工藝參數(shù)壓力檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)課件

第5節(jié)壓力檢測(cè)技術(shù)5.1壓力的基本概念5.2常用壓力檢測(cè)儀表第5節(jié)壓力檢測(cè)技術(shù)5.1壓力的基本概念15.1壓力的基本概念

壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的工藝參數(shù)之一，正確地測(cè)量和控制壓力是保證工業(yè)生產(chǎn)過程良好地運(yùn)行，達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低耗及安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。1.壓力的定義

壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力，即物理學(xué)中常稱的壓強(qiáng)。工程上，習(xí)慣把壓強(qiáng)稱為壓力。

(5-1)

式中p—壓力；F—垂直作用力；S—受力面積。5.1壓力的基本概念22.壓力的表示方法由于參照點(diǎn)不同，在工程上壓力有幾種不同表示方法。(1)絕對(duì)壓力被測(cè)介質(zhì)作用于物體表面上的全部壓力稱為絕對(duì)壓力，用符號(hào)pi表示。(2)大氣壓力

由地球表面空氣質(zhì)量所形成的壓力，稱為大氣壓力。它隨地理緯度、海拔高度及氣象條件而變化，用符號(hào)p0表示。2.壓力的表示方法3(3)表壓力絕對(duì)壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐罘Q為表壓力，用符號(hào)表示， 。(4)真空度(負(fù)壓)當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，表壓力為負(fù)值(負(fù)壓力)，其絕對(duì)值稱為真空度，用符號(hào) 表示，。(5)差壓(壓差)任意兩個(gè)壓力p1、p2之差稱為差壓， 。(3)表壓力絕對(duì)壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐罘Q為表壓力，用符號(hào)4各種壓力之間的關(guān)系各種壓力之間的關(guān)系54.壓力檢測(cè)的基本方法根據(jù)不同工作原理，壓力檢測(cè)方法可分為如下幾種：

(1)重力平衡方法 這種方法利用一定高度的工作液體產(chǎn)生的重力或砝碼的重量與被測(cè)壓力相平衡的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度或平衡砝碼的重量來測(cè)量。例如液柱式壓力計(jì)和活塞式壓力計(jì)。

(2)彈性力平衡方法

利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性變形而產(chǎn)生的彈性力與被測(cè)壓力相平衡的原理，將壓力轉(zhuǎn)換成位移，通過測(cè)量彈性元件位移變形的大小測(cè)出被測(cè)壓力。此類壓力計(jì)有多種類型，可以測(cè)量壓力、負(fù)壓、絕對(duì)壓力和壓差，應(yīng)用最為廣泛。4.壓力檢測(cè)的基本方法6(3)機(jī)械力平衡方法 這種方法是將被測(cè)壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)集中力，用外力與之平衡，通過測(cè)量平衡時(shí)的外力測(cè)知被測(cè)壓力。力平衡式儀表可以達(dá)到較高精度，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。(4)物性測(cè)量方法 利用敏感元件在壓力的作用下，其某些物理特性發(fā)生與壓力成確定關(guān)系變化的原理，將被測(cè)壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來測(cè)量。如應(yīng)變式、壓電式、電容式壓力傳感器等等。(3)機(jī)械力平衡方法73.2常用壓力檢測(cè)儀表

1.液柱式壓力計(jì) 應(yīng)用液柱測(cè)量壓力的方法是以流體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。一般是采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管、單管或斜管進(jìn)行壓力測(cè)量的，其結(jié)構(gòu)形式如圖3-2所示。圖3-2液柱式壓力計(jì)3.2常用壓力檢測(cè)儀表圖3-2液柱式壓力計(jì)8(1)U形管壓力計(jì)

圖3-2(a)所示的U形管是用來測(cè)量壓力和壓差的儀表。在U形管兩端接入不同壓力和時(shí)，根據(jù)流體靜力平衡原理可知，U形管兩邊管內(nèi)液柱差h與被測(cè)壓力和的關(guān)系為:(3-2)式中A—U形管內(nèi)孔截面積；—U形管內(nèi)工作液的密度；g—重力加速度。

(1)U形管壓力計(jì)9由上式可求得兩壓力的差值或在己知一個(gè)壓力的情況下（例如壓力），求出另一壓力值: (3-3)

可見U形管內(nèi)的液柱差h與被測(cè)差壓或壓力成正比，因此被測(cè)壓差或壓力可以用工作液高度h的大小來表示。由上式可求得兩壓力的差值或在己知一10(2)單管壓力計(jì)

U形管壓力計(jì)的讀數(shù)誤差較大。為了減小讀數(shù)誤差，可以采用單管壓力計(jì)。 單管壓力計(jì)如圖3-2(b)所示，它相當(dāng)于將U形管的一端換成一個(gè)大直徑的容器，測(cè)壓原理與U形管相同。當(dāng)大容器一側(cè)通入被測(cè)壓力，管一側(cè)通入大氣壓時(shí)，滿足下列關(guān)系:

(3-4) 式中h—兩液面的高度差；d—玻璃管直徑；D—大容器直徑。(2)單管壓力計(jì)11由于D>>d，故d2/D2可以忽略不計(jì)，則式(3-4)可寫成:(3-5)管內(nèi)工作液面上升的高度h即可表示被測(cè)壓力的大小。由于D>>d，故d2/D2可以忽略12(3)斜管壓力計(jì) 用U形管或單管壓力計(jì)來測(cè)量微小的壓力時(shí)，因?yàn)橐褐叨茸兓苄?，讀數(shù)困難，為了提高靈敏度，減小誤差，可將單管壓力計(jì)的玻璃管制成斜管，如圖3-2(c)所示。大容器通入被測(cè)壓力p1，斜管通大氣壓力p2，則p1與液柱之間的關(guān)系仍然與式(3-5)相同:(3-6)

式中L—斜管內(nèi)液柱的長(zhǎng)度；—斜管傾斜角。由于L>h，所以斜管壓力計(jì)比單管壓力計(jì)更靈敏，可以提高測(cè)量精度。(3)斜管壓力計(jì)132.彈性壓力計(jì)

當(dāng)被測(cè)壓力作用于彈性元件時(shí)，彈性元件便產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形(即機(jī)械位移)。根據(jù)變形量的大小，可以測(cè)得被測(cè)壓力的數(shù)值。彈性壓力計(jì)的組成環(huán)節(jié)如圖3-3所示:

彈性元件是核心部分，其作用是感受壓力并產(chǎn)生彈性變形，彈性元件采用何種形式要根據(jù)測(cè)量要求選擇和設(shè)計(jì)；在彈性元件與指示機(jī)構(gòu)之間是變換放大機(jī)構(gòu)，其作用是將彈性元件的變形進(jìn)行變換和放大；

指示機(jī)構(gòu)(如指針與刻度標(biāo)尺)用于給出壓力示值；調(diào)整機(jī)構(gòu)用于調(diào)整零點(diǎn)和量程。2.彈性壓力計(jì)14圖3-3彈性壓力計(jì)組成框圖圖3-3彈性壓力計(jì)組成框圖15(1)彈性元件

同樣的壓力下，不同結(jié)構(gòu)、不同材料的彈性元件會(huì)產(chǎn)生不同的彈性變形。常用的彈性元件有彈簧管、波紋管、薄膜等，如表3-2所示。其中波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測(cè)量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓或真空度的測(cè)量。(1)彈性元件16

表3-2彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性類別名稱示意圖壓力測(cè)量范圍kPa輸出特性動(dòng)態(tài)性質(zhì)最小最大時(shí)間常數(shù)/s自振頻率/Hz薄膜式平薄膜0～100～10510-5～10-210～104波紋膜0～10-30～10310-2～10-110～102撓性膜0～10-50～10210-2～11～102 表3-2彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性類別17波紋管式波紋管0～10-30～10310-2～10-110～102彈簧管式單圈彈簧管0～10-10～106－102～103多圈彈簧管0～10-20～105－10～102波波0～10-30～10310-2～10-110～102彈單18

彈性元件常用的材料有銅合金、彈性合金、不銹鋼等，各適用于不同的測(cè)壓范圍和被測(cè)介質(zhì)。通過各種傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)直接指示被測(cè)壓力值。這類直讀式測(cè)壓儀表有彈簧管壓力計(jì)、波紋管差壓計(jì)、膜盒式壓力計(jì)等。

彈性元件常用的材料有銅合金、彈性合金19(2)彈簧管壓力計(jì) 彈簧管式壓力計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用很廣泛的一種直讀式測(cè)壓儀表，以單圈彈簧管結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多。其一般結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。 被測(cè)壓力由接口引入，使彈簧管自由端產(chǎn)生位移，通過拉桿使扇形齒輪逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)嚙合的中心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與中心齒輪同軸的指針將同時(shí)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并在面板的刻度標(biāo)尺上指示出被測(cè)壓力值。(2)彈簧管壓力計(jì)20圖3-4彈簧管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)1-彈簧管；2-連桿；3-扇形齒輪；4-底座；5-中心齒輪；6-游絲；7-表盤；8-指針；9-接頭；10-橫斷面；11-靈敏度調(diào)整槽圖3-4彈簧管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)21

通過調(diào)整螺釘可以改變拉桿與扇形齒輪的接合點(diǎn)位置，從而改變放大比，調(diào)整儀表的量程。轉(zhuǎn)動(dòng)軸上裝有游絲，用以消除兩個(gè)齒輪嚙合的間隙，減小儀表的變差。直接改變指針套在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的角度，就可以調(diào)整儀表的機(jī)械零點(diǎn)。彈簧管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便，價(jià)格低廉，測(cè)壓范圍寬，應(yīng)用十分廣泛。一般彈簧管壓力計(jì)的測(cè)壓范圍為-105～109Pa；精確度最高可達(dá)±0.1％。通過調(diào)整螺釘可以改變拉桿與扇形齒輪22(3)彈性壓力計(jì)信號(hào)遠(yuǎn)傳方式 彈性壓力計(jì)可以在現(xiàn)場(chǎng)指示，但是許多情況下要求將信號(hào)遠(yuǎn)傳至控制室。一般可以在已有的彈性壓力計(jì)結(jié)構(gòu)上增加轉(zhuǎn)換部件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送。

彈性壓力計(jì)信號(hào)多采用電遠(yuǎn)傳方式，即把彈性元件的變形或位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。

常見的轉(zhuǎn)換方式有電位計(jì)式、霍爾元件式、電感式、差動(dòng)變壓器式等，圖3-5給出兩種電遠(yuǎn)傳彈性壓力計(jì)結(jié)構(gòu)原理。(3)彈性壓力計(jì)信號(hào)遠(yuǎn)傳方式23(a)電位器式(b)霍爾元件式圖3-5彈性壓力計(jì)信號(hào)電遠(yuǎn)傳方式原理(a)電位器式24

圖3-5(a)為電位器式，在彈性元件的自由端處安裝滑線電位器，滑線電位器的滑動(dòng)觸點(diǎn)與自由端連接并隨之移動(dòng)，自由端的位移就轉(zhuǎn)換為電位器的電信號(hào)輸出。這種遠(yuǎn)傳方法比較簡(jiǎn)單，可以有很好的線性輸出，但是滑線電位器的結(jié)構(gòu)可靠性較差。

25圖3-5(b)為霍爾元件式，其轉(zhuǎn)換原理基于半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)。由半導(dǎo)體材料制成的片狀霍爾元件固定在彈性元件的自由端，并處于兩對(duì)磁場(chǎng)方向相反的磁極組件構(gòu)成的線性不均勻磁場(chǎng)的間隙中。霍爾元件被自由端帶動(dòng)在不均勻磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，將感受不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度。若在霍爾元件的兩端通以恒定電流，則在垂直于磁場(chǎng)和電流方向的另兩側(cè)將產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，此輸出電勢(shì)即對(duì)應(yīng)于自由端位移，從而給出被測(cè)壓力值。這種儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，壽命長(zhǎng)，但對(duì)外部磁場(chǎng)敏感，耐振性差。圖3-5(b)為霍爾元件式，其轉(zhuǎn)263.力平衡式壓力計(jì)圖3-6力平衡式壓力計(jì)的基本框圖

3.力平衡式壓力計(jì)圖3-6力平衡式壓力計(jì)的基本框圖27

力平衡式壓力計(jì)采用反饋力平衡的原理，反饋力的平衡方式可以是彈性力平衡或電磁力平衡等。力平衡式壓力計(jì)的基本構(gòu)成如圖3-6所示，被測(cè)壓力或壓差作用于彈性敏感元件上，彈性敏感元件感受壓力作用并將其轉(zhuǎn)換為位移或力，并作用于力平衡系統(tǒng)，力平衡系統(tǒng)受力后將偏離原有的平衡狀態(tài)；由偏差檢測(cè)器輸出偏差值至放大器；放大器將信號(hào)放大并輸出電流(或電壓)信號(hào)，電流信號(hào)控制反饋力或力矩發(fā)生機(jī)構(gòu)，使之產(chǎn)生反饋力；當(dāng)反饋力與作用力平衡時(shí)，儀表處于新的平衡狀態(tài)；顯示機(jī)構(gòu)可輸出與被測(cè)壓力或壓差相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。

力平衡式壓力計(jì)采用反饋力平衡的原理，反饋力的平衡28圖3-7彈性力平衡式壓力測(cè)量系統(tǒng)的原理圖3-7彈性力平衡式壓力測(cè)量系統(tǒng)的原理294.壓力傳感器

能夠測(cè)量壓力并提供遠(yuǎn)傳電信號(hào)的裝置統(tǒng)稱為壓力傳感器。

壓力傳感器是壓力檢測(cè)儀表的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)型式多種多樣，常見的型式有應(yīng)變式、壓阻式、電容式、壓電式、振頻式壓力傳感器等。此外還有光電式、光纖式、超聲式壓力傳感器等。采用壓力傳感器可以直接將被測(cè)壓力變換成各種形式的電信號(hào)，便于滿足自動(dòng)化系統(tǒng)集中檢測(cè)與控制的要求，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。4.壓力傳感器30

(1)

應(yīng)變式壓力傳感器

應(yīng)變式壓力傳感器是一種通過測(cè)量各種彈性元件的應(yīng)變來間接測(cè)量壓力的傳感器。根據(jù)制作材料的不同，應(yīng)變?cè)梢苑譃榻饘俸桶雽?dǎo)體兩大類。應(yīng)變?cè)墓ぷ髟砘趯?dǎo)體和半導(dǎo)體的“應(yīng)變效應(yīng)”，即當(dāng)導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化。電阻值的相對(duì)變化與應(yīng)變有以下關(guān)系：

(3-7)工藝參數(shù)壓力檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)課件31

應(yīng)變式壓力傳感器所用彈性元件可根據(jù)被測(cè)介質(zhì)和測(cè)量范圍的不同而采用各種型式，常見有圓膜片、彈性梁、應(yīng)變筒等。圖3-9給出幾種彈性元件和應(yīng)變式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)及電橋式測(cè)量電路示意圖。圖3-9應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器所用彈性元件可根據(jù)被測(cè)介質(zhì)和測(cè)量32(2)壓阻式壓力傳感器

固體受力后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。

壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體材料(單晶硅)的壓阻效應(yīng)原理制成的傳感器，就是利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成擴(kuò)散壓敏電阻，當(dāng)硅膜片受壓時(shí)，膜片的變形將使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。硅平膜片上的擴(kuò)散電阻通常構(gòu)成橋式測(cè)量電路，相對(duì)的橋臂電阻是對(duì)稱布置的，電阻變化時(shí)，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對(duì)應(yīng)關(guān)系。(2)壓阻式壓力傳感器

固體受力后電阻率發(fā)生33

圖3-10為一種壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，硅平膜片在圓形硅杯的底部，其兩邊有兩個(gè)壓力腔，分別輸入被測(cè)差壓或被測(cè)壓力與參考?jí)毫?。髙壓腔接被測(cè)壓力，低壓腔與大氣連通或接參考?jí)毫ΑD3-10壓阻式壓力傳感器

圖3-10為一種壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，硅平34壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn):(1)靈敏度高，頻率響應(yīng)高；(2)測(cè)量范圍寬，可測(cè)低至10Pa的微壓到高至60MPa的高壓；

(3)精度高，工作可靠，其精度可達(dá)±0.2％～0.02％；

(4)易于微小型化，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)出直徑φ1.8～2mm的壓阻式壓力傳感器。壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn):35(3)壓電式壓力傳感器

某些電介質(zhì)沿著某一個(gè)方向受力而發(fā)生機(jī)械變形(壓縮或伸長(zhǎng))時(shí)，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在其某些表面上會(huì)產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。常用的壓電材料有天然的壓電晶體(如石英晶體)和壓電陶瓷(如鈦酸鋇)兩大類，它們的壓電機(jī)理并不相同，壓電陶瓷是人造多晶體，壓電常數(shù)比石英晶體高，但機(jī)械性能和穩(wěn)定性不如石英晶體好。它們都具有較好特性，均是較理想的壓電材料。(3)壓電式壓力傳感器36

壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的。由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時(shí)產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系： (3-8) 式中Q為電荷量；k為壓電常數(shù)；S為作用面積；p為壓力。通過測(cè)量電荷量可知被測(cè)壓力大小。壓電式壓力傳感器是37 圖3-11為一種壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓電元件夾于兩個(gè)彈性膜片之間，壓電元件的一個(gè)側(cè)面與膜片接觸并接地，另一側(cè)面通過引線將電荷量引出。被測(cè)壓力均勻作用在膜片上，使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷。電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器放大，轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，輸出信號(hào)與被測(cè)壓力值相對(duì)應(yīng)。圖3-11壓電式壓力傳感器 圖3-11為一種壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓38壓電式壓力傳感器特點(diǎn):(1)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠；(2)測(cè)量范圍寬，可測(cè)100MPa以下的壓力；(3)測(cè)量精度較高；(4)頻率響應(yīng)高，可達(dá)30KHz，是動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)中常用的傳感器，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測(cè)量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。壓電式壓力傳感器特點(diǎn):39(4)電容式壓力傳感器 電容式壓力傳感器采用變電容測(cè)量原理，將由被測(cè)壓力引起的彈性元件的位移變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓?，用測(cè)量電容的方法測(cè)出電容量，便可知道被測(cè)壓力的大小。根據(jù)平行板電容器的電容量表達(dá)式

(3-9) 式中ε為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A為兩平行板相對(duì)面積；d為兩平行板間距。

(4)電容式壓力傳感器40由式(3-9)可知，改變A、d、其中任意一個(gè)參數(shù)都可以使電容量發(fā)生變化。在實(shí)際測(cè)量中，大多采用保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變A或d一個(gè)參數(shù)的方法，把參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。故有變極距式電容壓力傳感器和變面積式電容壓力傳感器。因此，電容量的變化與被測(cè)參數(shù)的大小成比例。由式(3-9)可知，改變A、d、其41①差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器

改變電容兩平行板間距d的測(cè)量方式有較高的靈敏度，但當(dāng)位移較大時(shí)非線性嚴(yán)重。采用差動(dòng)電容法可以改善非線性、提高靈敏度、并可減小因ε受溫度影響引起的不穩(wěn)定性。①差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器42圖3-12電容式差壓傳感器圖3-12電容式差壓傳感器43 對(duì)于差動(dòng)平板電容器，其電容變化與板間距離變化的關(guān)系可表示為： (3-10) 式中C0為初始電容值；d0為極板間初始距離；△d為距離變化量。 此電容量的變化經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，可以轉(zhuǎn)換成反映被測(cè)差壓的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。 這種傳感器結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，靈敏度高，過載能力大；精度高，其精確度可達(dá)±0.25％～±0.05％；可以測(cè)量壓力和差壓。 對(duì)于差動(dòng)平板電容器，其電容變化與板間距離變44②變面積式電容壓力傳感器 圖3-13所示為一種變面積式電容壓力傳感器。被測(cè)壓力作用在金屬膜片上，通過中心柱和支撐簧片，使可動(dòng)電極隨簧片中心位移而動(dòng)作?？蓜?dòng)電極與固定電極均是金屬同心多層圓筒，斷面呈梳齒形，其電容量由兩電極交錯(cuò)重疊部分的面積所決定。固定電極與外殼之間絕緣，可動(dòng)電極則與外殼導(dǎo)通。壓力引起的極間電容變化由中心柱引至適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，轉(zhuǎn)換成反映被測(cè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。②變面積式電容壓力傳感器45圖3-13變面積式電容壓力傳感器

圖3-13變面積式電容壓力傳感器46(5)諧振式壓力傳感器

諧振式壓力傳感器是靠被測(cè)壓力所形成的應(yīng)力改變彈性元件的諧振頻率，通過測(cè)量頻率信號(hào)的變化來檢測(cè)壓力。

這種傳感器特別適合與計(jì)算機(jī)配合使用，組成高精度的測(cè)量、控制系統(tǒng)。根據(jù)諧振原理可以制成振筒、振弦及振膜式等多種型式的壓力傳感器。(5)諧振式壓力傳感器47①振筒式壓力傳感器 振筒式壓力傳感器的感壓元件是一個(gè)薄壁金屬圓筒，圓柱筒本身具有一定的固有頻率，當(dāng)筒壁受壓張緊后，其剛度發(fā)生變化，固有頻率相應(yīng)改變。在一定的壓力作用下，變化后的振筒頻率可以近似表示為：

(3-11) 式中:為受壓后的振筒頻率；為固有頻率；為結(jié)構(gòu)系數(shù)；為被測(cè)壓力。①振筒式壓力傳感器48

圖3-14振筒式壓力傳感器 圖3-14振筒式壓力傳感器49傳感器由振筒組件和激振電路組成，如圖3-14所示。振筒用低溫度系數(shù)的恒彈性材料制成，一端封閉為自由端，開口端固定在基座上，壓力由內(nèi)側(cè)引入。絕緣支架上固定著激振線圈和檢測(cè)線圈，二者空間位置互相垂直，以減小電磁耦合。激振線圈使振筒按固有的頻率振動(dòng)，受壓前后的頻率變化可由檢測(cè)線圈檢出。此種儀表體積小，輸出頻率信號(hào)，重復(fù)性好，耐振；精確度高，其精確度為±0.1％和±0.01％；適用于氣體測(cè)量。傳感器由振筒組件和激振電路組成，50②振膜式壓力傳感器 振膜式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖3-15(a)所示。振膜為一個(gè)平膜片，且與環(huán)形殼體做成整體結(jié)構(gòu)，它和基座構(gòu)成密封的壓力測(cè)量室，被測(cè)壓力p

經(jīng)過導(dǎo)壓管進(jìn)入壓力測(cè)量室內(nèi)。參考?jí)毫κ铱梢酝ù髿庥糜跍y(cè)量表壓，也可以抽成真空測(cè)量絕壓。裝于基座頂部的電磁線圈作為激振源給膜片提供激振力，當(dāng)激振頻率與膜片固有頻率一致時(shí)，膜片產(chǎn)生諧振。沒有壓力時(shí)，膜片是平的，其諧振頻率為f0；當(dāng)有壓力作用時(shí)，膜片受力變形，其張緊力增加，則相應(yīng)的諧振頻率也隨之增加，頻率隨壓力變化且為單值函數(shù)關(guān)系。②振膜式壓力傳感器51圖3-15振膜式壓力傳感器圖3-15振膜式壓力傳感器52

在膜片上粘貼有應(yīng)變片，它可以輸出一個(gè)與諧振頻率相同的信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)放大器放大后，再反饋給激振線圈以維持膜片的連續(xù)振動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)正反饋?zhàn)约ふ袷幭到y(tǒng)。如圖3-15(b)所示。在膜片上粘貼有應(yīng)變片，它可以輸出一個(gè)533.1.3壓力檢測(cè)儀表的使用與校準(zhǔn)1.壓力儀表的選擇與安裝

壓力儀表的選擇應(yīng)本著經(jīng)濟(jì)合理的原則綜合考慮儀表類型、測(cè)量范圍和精度等方面。 儀表的類型應(yīng)根據(jù)被測(cè)介質(zhì)情況、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及生產(chǎn)過程對(duì)儀表的要求 儀表的量程要根據(jù)被測(cè)壓力的大小及其在測(cè)量過程中變化的情況來選取。 儀表的精度應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)的要求在規(guī)定的精度等級(jí)中選擇確定。所選精度等級(jí)應(yīng)小于或至少等于工藝要求的儀表允許最大引用誤差。3.1.3壓力檢測(cè)儀表的使用與校準(zhǔn)54

壓力測(cè)量系統(tǒng)(包括測(cè)取壓力的取壓口、傳遞壓力的引壓管路和測(cè)量?jī)x表)安裝的正確與否直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。應(yīng)根據(jù)具體被測(cè)介質(zhì)、管路和環(huán)境條件，選取適當(dāng)?shù)娜嚎谖恢谩⒄_安裝引壓管路和測(cè)量?jī)x表。 一些常用壓力儀表的性能和用途見表3-3。

壓力測(cè)量系統(tǒng)(包括測(cè)取壓力的取壓口、傳遞壓力的引55儀表型式常用測(cè)量范圍（Pa）精度等級(jí)用途與特點(diǎn)液柱式壓力計(jì)U形管壓力計(jì)0～105或壓差、負(fù)壓高基準(zhǔn)器、標(biāo)準(zhǔn)器、工程測(cè)量?jī)x表單管壓力計(jì)0～105或壓差、負(fù)壓高基準(zhǔn)器、標(biāo)準(zhǔn)器、工程測(cè)量?jī)x表斜管壓力計(jì)0～2×103或壓差、負(fù)壓高基準(zhǔn)器、標(biāo)準(zhǔn)器、工程測(cè)量?jī)x表彈性壓力計(jì)彈簧管壓力計(jì)0～109較高工程測(cè)量?jī)x表、精密測(cè)量?jī)x表膜片式壓力計(jì)0～2×106或壓差、負(fù)壓一般工程測(cè)量?jī)x表、精密測(cè)量?jī)x表膜盒式壓力計(jì)0～4×104或壓差、負(fù)壓一般工程測(cè)量?jī)x表、精密測(cè)量?jī)x表波紋管壓力計(jì)0～4×106或壓差、負(fù)壓一般工程測(cè)量?jī)x表、精密測(cè)量?jī)x表儀表型式常用測(cè)量范圍（Pa）精度等級(jí)用途與特點(diǎn)液柱式壓力計(jì)056活塞式壓力計(jì)0～2.5×108或負(fù)壓很高基準(zhǔn)器、標(biāo)準(zhǔn)器電位計(jì)式壓力傳感器0～6×107一般工程測(cè)量?jī)x表電容式壓力傳感器0～107或壓差較高工程測(cè)量?jī)x表電感式壓力傳感器0～6×107較高工程測(cè)量?jī)x表霍爾式壓力傳感器0～6×107一般工程測(cè)量?jī)x表振頻式壓力傳感器0～107或壓差、負(fù)壓較高工程測(cè)量?jī)x表應(yīng)變式壓力傳感器0～108或壓差、負(fù)壓較高工程測(cè)量?jī)x表壓電式壓力傳感器0～107或壓差、負(fù)壓較高工程測(cè)量?jī)x表活塞式壓力計(jì)0～2.5×108或負(fù)壓很高基準(zhǔn)器、標(biāo)準(zhǔn)器電位計(jì)572.壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn)

壓力檢測(cè)儀表在出廠前均需經(jīng)過校準(zhǔn)，使之符合精度等級(jí)要求。使用中的儀表會(huì)因彈性元件疲勞、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損及腐蝕、電子元器件的老化等造成誤差，所以必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證測(cè)量結(jié)果有足夠的準(zhǔn)確度；另外，新的儀表在安裝使用前，為防止運(yùn)輸過程中由于振動(dòng)或碰撞所造成的誤差，也應(yīng)對(duì)新儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證儀表示值的可靠性。2.壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn)58(1)

靜態(tài)校準(zhǔn) 壓力檢測(cè)儀表的靜態(tài)校準(zhǔn)是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下(溫度20±5℃，濕度≤80％，大氣壓力為760±80mmHg，且無振動(dòng)沖擊的環(huán)境)，采用一定標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)(其精度需為被校儀表的3～5倍)的校準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)儀表重復(fù)(不少于3次)進(jìn)行全量程逐級(jí)加載和卸載測(cè)試，獲得各次校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以確定儀表的靜態(tài)基本性能指標(biāo)和精度的過程。

(1)靜態(tài)校準(zhǔn)59校準(zhǔn)方法通常有兩種：一種是將被校表與標(biāo)準(zhǔn)表的示值在相同條件下進(jìn)行比較；另一種是將被校表的示值與標(biāo)準(zhǔn)壓力比較。無論是壓力表還是壓力傳感器、變送器，均可采用上述兩種方法。一般在被校表的測(cè)量范圍內(nèi)，均勻地選擇至少5個(gè)以上的校驗(yàn)點(diǎn)，其中應(yīng)包括起始點(diǎn)和終點(diǎn)。校準(zhǔn)方法通常有兩種：60(2)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn) 在一些工程技術(shù)領(lǐng)域常會(huì)遇到壓力動(dòng)態(tài)變化的情況，例如，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室壓力在啟動(dòng)點(diǎn)火后的瞬間，有極為快速地變化；在產(chǎn)生振蕩燃燒時(shí)，壓力變化頻率從幾赫到數(shù)千赫。為了能夠準(zhǔn)確測(cè)量壓力的動(dòng)態(tài)變化，要求壓力傳感器的頻率響應(yīng)特性要好。實(shí)際上壓力傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了該傳感器對(duì)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的適用范圍和測(cè)量精度。因此，對(duì)用于動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的傳感器或測(cè)壓系統(tǒng)必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，以確定其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應(yīng)函數(shù)、固有頻率、阻尼比等。(2)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)61

①

穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn) 圖3-17所示為產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)周期性校準(zhǔn)電磁式正弦壓力源的裝置。當(dāng)流過電磁式力發(fā)生器中的電流成正弦規(guī)律變化時(shí)便產(chǎn)生正弦力，使輸給傳感器的介質(zhì)壓力按正弦規(guī)律變化。

圖3-17電磁式正弦壓力發(fā)生器①

穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)62

上述裝置只提供了可變的壓力源，主要適用于將未知特性的被校傳感器與已知特性的標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行比較。也可以通過改變壓力源頻率，同時(shí)監(jiān)測(cè)被校儀表或傳感器輸出的方法求出被校儀表的頻率特性。 這類方法的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但由于難以提供高頻高振幅的壓力信號(hào)，僅適用于低壓和低頻的壓力校準(zhǔn)中，不能用于壓力檢測(cè)儀表的高頻動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)。上述裝置只提供了可變的壓力源，主要適63

②非穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)

激波管是測(cè)定壓力傳感器頻率響應(yīng)特性的最常用的方便而簡(jiǎn)單的設(shè)備。激波管校準(zhǔn)傳感器動(dòng)態(tài)特性的基本原理是：用激波管產(chǎn)生的階躍壓力來激勵(lì)被校壓力傳感器，并用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備記錄在這一階躍壓力激勵(lì)下被校傳感器所產(chǎn)生的瞬時(shí)響應(yīng)，根據(jù)其過渡過程曲線，運(yùn)用適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，求得被校壓力傳感器的頻率響應(yīng)特性。②非穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)64

圖3-19為激波管法校準(zhǔn)壓力傳感器動(dòng)態(tài)特性系統(tǒng)圖。整個(gè)試驗(yàn)裝置包括激波管、氣源、測(cè)量和記錄部分。圖3-19激波管校準(zhǔn)系統(tǒng)圖 圖3-19為激波管法校準(zhǔn)壓力傳感器動(dòng)態(tài)特性系653.2力的測(cè)量

3.2.1力的基本概念1.力 力是一個(gè)重要的物理量。力體現(xiàn)了物質(zhì)之間的相互作用，凡是能使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或物體所具有的動(dòng)量發(fā)生改變而獲得加速度或者使物體發(fā)生變形的作用都稱為力。 按照力產(chǎn)生原因的不同，可以把力分為重力、彈性力、慣性力、膨脹力、摩擦力、浮力、電磁力等等。按力對(duì)時(shí)間的變化性質(zhì)可分為靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力兩大類。靜態(tài)力是指不變的力或變化很緩慢的力。動(dòng)態(tài)力是指隨時(shí)間變化顯著的力，如沖擊力、交變力或隨機(jī)變化的力等。3.2力的測(cè)量662.力的單位 力在國(guó)際單位制(SI)中是導(dǎo)出量，牛頓第二定律(F=ma)揭示了力(F)的大小與物體質(zhì)量(m)和加速度(a)的關(guān)系，即力是質(zhì)量和加速度的乘積。因此力的單位和標(biāo)準(zhǔn)都取決于質(zhì)量和加速度的單位與標(biāo)準(zhǔn)。質(zhì)量是國(guó)際單位制中的一個(gè)基本量，單位是kg(千克)；加速度是基本量長(zhǎng)度和時(shí)間，的導(dǎo)出量，單位是m/s2(米／秒2)。我國(guó)法定計(jì)量單位制和國(guó)際單位制中，規(guī)定力的單位為牛頓（N），定義為：使1kg質(zhì)量的物體產(chǎn)生1m/s2加速度的力，即1N=1kg·m/s2。2.力的單位673.力量值的傳遞 目前均以標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重力作為力的標(biāo)準(zhǔn)，其大小除可以用標(biāo)準(zhǔn)砝碼傳遞外，還可以用各種不同準(zhǔn)確度等級(jí)的基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀器設(shè)備復(fù)現(xiàn)力值及進(jìn)行量值的傳遞。力的傳遞方式有定度和檢定兩種：定度是根據(jù)基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀器設(shè)備所傳遞的力值確定被校儀表刻度所對(duì)應(yīng)的力值。檢定是將準(zhǔn)確度級(jí)別更高的基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀器設(shè)備與被檢定測(cè)力儀表進(jìn)行比對(duì)，以確定被檢定測(cè)力儀表的誤差。

3.力量值的傳遞683.2.2力的測(cè)量方法

力的本質(zhì)是物體之間的相互作用，不能直接得到其值的大小。力施加于某一物體后，將使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或動(dòng)量改變，使物體產(chǎn)生加速度，這是力的“動(dòng)力效應(yīng)”。還可以使物體產(chǎn)生應(yīng)力，發(fā)生變形，這是力的“靜力效應(yīng)”。因此，可以利用這些變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)力的檢測(cè)。力的測(cè)量方法可歸納為力平衡法，測(cè)位移法和利用某些物理效應(yīng)測(cè)力等。3.2.2力的測(cè)量方法691.力平衡法 力平衡式測(cè)量法是基于比較測(cè)量的原理，用一個(gè)已知力來平衡待測(cè)的未知力，從而得出待測(cè)力的值。平衡力可以是已知質(zhì)量的重力、電磁力或氣動(dòng)力等。1.力平衡法70(1)機(jī)械式力平衡裝置 圖3-20(a)為梁式天平，通過調(diào)整砝碼使指針歸零，將被測(cè)力Fi與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量(砝碼G)的重力進(jìn)行平衡，直接比較得出被測(cè)力Fi的大小。圖3-20機(jī)械式力平衡裝置(1)機(jī)械式力平衡裝置71 圖3-20(b)為機(jī)械杠桿式力平衡裝置，可轉(zhuǎn)動(dòng)的杠桿支撐支點(diǎn)M上，杠桿左端上面懸掛有刀形支承N，在N的下端直接作用有被測(cè)力Fi；杠桿右端是質(zhì)量m已知的可滑動(dòng)砝碼G；另在杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心上安裝有歸零指針。測(cè)量時(shí)，調(diào)整砝碼的位置使之與被測(cè)力平衡。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，則有: (3-15) 式中:a，b分別為被測(cè)力Fi和砝碼G的力臂；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取? 圖3-20(b)為機(jī)械杠桿式力平衡裝置，可轉(zhuǎn)動(dòng)的杠桿72可見，被測(cè)力Fi的大小與砝碼重力mg的力臂b成正比，因此可以在杠桿上直接按力的大小刻度。這種測(cè)力計(jì)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，常用于材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力系統(tǒng)中。上述測(cè)力方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，可獲得很高的測(cè)量精度。但這種方法是基于靜態(tài)重力力矩平衡，因此僅適用于作靜態(tài)測(cè)量?？梢姡粶y(cè)力Fi的大小與砝碼重力m73(2)磁電式力平衡裝置 圖3-21所示為一種磁電式力平衡測(cè)力系統(tǒng)。無外力作用時(shí)，系統(tǒng)處于初始平衡位置，光線全部被遮住，光敏元件無電流輸出，力矩線圈不產(chǎn)生力矩。當(dāng)被測(cè)力Fi作用在杠桿上時(shí)，杠桿發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光線通過窗口打開的相應(yīng)縫隙，照射到光敏元件上，光敏元件輸出與光照成比例的電信號(hào)，經(jīng)放大后加到力矩線圈上與磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁力矩，用來平衡被測(cè)力Fi與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量m的重力力矩之差，使杠桿重新處于平衡。此時(shí)杠桿轉(zhuǎn)角與被測(cè)力Fi成正比，而放大器輸出電信號(hào)在采樣電阻R上的電壓降Uo與被測(cè)力Fi成比例，從而可測(cè)出力Fi。(2)磁電式力平衡裝置74圖3-21磁電式力平衡測(cè)力系統(tǒng)

與機(jī)械杠桿式測(cè)力系統(tǒng)相比較，磁電式力平衡系統(tǒng)使用方便，受環(huán)境條件影響較小，體積小、響應(yīng)快，輸出的電信號(hào)易于記錄且便于遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制。圖3-21磁電式力平衡測(cè)力系統(tǒng) 與機(jī)械杠桿752.測(cè)位移法

在力作用下，彈性元件產(chǎn)生變形，測(cè)位移法通過測(cè)量未知力所引起的位移，從而間接地測(cè)得未知力值。

圖3-23電容式測(cè)力裝置2.測(cè)位移法76

圖3-23所示是電容傳感器與彈性元件組成的測(cè)力裝置。圖中，扁環(huán)形彈性元件內(nèi)腔上下平面上分別固連電容傳感器的兩個(gè)極板。在力作用下，彈性元件受力變形，使極板間距改變，導(dǎo)致傳感器電容量變化。用測(cè)量電路將此電容量變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即可得到被測(cè)力值。通常采用調(diào)頻或調(diào)相電路來測(cè)量電容。這種測(cè)力裝置可用于大型電子吊秤。 圖3-23所示是電容傳感器與彈性元件組成的測(cè)力裝置77圖3-24差動(dòng)變壓器式測(cè)力裝置圖3-24差動(dòng)變壓器式測(cè)力裝置78

圖3-24為兩種常用的由差動(dòng)變壓器與彈性元件構(gòu)成的測(cè)力裝置。彈性元件受力產(chǎn)生位移，帶動(dòng)差動(dòng)變壓器的鐵芯運(yùn)動(dòng)，使兩線圈互感發(fā)生變化，最后使差動(dòng)變壓器的輸出電壓產(chǎn)生和彈性元件受力大小成比例的變化。圖3-24(a)是差動(dòng)變壓器與彈簧組合構(gòu)成的測(cè)力裝置；圖3-24(b)為筒形彈性元件。圖3-24為兩種常用的由差動(dòng)變壓器與彈793.利用某些物理效應(yīng)測(cè)力

物體在力作用下會(huì)產(chǎn)生某些物理效應(yīng)，如應(yīng)變效應(yīng)，壓磁效應(yīng)，壓電效應(yīng)等，可以利用這些效應(yīng)間接檢測(cè)力值。各種類型的測(cè)力傳感器就是基于這些效應(yīng)。3.利用某些物理效應(yīng)測(cè)力803.2.3測(cè)力傳感器

測(cè)力傳感器通常將力轉(zhuǎn)換為正比于作用力大小的電信號(hào)，使用十分方便，因而在工程領(lǐng)域及其他各種場(chǎng)合應(yīng)用最為廣泛。測(cè)力傳感器種類繁多，依據(jù)不同的物理效應(yīng)和檢測(cè)原理可分為電阻應(yīng)變式、壓磁式、壓電式、振弦式等等。3.2.3測(cè)力傳感器811.應(yīng)變式力傳感器 應(yīng)變式力傳感器的工作原理與應(yīng)變式壓力傳感器基本相同，它也是由彈性敏感元件和貼在其上的應(yīng)變片組成。應(yīng)變式力傳感器首先把被測(cè)力轉(zhuǎn)變成彈性元件的應(yīng)變，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測(cè)出應(yīng)變，從而間接地測(cè)出力的大小。應(yīng)變片的布置和接橋方式，對(duì)于提高傳感器的輸出靈敏度和消除有害因素的影響有很大關(guān)系。1.應(yīng)變式力傳感器82圖3-25給出了常見的柱形、筒形、梁形彈性元件及應(yīng)變片的貼片方式。圖3-25(a)為柱形彈性元件；圖3-25(b)為筒形彈性元件；圖3-25(c)為梁形彈性元件。圖3-25幾種彈性元件及應(yīng)變片貼片方式圖3-25給出了常見的柱形、筒形、832.壓磁式力傳感器

當(dāng)鐵磁材料在受到外力拉、壓作用而在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其導(dǎo)磁率會(huì)隨應(yīng)力的大小和方向而變化。受拉力時(shí)，沿力作用方向的導(dǎo)磁率增大，而在垂直于作用力的方向上導(dǎo)磁率略有減小。受壓力作用時(shí)則導(dǎo)磁率的變化正好相反。這種物理現(xiàn)象就是鐵磁材料的壓磁效應(yīng)。這種效應(yīng)可用于力的測(cè)量。2.壓磁式力傳感器84圖3-27壓磁式傳感器圖3-27壓磁式傳感器85壓磁式力傳感器的輸出電勢(shì)比較大，通常不必再放大，只要經(jīng)過濾波整流后就可直接輸出，但要求有一個(gè)穩(wěn)定的激磁電源。壓磁式力傳感器可測(cè)量很大的力，抗過載能力強(qiáng)，能在惡劣條件下工作。但頻率響應(yīng)不高（1～10kHz），測(cè)量精度一般在1％左右，也有精度更高的新型結(jié)構(gòu)的壓磁式力傳感器。常用于冶金、礦山等重工業(yè)部門作為測(cè)力或稱重傳感器，例如在軋鋼機(jī)上用來測(cè)量大的力以及用在吊車秤中。壓磁式力傳感器的輸出電勢(shì)比較大，通863.3轉(zhuǎn)矩測(cè)量

轉(zhuǎn)矩是各種工作機(jī)械傳動(dòng)軸的基本載荷形式，與動(dòng)力機(jī)械的工作能力、能源消耗、效率、運(yùn)轉(zhuǎn)壽命及安全性能等因素緊密聯(lián)系。轉(zhuǎn)矩的測(cè)量對(duì)傳動(dòng)軸載荷的確定與控制、傳動(dòng)系統(tǒng)工作零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及原動(dòng)機(jī)容量的選擇等都具有重要的意義。3.3轉(zhuǎn)矩測(cè)量873.3.1轉(zhuǎn)矩的概念1.轉(zhuǎn)矩的定義及單位

使機(jī)械元件轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩或力偶稱為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)矩。機(jī)械元件在轉(zhuǎn)矩作用下都會(huì)產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形，故轉(zhuǎn)矩有時(shí)又稱為扭矩。 力矩是由一個(gè)不通過旋轉(zhuǎn)中心的力對(duì)物體形成的，而力偶是一對(duì)大小相等、方向相反的平行力對(duì)物體的作用。所以轉(zhuǎn)矩等于力與力臂或力偶臂的乘積，在國(guó)際單位制(SI)中，轉(zhuǎn)矩的計(jì)量單位為牛頓·米(N·m)，工程技術(shù)中也曾用過公斤力·米等作為轉(zhuǎn)矩的計(jì)量單位。3.3.1轉(zhuǎn)矩的概念882.轉(zhuǎn)矩的類型 轉(zhuǎn)矩可分為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。

靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是值不隨時(shí)間變化或變化很小、很緩慢的轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩包括靜止轉(zhuǎn)矩、恒定轉(zhuǎn)矩、緩變轉(zhuǎn)矩和微脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。靜止轉(zhuǎn)矩的值為常數(shù)，傳動(dòng)軸不旋轉(zhuǎn)；恒定轉(zhuǎn)矩的值為常數(shù)，但傳動(dòng)軸以勻速旋轉(zhuǎn)，如電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)的轉(zhuǎn)矩；緩變轉(zhuǎn)矩的值隨時(shí)間緩慢變化，但在短時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為轉(zhuǎn)矩值是不變的；微脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值有幅度不大的脈動(dòng)變化。2.轉(zhuǎn)矩的類型89

動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩是值隨時(shí)間變化很大的轉(zhuǎn)矩。

動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩包括振動(dòng)轉(zhuǎn)矩、過渡轉(zhuǎn)矩和隨機(jī)轉(zhuǎn)矩三種。振動(dòng)轉(zhuǎn)矩的值是周期性波動(dòng)的；過渡轉(zhuǎn)矩是機(jī)械從一種工況轉(zhuǎn)換到另一種工況時(shí)的轉(zhuǎn)矩變化過程；隨機(jī)轉(zhuǎn)矩是一種不確定的、變化無規(guī)律的轉(zhuǎn)矩。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩是值隨時(shí)間變化很大的轉(zhuǎn)矩。903.轉(zhuǎn)矩的測(cè)量方法 轉(zhuǎn)矩的測(cè)量方法可以分為平衡力法、能量轉(zhuǎn)換法和傳遞法。其中傳遞法涉及的轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x器種類最多，應(yīng)用也最廣泛。(1)平衡力法及平衡力類轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置 勻速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力機(jī)械或制動(dòng)機(jī)械，在其機(jī)體上必然同時(shí)作用著與轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相反的平衡力矩。通過測(cè)量機(jī)體上的平衡力矩(實(shí)際上是測(cè)量力和力臂)來確定動(dòng)力機(jī)械主軸上工作轉(zhuǎn)矩的方法稱為平衡力法。平衡力法直接從機(jī)體上測(cè)轉(zhuǎn)矩，不存在從旋轉(zhuǎn)件到靜止件的轉(zhuǎn)矩傳遞問題。但它僅適合測(cè)量勻速工作情況下的轉(zhuǎn)矩，不能測(cè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。3.轉(zhuǎn)矩的測(cè)量方法91(2)能量轉(zhuǎn)換法 依據(jù)能量守恒定律，通過測(cè)量其他形式能量如電能、熱能參數(shù)來測(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)械能，進(jìn)而求得轉(zhuǎn)矩的方法即能量轉(zhuǎn)換法。從方法上講，能量轉(zhuǎn)換法實(shí)際上就是對(duì)功率和轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量的方法。能量轉(zhuǎn)換法測(cè)轉(zhuǎn)矩一般只在電機(jī)和液機(jī)方面有較多的應(yīng)用。(2)能量轉(zhuǎn)換法92(3)傳遞法 傳遞法是指利用彈性元件在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)物理參數(shù)的變化與轉(zhuǎn)矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系來測(cè)量轉(zhuǎn)矩的一類方法。常用彈性元件為扭軸，故傳遞法又稱扭軸法。根據(jù)被測(cè)物理參數(shù)不同，基于傳遞法的轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x器有多種類型。在現(xiàn)代測(cè)量中，這類轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x的應(yīng)用最為廣泛。 本節(jié)介紹基于傳遞法原理的幾種轉(zhuǎn)矩測(cè)量方法和儀器。(3)傳遞法933.3.2傳遞法轉(zhuǎn)矩測(cè)量 轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x器及裝置很多，應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境、測(cè)量精度等要求來選擇。1.應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量

應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x通過測(cè)量由于轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的應(yīng)變來測(cè)量轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)材料力學(xué)的理論，轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)矩M的作用下，其橫截面上最大剪應(yīng)力τmax與軸截面系數(shù)W和轉(zhuǎn)矩M之間的關(guān)系為:

3.3.2傳遞法轉(zhuǎn)矩測(cè)量94

(3-20) (3-21) 式中D為軸的外徑；d為空心軸的內(nèi)徑。

τmax無法用應(yīng)變片來測(cè)量，但與轉(zhuǎn)軸中心線成±45夾角方向上的正負(fù)主應(yīng)力和的數(shù)值等于τmax，即

(3-22) (95

根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，應(yīng)變?yōu)? (3-23) (3-24) 式中E為材料的彈性模量(Pa)；μ為材料的泊松比。 這樣就可沿正負(fù)主應(yīng)力和的方向貼應(yīng)變片，測(cè)出應(yīng)變即可知其軸上所受的轉(zhuǎn)矩M。應(yīng)變片可以直接貼在需要測(cè)量轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)軸上，也可以貼在一根特制的軸上制成應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器，用于各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合。 根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，應(yīng)變?yōu)?6

圖3-28為應(yīng)變片式轉(zhuǎn)矩傳感器，在沿軸向±45方向上分別粘貼有四個(gè)應(yīng)變片，感受軸的最大正、負(fù)應(yīng)變，將其組成全橋電路，則可輸出與轉(zhuǎn)矩M成正比的電壓信號(hào)。這種接法可以消除軸向力和彎曲力的干擾。圖3-28應(yīng)變片式轉(zhuǎn)矩傳感器 圖3-28為應(yīng)變片式轉(zhuǎn)矩傳感器，在沿軸向±4597應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度較高。貼在轉(zhuǎn)軸上的電阻應(yīng)變片與測(cè)量電路一般通過集流環(huán)連接。集流環(huán)有電刷-滑環(huán)式、水銀式和感應(yīng)式等。集流環(huán)存在觸點(diǎn)磨損和信號(hào)不穩(wěn)定等問題，不適于測(cè)量高速轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩。近年來，巳研制出遙測(cè)應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀，它在上述應(yīng)變電橋后，將輸出電壓用無線發(fā)射的方式傳輸，有效地解決了上述問題。應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度較高982.壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器鐵磁材料制成的轉(zhuǎn)軸，具有壓磁效應(yīng)，在受轉(zhuǎn)矩作用后，沿拉應(yīng)力+方向磁阻減小，沿壓應(yīng)力-方向磁阻增大。圖3-29壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器

2.壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器圖3-29壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器99在鐵芯線圈A中通以50Hz的交流電，形成交變磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)軸未受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，其各向磁阻相同，BB方向正好處于磁力線的等位中心線上，因而鐵芯B上的繞組不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，其表面上出現(xiàn)各向異性磁阻特性，磁力線將重新分布，而不再對(duì)稱，因此在鐵芯B的線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。轉(zhuǎn)矩愈大，感應(yīng)電勢(shì)愈大，在一定范圍內(nèi)，感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系。這樣就可通過測(cè)量感應(yīng)電勢(shì)e來測(cè)定軸上轉(zhuǎn)矩的大小。

在鐵芯線圈A中通以50Hz的交流電1003.扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量

扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量法是通過扭轉(zhuǎn)角來測(cè)量轉(zhuǎn)矩的。

根據(jù)材料力學(xué)，在轉(zhuǎn)矩M作用下，轉(zhuǎn)軸上相距L的兩橫截面之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角為:(3-25) 式中G為軸的剪切彈性模量。3.扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量101由(3-25)式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，其上兩截面間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩成比例，因此可以通過測(cè)量扭轉(zhuǎn)角來測(cè)量轉(zhuǎn)矩。根據(jù)這一原理，可以制成光電式、相位差式、振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器等。由(3-25)式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩102(1)光電式轉(zhuǎn)矩傳感器 圖3-30光電式轉(zhuǎn)矩傳感器(1)光電式轉(zhuǎn)矩傳感器103光電式轉(zhuǎn)矩傳感器如圖3-30所示。在轉(zhuǎn)軸上安裝兩個(gè)光柵圓盤，兩個(gè)光柵盤外側(cè)設(shè)有光源和光敏元件。無轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，兩光柵的明暗條紋相互錯(cuò)開，完全遮擋住光路，因此放置于光柵一側(cè)的光敏元件接收不到來自光柵盤另一側(cè)的光源的光信號(hào)，無電信號(hào)輸出。當(dāng)有轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)軸上時(shí)，由于軸的扭轉(zhuǎn)變形，安裝光柵處的兩截面產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)角，兩片光柵的暗條紋逐漸重合，部分光線透過兩光柵而照射到光敏元件上，從而輸出電信號(hào)。轉(zhuǎn)矩越大，扭轉(zhuǎn)角越大，照射到光敏元件上的光越多，因而輸出電信號(hào)也越大。光電式轉(zhuǎn)矩傳感器如圖3-30所示104(2)相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器 圖3-31所示是基于磁感應(yīng)原理的磁電相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器。圖3-31相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器(2)相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器圖3-31相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器105

它在被測(cè)轉(zhuǎn)軸相距L的兩端處各安裝一個(gè)齒形轉(zhuǎn)輪，靠近轉(zhuǎn)輪沿徑向各放置一個(gè)感應(yīng)式脈沖發(fā)生器(在永久磁鐵上繞一固定線圈而成)。當(dāng)轉(zhuǎn)輪的齒頂對(duì)準(zhǔn)永久磁鐵的磁極時(shí)，磁路氣隙減小，磁阻減小，磁通增大；當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)過半個(gè)齒距時(shí)，齒谷對(duì)準(zhǔn)磁極，氣隙增大，磁通減小，變化的磁通在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。無轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，轉(zhuǎn)軸上安裝轉(zhuǎn)輪的兩處無相對(duì)角位移，兩個(gè)脈沖發(fā)生器的輸出信號(hào)相位相同。它在被測(cè)轉(zhuǎn)軸相距L的兩端處各安裝一個(gè)齒106

當(dāng)有轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，兩轉(zhuǎn)輪之間就產(chǎn)生相對(duì)角位移，兩個(gè)脈沖發(fā)生器的輸出感應(yīng)電勢(shì)出現(xiàn)與轉(zhuǎn)矩成比例的相位差，設(shè)轉(zhuǎn)輪齒數(shù)為N，則相位差: (3-26)代入(3-25)式，得: (3-27) 可見只要測(cè)出相位差就可測(cè)得轉(zhuǎn)矩。N的選取應(yīng)使相位差滿足：

與光電式轉(zhuǎn)矩傳感器一樣，相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器也是非接觸測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，對(duì)環(huán)境條件要求不高，精度一般可達(dá)0.2％。 當(dāng)有轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，兩轉(zhuǎn)輪之間就產(chǎn)生相對(duì)107(3)振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器圖3-32振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器(3)振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器圖3-32振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器108在被測(cè)軸上相隔距離的兩個(gè)面上固定安裝著兩個(gè)測(cè)量環(huán)，兩根振弦分別被夾緊在測(cè)量環(huán)的支架上。當(dāng)軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，兩個(gè)測(cè)量環(huán)之間產(chǎn)生一相對(duì)轉(zhuǎn)角，并使兩根振弦中的一根張力增大，另一根張力減小，張力的改變將引起振弦自振頻率的變化。自振頻率與所受外力的平方根成正比，因此測(cè)出兩振弦的振動(dòng)頻率差，就可知轉(zhuǎn)矩大小。 在安裝振弦時(shí)必須使其有一定的預(yù)緊力。在被測(cè)軸上相隔距離的兩個(gè)面上固定安109演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！110第5節(jié)壓力檢測(cè)技術(shù)5.1壓力的基本概念5.2常用壓力檢測(cè)儀表第5節(jié)壓力檢測(cè)技術(shù)5.1壓力的基本概念1115.1壓力的基本概念

壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的工藝參數(shù)之一，正確地測(cè)量和控制壓力是保證工業(yè)生產(chǎn)過程良好地運(yùn)行，達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低耗及安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。1.壓力的定義

壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力，即物理學(xué)中常稱的壓強(qiáng)。工程上，習(xí)慣把壓強(qiáng)稱為壓力。

(5-1)

式中p—壓力；F—垂直作用力；S—受力面積。5.1壓力的基本概念1122.壓力的表示方法由于參照點(diǎn)不同，在工程上壓力有幾種不同表示方法。(1)絕對(duì)壓力被測(cè)介質(zhì)作用于物體表面上的全部壓力稱為絕對(duì)壓力，用符號(hào)pi表示。(2)大氣壓力

由地球表面空氣質(zhì)量所形成的壓力，稱為大氣壓力。它隨地理緯度、海拔高度及氣象條件而變化，用符號(hào)p0表示。2.壓力的表示方法113(3)表壓力絕對(duì)壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐罘Q為表壓力，用符號(hào)表示， 。(4)真空度(負(fù)壓)當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，表壓力為負(fù)值(負(fù)壓力)，其絕對(duì)值稱為真空度，用符號(hào) 表示，。(5)差壓(壓差)任意兩個(gè)壓力p1、p2之差稱為差壓， 。(3)表壓力絕對(duì)壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐罘Q為表壓力，用符號(hào)114各種壓力之間的關(guān)系各種壓力之間的關(guān)系1154.壓力檢測(cè)的基本方法根據(jù)不同工作原理，壓力檢測(cè)方法可分為如下幾種：

(1)重力平衡方法 這種方法利用一定高度的工作液體產(chǎn)生的重力或砝碼的重量與被測(cè)壓力相平衡的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度或平衡砝碼的重量來測(cè)量。例如液柱式壓力計(jì)和活塞式壓力計(jì)。

(2)彈性力平衡方法

利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性變形而產(chǎn)生的彈性力與被測(cè)壓力相平衡的原理，將壓力轉(zhuǎn)換成位移，通過測(cè)量彈性元件位移變形的大小測(cè)出被測(cè)壓力。此類壓力計(jì)有多種類型，可以測(cè)量壓力、負(fù)壓、絕對(duì)壓力和壓差，應(yīng)用最為廣泛。4.壓力檢測(cè)的基本方法116(3)機(jī)械力平衡方法 這種方法是將被測(cè)壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)集中力，用外力與之平衡，通過測(cè)量平衡時(shí)的外力測(cè)知被測(cè)壓力。力平衡式儀表可以達(dá)到較高精度，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。(4)物性測(cè)量方法 利用敏感元件在壓力的作用下，其某些物理特性發(fā)生與壓力成確定關(guān)系變化的原理，將被測(cè)壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來測(cè)量。如應(yīng)變式、壓電式、電容式壓力傳感器等等。(3)機(jī)械力平衡方法1173.2常用壓力檢測(cè)儀表

1.液柱式壓力計(jì) 應(yīng)用液柱測(cè)量壓力的方法是以流體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。一般是采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管、單管或斜管進(jìn)行壓力測(cè)量的，其結(jié)構(gòu)形式如圖3-2所示。圖3-2液柱式壓力計(jì)3.2常用壓力檢測(cè)儀表圖3-2液柱式壓力計(jì)118(1)U形管壓力計(jì)

圖3-2(a)所示的U形管是用來測(cè)量壓力和壓差的儀表。在U形管兩端接入不同壓力和時(shí)，根據(jù)流體靜力平衡原理可知，U形管兩邊管內(nèi)液柱差h與被測(cè)壓力和的關(guān)系為:(3-2)式中A—U形管內(nèi)孔截面積；—U形管內(nèi)工作液的密度；g—重力加速度。

(1)U形管壓力計(jì)119由上式可求得兩壓力的差值或在己知一個(gè)壓力的情況下（例如壓力），求出另一壓力值: (3-3)

可見U形管內(nèi)的液柱差h與被測(cè)差壓或壓力成正比，因此被測(cè)壓差或壓力可以用工作液高度h的大小來表示。由上式可求得兩壓力的差值或在己知一120(2)單管壓力計(jì)

U形管壓力計(jì)的讀數(shù)誤差較大。為了減小讀數(shù)誤差，可以采用單管壓力計(jì)。 單管壓力計(jì)如圖3-2(b)所示，它相當(dāng)于將U形管的一端換成一個(gè)大直徑的容器，測(cè)壓原理與U形管相同。當(dāng)大容器一側(cè)通入被測(cè)壓力，管一側(cè)通入大氣壓時(shí)，滿足下列關(guān)系:

(3-4) 式中h—兩液面的高度差；d—玻璃管直徑；D—大容器直徑。(2)單管壓力計(jì)121由于D>>d，故d2/D2可以忽略不計(jì)，則式(3-4)可寫成:(3-5)管內(nèi)工作液面上升的高度h即可表示被測(cè)壓力的大小。由于D>>d，故d2/D2可以忽略122(3)斜管壓力計(jì) 用U形管或單管壓力計(jì)來測(cè)量微小的壓力時(shí)，因?yàn)橐褐叨茸兓苄。x數(shù)困難，為了提高靈敏度，減小誤差，可將單管壓力計(jì)的玻璃管制成斜管，如圖3-2(c)所示。大容器通入被測(cè)壓力p1，斜管通大氣壓力p2，則p1與液柱之間的關(guān)系仍然與式(3-5)相同:(3-6)

式中L—斜管內(nèi)液柱的長(zhǎng)度；—斜管傾斜角。由于L>h，所以斜管壓力計(jì)比單管壓力計(jì)更靈敏，可以提高測(cè)量精度。(3)斜管壓力計(jì)1232.彈性壓力計(jì)

當(dāng)被測(cè)壓力作用于彈性元件時(shí)，彈性元件便產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形(即機(jī)械位移)。根據(jù)變形量的大小，可以測(cè)得被測(cè)壓力的數(shù)值。彈性壓力計(jì)的組成環(huán)節(jié)如圖3-3所示:

彈性元件是核心部分，其作用是感受壓力并產(chǎn)生彈性變形，彈性元件采用何種形式要根據(jù)測(cè)量要求選擇和設(shè)計(jì)；在彈性元件與指示機(jī)構(gòu)之間是變換放大機(jī)構(gòu)，其作用是將彈性元件的變形進(jìn)行變換和放大；

指示機(jī)構(gòu)(如指針與刻度標(biāo)尺)用于給出壓力示值；調(diào)整機(jī)構(gòu)用于調(diào)整零點(diǎn)和量程。2.彈性壓力計(jì)124圖3-3彈性壓力計(jì)組成框圖圖3-3彈性壓力計(jì)組成框圖125(1)彈性元件

同樣的壓力下，不同結(jié)構(gòu)、不同材料的彈性元件會(huì)產(chǎn)生不同的彈性變形。常用的彈性元件有彈簧管、波紋管、薄膜等，如表3-2所示。其中波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測(cè)量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓或真空度的測(cè)量。(1)彈性元件126

表3-2彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性類別名稱示意圖壓力測(cè)量范圍kPa輸出特性動(dòng)態(tài)性質(zhì)最小最大時(shí)間常數(shù)/s自振頻率/Hz薄膜式平薄膜0～100～10510-5～10-210～104波紋膜0～10-30～10310-2～10-110～102撓性膜0～10-50～10210-2～11～102 表3-2彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性類別127波紋管式波紋管0～10-30～10310-2～10-110～102彈簧管式單圈彈簧管0～10-10～106－102～103多圈彈簧管0～10-20～105－10～102波波0～10-30～10310-2～10-110～102彈單128

彈性元件常用的材料有銅合金、彈性合金、不銹鋼等，各適用于不同的測(cè)壓范圍和被測(cè)介質(zhì)。通過各種傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)直接指示被測(cè)壓力值。這類直讀式測(cè)壓儀表有彈簧管壓力計(jì)、波紋管差壓計(jì)、膜盒式壓力計(jì)等。

彈性元件常用的材料有銅合金、彈性合金129(2)彈簧管壓力計(jì) 彈簧管式壓力計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用很廣泛的一種直讀式測(cè)壓儀表，以單圈彈簧管結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多。其一般結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。 被測(cè)壓力由接口引入，使彈簧管自由端產(chǎn)生位移，通過拉桿使扇形齒輪逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)嚙合的中心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與中心齒輪同軸的指針將同時(shí)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并在面板的刻度標(biāo)尺上指示出被測(cè)壓力值。(2)彈簧管壓力計(jì)130圖3-4彈簧管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)1-彈簧管；2-連桿；3-扇形齒輪；4-底座；5-中心齒輪；6-游絲；7-表盤；8-指針；9-接頭；10-橫斷面；11-靈敏度調(diào)整槽圖3-4彈簧管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)131

通過調(diào)整螺釘可以改變拉桿與扇形齒輪的接合點(diǎn)位置，從而改變放大比，調(diào)整儀表的量程。轉(zhuǎn)動(dòng)軸上裝有游絲，用以消除兩個(gè)齒輪嚙合的間隙，減小儀表的變差。直接改變指針套在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的角度，就可以調(diào)整儀表的機(jī)械零點(diǎn)。彈簧管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便，價(jià)格低廉，測(cè)壓范圍寬，應(yīng)用十分廣泛。一般彈簧管壓力計(jì)的測(cè)壓范圍為-105～109Pa；精確度最高可達(dá)±0.1％。通過調(diào)整螺釘可以改變拉桿與扇形齒輪132(3)彈性壓力計(jì)信號(hào)遠(yuǎn)傳方式 彈性壓力計(jì)可以在現(xiàn)場(chǎng)指示，但是許多情況下要求將信號(hào)遠(yuǎn)傳至控制室。一般可以在已有的彈性壓力計(jì)結(jié)構(gòu)上增加轉(zhuǎn)換部件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送。

彈性壓力計(jì)信號(hào)多采用電遠(yuǎn)傳方式，即把彈性元件的變形或位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。

常見的轉(zhuǎn)換方式有電位計(jì)式、霍爾元件式、電感式、差動(dòng)變壓器式等，圖3-5給出兩種電遠(yuǎn)傳彈性壓力計(jì)結(jié)構(gòu)原理。(3)彈性壓力計(jì)信號(hào)遠(yuǎn)傳方式133(a)電位器式(b)霍爾元件式圖3-5彈性壓力計(jì)信號(hào)電遠(yuǎn)傳方式原理(a)電位器式134

圖3-5(a)為電位器式，在彈性元件的自由端處安裝滑線電位器，滑線電位器的滑動(dòng)觸點(diǎn)與自由端連接并隨之移動(dòng)，自由端的位移就轉(zhuǎn)換為電位器的電信號(hào)輸出。這種遠(yuǎn)傳方法比較簡(jiǎn)單，可以有很好的線性輸出，但是滑線電位器的結(jié)構(gòu)可靠性較差。

135圖3-5(b)為霍爾元件式，其轉(zhuǎn)換原理基于半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)。由半導(dǎo)體材料制成的片狀霍爾元件固定在彈性元件的自由端，并處于兩對(duì)磁場(chǎng)方向相反的磁極組件構(gòu)成的線性不均勻磁場(chǎng)的間隙中?；魻栐蛔杂啥藥?dòng)在不均勻磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，將感受不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度。若在霍爾元件的兩端通以恒定電流，則在垂直于磁場(chǎng)和電流方向的另兩側(cè)將產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，此輸出電勢(shì)即對(duì)應(yīng)于自由端位移，從而給出被測(cè)壓力值。這種儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，壽命長(zhǎng)，但對(duì)外部磁場(chǎng)敏感，耐振性差。圖3-5(b)為霍爾元件式，其轉(zhuǎn)1363.力平衡式壓力計(jì)圖3-6力平衡式壓力計(jì)的基本框圖

3.力平衡式壓力計(jì)圖3-6力平衡式壓力計(jì)的基本框圖137

力平衡式壓力計(jì)采用反饋力平衡的原理，反饋力的平衡方式可以是彈性力平衡或電磁力平衡等。力平衡式壓力計(jì)的基本構(gòu)成如圖3-6所示，被測(cè)壓力或壓差作用于彈性敏感元件上，彈性敏感元件感受壓力作用并將其轉(zhuǎn)換為位移或力，并作用于力平衡系統(tǒng)，力平衡系統(tǒng)受力后將偏離原有的平衡狀態(tài)；由偏差檢測(cè)器輸出偏差值至放大器；放大器將信號(hào)放大并輸出電流(或電壓)信號(hào)，電流信號(hào)控制反饋力或力矩發(fā)生機(jī)構(gòu)，使之產(chǎn)生反饋力；當(dāng)反饋力與作用力平衡時(shí)，儀表處于新的平衡狀態(tài)；顯示機(jī)構(gòu)可輸出與被測(cè)壓力或壓差相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。

力平衡式壓力計(jì)采用反饋力平衡的原理，反饋力的平衡138圖3-7彈性力平衡式壓力測(cè)量系統(tǒng)的原理圖3-7彈性力平衡式壓力測(cè)量系統(tǒng)的原理1394.壓力傳感器

能夠測(cè)量壓力并提供遠(yuǎn)傳電信號(hào)的裝置統(tǒng)稱為壓力傳感器。

壓力傳感器是壓力檢測(cè)儀表的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)型式多種多樣，常見的型式有應(yīng)變式、壓阻式、電容式、壓電式、振頻式壓力傳感器等。此外還有光電式、光纖式、超聲式壓力傳感器等。采用壓力傳感器可以直接將被測(cè)壓力變換成各種形式的電信號(hào)，便于滿足自動(dòng)化系統(tǒng)集中檢測(cè)與控制的要求，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。4.壓力傳感器140

(1)

應(yīng)變式壓力傳感器

應(yīng)變式壓力傳感器是一種通過測(cè)量各種彈性元件的應(yīng)變來間接測(cè)量壓力的傳感器。根據(jù)制作材料的不同，應(yīng)變?cè)梢苑譃榻饘俸桶雽?dǎo)體兩大類。應(yīng)變?cè)墓ぷ髟砘趯?dǎo)體和半導(dǎo)體的“應(yīng)變效應(yīng)”，即當(dāng)導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化。電阻值的相對(duì)變化與應(yīng)變有以下關(guān)系：