压力和压差测量
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3.5.1 压力计选择项
量程、精度、外形尺寸、显示功能、是否带变送器 1、量程选择：为保护弹性元件，压力表的上限应大于被测压力的上 若被测压力稳定、脉动、高压，额定压力的指示值应为最 大刻度的2/3、1/2、3/5。 为了降低相对误差，额定压力通常不小于最大刻度的 1/3。另外，表的上限应当按照国家系列选择。 2、精度：所选精度等级 ≤ 工艺要求仪表的允许最大引用 误差 3、外形尺寸：对于弹簧管压力表有Φ100（次要表就地）、 150（一般）、200和250（重要参数，如饱和蒸汽和过热 蒸汽的压力表）等。
32
限，并有一定的安全系数；
4、显示功能：由需要来选择（是否能报警、记录等）。 5、是否带变送器：远方测量和记录功能需要带变送器。
3.5.2 测压仪表的安装
总的要求：应当取得实际的静压力（真实压力） 1、取压口的形状和位置 形状：一般为圆； 尺寸：孔径大，对流体流动的扰动就大，取得的静压矢 量程度大，但是孔径小，动态误差就大，所以，二者要综 合考虑
33
2、取压开口的原则： 在保证加工方便和不堵塞的情况下，尽可能的小，特别是流 速高时。但是在压力波动较大、压力计的测量空间容积变化 较大和动态特性要求比较高时，孔径应适当的加大。 取压孔轴线尽可能垂直于流束，倾角在5到10度之间，避免 倾角倒向流束方向。 取压孔表面无毛刺、无明显倒角或豁口。 3、取压口的位置： 应保证取的静压有代表性，应避开局部阻力件，以防止涡流 干扰。 具体要求：离上游阻力件的距离 > 2D，离下游阻力件的距离 > 3D； 在管壁的位置：保证只有单相流体进入压力信号管，防止水 塞，气塞。
5
Hale Waihona Puke Baidu
2、根据信号不同划分 机械式：液柱式、活塞式、弹性元件式； （结构简单，使用方便，价格低廉） 电气式：压电式、压阻式、压磁式。 （动态性能好，灵敏度高，易于小型化，便 于远传，目前正在发展）
6
3.2 液柱式压力计
原理：流体静力学原理，流体 内某一点的静压力，由这一点 的高度，流体的密度和外加压 力决定。 应用：0.1MPa以下的压力、差 压和负压，也常作为校验低压 和微压仪表的标准仪器。 特点：简单，使用方便，精度 较高；体积大，读数不便，不 能远方测量，易损坏。
7
3.2.1 U型管压力
8
数学模型：
设P1—被测压力；P2—参 比压力（多为大气压）， 当P1≠P2时，液柱的高度 差（h1+h2）： 由流体静力学知：在连续 同一均质液体中，同一高 度上的静压力相等。以 A—A面为基准高度，由 压力平衡知：
P1 + ρ1 g(H + h1 ) = P2 + ρ 2 g(H - h2 ) + ρg(h1 + h2 )
原理：短轴方向受力面积比长轴方向受力面积大，受力也大，使管子有
提高灵敏度的措施：
增大中心角γ（可做成多圈、S形） 降低管壁厚 增大长短轴比a/b值（越扁越灵敏） 减小材料的刚度（单位变形所对应的弹性力）
应用：大小压力、负压均可，但是一般不用它测量差压。
17
18
膜片
结构：
平薄膜
波纹膜
挠性膜
原理：P→△x
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第三章 压力和差压测量
1
主 要 内 容
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
压力和差压的基本概念 液柱式压力计 弹性元件及弹性压力表 压阻、压电式压力计 压力计的选择、安装和校准
2
3.1 压力和差压的基本概念
3
3.1.1 基本概念
压力：介质垂直作用在单位面积上的力，即物理学的压强。 差压：两个压力之差。 表示方法：
34
3.5.3 压力检测仪表的校
• 1、静态校准 • 校准方法 将被校表与标准表的示值在相同条件下比较 将被校表的示值与标准压力比较 • 常用的压力校准仪器 液柱式压力计 活塞式压力计 高精度标准表的压力校验泵
35
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• 2、动态校准 • 标准动态压力信号分为两类： （1）稳态周期性压力信号源 机械正弦压力发生器、凸轮控制喷嘴、电磁谐振器 （2）非稳态压力信号源 激波管、闭式爆炸器、快速卸载阀、落锤液压动校装 置
21
材料：测低压、负压：黄铜，磷青铜等。 测高压：钢，不锈钢等。 3.2.2 弹性压力 弹簧管压力表 结构：单圈为例 位移传递过程：
22
膜式微压 测量小压力或者是负压的膜式微压计一般均为膜盒式，基 本结构原理一致。 结构（图）
23
24
3.3.3 弹性元件位移的远 远距离测压的两种方法：
用长管道传递压力信号，再由直接指示仪表显示（不经 济，不安全）； 弹性元件就地把位移转换成电量，用电气表表示（常 用，对应的是远传压力表，它的关键在于位移与电量的 转换原理以及方法。） 电位计式；霍尔元件式；电感式；差动变压器式
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3.3 弹性元件及弹性压力表
• 应用：测压范围广，从几mmH2O到上万个大气压。 • 组成：
p
弹性元件
变换放大机构 调整机构
指示机构
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3.3.1 弹性元件
作用：压力→弹性元件的变形位移； 原理：当流体的压力作用于有确定受压面积的弹性元件 时，弹性元件产生变形。在弹性形变范围内，当 形变产生的弹性反作用力平衡于作用力时，形变 过程即终止。
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3.2.3
液柱式压力计的误
1. 公式可见，P1一定时P2，g，ρ1，ρ2，ρ参数变化可能引起误差； 2. 毛细现象（表面张力）影响：管中封液的分界面也不是水平的，呈 弯月面，从而使得液面升高或是降低，引起附加误差； 此误差与封液的种类、管内径有关;内径细，则误差高，一般要求 内径大于6～8mm。对于一定的结构的封液的压力计，毛细现象引起 的读数误差是一定的。（水<2mm,Hg<1mm），不随液面的高低变 属于系统误差，很易修正。 3. 温度变化的影响：温度变化可导致毛细现象的变化，标尺的变化以 及封液密度的变化（其中封液密度变化是主要的误差源）； 4. 重力加速度修正：使用实际重力加速度； 5. 读数误差：正确读数方式：眼与液面的顶，底平； 6. 位置倾斜的误差（安装误差）。
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3.4 压阻、压电式压力计
3.4.1 压阻式压力计（应变片）
压阻效应：固体受力后电阻率发生变化的现象。 压阻式压力传感器： 基于半导体材料（单晶硅）的压阻效应支撑的传感器； 基于普通基底的常规应变片。 特点: (1)灵敏度高，频率响应高； (2)测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的高压； (3)精度高，工作可靠，其精度可达0.2～0.02级； (4)易于微小型化，目前国内生产出直径φ1.8～2mm的压阻式压 力传感器。
30
压电式压力传感器特点: (1)体积小，结构简单，工作可靠； (2)测量范围宽，可测100MPa以下的压力； (3)测量精度较高； (4)频率响应高，可达30KHz，是动态压力检测中常用的传 感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓 慢变化的压力和静态压力。
31
3.5 压力计的选择、安装和校准
9
展开整理
P1 = P2 + g( ρ 2 − ρ 1 )(H - h2 ) + g( ρ − ρ 1 )(h1 + h2 )
这是普遍公式，给出了P1与h1，h2的关系。
特殊情况： 若 ρ1=ρ2， 则： P1= P2+ g(ρ-ρ1)(h1+h2) 若 ρ1=ρ2 且ρ1<<ρ， 则 P1= P2+ gρ (h1+h2) 差压测量（若P2=PD，即为表
差压：任意两个压力之差称为差压。
负压
绝对压力=大气压力+表压力
4
3.1.2 压力单位
国际单位：帕斯卡（帕、Pa）1Pa=1牛顿/米2（N／m2），工 程上常用kPa，MPa。 习惯常用：工程大气压kgf／cm2、mmH2O、mmHg等 。
3.1.3 压力的常用测量方法
1、根据工作原理的不同划分 重力平衡方法：液柱式压力计、活塞式压力计 弹性力平衡方法：弹簧管式压力计 物性测量法：应变式、压电式、电容式压力传感器 机械力平衡方法：用已知外力平衡压力产生的力
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应变片的选用 应变片的粘贴
27
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应变片的共性问题：
工作温度影响——需补偿； 材料选择——硅、锗 加工工艺——缠绕、箔片、印刷、扩散、溅射… 安装位置及方法——应变大小。
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3.4.2 压电式压力计
某些电介质沿着某一个方向受 力而发生机械变形(压缩或伸 长)时，其内部将发生极化现 象，而在其某些表面上会产 生电荷。当外力去掉后，它 又会重新回到不带电的状 态，此现象称为“压电效 应”。
绝对压力：介质垂直作用在单位面积上 的全部压力； 大气压力：由地球表面空气质量所形成 的压力； 表 压 力：绝对压力与当地大气压之差 （压力计的显示值都是表压力，即通入 仪表的压力是绝对压力，显示的是表压 力）。 真空度（负压）：当绝对压力小于大气 压力时，表压力为负值（负压力），其 绝对值为真空度。
面积 弹性元件
被测压力
力
弹性变形（位移） 弹性恢复力
输出
弹性元件达到的形变即反映了被测压
16
种类： 弹簧管（波登管）
结构：弯曲成圆弧形，螺旋形或S形的非圆截面的管子，封闭一端（自
由端），另一端通入被测压力。截面短方向与管子弯曲的径向方向一 致。 变圆的趋势（短轴要伸长，长轴要缩短），产生弹性形变。
ΔP = P − P2 = g ( ρ 2 − ρ1 )( H − h2 ) + g ( ρ − ρ1 )(h1 + h2 ) 1
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3.2.2 几种变形仪
1、单管压力计 用h2代替（h1+h2），解决 了两次读数的不便。 2、斜管压力计 当α、ρ一定时，α越小l越 大，l>h读数的相对误差 越小。(α不能小于15度， 否则会引起读数困难。)
种类：
按膜片的形状：平膜片（刚性、挠性）、波 纹膜片 （三角波、梯形波、正弦波）； 按刚度分：弹性膜片、挠性膜片；
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波纹管
结构：
原理：P→△x，开口端固定，封 闭端的位移作为输出，位移与压 力、有效面积和波纹数成正比。 特点：工作行程5～10mm；受压 时线性范围大于受拉式的范围， 整个线性范围较小。 改善线性关系和量程的方法：力 加弹簧，这时弹性元件的特性主 要由弹簧来决定，弹黄管主要起 隔离介质以及压力转换成作用力 的作用
量程、精度、外形尺寸、显示功能、是否带变送器 1、量程选择：为保护弹性元件，压力表的上限应大于被测压力的上 若被测压力稳定、脉动、高压，额定压力的指示值应为最 大刻度的2/3、1/2、3/5。 为了降低相对误差，额定压力通常不小于最大刻度的 1/3。另外，表的上限应当按照国家系列选择。 2、精度：所选精度等级 ≤ 工艺要求仪表的允许最大引用 误差 3、外形尺寸：对于弹簧管压力表有Φ100（次要表就地）、 150（一般）、200和250（重要参数，如饱和蒸汽和过热 蒸汽的压力表）等。
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限，并有一定的安全系数；
4、显示功能：由需要来选择（是否能报警、记录等）。 5、是否带变送器：远方测量和记录功能需要带变送器。
3.5.2 测压仪表的安装
总的要求：应当取得实际的静压力（真实压力） 1、取压口的形状和位置 形状：一般为圆； 尺寸：孔径大，对流体流动的扰动就大，取得的静压矢 量程度大，但是孔径小，动态误差就大，所以，二者要综 合考虑
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2、取压开口的原则： 在保证加工方便和不堵塞的情况下，尽可能的小，特别是流 速高时。但是在压力波动较大、压力计的测量空间容积变化 较大和动态特性要求比较高时，孔径应适当的加大。 取压孔轴线尽可能垂直于流束，倾角在5到10度之间，避免 倾角倒向流束方向。 取压孔表面无毛刺、无明显倒角或豁口。 3、取压口的位置： 应保证取的静压有代表性，应避开局部阻力件，以防止涡流 干扰。 具体要求：离上游阻力件的距离 > 2D，离下游阻力件的距离 > 3D； 在管壁的位置：保证只有单相流体进入压力信号管，防止水 塞，气塞。
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2、根据信号不同划分 机械式：液柱式、活塞式、弹性元件式； （结构简单，使用方便，价格低廉） 电气式：压电式、压阻式、压磁式。 （动态性能好，灵敏度高，易于小型化，便 于远传，目前正在发展）
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3.2 液柱式压力计
原理：流体静力学原理，流体 内某一点的静压力，由这一点 的高度，流体的密度和外加压 力决定。 应用：0.1MPa以下的压力、差 压和负压，也常作为校验低压 和微压仪表的标准仪器。 特点：简单，使用方便，精度 较高；体积大，读数不便，不 能远方测量，易损坏。
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3.2.1 U型管压力
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数学模型：
设P1—被测压力；P2—参 比压力（多为大气压）， 当P1≠P2时，液柱的高度 差（h1+h2）： 由流体静力学知：在连续 同一均质液体中，同一高 度上的静压力相等。以 A—A面为基准高度，由 压力平衡知：
P1 + ρ1 g(H + h1 ) = P2 + ρ 2 g(H - h2 ) + ρg(h1 + h2 )
原理：短轴方向受力面积比长轴方向受力面积大，受力也大，使管子有
提高灵敏度的措施：
增大中心角γ（可做成多圈、S形） 降低管壁厚 增大长短轴比a/b值（越扁越灵敏） 减小材料的刚度（单位变形所对应的弹性力）
应用：大小压力、负压均可，但是一般不用它测量差压。
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膜片
结构：
平薄膜
波纹膜
挠性膜
原理：P→△x
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第三章 压力和差压测量
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主 要 内 容
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
压力和差压的基本概念 液柱式压力计 弹性元件及弹性压力表 压阻、压电式压力计 压力计的选择、安装和校准
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3.1 压力和差压的基本概念
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3.1.1 基本概念
压力：介质垂直作用在单位面积上的力，即物理学的压强。 差压：两个压力之差。 表示方法：
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3.5.3 压力检测仪表的校
• 1、静态校准 • 校准方法 将被校表与标准表的示值在相同条件下比较 将被校表的示值与标准压力比较 • 常用的压力校准仪器 液柱式压力计 活塞式压力计 高精度标准表的压力校验泵
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• 2、动态校准 • 标准动态压力信号分为两类： （1）稳态周期性压力信号源 机械正弦压力发生器、凸轮控制喷嘴、电磁谐振器 （2）非稳态压力信号源 激波管、闭式爆炸器、快速卸载阀、落锤液压动校装 置
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材料：测低压、负压：黄铜，磷青铜等。 测高压：钢，不锈钢等。 3.2.2 弹性压力 弹簧管压力表 结构：单圈为例 位移传递过程：
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膜式微压 测量小压力或者是负压的膜式微压计一般均为膜盒式，基 本结构原理一致。 结构（图）
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3.3.3 弹性元件位移的远 远距离测压的两种方法：
用长管道传递压力信号，再由直接指示仪表显示（不经 济，不安全）； 弹性元件就地把位移转换成电量，用电气表表示（常 用，对应的是远传压力表，它的关键在于位移与电量的 转换原理以及方法。） 电位计式；霍尔元件式；电感式；差动变压器式
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3.3 弹性元件及弹性压力表
• 应用：测压范围广，从几mmH2O到上万个大气压。 • 组成：
p
弹性元件
变换放大机构 调整机构
指示机构
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3.3.1 弹性元件
作用：压力→弹性元件的变形位移； 原理：当流体的压力作用于有确定受压面积的弹性元件 时，弹性元件产生变形。在弹性形变范围内，当 形变产生的弹性反作用力平衡于作用力时，形变 过程即终止。
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3.2.3
液柱式压力计的误
1. 公式可见，P1一定时P2，g，ρ1，ρ2，ρ参数变化可能引起误差； 2. 毛细现象（表面张力）影响：管中封液的分界面也不是水平的，呈 弯月面，从而使得液面升高或是降低，引起附加误差； 此误差与封液的种类、管内径有关;内径细，则误差高，一般要求 内径大于6～8mm。对于一定的结构的封液的压力计，毛细现象引起 的读数误差是一定的。（水<2mm,Hg<1mm），不随液面的高低变 属于系统误差，很易修正。 3. 温度变化的影响：温度变化可导致毛细现象的变化，标尺的变化以 及封液密度的变化（其中封液密度变化是主要的误差源）； 4. 重力加速度修正：使用实际重力加速度； 5. 读数误差：正确读数方式：眼与液面的顶，底平； 6. 位置倾斜的误差（安装误差）。
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3.4 压阻、压电式压力计
3.4.1 压阻式压力计（应变片）
压阻效应：固体受力后电阻率发生变化的现象。 压阻式压力传感器： 基于半导体材料（单晶硅）的压阻效应支撑的传感器； 基于普通基底的常规应变片。 特点: (1)灵敏度高，频率响应高； (2)测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的高压； (3)精度高，工作可靠，其精度可达0.2～0.02级； (4)易于微小型化，目前国内生产出直径φ1.8～2mm的压阻式压 力传感器。
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压电式压力传感器特点: (1)体积小，结构简单，工作可靠； (2)测量范围宽，可测100MPa以下的压力； (3)测量精度较高； (4)频率响应高，可达30KHz，是动态压力检测中常用的传 感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓 慢变化的压力和静态压力。
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3.5 压力计的选择、安装和校准
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P1 = P2 + g( ρ 2 − ρ 1 )(H - h2 ) + g( ρ − ρ 1 )(h1 + h2 )
这是普遍公式，给出了P1与h1，h2的关系。
特殊情况： 若 ρ1=ρ2， 则： P1= P2+ g(ρ-ρ1)(h1+h2) 若 ρ1=ρ2 且ρ1<<ρ， 则 P1= P2+ gρ (h1+h2) 差压测量（若P2=PD，即为表
差压：任意两个压力之差称为差压。
负压
绝对压力=大气压力+表压力
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3.1.2 压力单位
国际单位：帕斯卡（帕、Pa）1Pa=1牛顿/米2（N／m2），工 程上常用kPa，MPa。 习惯常用：工程大气压kgf／cm2、mmH2O、mmHg等 。
3.1.3 压力的常用测量方法
1、根据工作原理的不同划分 重力平衡方法：液柱式压力计、活塞式压力计 弹性力平衡方法：弹簧管式压力计 物性测量法：应变式、压电式、电容式压力传感器 机械力平衡方法：用已知外力平衡压力产生的力
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应变片的选用 应变片的粘贴
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应变片的共性问题：
工作温度影响——需补偿； 材料选择——硅、锗 加工工艺——缠绕、箔片、印刷、扩散、溅射… 安装位置及方法——应变大小。
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3.4.2 压电式压力计
某些电介质沿着某一个方向受 力而发生机械变形(压缩或伸 长)时，其内部将发生极化现 象，而在其某些表面上会产 生电荷。当外力去掉后，它 又会重新回到不带电的状 态，此现象称为“压电效 应”。
绝对压力：介质垂直作用在单位面积上 的全部压力； 大气压力：由地球表面空气质量所形成 的压力； 表 压 力：绝对压力与当地大气压之差 （压力计的显示值都是表压力，即通入 仪表的压力是绝对压力，显示的是表压 力）。 真空度（负压）：当绝对压力小于大气 压力时，表压力为负值（负压力），其 绝对值为真空度。
面积 弹性元件
被测压力
力
弹性变形（位移） 弹性恢复力
输出
弹性元件达到的形变即反映了被测压
16
种类： 弹簧管（波登管）
结构：弯曲成圆弧形，螺旋形或S形的非圆截面的管子，封闭一端（自
由端），另一端通入被测压力。截面短方向与管子弯曲的径向方向一 致。 变圆的趋势（短轴要伸长，长轴要缩短），产生弹性形变。
ΔP = P − P2 = g ( ρ 2 − ρ1 )( H − h2 ) + g ( ρ − ρ1 )(h1 + h2 ) 1
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3.2.2 几种变形仪
1、单管压力计 用h2代替（h1+h2），解决 了两次读数的不便。 2、斜管压力计 当α、ρ一定时，α越小l越 大，l>h读数的相对误差 越小。(α不能小于15度， 否则会引起读数困难。)
种类：
按膜片的形状：平膜片（刚性、挠性）、波 纹膜片 （三角波、梯形波、正弦波）； 按刚度分：弹性膜片、挠性膜片；
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波纹管
结构：
原理：P→△x，开口端固定，封 闭端的位移作为输出，位移与压 力、有效面积和波纹数成正比。 特点：工作行程5～10mm；受压 时线性范围大于受拉式的范围， 整个线性范围较小。 改善线性关系和量程的方法：力 加弹簧，这时弹性元件的特性主 要由弹簧来决定，弹黄管主要起 隔离介质以及压力转换成作用力 的作用