自動檢測技術--壓力測量(及課后答案)

1、電遠傳式壓力計電遠傳式壓力計4.4概述概述4.1液柱式壓力計液柱式壓力計4.2彈性式壓力計彈性式壓力計4.3主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：壓力表的選擇、校驗和安裝壓力表的選擇、校驗和安裝4.54.1 概述概述壓力的檢測與控制是保證生產(chǎn)安全和經(jīng)濟的重要環(huán)節(jié)。壓力的檢測與控制是保證生產(chǎn)安全和經(jīng)濟的重要環(huán)節(jié)。垂直并且均勻作用在單位面積上的力稱為垂直并且均勻作用在單位面積上的力稱為“壓強壓強”。工工程技術上一般稱其為程技術上一般稱其為“壓力壓力” 。4.1.1 壓力的概念壓力的概念國際單位國際單位 :帕斯卡，簡稱帕（帕斯卡，簡稱帕（Pa） 1 Pa = 1 N/m2常用單位：工程大氣壓（常用單位：工程大氣壓（公

2、斤力公斤力），），kgf/cm21 kgf/cm2 = 9.80065 104 Pa 1105 Pa = 0.1 MPa工程上經(jīng)常使用兆帕（工程上經(jīng)常使用兆帕（MPa） 1 MPa = 1106 PaFPS生產(chǎn)和生活中不同的壓力概念生產(chǎn)和生活中不同的壓力概念(1)大氣壓力：大氣壓力：大氣壓力是地球表面上空氣的重量所產(chǎn)生大氣壓力是地球表面上空氣的重量所產(chǎn)生的壓力。的壓力。 符號：符號：P0表示表示影響因素：氣象情況、海拔高度和地理緯度影響因素：氣象情況、海拔高度和地理緯度測量儀表：氣壓表測量儀表：氣壓表壓力單位之一：壓力單位之一：標準大氣壓，標準大氣壓，atm1 atm = 101 325 Pa

3、= 0.1MPa托里拆利托里拆利16081647(2) 表壓力：表壓力：如果測壓儀表所指示的壓力是以大氣壓力為如果測壓儀表所指示的壓力是以大氣壓力為0起點算的壓力，則測量結果稱為表壓力。起點算的壓力，則測量結果稱為表壓力。符號符號PG領域：工程中領域：工程中(3) 絕對壓力：絕對壓力：是指不附帶任何條件的全壓力，它等于大是指不附帶任何條件的全壓力，它等于大氣壓力和表壓力之和。氣壓力和表壓力之和。符號：符號：Pa如：液體、氣體和蒸汽所處空間的全部壓力。如：液體、氣體和蒸汽所處空間的全部壓力。0aGPPP(4) 真空壓力：真空壓力：當絕對壓力小于大氣壓力時，大氣壓力與絕當絕對壓力小于大氣壓力時，大

4、氣壓力與絕對壓力之差。對壓力之差。(5) 差壓（壓差）：差壓（壓差）：兩個相關壓力之差。兩個相關壓力之差。0GaPPP又稱：真空度、負壓力、疏空壓力。又稱：真空度、負壓力、疏空壓力。符號：符號：P注意：基準點任意且相同注意：基準點任意且相同12PPP不同壓力間的關系不同壓力間的關系大氣壓大氣壓P0代表規(guī)定基準點代表規(guī)定基準點代表任意基準點代表任意基準點完全真空完全真空0壓力差壓力差P4.1.2 壓力的單位換算壓力的單位換算公斤力公斤力/米米2kgf/m2工程大氣壓工程大氣壓kgf/cm2牛牛頓頓/米米2N/m2（pa）巴巴bar標準大氣壓標準大氣壓atm毫米水柱毫米水柱mmH2O毫米汞柱毫米汞

5、柱mmHg磅磅/英寸英寸psi110-49.819.8110-50.967810-4173.5610-31.42210-3104198.11030.9810.9678104735.614.220.10210.210-6110-50.986910-50.1027.5010-314510-610.21031.0210510.986910.210375014.501.03321041.03321.01331051.013311.033210476014.696110-49.8198.110-60.967810-4173.5610-31.42210-313.61.3610-3133.31.33310-

6、31.31610-313.6119.3410-370370.310-36.8910368.910-368.0510-370351.7211工程大氣壓工程大氣壓=9.80665104牛頓牛頓/米米2（帕斯卡）（帕斯卡）=0.980665巴巴 =0.967841標準大氣壓標準大氣壓=10米水柱（米水柱（4，g=9.80665米米/秒秒2）=735.559毫米汞柱（毫米汞柱（0，g=9.860665米米/秒秒2）=14.223磅磅/英寸英寸2公斤力公斤力/米米2kgf/m2工程大氣壓工程大氣壓kgf/cm2牛牛頓頓/米米2N/m2（pa）巴巴bar標準大氣壓標準大氣壓atm毫米水柱毫米水柱mmH2O

7、毫米汞柱毫米汞柱mmHg磅磅/英寸英寸psi110-49.819.8110-50.967810-4173.5610-31.42210-3104198.11030.9810.9678104735.614.220.10210.210-6110-50.986910-50.1027.5010-314510-610.21031.0210510.986910.210375014.501.03321041.03321.01331051.013311.033210476014.696110-49.8198.110-60.967810-4173.5610-31.42210-313.61.3610-3133.31

8、.33310-31.31610-313.6119.3410-370370.310-36.8910368.910-368.0510-370351.7211巴巴=105牛頓牛頓/米米2（帕斯卡）（帕斯卡）=10197.2公斤力公斤力/米米2=1.01972公斤力公斤力/厘米厘米2 =14.5038磅磅/英寸英寸2=750.062毫米毫米汞柱（汞柱（0，g=9.80665米米/秒秒2）=1.01972104毫米水柱毫米水柱（4，g=9.80665米米/秒秒2）公斤力公斤力/米米2kgf/m2工程大氣壓工程大氣壓kgf/cm2牛牛頓頓/米米2N/m2（pa）巴巴bar標準大氣壓標準大氣壓atm毫米水柱

9、毫米水柱mmH2O毫米汞柱毫米汞柱mmHg磅磅/英寸英寸psi110-49.819.8110-50.967810-4173.5610-31.42210-3104198.11030.9810.9678104735.614.220.10210.210-6110-50.986910-50.1027.5010-314510-610.21031.0210510.986910.210375014.501.03321041.03321.01331051.013311.033210476014.696110-49.8198.110-60.967810-4173.5610-31.42210-313.61.361

10、0-3133.31.33310-31.31610-313.6119.3410-370370.310-36.8910368.910-368.0510-370351.7211公斤力公斤力/米米2 =1.000028毫米水柱（毫米水柱（4，g=9.80665米米/秒秒2）=1.001797（20，g=9.80665/米秒米秒2）毫米水柱。）毫米水柱。1標準大氣壓標準大氣壓=101325牛頓牛頓/米米2（帕斯卡）（帕斯卡）=10332.27公斤力公斤力/米米2=760毫米汞柱（毫米汞柱（0，g=9.80665米米/秒秒2）4.1.3 壓力測量系統(tǒng)的分類壓力測量系統(tǒng)的分類靜重式靜重式彈性式彈性式遠傳式遠

11、傳式靜重式靜重式U型管型管單管單管斜管斜管鐘罩鐘罩測壓力測壓力測真空測真空用途用途單活塞單活塞雙活塞雙活塞圓柱形活塞圓柱形活塞球形活塞球形活塞液柱式壓力計液柱式壓力計活塞式壓力計活塞式壓力計彈性式彈性式彈簧管式彈簧管式膜片式膜片式膜盒式膜盒式波紋管式波紋管式遠傳式遠傳式電阻式電阻式電感式電感式電容式電容式振弦式振弦式4.2 液柱式壓力計液柱式壓力計4.2.1 原理原理4.2.2 誤差誤差4.2.1 液柱式壓力計的原理液柱式壓力計的原理原理：利用液柱所產(chǎn)生的壓力與被測原理：利用液柱所產(chǎn)生的壓力與被測壓力平衡，根據(jù)液柱高度來確壓力平衡，根據(jù)液柱高度來確定被測壓力的大小。定被測壓力的大小。封液：封液

12、： 水、酒精、水銀水、酒精、水銀特點：結構簡單，物理本質(zhì)清晰。特點：結構簡單，物理本質(zhì)清晰。12ppgh12ppgh12sinppgl4.2.2 液柱式壓力計的測量誤差及其修正液柱式壓力計的測量誤差及其修正（2）重力加速度變化的影響）重力加速度變化的影響封液影響：封液影響：標尺長度影響：精密測量時考慮標尺長度影響：精密測量時考慮體積膨脹系數(shù)；體積膨脹系數(shù)；20120thht1 0.00265cos 212NggHR標準地點封液高度標準地點封液高度NNh ghggN標準重力加速度，標準重力加速度，9.80665m/s2H海拔高度，海拔高度，m； R地球半徑，地球半徑，6356766m；海拔緯度海

13、拔緯度, 。（1）環(huán)境溫度變化的影響）環(huán)境溫度變化的影響h測量地點封液高度（3）毛細現(xiàn)象造成的影響）毛細現(xiàn)象造成的影響毛細現(xiàn)象使封液表面形成毛細現(xiàn)象使封液表面形成彎月彎月面面，不僅引起讀數(shù)誤差，還會，不僅引起讀數(shù)誤差，還會引起液柱的升高或降低。通過引起液柱的升高或降低。通過加大管徑來解決。加大管徑來解決。酒精：管徑酒精：管徑D=3mm；水銀：管徑水銀：管徑D=8mm（4）安裝、）安裝、讀數(shù)讀數(shù)、刻度等方面的誤差、刻度等方面的誤差4.3 彈性式壓力計彈性式壓力計全不銹鋼壓力表全不銹鋼壓力表充液防震壓力表充液防震壓力表彈性元件彈性元件彈簧管彈簧管膜片膜片波紋管波紋管波紋管波紋管單圈彈簧管壓力計單圈

14、彈簧管壓力計結構：彈簧管、齒輪傳動機構、指針、刻度盤。結構：彈簧管、齒輪傳動機構、指針、刻度盤。4.3.1 彈簧管壓力計彈簧管壓力計單圈彈簧管壓力表單圈彈簧管壓力表 受力變形分析受力變形分析22 bb受壓后短軸長度增加：受壓后短軸長度增加：2 2bb,bbb BBRr2b2aAP2bRRRrRrrr bb abb整理得：整理得：b bbbbbbbbb增大靈敏度的方法？增大靈敏度的方法？特點：特點：精度等級：普通型：精度等級：普通型： 級；級；精密：精密：0.10.5 級。級。測量范圍：真空測量范圍：真空109 Pa；工作范圍：工作范圍：1/31/2量程量程(波動大波動大)； 1/32/3量程量

15、程(波動小波動小)；注意：防塵、防爆、防腐等問題，并要定期校驗。注意：防塵、防爆、防腐等問題，并要定期校驗。彈性式壓力計彈性式壓力計4.3.2 膜式壓力計膜式壓力計膜片式膜片式測量腐蝕性介質(zhì)、非凝固、非結晶介質(zhì)；測量腐蝕性介質(zhì)、非凝固、非結晶介質(zhì)；膜盒式膜盒式測量氣體的微壓和負壓。測量氣體的微壓和負壓。精度：精度：2.5 級級測量范圍：測量范圍：膜片式：膜片式：真空或真空或06106 Pa膜盒式：膜盒式：04104 Pa特點特點4.3.3 波紋管式壓力計波紋管式壓力計波紋管是外周沿軸向有深槽形波紋褶皺，可沿軸向伸縮波紋管是外周沿軸向有深槽形波紋褶皺，可沿軸向伸縮的的薄壁管子薄壁管子。它受壓時線

16、性輸出范圍比受拉時大，故。它受壓時線性輸出范圍比受拉時大，故常常在壓縮狀態(tài)下使用在壓縮狀態(tài)下使用。用途：用途：做流量和液位測量的顯做流量和液位測量的顯示儀表。示儀表。4.3.4 彈性式壓力計的誤差來源彈性式壓力計的誤差來源遲滯誤差：遲滯誤差：相同壓力下，同一彈性元件正反行程的變形相同壓力下，同一彈性元件正反行程的變形不一樣；不一樣；彈性后效誤差：彈性后效誤差：彈性元件變形落后于被測壓力變化；彈性元件變形落后于被測壓力變化； （動態(tài)響應誤差動態(tài)響應誤差）間隙誤差：間隙誤差：儀表的各種活動部件之間有間隙，示值與彈儀表的各種活動部件之間有間隙，示值與彈性元件的變形不完全對應；性元件的變形不完全對應；

17、摩擦誤差：摩擦誤差：儀表活動部件運動時，相互間有摩擦力；儀表活動部件運動時，相互間有摩擦力；溫度誤差：溫度誤差：環(huán)境溫度改變會引起金屬材料彈性模量變化。環(huán)境溫度改變會引起金屬材料彈性模量變化。達到達到0.1%的精度是極為困難的。的精度是極為困難的。4.3.5 彈性式壓力計的改善途徑彈性式壓力計的改善途徑采用采用“全彈性全彈性”和和“恒彈性恒彈性”材料：減小遲滯誤材料：減小遲滯誤 差差 和和 后后 效效 誤誤 差差 ； 如如 合合 金金 Ni42CrTi 、Ni36CrTiA、熔凝熔凝石英；石英；采用采用新的轉(zhuǎn)化技術新的轉(zhuǎn)化技術，減小中間環(huán)節(jié)，如電阻應變技，減小中間環(huán)節(jié)，如電阻應變技術、差動變壓

18、器技術；術、差動變壓器技術；采用采用無干摩擦的彈性軸承或磁懸浮軸承無干摩擦的彈性軸承或磁懸浮軸承；改善制造工藝改善制造工藝 。4.4 電遠傳式壓力計電遠傳式壓力計根據(jù)測量原理分類：根據(jù)測量原理分類：電阻式電阻式電容式電容式電感式電感式振弦式振弦式4.4.0 遠傳式彈簧管壓力計遠傳式彈簧管壓力計差動變壓器式壓力計差動變壓器式壓力計ie1oeoe2oe12oooeee1212ooooeeee鐵心向上時，差動結構使信號成倍增長鐵心向下時， 圖3-9 霍爾效應霍爾效應：霍爾片為一半導體霍爾效應：霍爾片為一半導體材料制成的薄片。在霍爾片的材料制成的薄片。在霍爾片的Z Z軸方向加一磁感應強度為軸方向加一磁

19、感應強度為B B的恒的恒定磁場，在定磁場，在Y Y軸方向加一外電場軸方向加一外電場（接入直流穩(wěn)壓電源），便有（接入直流穩(wěn)壓電源），便有恒定電流沿恒定電流沿Y Y軸方向通過。電子軸方向通過。電子逆電流方向運動，由于受逆電流方向運動，由于受洛倫洛倫茲力茲力的作用，而使電子的運動的作用，而使電子的運動軌道發(fā)生偏移，造成霍爾片的軌道發(fā)生偏移，造成霍爾片的一個端面上有電子積累，另一一個端面上有電子積累，另一個斷面上正電荷過剩，于是在個斷面上正電荷過剩，于是在霍爾片的霍爾片的X X軸方向上出現(xiàn)電位差，軸方向上出現(xiàn)電位差，稱稱霍爾電勢霍爾電勢。這一現(xiàn)象稱為。這一現(xiàn)象稱為霍霍爾效應爾效應?；魻栯妱莼魻栯妱荼硎?/p>

20、為表示為 BIRUHH式中，式中，U UH H為霍爾電勢；為霍爾電勢；R RH H為霍爾常數(shù)，與霍爾片材料、為霍爾常數(shù)，與霍爾片材料、幾何形狀有關；幾何形狀有關；B B為磁感應強度；為磁感應強度；I I為控制電流的大小。為控制電流的大小。 霍爾電勢與磁感應強度霍爾電勢與磁感應強度B B 和電流和電流I I成正比。提高成正比。提高B B 和和I I值可增大霍爾電勢值可增大霍爾電勢U UH H，但兩者都有一定限度，一般，但兩者都有一定限度，一般I I為為3 320mA20mA，B B約為幾千高斯，所得的霍爾電勢約為幾千高斯，所得的霍爾電勢U UH H約為約為幾十毫伏數(shù)量級。幾十毫伏數(shù)量級。 導體也

21、有霍爾效應，不過它們的霍爾電勢遠比半導體導體也有霍爾效應，不過它們的霍爾電勢遠比半導體的霍爾電勢小得多。的霍爾電勢小得多。 將霍爾元件與彈簧管配合，就組將霍爾元件與彈簧管配合，就組成了霍爾片式彈簧管壓力傳感器，成了霍爾片式彈簧管壓力傳感器，如圖所示。如圖所示。 霍爾片式壓力傳感器霍爾片式壓力傳感器1 1彈簧管；彈簧管；2 2 磁鋼；磁鋼；3 3 霍爾片霍爾片 當被測壓力引入后，在被測壓當被測壓力引入后，在被測壓力作用下，彈簧管自由端產(chǎn)生位力作用下，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，因而改變了霍爾片在非均勻移，因而改變了霍爾片在非均勻磁場中的位置，使所產(chǎn)生的霍爾磁場中的位置，使所產(chǎn)生的霍爾電勢與被測壓力成比

22、例。電勢與被測壓力成比例。 利用這一電勢即可實現(xiàn)遠距利用這一電勢即可實現(xiàn)遠距離顯示和自動控制。離顯示和自動控制。 是根據(jù)霍爾效應制成的，即利用是根據(jù)霍爾效應制成的，即利用霍爾元件將由壓力所引起的彈性元件的位移轉(zhuǎn)換成霍爾電霍爾元件將由壓力所引起的彈性元件的位移轉(zhuǎn)換成霍爾電勢，從而實現(xiàn)壓力的測量。勢，從而實現(xiàn)壓力的測量。 4.4.1 電阻應變式壓力變送器電阻應變式壓力變送器箔式應變片：箔式應變片： 0.0030.01（1）金屬電阻絲應變片式傳感器）金屬電阻絲應變片式傳感器 =lRS在在均勻應力均勻應力的作用下的作用下,導線電阻的相對變化量為導線電阻的相對變化量為2,=lldRdldSdRlSSSS

23、lRlSRdS令單根導線的電阻單根導線的電阻 ：電阻率：電阻率、長度和截面積，其、長度和截面積，其關系：關系：=lRSRlSRlS對于圓導線，對于圓導線， ，故近似有，故近似有24dS2SdSd受拉時，受拉時，l 增大的同時增大的同時 d 減小，反之，受壓時，減小，反之，受壓時，l 減小，減小，同時同時 d 增大，定義材料的泊松比：增大，定義材料的泊松比：2d dSll lSl 材料的泊松比，材料的泊松比， 金屬金屬:.2.4 半導體半導體:0.3512RlRl定義應變定義應變ll121212RlRRlRR RK ：導線每單位應變引起的電阻值的相對變化量。：導線每單位應變引起的電阻值的相對變化

24、量。 越大越好！越大越好！應力應力引起引起材料應變材料應變靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)金屬材料金屬材料應變靈敏系數(shù)應變靈敏系數(shù)K12R RK 影響很小影響很小12R RK式中：式中： 為應變，為應變，材料的泊松比。材料的泊松比。lld dl l K =1.73.6材料材料 康銅康銅 （Ni 45%,Cu 55%）靈敏系數(shù)約為）靈敏系數(shù)約為1.92.1，鐵鉻鋁合金鐵鉻鋁合金 （Fe70%，Cr2%，AL）靈敏系數(shù)約為靈敏系數(shù)約為2.42.6；直徑；直徑 0.050.15 mm。紙或膠質(zhì)：紙或膠質(zhì)：0.02-0.04mm應變片分布設計？應變片分布設計？分析邊緣固定膜片上的應變分布狀況！分析邊緣固定膜片上的應變

25、分布狀況！受拉受拉膜片膜片受壓受壓切向應變切向應變t t和徑向應變和徑向應變r r既和壓力有關，又和該點距膜片既和壓力有關，又和該點距膜片中心的遠近有關。中心的遠近有關。在膜片中心，在膜片中心，徑向應變和切向應變都達到最大值；徑向應變和切向應變都達到最大值；當當x=0.58r時，徑向應變時，徑向應變r =0；當當x=r時，徑向應變達到負最大值，而切向應變?yōu)闀r，徑向應變達到負最大值，而切向應變?yōu)?；切向應變：切向應變：23tRR拉伸，14rRR壓縮，徑向應變：徑向應變：測量電橋測量電橋應變片粘帖位置應變片粘帖位置平膜片上的應變分布平膜片上的應變分布124EIRR213EIRR1221212413

26、=OABUUUI RI RERERRRRR23142413=OR RR RUERRRR2314RRRRRRRR22=ORRRRRUEERRRRRRRRR OpRU 舉例：用電阻應變片制作電子秤舉例：用電阻應變片制作電子秤金屬電阻絲應變片貼牢在懸臂梁上下表面，懸臂梁金屬電阻絲應變片貼牢在懸臂梁上下表面，懸臂梁遠端加砝碼使它彎曲，上表面受到拉伸，下表面受到壓遠端加砝碼使它彎曲，上表面受到拉伸，下表面受到壓縮。所以上表面電阻阻值變大，下表面電阻阻值變小。縮。所以上表面電阻阻值變大，下表面電阻阻值變小。 應變片的結構示意圖應變片的結構示意圖1 敏感柵敏感柵 ；2 引線；引線；3 粘粘結劑結劑 ；4 蓋

27、層；蓋層； 5 基底基底分別將一個、兩個或四個電分別將一個、兩個或四個電阻應變片與固定電阻組成電阻應變片與固定電阻組成電橋（所謂橋（所謂 單臂、半橋或全單臂、半橋或全橋橋 ）,以電壓表為平衡檢測器。以電壓表為平衡檢測器。未加砝碼時，調(diào)節(jié)電橋平衡，未加砝碼時，調(diào)節(jié)電橋平衡，輸出電壓為零。隨輸出電壓為零。隨著負載增加，電橋不平衡性著負載增加，電橋不平衡性加大，電壓表讀數(shù)越大。加大，電壓表讀數(shù)越大。m p R U om = f (U o )線性關系線性關系金屬電阻絲應變片式傳感器的特點：金屬電阻絲應變片式傳感器的特點：優(yōu)點：金屬絲或箔式應變片優(yōu)點：金屬絲或箔式應變片性能穩(wěn)定，精確度高性能穩(wěn)定，精確度

28、高，已得到，已得到廣泛應用。廣泛應用。缺點：缺點：靈敏度系數(shù)較小（靈敏度系數(shù)較?。?.42.6），對粘貼工藝要求嚴格，），對粘貼工藝要求嚴格，不利于使用不利于使用。粘貼位置：粘貼位置：防止受被測介質(zhì)污染、氧化、腐蝕，防止受被測介質(zhì)污染、氧化、腐蝕，貼在彈貼在彈性元件不和被測介質(zhì)接觸的一面。性元件不和被測介質(zhì)接觸的一面。（2）半導體壓阻式傳感器）半導體壓阻式傳感器 半導體的定義：是指常溫下導電性介于導體和絕緣體之半導體的定義：是指常溫下導電性介于導體和絕緣體之間的材料。間的材料。 半導體材料：摻雜質(zhì)的單晶硅或鍺，具有晶體屬性，即半導體材料：摻雜質(zhì)的單晶硅或鍺，具有晶體屬性，即各向異性各向異性。

29、導電特性：半導體通過導電特性：半導體通過電子或空穴電子或空穴傳導的方式傳輸電流。傳導的方式傳輸電流。 擴散硅壓阻式傳感器制作工藝：在半導體材料上用擴散硅壓阻式傳感器制作工藝：在半導體材料上用擴散擴散方法形成的電阻；方法形成的電阻； 特點：靈敏度系數(shù)大、彈性元件和應變電阻特點：靈敏度系數(shù)大、彈性元件和應變電阻集成在一起，集成在一起，易大批量生產(chǎn)，利于微型化、集成化和智能化。易大批量生產(chǎn)，利于微型化、集成化和智能化。半導體材料半導體材料應變靈敏系數(shù)應變靈敏系數(shù)K12R RK 影響很小影響很小dE 壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)應力應力彈性模量彈性模量應變應變112112408010/1.67 10/N mEmN

30、50100dK 半導體材料的半導體材料的 、E、K均為各向異性，是隨晶向而變的參數(shù)。均為各向異性，是隨晶向而變的參數(shù)。（）單晶硅的（）單晶硅的晶向晶向和和晶面表示晶面表示及其壓阻系數(shù)及其壓阻系數(shù)1 1 1cos:cos:cos:h k lrs t舉例舉例1：圖中，為某一晶面，晶面的：圖中，為某一晶面，晶面的法線方向法線方向就就是晶向是晶向(為為 ），與），與x,y,z軸的方向余弦分別為軸的方向余弦分別為:cos,cos,cos；該平面在；該平面在x,y,z軸的截距分別為軸的截距分別為r,s,t,則則ABC 晶面的晶面的晶向晶向ABC 晶面晶面（）h,k,l為密勒指數(shù)，它們?yōu)闊o公約數(shù)的最大整數(shù)為

31、密勒指數(shù)，它們?yōu)闊o公約數(shù)的最大整數(shù) 晶向和晶面表示方法晶向和晶面表示方法名稱晶面晶向ABCD(100)ADGF(110)AFH(111)BCHE(110) 壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)llttRR l 縱向應力； t 橫向應力； l 縱向壓阻系數(shù)；t 橫向壓阻系數(shù)。tl獨立的正應力獨立的正應力獨立的剪應力獨立的剪應力 RR六個獨立的應力將引起六個獨立的電阻率六個獨立的應力將引起六個獨立的電阻率的相對變化量。的相對變化量。壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)剪應力不引起正向壓阻效應剪應力不引起正向壓阻效應正應力不引起剪切壓阻效應正應力不引起剪切壓阻效應剪切應力只在自身剪切平面內(nèi)產(chǎn)生壓阻效應無交叉影響。剪切應力只在自身剪切平面內(nèi)

32、產(chǎn)生壓阻效應無交叉影響。由于正立方晶體的對稱性，正向壓阻效應相等。由于正立方晶體的對稱性，正向壓阻效應相等。由于對稱性，正應力產(chǎn)生由于對稱性，正應力產(chǎn)生橫向壓阻效應橫向壓阻效應并且相等。并且相等。由于對稱性，剪切壓阻效應相等。由于對稱性，剪切壓阻效應相等。正向電阻率相對變化量正向電阻率相對變化量 (1 , 2 , 3 ) 由正向壓阻效應由正向壓阻效應和橫向壓阻效應構成；和橫向壓阻效應構成；剪切電阻率相對變化量剪切電阻率相對變化量 (4 , 5 , 6 ) 僅由剪切壓阻效僅由剪切壓阻效應構成。應構成。典型壓阻系數(shù)典型壓阻系數(shù)RR 影響壓阻系數(shù)大小的因素影響壓阻系數(shù)大小的因素雜質(zhì)濃度雜質(zhì)濃度壓阻系

33、數(shù)壓阻系數(shù)溫度溫度壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)（4）固態(tài)壓阻器件）固態(tài)壓阻器件金屬絲應變片金屬絲應變片u金屬絲金屬絲電阻電阻具有一定的具有一定的溫度系數(shù)溫度系數(shù)；u彈性元件（基底）與金屬絲的彈性元件（基底）與金屬絲的線膨脹系數(shù)不等線膨脹系數(shù)不等；擴散硅壓阻應變片擴散硅壓阻應變片u溫度特性溫度特性補補償償方方法法金屬絲應變片：僅適用于恒流源供電電橋法；金屬絲應變片：僅適用于恒流源供電電橋法；擴散硅壓阻應變片：擴散硅壓阻應變片：電橋法電橋法集成方法集成方法軟件法軟件法MPX4100AMAX1457ST3000（5）測量橋路及溫度補償）測量橋路及溫度補償溫度補償溫度補償差動結構差動結構（2個應變片）個應變片）電

34、橋（相鄰橋臂）電橋（相鄰橋臂） 實現(xiàn)：溫度補償，輸出實現(xiàn)：溫度補償，輸出電壓靈敏度電壓靈敏度1倍。倍。電橋結構電橋結構（4個應變片）個應變片）電橋（電橋（4個橋臂）個橋臂）溫度補償，電壓靈敏度溫度補償，電壓靈敏度2倍。倍。恒壓源供電電橋恒壓源供電電橋假設假設1：個電阻的初始值為：個電阻的初始值為，當有壓力時，應力變化，當有壓力時，應力變化，電阻值兩個電阻值兩個，兩個，兩個。假設假設2： 溫度變化則每個電溫度變化則每個電阻值會變化阻值會變化；電橋輸出電壓為電橋輸出電壓為整理整理=OtRUURR若若0tR=ORUUR說說 明：明：電橋輸出電橋輸出Uo R /R P(被測壓力被測壓力)；與與U的大小

35、和精度有關；的大小和精度有關；當當0時，還與溫度有關；時，還與溫度有關；恒壓源供電原理的測量橋路，不能消除溫度的影響恒壓源供電原理的測量橋路，不能消除溫度的影響。恒流源供電電橋恒流源供電電橋假設：兩個支路的電阻相等，即假設：兩個支路的電阻相等，即電橋輸出電橋輸出 Uo R P(被測壓力被測壓力 )；與電流源與電流源 I的大小和精度有關；的大小和精度有關；與與 無關；無關；恒流源供電原理的測量橋路，能消除溫度的影響恒流源供電原理的測量橋路，能消除溫度的影響 。橋路輸出橋路輸出20.5ABCADCtABCADCRRRRIII1122OBDttOUUI RRRI RRRUI R 說說 明明:tR零點

36、溫度補償零點溫度補償零點溫度漂移，是由于零點溫度漂移，是由于4個擴散電阻的阻值及其溫度系個擴散電阻的阻值及其溫度系數(shù)不一致造成的。數(shù)不一致造成的。串聯(lián)電阻主要起調(diào)零的作用，并聯(lián)電阻主要起補償?shù)淖饔?。串?lián)電阻主要起調(diào)零的作用，并聯(lián)電阻主要起補償?shù)淖饔谩．敎囟壬邥r，如果當溫度升高時，如果R2增加比較大，就會使增加比較大，就會使D點電位低于點電位低于B點電位，點電位，B、D兩點間的電位差即為零點漂移。兩點間的電位差即為零點漂移。如何消除呢？如何消除呢？在在R2上并聯(lián)一個溫度系數(shù)為負、阻值較大的電阻上并聯(lián)一個溫度系數(shù)為負、阻值較大的電阻RpRp和和Rs如何計算？如何計算？零點溫度補償零點溫度補償Rp

37、和和Rs如何計算？如何計算？21432+=+pspR RRRRRRR21432+=+pspR RRRRRRR= 1+ssRRT= 1+ppRRT由以上四式求得由以上四式求得Rp，Rs,和和，再計算出常溫下再計算出常溫下Rp和和Rs的值，然后選擇該溫度系數(shù)的電阻即可。的值，然后選擇該溫度系數(shù)的電阻即可。靈敏度溫度補償靈敏度溫度補償為什么要進行靈敏度補償？為什么要進行靈敏度補償？如何進行靈敏度補償？如何進行靈敏度補償？答：因為壓阻系數(shù)隨溫度變化引起靈敏度溫度漂移。答：因為壓阻系數(shù)隨溫度變化引起靈敏度溫度漂移。答：在電源回路中串聯(lián)二極管。答：在電源回路中串聯(lián)二極管。4.4.2 電容式壓力（差壓）變送

38、器電容式壓力（差壓）變送器微位移式變送器微位移式變送器壓力壓力測量膜片測量膜片微位移微位移電容變化電容變化測量電路測量電路標準信號標準信號(1) 結構形式結構形式（2）特點）特點精度可達精度可達0.075?？蓽y壓力、差壓、絕對壓力、帶開方器的可測壓力、差壓、絕對壓力、帶開方器的差壓（流量測量）以及高差壓、微差壓、高靜壓。差壓（流量測量）以及高差壓、微差壓、高靜壓。靈敏度高：利于微壓測量。靈敏度高：利于微壓測量。/相對變化量大相對變化量大:3050輸出信號大、抗干擾能力強。輸出信號大、抗干擾能力強。環(huán)境適應性強，工作穩(wěn)定性優(yōu)良。環(huán)境適應性強，工作穩(wěn)定性優(yōu)良?？惯^載能力強，過載消除后可恢復正常工作

39、。抗過載能力強，過載消除后可恢復正常工作。安裝方位有影響；安裝方位有影響；存在分布電容的影響；存在分布電容的影響；測量膜片工作特性存在非線性。測量膜片工作特性存在非線性。制造難度大：制造難度大：(微位移：微位移：0.1mm)，加工精度要求高。，加工精度要求高。開環(huán)誤差按開環(huán)誤差按1:1傳遞。膜片微小蠕變、測量電路誤差影響整傳遞。膜片微小蠕變、測量電路誤差影響整機性能。機性能。優(yōu)點：優(yōu)點：缺點：缺點：（3）工作原理）工作原理 檢測元件檢測元件22022brbRddRR22000000002200002222ln2ln222bbbrrrrbrddrdrrRCRRdRrrRdddRR 檢測元件工作原

40、理檢測元件工作原理膜片半徑膜片半徑任意半徑任意半徑求出求出C0和和CA就可求出就可求出CL和和CH了了激勵電壓的角頻率輸出電流與壓差呈線性關系輸出電流與壓差呈線性關系振蕩器激勵電壓振蕩器激勵電壓補充：補充：干式陶瓷電容壓力傳感器（變送器）干式陶瓷電容壓力傳感器（變送器）傳感器基底和膜片都采用陶瓷，基底和膜片電極構成電容，傳感器基底和膜片都采用陶瓷，基底和膜片電極構成電容，中間中間無傳遞液無傳遞液，壓力直接作用在陶瓷膜片上，使膜片產(chǎn)生，壓力直接作用在陶瓷膜片上，使膜片產(chǎn)生0.03mm的位移的位移,電容的變化值經(jīng)激光微調(diào)電容的變化值經(jīng)激光微調(diào),傳感器專用信號調(diào)傳感器專用信號調(diào)理電路理電路ASIC放

41、大放大 。電極材料：采用鈀銀電極漿料（電極材料：采用鈀銀電極漿料（Pd-Ag 電極）。電極）。優(yōu)點：優(yōu)點：零力學滯后、高彈性、無污染，抗腐蝕性好、蠕變和零力學滯后、高彈性、無污染，抗腐蝕性好、蠕變和遲滯小、溫漂小、過載能力強，抗磨損、蠕變??；兼有較高遲滯小、溫漂小、過載能力強，抗磨損、蠕變??；兼有較高的熱導率和電絕緣強度；安裝位置無影響；可測量低微壓力。的熱導率和電絕緣強度；安裝位置無影響；可測量低微壓力。缺點：缺點：差壓傳感器制作困難。差壓傳感器制作困難。硅電容壓力傳感器（變送器）硅電容壓力傳感器（變送器）對稱的差動電容被刻蝕到單晶硅片上，壓力使硅片彎曲，對稱的差動電容被刻蝕到單晶硅片上，壓

42、力使硅片彎曲，電容器兩極間的距離發(fā)生了改變，傳感器的電容值相應的電容器兩極間的距離發(fā)生了改變，傳感器的電容值相應的也變了。這種傳感器也變了。這種傳感器兼有電容式和硅傳感器的優(yōu)點兼有電容式和硅傳感器的優(yōu)點，國內(nèi)，國內(nèi)外都是研究熱點，并有相關產(chǎn)品，如外都是研究熱點，并有相關產(chǎn)品，如富士、沈陽傳感器研富士、沈陽傳感器研究所究所等都在研究生產(chǎn)，具有很大發(fā)展前景。等都在研究生產(chǎn)，具有很大發(fā)展前景。微機械加工技術微機械加工技術 :MEMS4.4.3 電感式壓力（差壓）變送器電感式壓力（差壓）變送器（1）工作原理）工作原理組成：組成：1線圈，線圈，2鐵芯，鐵芯，3銜鐵銜鐵空氣隙空氣隙的磁阻的磁阻導磁體導磁體

43、的磁阻的磁阻202ANL自感式傳感器實質(zhì)上是一個帶氣隙的鐵心線圈。自感式傳感器實質(zhì)上是一個帶氣隙的鐵心線圈。目前常用的自感式傳感器有變氣隙式和變面積式兩種。目前常用的自感式傳感器有變氣隙式和變面積式兩種。 非線性項非線性項非線性項非線性項（2）結構）結構4.4.4 振弦式壓力（差壓）變送器振弦式壓力（差壓）變送器以拉緊的金屬弦作為敏感元件。當弦的長度確定以拉緊的金屬弦作為敏感元件。當弦的長度確定之后，其固有振動頻率的變化量即可表征弦所受拉之后，其固有振動頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小力的大小,通過相應的測量電路通過相應的測量電路,就可得到與拉力成一就可得到與拉力成一定關系的電信號（頻率信

44、號）。定關系的電信號（頻率信號）。 4.4.4 振弦式壓力（差壓）變送器振弦式壓力（差壓）變送器弦振動的激勵方式：連續(xù)激勵法和間歇激勵法弦振動的激勵方式：連續(xù)激勵法和間歇激勵法012Tfl因為因為 中，頻率與張力是非線性關系，所以中，頻率與張力是非線性關系，所以需加裝線性化變換電路。需加裝線性化變換電路。0TfUI三個方面三個方面選用時應根據(jù)生產(chǎn)工藝對壓力檢測的要求、選用時應根據(jù)生產(chǎn)工藝對壓力檢測的要求、被測介質(zhì)的特性、現(xiàn)場使用的環(huán)境等條件本著被測介質(zhì)的特性、現(xiàn)場使用的環(huán)境等條件本著節(jié)約的原則合理地考慮儀表的節(jié)約的原則合理地考慮儀表的量程量程、精度精度、類類型（材質(zhì)）型（材質(zhì)）等。等。 量程量

45、程 儀表的量程是指該儀表可按規(guī)定的精確度對被測量進行測量的范圍儀表的量程是指該儀表可按規(guī)定的精確度對被測量進行測量的范圍關鍵：根據(jù)被測參數(shù)的大小來確定，同時必須考慮到被測對象可能關鍵：根據(jù)被測參數(shù)的大小來確定，同時必須考慮到被測對象可能發(fā)生的異常超壓情況，對儀表的量程選擇必須留有足夠的余地。發(fā)生的異常超壓情況，對儀表的量程選擇必須留有足夠的余地。 測量穩(wěn)定壓力：最大工作壓力測量穩(wěn)定壓力：最大工作壓力P Pimaximax不超過上限值不超過上限值P Pmaxmax的的3/43/4 測量脈動壓力：最大工作壓力測量脈動壓力：最大工作壓力P Pimaximax不超過上限值不超過上限值P Pmaxmax

46、的的2/32/3 測量高壓壓力：最大工作壓力測量高壓壓力：最大工作壓力P Pimaximax不超過上限值不超過上限值P Pmaxmax的的3/53/5 最小工作壓力最小工作壓力P Piminimin不低于上限值不低于上限值P Pmaxmax的的1/31/3 儀表的量程等級：儀表的量程等級：1 1、1.61.6、2.52.5、4.04.0、6.0kPa6.0kPa以及它們以及它們1010n n倍。倍。 在選用儀表量程時，應采用相應規(guī)程或者標準中的數(shù)值。在選用儀表量程時，應采用相應規(guī)程或者標準中的數(shù)值。 被測參數(shù)的正常值一般要求工作被測參數(shù)的正常值一般要求工作在儀表量程在儀表量程1/32/3為宜。

47、（經(jīng)驗為宜。（經(jīng)驗要求而已）要求而已）4.5 壓力表的選擇、校驗和安裝壓力表的選擇、校驗和安裝4.5.1 壓力表的選擇壓力表的選擇儀表精度儀表精度 根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求儀表的基本儀表的基本誤差應小于誤差應小于實際被測壓力允許的最大絕對誤差。實際被測壓力允許的最大絕對誤差。在選擇時應堅持節(jié)約的原則，只要測量精度能滿足生在選擇時應堅持節(jié)約的原則，只要測量精度能滿足生產(chǎn)的要求，就不必追求用過高精度的儀表。產(chǎn)的要求，就不必追求用過高精度的儀表。 例：有一壓力容器在正常工作時壓力范圍為例：有一壓力容器在正常工作時壓力范圍為0.40.40.6MPa0.6

48、MPa，要求使用，要求使用彈簧管壓力表進行檢測，并使測量誤差不大于被測壓力的彈簧管壓力表進行檢測，并使測量誤差不大于被測壓力的4 4，試確定該表的量程和精度等級。試確定該表的量程和精度等級。 根據(jù)工作壓力的要求：根據(jù)工作壓力的要求： 30.60.84AMPa10.41.23AMPa根據(jù)儀表的量程系列，可選用量程范圍為根據(jù)儀表的量程系列，可選用量程范圍為0 01.0MPa1.0MPa的彈簧管壓力表。的彈簧管壓力表。 由題意，被測壓力的允許最大絕對誤差為：由題意，被測壓力的允許最大絕對誤差為：max=max=0.40.4* *4%=4%=0.016 MPa0.016 MPa這就要求所選儀表的相對百

49、分誤差為：這就要求所選儀表的相對百分誤差為： 0.016/ 0.016/（1-01-0）* *100%=1.6%100%=1.6%按照儀表的精度等級，可選擇按照儀表的精度等級，可選擇1.51.5級的壓力表。級的壓力表。 儀表類型儀表類型儀表類型儀表類型對爆炸性較強的環(huán)境，在使用電氣壓力儀表時，應選擇防對爆炸性較強的環(huán)境，在使用電氣壓力儀表時，應選擇防爆型壓力儀表；對于溫度特別高或特別低、環(huán)境溫度變化爆型壓力儀表；對于溫度特別高或特別低、環(huán)境溫度變化大的場合，應選擇使用溫度適當、溫度系數(shù)小小的敏感元大的場合，應選擇使用溫度適當、溫度系數(shù)小小的敏感元件以及其他變換元件。件以及其他變換元件。 上述選

50、型原則也適用于差壓、流量、液位等其它檢測儀上述選型原則也適用于差壓、流量、液位等其它檢測儀表的選型表的選型MPapp562282max1例例3 3 某臺往復式壓縮機的出口壓力范圍為某臺往復式壓縮機的出口壓力范圍為25252828MPa，測量誤差不得大于，測量誤差不得大于1 1MPa。工藝上。工藝上要求就地觀察，并能高低限報警，試正確選用一要求就地觀察，并能高低限報警，試正確選用一臺壓力表，指出型號、精度與測量范圍。臺壓力表，指出型號、精度與測量范圍。 解解由于往復式壓縮機的出口壓力脈動較大，所以選擇儀表的上限值為 根據(jù)就地觀察及能進行高低限報警的要求，由本章附錄一，可查得選用YX-150型電接

51、點壓力表，測量范圍為060MPa。 316025 由于 ，故被測壓力的最小值不低于滿量程的 1/3，這是允許的。另外，根據(jù)測量誤差的要求，可算得允許誤差為 所以，精度等級為1.5級的儀表完全可以滿足誤差要求。至此，可以確定，選擇的壓力表為YX-150型電接點壓力表，測量范圍為060MPa，精度等級為1.5級。%67. 1%1006014.5.2 壓力表的校驗壓力表的校驗（1）取壓口的選擇原則：）取壓口的選擇原則： 取壓口要選在被測介質(zhì)直線流動的管段部分，不要選取壓口要選在被測介質(zhì)直線流動的管段部分，不要選在管道彎曲、分叉及流束形成渦流的地方。在管道彎曲、分叉及流束形成渦流的地方。 當管道中有突

52、出物（如溫度計套管）時，取壓口應在當管道中有突出物（如溫度計套管）時，取壓口應在突出物的突出物的上游上游方向一側(cè)。方向一側(cè)。 取壓口處在管道閥門、擋板之前或之后時，其與閥門、取壓口處在管道閥門、擋板之前或之后時，其與閥門、擋板的距離應大于擋板的距離應大于2D及及3D（D為管道內(nèi)徑）。為管道內(nèi)徑）。 流體為流體為液體介質(zhì)液體介質(zhì)時，取壓口應開在管道橫截面的下側(cè)時，取壓口應開在管道橫截面的下側(cè)部分，以防止介質(zhì)中氣泡進入壓力信號導管，引起測量部分，以防止介質(zhì)中氣泡進入壓力信號導管，引起測量延遲，但也不宜開口在最低部，以防沉渣堵塞取壓口。延遲，但也不宜開口在最低部，以防沉渣堵塞取壓口。 如果是如果是氣

53、體介質(zhì)氣體介質(zhì)，取壓口應開在管道橫截面上側(cè)，以，取壓口應開在管道橫截面上側(cè)，以免氣體中析出液體進入壓力信號導管，產(chǎn)生測量誤差，免氣體中析出液體進入壓力信號導管，產(chǎn)生測量誤差，但對但對水蒸氣水蒸氣壓力測量時，由于壓力信號導管中總是充滿壓力測量時，由于壓力信號導管中總是充滿凝結水，所以應按液體壓力測量辦法處理。凝結水，所以應按液體壓力測量辦法處理。4.5.3 壓力表的安裝壓力表的安裝（）壓力信號導管安裝（）壓力信號導管安裝 為了減小管道阻力而引起的測量遲延，導管總長一般為了減小管道阻力而引起的測量遲延，導管總長一般不應超過不應超過60 m，內(nèi)徑一般在，內(nèi)徑一般在610 mm。 應防止壓力信號導管內(nèi)積水（當被測介質(zhì)為氣體時）應防止壓力信號導管內(nèi)積水（當被測介質(zhì)為氣體時）或積氣（被