：
• 应变片
dR dL R L dR K R
K —应变片的灵敏系数 ε—应变量
应用电桥电路，将微小的电阻变化转换为电压或 电流的变化，通过放大进行测量，由测得的应变 推算出应力值。
•温度误差补偿方法
1 、线路补偿法
2 、温度自补偿法
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线路补偿法
利用补偿片与测量 片组成电桥
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温度自补偿法
补偿丝和作用丝随温度变化产生的电阻变 化相等。
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四．应变式压力传感器
应变式压力传感器是将应变片粘贴在感压弹性元件 上构成的，它可将被测压力的变化转换成电阻的变化。
弹簧管自由端的位移通过拉杆4，使扇形齿轮3做逆时针偏转。
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5 、电接点压力计
• 电接点压力计测量工作原
理和弹簧压力计相同。
• 报警信号可以显示、连接 继电器联锁，但不能远距
离 传送。
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3.4 电气式压力测量
电气式压力测量是利用压力敏感元件将被测 压力信号直接转换成各种电参数的测量方法，在 集中测量、自动控制等自动化场合得到广泛应用。 电气式压力测量方法有电位器式、应变式、 电感式、电容式、压电式、压阻式、压磁式、霍 尔效应式、振弦式、光纤式 。
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dR K 推导：R R
l S
全微分
dR
l l d dl 2 dS S S S
相对变化量
dR d dl dS R l S r-半径 dS 2rdr dr dR dl dl dl 2 μ-泊松系数 2 e E 2 S r r dS dl R l l l 2 dr dl 1 2 e E S l r l K d d dl eF K-应变丝的灵敏度系数 eE l dl F-应力 E-弹性模量 F E E l 25 ε-应变 ε=dl/l πe-压阻系数
1Pa
。
1N 1m 2
中国矿业大学动力工程系
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”。 其物理意义是 l N力垂直均匀地作用于1m2面积上所产生 的压力，称为1 Pa。
表3-1 压力单位换算表
单位名称 工程大气压 毫米汞柱 毫米水柱 符 号 与Pa换算关系 1 kgf/cm2=9.81×104Pa 1 mmHg=1.33×102Pa 1 mmH2O=9.81Pa kgf/cm2 mmHg mmH2O
推杆4带动扇形齿轮6摆动
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2、膜盒式压力计
膜盒压力表的弹性感压元件为膜盒，适用于测量空气 或其他无腐蚀性气体的微压或负压。例如电厂锅炉风烟系 统中风、烟压力测量及锅炉炉膛负压等参数的测量。 膜盒式压力计的测量范围为150~40000Pa，精度一 般为2.5级，较高的可达1.5级。
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3.2.液柱式压力计
一、液柱式压力计
应用流体静力学知识，通过液柱高度与压 力的关系设计而成，基本原理比较简单。
p p pamb 2 1 g (h1 h2 ) 当 2 1时 2 gh h1 h2 p 2 gh1