压力计量测试技术

材料的泊松比 金属：０.2~０.4 半导体：0.35
受拉伸时，ｌ增大的同时ｄ 减小，两者关系为
d d l l
（1）金属电阻丝应变片式传感器
定义应变ε 拉伸应力 σ引起
Ｋ：导线每单位应变引起的电阻值
的相对变化量。 Ｋ越大越好！！！
材料应变 灵敏系数
（1）金属电阻丝应变片式传感器
原理：利用液柱所产生的压力与被测压力平衡 封液： 水、酒精、水银
液柱式压力计的误差来源
（1）环境温度变化的影响
体积膨胀 系数
封液影响
标尺长度影响 （2）重力加速度变化的影响 封液标准高度
h20 ht (1 (t 20))
精密测量时考虑 海拔纬度
g N [1 0.00265 cos( 2 )] g H (1 2 ) R h g hN 海拔高度 gN
线胀系数α定义——温度每升高1℃，某方向上的长 度增量ΔL与室温下（严格些应是 0℃时）同方向上的 长度L0之比，即
L / t L0
（1）金属电阻丝应变片式传感器
温度补偿方法
差动结构（2个应变片）——电桥（相邻桥臂）
——实现：温度补偿，输出电压灵敏度↑1倍。 电桥结构（4个应变片）——电桥（4个桥臂） ——温度补偿，电压灵敏度↑2倍。
l R S
（1）金属电阻丝应变片式传感器
l R S
l
在均匀拉伸应力σ的作用下,导线电阻的相对变化量为
l dR dl 2 dS d S S S l R ， 令 d S

R l S R l S
（1）金属电阻丝应变片式传感器
对于圆导线，Ｓ＝πｄ２／４，故近似有
(7)动压： 随时间做快速变化的压力。通常是指 流体单位体积所具有的动能大小—— 1/2ρν2 ρ——流体密度；v——流体运动速度。 又称——动压头。
压力——流量 关系
压力测量修正，流量计量的准确度的保证。 差压式流量计就是利用测量节流件两端的压力 差来实现流量计量的．
流体的压力是流量计量中一个极为重要的参数，
纸或胶质： 0.02-0.04mm
（1）金属电阻丝应变片式传感器 温度影响
金属材料的电阻具有一定的温度系数； 弹性元件（基底）与金属应变电阻两者的线膨胀系 数不等；
注：如果固体（非晶体或多晶体）在温度升高时形状不变，说明固体在各方 向上膨胀规律相同。因此可以用一个方向上的线膨胀规律来表现它的体膨胀。
弹性式压力计的误差来源
迟滞误差：相同压力下，同一弹性元件正反行程的 变形不一样； 弹性后效误差：弹性元件变形落后于被测压力变化； 间隙误差：仪表的各种活动部件之间有间隙，示值 与弹性元件的变形不完全对应； 摩擦误差：仪表活动部件运动时，相互间有摩擦力； 温度误差：环境温度改变会引起金属材料弹性模量 变化
压力计量 测试技术
一、概 述
一、概 述
质量和安全的保证
压力
温度
过程 流量 密度 参数
成分 物位
压力的概念
垂直并且均匀作用在单位面积上的力 称为“压强”
F P S
工程技术上一般称其为“压力” 。
国际单位 : Pa.
(1623-1662)
(1623-1662)
帕斯卡（Pascal，Blaise），法国数学家、 物理学家、近代概率论的奠基者。他建立的 直觉主义原则对于后来一些哲学家，如卢梭 和伯格森等都有影响 物理学 :“帕斯卡定律” ——“加在密闭流体 任一部分的压强，必然按照其原来的大小由 流体向各个方向传递。” （液压机械的理论 基础 ） 哲学：《思想录》—— “人只不过是一根芦 苇， 是自然界最脆弱的东西，但他是一根有 思想的芦苇。” 计算机领域：“机械式加法机” ——世界上 第一台机械式数字计算机 ，PASCAL语言 。
实际生活和生产中有不同的压力概念 (1)大气压力：大气压力是地球表面上空气柱的 重量所产生的压力。 符号：PB表示 影响因素：气象情况、海拔高度和地理纬度 单位：hPa 测量仪表：气压表
托里拆利 1608～1647
托里拆利（1608～1647）：意大利物理学家
、数学家 ， 托里拆利试验: 1643,与维维尼亚完成了著名
（3）毛细现象造成的影响 酒精：D>=3mm；水银：D>=8mm （4）安装、读数、刻度等方面的误差
三、弹性式压力计
三、弹性式压力计 弹簧管压力计
单圈弹簧管压力计
结构：弹簧管、齿轮传动机构、指针、刻度盘
弹性式压力计
特点：
精度等级：普通型：１～４ 级；精密：0.1～0.5 级。 测量范围：真空～109Ｐａ
压力测量系统的分类
静重式 弹性式 远传式
静 重 式
液柱式压力计 活塞式压力计
U型管 单管 斜管 钟罩 环天平
测压力 测真空 单活塞 双活塞 圆柱形活塞 球形活塞
弹性式
弹簧管式 膜片式 膜盒式 波纹管式
远传式
电阻式 电感式 电容式 振弦式
二、静 重 式压力计
液柱式压力计
1 原理
2 误差来源
液柱式压力计的原理
Байду номын сангаас
金属材料
影响很小
R / R

(1 2 ) K
半导体材料
影响很小
半导体材料
d E
应力
某晶向的 压阻系数
半导体材料 的弹性模量
(40 80) 10 ( N / m )
11 2
应变
E 1.6710 (m / N )
2
11
d

K (50 ~ 100 )
（拉伸） —〉R2 , R3 t
r (压缩) —〉R1, R4
（1）金属电阻丝应变片式传感器
石基底），温度达800℃。
（1）金属电阻丝应变片式传感器
单根导线的电阻 Ｒ：金属材料的电阻率ρ、长度ｌ和 截面积Ｓ，其关系：
l R S
乔治· 西蒙· 欧姆 (1789-1854)
乔治· 西蒙· 欧姆(1789-1854) 德国物理学家。 欧姆是一个很有天才和科学抱负的人，他长期担任 中学教师，由于缺少资料和仪器，给他的研究工作 带来不少困难，但他在孤独与困难的环境中始终坚 持不懈地进行科学研究，自己动手制作仪器。 1827年：《电路的数学研究》一书中，将其实验规 律总结成如下公式： Ｓ＝γE。式中S表示电流；E表示电动力，即导线 两端的电势差，γ为导线对电流的传导率，其倒数 即为电阻。 欧姆在自己的许多著作里还证明了：电阻与导体的 长度成正比，与导体的横截面积和传导性成反比； 在稳定电流的情况下，电荷不仅在导体的表面上， 而且在导体的整个截面上运动。
PH＝PB－PA
又称：疏空压力，负压力、真空度。
(5)差压（压差）：两个相关压力 之差。
符号——ΔP
注意：基准点任意且相同
不同压力间的关系
代表规定基准点 代表任意基准点
表压力PG
压力差ΔP
绝对压力PA
真空度PH
大气压PB
绝对压力PA
完全真空0
压力的单位
1工程大 气压
(6)静压： 不随时间变化或随时间变化缓慢的压力。 例如：对于管道流动由管壁处所测压力， 均为静压值。 压头（静水头）：过去常用液柱高度表示 静压。
粘贴位置
防止受被测介质污染、氧化、腐蚀，贴在弹性元件不 和被测介质接触的一面。
（1）金属电阻丝应变片式传感器
应变片分布设计？ 方法：分析膜片上的应变分布状况！
受拉
膜片
受压
（1）金属电阻丝应变片式传感器 膜片上的应变分布分析
弹性变形
膜片上任意 一点的应变
h
P
径向应变 切向应变
（1）金属电阻丝应变片式传感器 膜片上的应变分布分析
Simeon-Denis Poisson (1781~1840)
d d l l
（1）金属电阻丝应变片式传感器
材料——康铜 （Ni 45%,Cu 55%）灵敏系数约为1.9~2.1 铁铬铝合金 （Fe70%，Cr2%，AL５％）灵敏系数约 为2.4~2.6 直径——0.05~0.15 ｍｍ
杨氏模量E 在弹性范围内大多数材料服从虎克定 律，即变形与受力成正比。纵向应力与纵 向应变的比例常数就是材料的弹性模量E， 也叫杨氏模量。
托马斯· 杨（Thomax Young,1773—1829年）英国医生兼物 （Thomax Young,1773—1829年） 理学家，光的波动说的奠基人之一 。科学成就： 1．著名的杨氏干涉实验，为光的波动说奠定了基础。 2．对人眼感知颜色的研究，建立三原色原理 (从生理角 度说明了人眼的色盲现象 。指出一切色彩都可以从红、 绿、蓝这三种原色的不同比例的混和而得到。) 3．在考古学方面的贡献 ：用了几年时间破译了古埃及 石碑碑上的文字 精通绘画、音乐，几乎掌握当时的全部乐器；他一 生研究过力学、数学、光学、声学、生理光学、语言学、 动物学、埃及学等，可以说是一位百科全书式的学者。
工作范围：1/3~1/2量程；（波动小，2/3量程）
注意：防尘、防爆、防腐等问题，并要定期校验。
膜式压力计
膜片式——测量腐蚀性介质、非凝固、非结晶介质
膜盒式——测量气体的微压和负压 特点 精度：2.5 级
测量范围：
膜片式：真空或0--6x106Pa
膜盒式：0--±4x104Pa
波纹管式压力计
特点：常与刚度大于其几倍的 弹簧使用,其性能主要是由弹簧 决定，常在受压下使用（受压 与受拉相比线性输出更大）。 用途：测量流量和液位。
(2)表压力：如果测压仪表所指示的压力是以大 气压力为零起算的压力，则称其为表压力。 符号——PG 领域：工程中
(3)绝对压力：是指不附带任何条件的全压 力，它等于大气压力和表压力之和。
PA＝PB十PG
如：液体、气体和蒸汽所处空间的全部压 力。
(4)真空压力：当绝对压力小于大气压力
时，大气压力与绝对压力之差
x=0
εr max εt max
3p 2 2 2 ( 1 μ )r 8h E
（1）金属电阻丝应变片式传感器 膜片上的应变分布分析
t
r
当 当
x r/ 3 xr/ 3
r 0 r 0
当 xr
3p 2 2 r 2 (1 )r 4h E
t 0
（1）金属电阻丝应变片式传感器 应变片粘帖位置
振弦式
1、电阻应变式压力变送器
压力
硅片上扩 散生成
金属电阻丝 半导体电阻 弹性元件
电阻R↑↓
应变
P f ( R)
压力变送器
压力传感器
（1）箔式应变片 光学蚀刻法
0.003~0.01ｍｍ
箔式应变片
（1）箔式应变片
真空蒸镀 沉积 溅射
0.1~N*100 nm
薄膜式应变片
薄模式特点：耐高温，如用铂、铬应变片（蓝宝
传感器
电容式 70年代
电容式 80年代 电容式 90年代 扩散硅（压阻式）80年代 扩散硅（压阻式）90年代 谐振式 90年代,21世紀
电路
A D D A D D
通信
A D D A D D
A A A
A A
D
A（模拟）方式、
D（数字）方式
21 世紀是数字化的时代
四、电远传式压力计
根据测量原理分类：
电阻 电容 电感
的发现大气压力的试验，后称托里拆利试验
。在实验中还发现了当 气压变化时，水银柱
托里拆利 1608～1647
的高度也随之变化，据此原理发明了水银压
力计.(我们是生活在大气组成的海底之下的 )
并由此掀起了有关实验和理论工作的热潮 ，使得欧洲物理学界的研究活动为之一新。 托里拆利特别强调处理力学问题时数学与实 验的重要性
E
泊松比 µ
横向应变与纵向应变之比值称为泊松比µ，也叫横 向变型系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。
法国数学家、力学家、物理学家。泊松一生从事数学研 究和教学，他的主要工作是将数学应用于力学和物理学 中。 1、1829年：在固体力学中，泊松以材料的横向变形系 数，即泊松比而知名。《弹性体平衡和运动研究报告》 一文。 2、1831年：《弹性固体和流体的平衡和运动一般方程 研究报告》一文中第一个完整地给出说明粘性流体的物 理性质的方程,即本构方程。 3、1837年《关于判断的概率之研究》一文中提出描述 随机现象的一种常用分布，在概率论中现称泊松分布 除泊松分布外，还有许多数学名词是以他名字命名 的，如泊松积分、泊松求和公式、泊松方程、泊松定理， 等等。
弹性式压力计的改善途径
采用“全弹性”和“恒弹性”材料：减小迟滞误差和 后效误差；如合金Ni42CrTi,Ni36CrTiA料、熔凝石英
采用新的转化技术，减小中间环节，如电阻应变技术、 差动变压器技术；
采用无干摩擦的弹性轴承或磁悬浮轴承；
改善制造工艺 。
四、电远传式压力计
远传式压力计的发展史