檢測技術及儀表20141027

檢測技術及儀表課程介紹課程說明自動化專業(yè)的必修課考核方式1、平時成績10%2、實驗成績30%3、期末考試60%計劃學時34+24

學時課程介紹教材《檢測技術及儀表》林錦實主編.機械工業(yè)出版社，2012.《過程檢測技術及儀表》（第二版）杜維等.化學工業(yè)出版社，2010.課程內(nèi)容組成溫度測量2物位的測量4壓力與壓差測量3331成分參數(shù)的測量6信號變換技術8機械量的測量37流量的測量35檢測技術概述及檢測技術基礎現(xiàn)代檢測技術10顯示儀表39任務及要求本課程的任務是通過本課程的學習使學生系統(tǒng)地了解掌握自動檢測的基礎理論、基本方法、及相關知識；掌握工業(yè)過程主要參數(shù)的檢測原理及實現(xiàn)方法熟悉各類儀表的工作原理、特點、技術指標和使用要求；根據(jù)需要能夠制定正確的檢測方案，設計檢測系統(tǒng)，合理選擇、正確使用各種檢測儀表。第1章檢測技術概述及檢測技術基礎

本章介紹檢測技術的地位發(fā)展和測量儀表的作用、測量的基本概念、及儀表性能指標的計算方法和測量誤差的基本理論；分析了測量誤差的產(chǎn)生原因及處理方法；測量準確度的評定與表示方法。主要內(nèi)容：1.1檢測技術概述1.1.1檢測技術的基本概念1.1.2檢測技術的地位和作用1.1.3檢測系統(tǒng)構成

1.1.4檢測技術的主要研究內(nèi)容1.1.5檢測技術的發(fā)展方向1.2檢測技術基礎1.2.1檢測方法1.2.2檢測儀表的基本功能1.2.3檢測儀表的基本性能指標1.3測量誤差1.1.1檢測技術的基本概念

式中：x——被測量值；

q——標準量，即測量單位；

n——比值（純數(shù)），含有測量誤差。檢測：以確定被測對象屬性量值為目的的全部操作。所以測量也就是將被測量與同種性質(zhì)的標準量進行比較,確定被測量對標準量的倍數(shù)。即依靠實驗和計算找到被測量的值，它可由下式表示:或：

檢測技術：也稱測試技術，是具有試驗性質(zhì)的測量，泛指測量和試驗兩個方面的技術。

檢測目的：為了在限定的時間內(nèi)，盡可能正確地收集被測對象的有關信息，以便獲取被測對象的參數(shù)，從而管理和控制生產(chǎn)。被測量:（被測對象的屬性量值）全部操作：一個完整的檢測過程包括信息的提取、信號的轉(zhuǎn)換存儲與傳輸、信號的顯示記錄、信號處理和分析物理量（光、電、力、熱、磁、聲、…）被測對象：宇宙萬物（固液氣體、動物、植物、天體……）化學量（PH、成份…）生物量（酶、葡萄糖、…）……1.1.1檢測技術的基本概念例一、確定某人的身高通常采用標準長度的米尺(一個預定標準)對其進行測量，通過被測量與預定標準之間的定量比較，從而得到此人實際的身高(被測對象的數(shù)值結果)。

1.1.1檢測技術的基本概念例二、汽車乘坐舒適性的臺架試驗

一、檢測技術的基本概念信息流是客觀世界的一個主流二、檢測技術的地位和作用

物料流能量流信息流客觀世界信息流組成信息獲取處理

傳輸利用…信息獲取是信息流的一環(huán)。

獲取信息是儀器科學的基本任務儀器儀表是信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分儀器儀表是信息工業(yè)的源頭1.1.2檢測技術的地位和作用

檢測技術的作用1.1.2檢測技術的地位和作用

工業(yè)生產(chǎn)的倍增器

科學研究的先行官

社會上的物化法官a）機械手、機器人中的傳感器轉(zhuǎn)動/移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。

在各種自動控制系統(tǒng)中，測試環(huán)節(jié)起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成部分。密歇根大學的機械手裝配模型機器狗

檢測技術在工業(yè)生產(chǎn)領域的應用1.1.2檢測技術的地位和作用b)生產(chǎn)加工過程參數(shù)監(jiān)測

切削力測量，機床振動測量、加工噪聲傳感器，轉(zhuǎn)速、扭矩測量、溫度測量、機架及受力件的應力測量、電機參數(shù)測量等。密歇根大學數(shù)字化工廠1.1.2檢測技術的地位和作用c)流程工業(yè)設備運行狀態(tài)監(jiān)控

在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設備運行狀態(tài)關系到整個生產(chǎn)線流程。通常建立24小時在線監(jiān)測系統(tǒng)?；谠O備的檢查和檢測，通過計算機處理數(shù)據(jù)，掌握和評估設備狀態(tài)、預測故障。1.1.2檢測技術的地位和作用

檢測技術在日常生活中的應用與日俱增

家用電器：數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機：自動對焦---紅外測距傳感器數(shù)字體溫計：接觸式---熱敏電阻，非接觸式---紅外傳感器自動感應燈：亮度檢測---光敏電阻空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測---熱敏電阻、熱電偶電話、麥克風：話音轉(zhuǎn)換---駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管辦公商務：可視對講、可視電話：圖像獲取---面陣CCD掃描儀：文檔掃描---線陣CCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生：電子血壓計：血壓檢測---壓力傳感器血糖測試儀、膽固醇檢測儀---離子傳感器1.1.2檢測技術的地位和作用科學研究的先行官1.1.2檢測技術的地位和作用許多重要的科學分支的確立和發(fā)展歸功于重要的科學儀器裝置的研制成功。色譜儀的發(fā)明產(chǎn)生了色譜學，光譜儀的發(fā)明產(chǎn)生了光譜學。諾貝爾獎獲得者R.R.Ernst說“現(xiàn)代科學的進步越來越依靠尖端儀器的發(fā)展”?？茖W儀器是科學技術發(fā)展的重要前提和根本保障；

約有三分之一的諾貝爾物理和化學獎授予了那些在測試儀器方面有創(chuàng)新的科學家。

檢測技術在航天領域舉足輕重“神舟七號”載人航天工程由測控通信系統(tǒng)、著陸場系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、航天員系統(tǒng)、飛船系統(tǒng)、火箭系統(tǒng)、空間應用系統(tǒng)七大部分組成。測控通信系統(tǒng)主要任務是跟蹤和獲取航天器的各種信息，進行計算、處理和分析，從而對航天器進行控制和管理。要負責運載火箭和神舟七號載人飛船的軌道測量、圖像及遙測監(jiān)視、遙控操作、話音通信、飛行控制等。如果沒有測控通信系統(tǒng)，飛船就會像斷線的風箏一樣失去控制，后果將不堪設想。因此可以說，測控通信系統(tǒng)是對飛船進行指揮控制的靈魂，在載人航天工程中起著舉足輕重的作用。1.1.2檢測技術的地位和作用“阿波羅10”：火箭部分---2077個傳感器飛船部分---1218個傳感器檢測參數(shù)——坐標、速度、加速度、溫度、壓力、振動、流量、應變、航天員的生理參數(shù)等。神州飛船：185臺（套）儀器裝置飛行器測控---飛船飛行軌道及姿態(tài)的計算與控制、設備的工作狀態(tài)監(jiān)測火箭測控---檢測火箭飛行狀況、姿態(tài)、軌跡

1.1.2檢測技術的地位和作用社會的“物化法官”1.1.2檢測技術的地位和作用

檢查產(chǎn)品質(zhì)量

監(jiān)測環(huán)境污染

識別指紋假鈔

查服違禁藥物總結：檢測技術廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究、航空航天、交通運輸、醫(yī)療衛(wèi)生及日常生活的每一個領域，是人類科學認知客觀世界的手段，起著人的感官的作用。1.1.2檢測技術的地位和作用1.1.3檢測系統(tǒng)構成力位移

速度

加速度

壓力流量溫度電阻式電容式電感式壓電式熱電式光電式磁電式電橋

放大器濾波器調(diào)制器解調(diào)器運算器阻抗變換器

筆式記錄儀光線示波器磁帶記錄儀電子示波器半導體存儲器顯示器磁卡數(shù)據(jù)處理器

頻譜分析儀

FFT

實時信號分析儀

電子計算機

被測對象

傳感器中間變換測量裝置

信號顯示及記錄裝置

信號處理分析裝置

激發(fā)裝置

典型測試系統(tǒng)框圖檢測系統(tǒng)：包含對被測量進行檢出、變換、傳輸、分析、處理、判斷和顯示等不同功能環(huán)節(jié)所構成的一個總體。檢測的兩個過程：能量形式的一次或多次轉(zhuǎn)換過程；被測變量與其相應的測量單位進行比較一次敏感元件變換傳輸處理顯示裝置測量電路被測變量第一過程第二過程由若干個檢測儀表實現(xiàn)一個或多個參數(shù)的測量敏感元件1敏感元件2敏感元件n…….信號變換處理顯示裝置檢測系統(tǒng)包括被測對象級檢測的全過程。檢測元件和顯示裝置使必需的，其他部分視具體結構而定。檢測元件顯示裝置光纖溫度傳感器1.1.4檢測技術的主要研究內(nèi)容1、發(fā)現(xiàn)和應用新的測量原理，從事相應傳感器的開發(fā)研究；2、選擇合適的測量原理，確定測量方法；如：電測法和非電測法、直接測量與間接測量、絕對測量與相對測量、開環(huán)測量與閉環(huán)測量等。3、設計或選用各類裝置組成測試系統(tǒng)；4、測量數(shù)據(jù)的分析處理，得出符合客觀實際的結論。測試技術是指測試過程中所涉及的測試理論、測試方法、測試設備等。

1.1.5現(xiàn)代檢測技術的發(fā)展趨勢

提高自動檢測系統(tǒng)的檢測分辨率、精度、穩(wěn)定性和可靠性；利用新技術新原理研制新型傳感器，以組成新型的自動檢測系統(tǒng)和填補自動檢測系統(tǒng)的空白；微電子技術、微型計算機技術與傳感器技術相結合構成新一代的智能化自動檢測系統(tǒng)；采用多傳感器去探索檢測線的、面的和體的空間參數(shù)及綜合參數(shù)，以構成特殊的自動檢測系統(tǒng)。智能化、虛擬化、網(wǎng)絡化、微型化、多參數(shù)化1.2.1檢測方法直接檢測法：用測量精確程度較高的儀器測量被測量，直接得到測量結果的方法。間接檢測法：利用被測量與某些物理量間的函數(shù)關系，先測出這些物理量（間接量），再得出被測量數(shù)值的方法。組合檢測法：被測量與多個量存在多元函數(shù)關系時，可以直接測量出這幾個相關的量，然后解方程組求出被測量。1.2.2檢測儀表的基本功能1.變換功能：利用物質(zhì)的物理、化學性質(zhì)，把被測量轉(zhuǎn)變成便于測量、傳輸和處理的另一種物理量的過程。2.選擇功能：實現(xiàn)測量，在設計制造儀表或變換元件時，應使其具有選擇的功能，即選擇有用測量信號而抑制其他干擾信號的功能。3.比較功能:被測量與標準量進行比較的方法。4.顯示功能：測量儀表將測量結果指示或記錄下來的功能。1.2.3檢測儀表的基本性能指標1、靜態(tài)性能指標（1）基本誤差和精度（2）變差（3）非線性誤差（4）靈敏度和靈敏限2、動態(tài)性能指標（1）基本誤差和精度在測量儀表量程范圍內(nèi)，輸出量和理論值的最大偏差與量程比值的百分數(shù)，稱做儀表的基本誤差（相對百分誤差）。即：用來表征測量儀表基本誤差允許值等級的量，稱做儀表的精度。例如：0.5級精度的儀表，其允許基本誤差是-0.5%≤δ允≤0.5%；也就是說，精度數(shù)值前加上正、負號后加％即為其允許誤差范圍。反過來，把允許誤差限值去掉正負號及％即為精度。1、靜態(tài)性能指標國家規(guī)定劃分的等級有：…,0.05,0.1,0.25,0.35,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0…,所謂的1級就是儀表允許的最大相對百分誤差為1%。例1-1：有一臺測壓儀器，測量標尺范圍為0-500Kpa，絕對誤差最大值為4Kpa，確定該儀表的精度等級。解：

先計算儀表最大誤差大于0.5%，小于1%，按儀表精度等級劃分，儀表精度為1級。若絕對誤差不變，測量范圍改為200-400kpa，則最大相對百分誤差為：按儀表精度等級劃分，該儀表的精度為2.5級。也說明，儀表的絕對誤差相等時，測量范圍大的儀表精度高，反之精度低。解：該測溫儀表的最大誤差為

去掉%后，該表的精度值為0.6，介于國家規(guī)定的精度等級中0.5和1.0之間，而0.5級表和1.0級表的允許誤差δ表允分別為±0.5%和±1.0%。則這臺測溫儀表的精度等級只能定為1.0級。例1-2某臺溫度檢測儀表的測溫范圍為100～600℃，校驗該表時得到的最大絕對誤差為3℃，試確定該儀表的精度等級。例題例1-3現(xiàn)需選擇一臺測溫范圍為0～500℃的測溫儀表。根據(jù)工藝要求，溫度指示值的誤差不允許超過±4℃，試問：應選哪一級精度等級的儀表？解：工藝允許相對誤差為

去掉±和%后，該表的精度值為0.8，也是介于0.5～1.0之間，而0.5級表和1.0級表的允許誤差δ表允分別為±0.5%和±1.0%。應選擇0.5級的儀表才能滿足工藝上的要求。例題（2）變差變差：是指測量儀表在同一輸入量下，其上行程與下行程輸出量的最大差值。變差通常也表示成相對百分數(shù)的形式，即：原因：主要由于傳動機構的間隙、摩擦或者儀表元器件吸收、釋放能量所造成的。測量儀表的非線性誤差（3）非線性誤差

理論上具有線性特性的檢測儀表，各種原因使實際特性偏離線性，是指儀表的特性曲線與端基直線最大輸出偏差值的絕對值與量程比值的百分數(shù)，即：量程=Y上-Y下測量量程=X上-X下實際特性偏離線性程度的指標（4）靈敏度和靈敏限在穩(wěn)定狀態(tài)下，儀表的輸出增量對輸入增量的比值，稱為儀表的靈敏度。表征檢測儀器對被測參數(shù)變化的靈敏程度，指被測參數(shù)單位變化時，儀表所指示值的變化。它就是儀表靜態(tài)特性曲線上相應點的斜率：

靈敏限：引起儀表示值可見變化的被測變量的最小變化值。一般應不大于儀表允許誤差絕對值的一半。2、動態(tài)性能指標儀表的輸入量隨時間而變化的工作狀態(tài)，稱為動態(tài)。儀表在動態(tài)下工作出現(xiàn)的輸出特性，稱為動態(tài)特性。儀表輸入發(fā)生變化，必然引起輸出值的變化，即引起動態(tài)響應。輸出值隨時間變化的曲線，稱為動態(tài)響應曲線。

（1）階躍響應

（2）頻率響應

實際測量過程中，大部分被測量是隨時間變化的動態(tài)信號，儀表不僅要精確地反映出被測量的大小，還應該正確再現(xiàn)被測量隨時間變化的規(guī)律。動態(tài)特性反映了輸出值真實再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。（1）階躍響應上升時間tr：y(t)從10%yH到達90%yH所需的時間。峰值時間tp：y(t)到達第一次峰值所需要的時間，稱為峰值時間。穩(wěn)定時間ts：y(t)到達誤差允許范圍±5%所需的時間稱為穩(wěn)定時間。二階儀表階躍響應性能指標（2）頻率響應當測量儀表的輸入信號為一定頻率和幅值的波動信號時，其輸出值所引起的響應，稱做頻率響應。

若儀表的頻率響應性能不好，會使儀表輸出值的差動加大，甚至引起共振，使儀表不能正常工作。3、檢測儀表的可靠性（1）可靠度：儀表在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)，實現(xiàn)規(guī)定功能（2）失效率（3）平均無故障工作時間

λ(t)-t曲線可靠性：儀表在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)，實現(xiàn)規(guī)定功能的能力。1.3測量誤差1.3.1誤差存在的絕對性1.3.2誤差的分類1.3.3誤差處理的基本方法1按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分類（1）系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差也稱裝置誤差，它反映了測量值偏離真值的程度（準確度）。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，均屬于系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，因此可以通過實驗的方法或引入修正值的方法計算修正，也可以重新調(diào)整測量儀表的有關部件予以消除。

夏天擺鐘變慢的原因是什么？1.3.2誤差的分類（2）隨機誤差

隨機誤差也稱偶然誤差，它反映了測量值離散性的大?。ň芏龋ｋS機誤差是測量過程中許多獨立的、微小的、偶然的因素引起的綜合結果。在同一條件下，多次測量同一被測量，有時會發(fā)現(xiàn)測量值時大時小，誤差的絕對值及正、負以不可預見的方式變化。例如：測粉筆的長度或直徑長度相對測量值（3）粗大誤差

就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當發(fā)現(xiàn)粗大誤差時，應予以剔除。如：讀書讀錯，突然外界條件干擾等2.按誤差本身因次（單位）分類：絕對誤差相對誤差絕對誤差=測量值－真值儀表指示值的絕對誤差與被測量的真值的比值相對百分誤差實際相對誤差標稱相對誤差絕對誤差：不能作為儀表測量精度的比較尺度。3.按使用的工作條件分類基本誤差：規(guī)定正常工作條件下所產(chǎn)生的誤差附加誤差：偏離規(guī)定的正常工作條件所產(chǎn)生的誤差按誤差的特性分類靜態(tài)誤差：被測量處于穩(wěn)定不變時的測量誤差。動態(tài)誤差：被測量處于變化過程中，檢測所產(chǎn)生的瞬時誤差。誤差產(chǎn)生原因系統(tǒng)誤差環(huán)境誤差人員誤差1.3.3誤差處理的基本方法一、誤差分析

粗大誤差是人為造成的，可以通過加強責任感避免，也可以通過某些判據(jù)發(fā)現(xiàn)并剔除隨機誤差表現(xiàn)出單次測量的隨機性與測量總體誤差分布的規(guī)律性特征，因此可通過統(tǒng)計處理的方法對誤差進行最可信估計系統(tǒng)誤差存在與否的檢驗是系統(tǒng)誤差分析與評價的核心問題，因為系統(tǒng)誤差的規(guī)律性決定其處理與補償?shù)挠行浴ｋS機誤差的估計與統(tǒng)計處理n次重復測量，各個測量誤差出現(xiàn)的概率密度分布服從正態(tài)分布，即為測量值與約定真值之間的誤差，即隨機誤差，均方根誤差（標準誤差）特點：誤差的對稱性誤差的單峰性誤差的有界性誤差的抵償性標準差的計算n趨于無窮大n為有限時粗大誤差的判別拉依達（Райта）法（只能用于n≥30)格拉布斯（Grubbs）法系統(tǒng)誤差實驗對比法殘余誤差觀察法標準差判據(jù)二、誤差的處理系統(tǒng)誤差的合成設檢測系統(tǒng)的待測參數(shù)為隨機誤差的合成在間接測量情況下，設間接測量量（待測參數(shù)）誤差的總合成三、消除和減少誤差的一般方法

減小隨機誤差的方法提高檢測系統(tǒng)準確度抑制噪聲干擾對測量結果的統(tǒng)計處理三、儀表的誤差補償及線性化系統(tǒng)誤差補償恒值修正法差動法相互抵消法濾波法減小隨機誤差方法抑制噪聲干擾對測量結果的統(tǒng)計處理儀表的線性化直接刻度縮小工作范圍修正法一、自然規(guī)律與檢測方法

守恒定律：能量、動量、電荷量場定律：運動場、電磁場物質(zhì)定律：如電阻等統(tǒng)計法則：統(tǒng)計方法，如熱噪聲型溫度檢測方法參數(shù)檢測的一般方法和原理檢測系統(tǒng)能夠正確傳遞信息、進行信號轉(zhuǎn)換、實現(xiàn)參數(shù)的檢測，是因為利用了自然規(guī)律中的各種定律、法則和效應。二、基礎效應

應變效應光導效應壓阻效應壓電效應熱電效應霍爾效應

…….參數(shù)的檢測離不開敏感元件，敏感元件是按照一定的原理把被測量的信息轉(zhuǎn)換為另外一種可進一步進行處理或表示的信息，這個轉(zhuǎn)換過程一般是利用了諸多的效應：物理效應、化學效應和生物效應。第2章溫度的測量

本章介紹了溫標的概念，然后按照測量方法的分類，分別介紹了各種測溫方法和儀表：包括接觸式測溫儀表、非接觸式測溫儀表、新型溫度傳感器和儀表系列溫度變送器。教學目錄：2.1概述2.2接觸式測溫方法及儀表2.3非接觸式測溫方法及儀表2.4新型溫度傳感器

2.5溫度變送器2.1概述2.1.1溫度和溫標

2.1.2測溫方法分類

重點：幾種常用溫標的定義。難點：各種溫標之間的換算。重點：分類原則、各種測溫方法的優(yōu)缺點。2.1.1溫度和溫標1.溫度的基本概念溫度是表征物體冷熱程度的物理量。

2.溫標溫標就是量度物體溫度高低的標尺，是溫度的一種數(shù)值表示。

溫標包含兩方面：一是溫度數(shù)值化的一套規(guī)則和方法；二是溫度的測量單位。三種常用溫標：（1）經(jīng)驗溫標：借助于某一種物質(zhì)的物理量與溫度的變化的關系，用實驗方式或經(jīng)驗公式所確定的溫標稱作經(jīng)驗溫標。主要有攝氏溫標和華氏溫標，都是根據(jù)水銀受熱后體積膨脹的性質(zhì)建立起來的。

攝氏溫標（℃）攝氏溫標規(guī)定在標準大氣壓下，水的冰點為0℃，水的沸點為100℃，并將兩固定點之間等分100份，每一份稱為攝氏一度，一般用“℃”表示攝氏度數(shù)。華氏溫標（℉）華氏溫標規(guī)定在標準大氣壓下，水的冰點為32℉，水的沸點為212℉，在這兩個固定點之間劃分180等份，每一份稱為華氏一度，用“℉”表示。華氏溫標與攝氏溫標有如下關系：m=1.8n+32式中，m、n分別表示華氏溫度值和攝氏溫度值。2.1.1溫度和溫標

（2）熱力學溫標（K）熱力學溫標是建立在熱力學第二定律基礎之上的一種理想溫標，它與物質(zhì)性質(zhì)無關。是純理論性的，無法直接加以實現(xiàn)。

（3）90國際溫標（ITS—90）

ITS—90同時使用國際開爾文溫度（符號T90）和國際實用攝氏溫度（符號t90）。

T90與t90的關系為：

t90=T90–273.15式中，T90的單位是開爾文（K），t90的單位是攝氏度（℃）。這里攝氏度與開爾文溫度分度值相同，即溫度間隔lK等于1℃。2.1.1溫度和溫標例題例2-1已知某點溫度為10℃，將該溫度轉(zhuǎn)換為華式溫標和90國際溫標。解：根據(jù)各種溫標間的關系m=1.8n+32=(1.8×10+32)℉=50℉T90=t90+273.15=(10+273.15)K

=283.15K2.1.2測溫方法分類1.接觸式測溫：直接接觸充分的熱交換，達到熱平衡2.非接觸式測溫：被測物的熱輻射實現(xiàn)能量交換膨脹式溫度計、壓力式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計等。不改變被測物的溫度分布，熱慣性小，便于測量運動的物體和溫度變化快的物體。光學高溫計、光電高溫計、輻射高溫計和比色高溫計等。

敏感元件與被測介質(zhì)是否接觸：接觸式和非接觸式2.2.1膨脹式溫度計

2.2.2壓力式溫度計

2.2.3熱電偶溫度計

2.2.4熱電阻溫度計

2.2接觸式測溫方法及儀表2.2.5接觸式測溫實例

2.2.1膨脹式溫度計1.液體膨脹式溫度計液體膨脹式溫度計是一種直讀式的、應用最早的溫度測量儀表，最常見的是玻璃管式溫度計。

1—安全包2—標尺3—毛細管4—感溫包圖2-1玻璃管式溫度計2.固體膨脹式溫度計（1）桿式溫度計測溫管6的膨脹系數(shù)大于傳遞管7，溫度升高或降低時，傳遞桿的上端向下或向上移動，通過搖板2使指針3轉(zhuǎn)動，指示出被測溫度的值。1拉簧、2搖板、3指針、4外殼、5彈簧、6測溫管、7傳遞桿（2）雙金屬式溫度計是固體膨脹式溫度計中應用較多的一種，感溫元件是由兩片膨脹系數(shù)不同的金屬片疊焊在一起，受熱后，由于膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生彎曲，溫度越高，產(chǎn)生的線膨脹長度差也就越大，引起的彎曲角度也就越大。2.2.2壓力式溫度計測量原理：是基于封閉在容器中的液體、氣體或某種低沸點的飽和蒸氣受熱后體積膨脹而使壓力發(fā)生變化的性質(zhì)。特點：簡單、可靠、抗震性好，具有良好的防爆性，常應用在飛機、汽車上，也可以作為溫度控制裝置，但動態(tài)特性能差，示值的滯后性較大，不易測量迅速變化的溫度。毛細管2與7一端相連，溫度計內(nèi)腔壓力變化使彈簧管7的自由端產(chǎn)生角位移，通過拉桿4、齒輪傳動機構6和8帶動指針10偏移，在刻度盤9上指示出被測溫度值。1溫包、2毛細管、3基座、4拉桿、5外殼、6扇形齒輪、7彈簧管、8齒輪軸、9刻度盤、10指針重點：熱電偶的基本定律應用、冷端溫度補償、熱電偶的選型、安裝。難點：冷端溫度補償、熱電偶的選型。組成:由熱電偶、連接導線和顯示儀表（電位差計或動圈儀表）組成。優(yōu)點：結構簡單、制造方便、測量范圍寬（－271.15℃～2800℃）、熱慣性小、精度高、適于遠距離測量和便于自動控制等。2.2.3熱電偶溫度計2.2.3熱電偶溫度計1.熱電偶的測溫原理2.熱電偶回路特性3.熱電極材料4.熱電偶的種類5.熱電偶的結構形式6.熱電偶的冷端溫度補償7.熱電偶的實用測溫電路8.熱電偶的校驗1.熱電偶的測溫原理參比端（冷端或自由端）

熱電勢熱電極A熱電極B

測量端（熱端或工作端）熱電效應：把兩種不同材料的金屬導體（或半導體）A和B連接成閉合回路，若兩個接點溫度t與t0不相等，則回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，這一現(xiàn)象稱為熱電效應。所產(chǎn)生的熱電動勢由溫差電動勢和接觸電動勢兩部分組成。

（1）溫差電動勢

：

tUA(t)t0

UA(t0)UA(t,t0)t>t0

UA(t,t0)=UA(t)-UA(t0)1.熱電偶的測溫原理一根勻質(zhì)金屬導體一端加熱，另外一端保持原態(tài)，兩端用電流表連接起來，有電流流過，說明導體兩端產(chǎn)生一個電動勢，原因：高溫端電子能量大于低溫端，自由電子運動。溫差電動勢比接觸電動勢小的多，可以忽略不計（2）接觸電動勢電子密度較大的導體A與電子密度比較小的導體B接觸時，從A向B擴散的電子比從B向A擴散的電子數(shù)目多，A帶+，B帶-，形成電位差。（3）熱電偶回路的總電動勢當t0為一定時，為常數(shù)C，則對確定的熱電偶電極，其總電勢只與溫度t成單值函數(shù)關系0℃時用實驗方法測出各種不同熱電極組合的熱電偶在不同工作溫度下所產(chǎn)生的熱電動勢，列成分度表，溫度與熱電動勢之間的關系也可以用函數(shù)表示，稱為參考函數(shù)熱電偶回路的熱電動勢僅是熱電偶兩端溫度的函數(shù)差，而不是熱電偶兩端溫度差的函數(shù)。2.熱電偶基本定律（1）中間導體定律在熱電偶回路中引入第三種導體C，只要第三種導體兩端的溫度相同（t0），則此第三種導體的引入不會影響熱電偶回路的熱電動勢。注意：熱電偶自由端接儀表和連接導線時，要保證兩個連接點的溫度一致，不影響熱電偶的輸出中間導體定律具有如下實用價值：（1）為在熱電偶回路中連接各種儀表、連接導線提供理論依據(jù)。只要保證接入時兩端溫度相同，就不影響熱電動勢。中間導體定律具有如下實用價值：（2）可以采用開路熱電偶測量溫度。電極A和電極B可以直接插入到金屬表面進行測量，只要保證電極A和電極B插入位置的溫度相等（或極為相近）1顯示儀表、2連接導線、3熱電極A、4熱電極B、5液態(tài)金屬、6固態(tài)金屬（2）均質(zhì)導體定律由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論導體的截面積和各處的溫度如何分布，均不產(chǎn)生熱電勢。說明熱電偶必須由不同性質(zhì)的材料構成。（3）中間溫度定律

中間溫度定律具有如下實用價值：1）為在熱電偶回路中應用補償導線提供了理論依據(jù)。2）為制定和使用熱電偶分度表奠定了基礎。熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢EAB（t，t0）等于熱電偶AB在接點溫度為t，tc和tc、t0的熱電勢之和例2-2用鎳鉻—鎳硅（K型）熱電偶測量爐溫，熱電偶的冷端溫度為40℃，測得的熱電動勢為35.72mV，問被測爐溫為多少?解：查K型熱電偶分度表知E(40,0)=1.611mV測得：E(t,40)=35.72mV則：E(t,0)=E(t,40)+E(40,0)=(35.72+1.611)mV=37.33mV查分度表知t=900.1℃，則被測爐溫為900.1℃。（4）標準電極定律

實用價值：只要知道某兩種金屬導體分別與標準電極相配的分度表，就可以計算出這兩種導體組成的熱電偶的分度表。實際應用中一般選擇易提純，物理、化學性質(zhì)穩(wěn)定，復現(xiàn)性好、熔點較高的鉑作為標準電極。在接點溫度均為t，t0時，用導體A、B組成的熱電偶電動勢等于由導體A、C組成的熱電偶和由導體C、B組成的熱電偶的熱電勢的代數(shù)和（C稱為標準電極）3.熱電極材料1）熱電動勢及熱電動勢率要大，保證足夠的靈敏度。2）熱電特性最好是線性或近似線性的單值函數(shù)關系。3）能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，物理、化學性質(zhì)要穩(wěn)定。4）要有高的電導率、小的電阻溫度系數(shù)及小的導熱系數(shù)。5）復制性要好，即用同一種材料制成的熱電偶其熱電特性要一致，這樣便于制作統(tǒng)一的分度表。6）材料組織要均勻，具有良好的韌性，焊接性能好，以便熱電偶的制作。7）資源要豐富，價格低廉。4.熱電偶的種類——標準化熱電偶1）鉑銠10—鉑熱電偶（S型）2）鉑銠13—鉑熱電偶（R型）3）鉑銠30—鉑銠6熱電偶（B型）4）鎳鉻—鎳硅熱電偶（K型）5）鎳鉻硅—鎳硅熱電偶（N型）6）鎳鉻—康銅（E型）7）鐵—康銅（J型）8）銅—康銅（T型）

5.熱電偶的冷端溫度補償（1）補償導線法補償導線：在100℃以下的溫度范圍內(nèi)，熱電特性與所配熱電偶相同且價格便宜的導線，稱為補償導線。補償導線的作用：就是延長熱電極，即將熱電偶的冷端延伸到溫度相對穩(wěn)定區(qū)。補償導線的型號：延伸型補償導線——用于廉金屬熱電偶；補償型補償導線——用于貴金屬熱電偶和某些非標準熱電偶。補償導線使用注意事項

補償導線只能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（一般為0-100℃）與熱電偶的熱電勢相等或相近。不同型號的熱電偶有不同的補償導線。熱電偶和補償導線的兩個接點處要保持同溫度。補償導線有正、負極，需要分別于熱電偶的正、負極連接。補償導線的作用只是延伸熱電偶的自由端，當自由端的溫度t0不等0時，還需要進行其他補償與修正。5.熱電偶的冷端溫度補償例2-3用鎳鉻—鎳硅熱電偶測量某一實際為1000℃的對象溫度。所配用儀表在溫度為20℃的控制室里，設熱電偶冷端溫度為50℃。當熱電偶與儀表之間用補償導線或普通銅導線連接時，測得溫度各為多少?又與實際溫度相差多少?5.熱電偶的冷端溫度補償解：查K型熱電偶分度表，得E(1000,0)=41.269mV，E(50,0)=2.022mV，E(20,0)=0.798mV。若用補償導線，儀表測得熱電動勢值為E(1000,20)=E(1000,0)–E(20,0)=40.471mV查分度表得對應的溫度為979.6℃若用銅導線，儀表測得熱電動勢值為E(1000,50)=E(1000,0)–E(50,0)=39.247mV查分度表得對應的溫度為948.4℃兩種方法測得的溫度相差31.2℃，測量誤差分別為–20.4℃和–51.6℃。5.熱電偶的冷端溫度補償（2）計算校正法1）準確計算校正法根據(jù)中間溫度定律，對測得熱電動勢進行修正。適用于實驗室中用直流電位差計來測溫的情況。2）近似計算校正法K的取值：K型熱電偶，在0～1000℃范圍內(nèi)，K≈1；S型熱電偶，在800～1300℃，K=0.6～0.5t冷端溫度，t’儀表的指示溫度5.熱電偶的冷端溫度補償例2-4用分度號為S的鉑銠10—鉑熱電偶測爐溫，其冷端溫度為30℃，而直流電位差計測得的熱電動勢為9.481mV，試求被測溫度。再查該分度表得被測溫度t=1006.5℃。若不進行校正，則所測9.481mV對應的溫度為991℃，誤差–15.5℃。解：查鉑銠10—鉑熱電偶分度表，得E(30,0)=0.173mV，由式（2-5）得5.熱電偶的冷端溫度補償例2-5解：在l000℃左右，鉑銠10—鉑熱電偶的校正系數(shù)可近似取0.55，因此按式（2-9）可得爐溫t為t=t′+Ktc=(991+0.55×30)℃=1007.5℃與例2-4相比可以看出，近似計算法僅比準確計算方法相差1℃。這說明此種方法在一些精度要求不高的現(xiàn)場是可以使用的。用S型熱電偶測爐溫，其冷端溫度為30℃，顯示儀表的指示值為991℃，試求爐溫。5.熱電偶的冷端溫度補償（3）自由端恒溫法工業(yè)應用時，一般把補償導線的末端（自由端）引導到某一恒溫器中，維持某一恒定的溫度。1）冰浴法（保持0℃）2）恒溫箱法3）恒溫室法5.熱電偶的冷端溫度補償（4）補償電橋法補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電動勢變化。

5.熱電偶的冷端溫度補償（5）儀表機械零點調(diào)整法用熱電偶測溫時，若t0=tn≠0℃，要使指示值不偏低，可先將顯示儀表指針調(diào)整到相當于熱電偶冷端溫度tn的位置上。

應用于：一些精度要求不高、冷端溫度不經(jīng)常變化的情況下。6.熱電偶的結構形式（1）裝配式熱電偶（2）鎧裝型熱電偶（3）薄膜型熱電偶（4）快速微型熱電偶鎧裝型熱電偶可長達上百米7.熱電偶的實用測溫電路（1）工業(yè)用熱電偶測溫的基本線路（2）熱電偶的串聯(lián)1）熱電偶的正向串聯(lián)

若將多支熱電偶的測量端置于同一測量點上構成熱電堆（如輻射溫度計），測量微小溫度變化或輻射能時，可大大提高靈敏度。

7.熱電偶的實用測溫電路2）熱電偶的反向串聯(lián)

將兩支同型號的熱電偶反接起來，可以測量兩點間的溫差。注意：用這種差動電路測量溫差時，兩支熱電偶的熱電特性必須相同且成線性，否則會引起測量誤差。

7.熱電偶的實用測溫電路（3）熱電偶的并聯(lián)三支同型號的熱電偶的并聯(lián)線路，此時輸入到顯示儀表的電動勢值為：E=(E1+E2+E3)/3。

2.2.4熱電阻及測溫原理1.熱電阻2.半導體熱敏電阻重點：標準化熱電阻型號、選型，接線制。難點：接線制。重點：熱敏電阻的特性及分類

。1.熱電阻（1）熱電阻的測溫原理當溫度發(fā)生改變時，熱電阻的阻值隨之變化。通過變化的電阻值可間接地測得溫度的變化量，這就是熱電阻的測溫原理。這種電阻隨溫度變化的特性可用如下三種方法表示：1）列表法（分度表）2）作圖法（特性曲線）3）數(shù)學表示法1.熱電阻（2）熱電阻的結構普通工業(yè)用鉑電阻和銅電阻由電阻體、引出線、絕緣管、保護管和接線盒等組成。

1）電阻體（無感雙繞法）1外殼或絕緣片、2鉑絲、3骨架、4引出線（3）熱電阻的結構2）熱電阻的引出線：①兩線制。引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。②三線制?？梢暂^好地消除引線電阻的影響，測量準確度高于兩線制，所以應用較廣。③四線制。精度高，但是麻煩。

（4）標準化熱電阻1）鉑電阻優(yōu)點：鉑是一種貴金屬，具有準確度高、穩(wěn)定性好、性能可靠以及抗氧化性很強。在–259.3467～961.78℃的溫域內(nèi)以鉑電阻溫度計作為標準儀器。缺點：鉑電阻的電阻值與溫度為非線性關系，電阻溫度系數(shù)α比較小，……。工業(yè)用鉑電阻溫度計的使用范圍：–200～850℃分度號：Pt10、Pt100（4）標準化熱電阻2）銅電阻優(yōu)點：價格低廉，具有較大的電阻溫度系數(shù)，材料容易提純，具有較好的復制性，容易加工成絕緣的銅絲，銅的電阻值與溫度的關系在測量范圍內(nèi)幾乎是線性的。缺點：易氧化，氧化后即失去其線性關系。。工業(yè)用銅電阻溫度計的使用范圍：–50～150℃分度號：Cu50、Cu100（5）金屬熱電阻的特點（與熱電偶比）1）同樣溫度下輸出信號大，易于測量；2)熱電阻的阻值測量必須借助于外加電源（把電阻值變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出）；3）同類材料做成的熱電阻不如熱電偶測溫上限高，但在低溫區(qū)（<0℃）用熱電阻測溫較好；2.半導體熱敏電阻（1）熱敏電阻的特性及分類1）負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC2）正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC3）臨界溫度系數(shù)熱敏電阻CTR

利用某些半導體材料的電阻值隨溫度的升高而減小（或升高）的特性制成。2.半導體熱敏電阻（2）熱敏電阻的結構（3）熱敏電阻的特點優(yōu)點：1)靈敏度高，是金屬熱電阻的十多倍；2）電阻值高，不必采用三線制或四線制，使用方便；3）體積小，熱慣性也小，時間常數(shù)通常在0.5-3s；4)結構簡單，價格低廉，化學穩(wěn)定性好，使用壽命長。缺點：互換性差；非線性嚴重；溫度測量范圍有一定限制，目前只能在-50~300℃。2.2.5接觸式測溫實例1.固體表面溫度的測量（1）熱電偶與被測表面的接觸形式2.2.5接觸式測溫實例2.管道中流體溫度的測量主要誤差：導熱誤差。（1）感溫元件的安裝要求

1）把感溫元件的外露部分用保溫材料包起來。2）感溫元件應逆著介質(zhì)流動方向傾斜安裝，至少應正交，切不可順流安裝。3）感溫元件應有足夠的插入深度。4）感溫元件應與被測介質(zhì)充分接觸。5）應使測溫管或保護管的壁厚和外徑盡量小一些。2.2.5接觸式測溫實例（2）應用實例分析2.3非接觸式測溫方法及儀表重點：基本概念、各種溫度計的原理、結構、使用。難點：基本概念。2.3.1輻射測溫的基礎理論2.3.2非接觸式測溫實例2.3.1輻射測溫的基礎理論1.基本概念（1）輻射式溫度計：是利用物體的輻射能隨溫度而變化的原理制成的。

只需要把溫度計對準被測物，不必要與被測物體直接接觸，可以用于檢測運動物體的溫度和小的被測對象的溫度，不會破壞被測對象的溫度場。當輻射能投射到物體表面時，一般情況下，其中的一部分被物體吸收，一部分被反射，另一部分可透過物體。式中，α、ρ、τ分別是吸收率、反射率、透射率。1）α=1的物體稱為絕對黑體，簡稱為黑體。2）ρ=1的物體稱為絕對鏡白體，簡稱白體；或絕對鏡體，簡稱鏡體。3）τ=1的物體稱為絕對透明體，簡稱為透明體。4）對于一般工程材料來講，τ=0而α+ρ=1，稱為灰體。輻射測溫的基本方法：1、全輻射法：測出物體在整個波長范圍內(nèi)的輻射能量F(T)，用輻射率校正后確定被測物的溫度。

特點：接受輻射能量大，利于提高儀表靈敏度，但容易受環(huán)境的干擾。環(huán)境溫度不許高于100℃，否則應冷卻。隨著感溫器到被測物體的距離L的不同，對被測物體的大?。ㄍǔＶ钢睆紻）有一定的限制值，感溫器要與被測表面垂直。2、亮度法：測出物體在某一波長（實際上是一波段）上的輻射能量F(T)，經(jīng)輻射率校正后確定被測物體的溫度。

特點：接受的輻射能量較小，但抗環(huán)境干擾能量強。3、比色法：測出物體在兩個特定波段上的輻射能比值?(T)，經(jīng)輻射率校正后確定被測物體的溫度。

特點：適應性強，物體的輻射率影響較小，儀表值接近真實溫度，但結構復雜，儀表設計和制造要求高。比色溫度可小于、等于或大于真實溫度。與真實溫度之差小得多，測量準確度高。比色高溫計可在惡劣環(huán)境中使用。2.3.2非接觸式測溫實例1.非接觸式測溫的干擾分析（1）光路中的干擾：在波長為1.8～2.8μm、3.0～5.5μm和8～14μm三個波段內(nèi)輻射能被吸收的較少，稱為大氣窗口。（2）外來光干擾：改變測量方向的方法來躲過外來光，或設置遮蔽裝置。（3）黑度變化的影響：

1）在被測表面上涂已知黑度的涂料。2）人為創(chuàng)造黑體輻射的條件。3）利用前置反射器輻射溫度計來測真實溫度。4）減小由于黑度變化產(chǎn)生的測量誤差。2.3.2非接觸式測溫實例2.熱軋帶鋼表面溫度的測量從輻射測溫的角度來觀察熱軋帶鋼生產(chǎn)有如下特點：

1）軋制速度高。2）被軋制材料溫度變化很大，一般為500～1300℃。3）由于軋制和冷卻多次反復進行，所以被軋材料的黑度經(jīng)常變化，周圍的水蒸氣濃度大而且也經(jīng)常變化。4）帶鋼表面某些局部經(jīng)常有水膜，而且水膜的大小和地點變化無常，也常有鱗片狀的銹、渣和灰塵附著在帶鋼的表面。選用：硅光電池光電高溫計

2.4新型溫度傳感器2.4.1集成溫度傳感器AD590半導體集成溫度傳感器AD590是二端電流源器件，它的輸出電流與器件所處的熱力學溫度（K）成正比，其溫度系數(shù)為1μA/K，0℃時該器件的輸出電流為273μA，AD590的工作溫度為–55～+150℃，外接電源電壓在4～30V內(nèi)任意選定。當所加電壓變化時，其輸出電流基本不受影響。利用晶體管PN結的電流電壓特性與溫度的關系，把敏感元件、放大電路和補償電路等部分集成化，封裝在一起的一體化測溫元件。特點：體積小、反應快，線性好、性能高、價格低，一般只能測150℃以下的溫度。2.4新型溫度傳感器2.4.2光纖溫度傳感器光纖的工作原理是光的全反射。一束光線入射進光纖時，與芯線軸線的夾角小于30°范圍內(nèi)的入射光線將沿光纖傳輸。光纖溫度傳感器是采用光纖作為敏感元件或能量傳輸介質(zhì)而構成的新型測溫儀表。

特點：靈敏度高；電絕緣性能好，可適用于強烈電磁干擾、強輻射的惡劣環(huán)境；體積小、重量輕、可彎曲；可實現(xiàn)不帶電的全光型探頭等。2.5溫度變送器2.5.1儀表系列溫度變送器特點：①需要24V直流供電，變送器內(nèi)無電源電路。②輸出信號有4～20mA.DC和1～5V.DC兩種，可根據(jù)需要選用。③采用集成電路運算放大器件。④除直流毫伏輸入的品種之外，熱電偶輸入和熱電阻輸入的品種都有線性化功能。⑤兼有安全柵作用，可以用于防爆系統(tǒng)。2.5溫度變送器直流毫伏、熱電偶、熱電阻這三種輸入信號的量程單元各不相同，但其后所接的放大單元相同，可以互換。2.5溫度變送器1.直流毫伏變送器量程單元2.熱電偶溫度變送器量程單元熱電偶溫度變送器的量程單元必須有冷端溫度補償功能及線性化功能。調(diào)零、調(diào)滿功能。3.熱電阻溫度變送器的量程單元采用三線制接法，也要線性化功能。調(diào)零、調(diào)滿功能。調(diào)零、調(diào)滿功能。2.5溫度變送器2.5.2一體化溫度變送器配熱電偶的SBWR型又分為不同的分度號，例如有E、K、S、B、T等。配熱電阻的SBWZ型又分為Cu50、Cu100、Pt100等。按輸出信號有無線性化又分為兩種。一種是輸出信號與被測溫度呈線性關系的；另一種是輸出信號與輸入電信號（熱電動勢或電阻值）呈線性關系的。第3章壓力和差壓的測量

本章介紹幾種在實驗和工業(yè)生產(chǎn)中使用較多的壓力檢測儀表的檢測原理、組成結構和使用方法等。教學目錄：3.1概述3.2液柱式壓力計3.3彈性式壓力計3.4電氣式壓力計3.5壓力變送器3.6壓力計的校驗和使用3.1概述3.1.1壓力和差壓的概念及表示方法3.1.2壓力的度量單位重點：壓力的概念、壓力表示形式。難點：各種壓力之間的關系。重點：壓力的國際度量單位、我國常用單位。難點：壓力度量單位之間的換算。3.1.1壓力和差壓的概念及表示方法在工程技術上，壓力定義為垂直均勻地作用在單位面積上的力。各種壓力關系示意圖壓力表示方法：大氣壓p0

絕對壓力pa

表壓力p

真空度pv

差壓Δp

3.1.2壓力的度量單位帕斯卡（Pa）:國際制導出單位

1帕（Pa）=1牛頓/平方米（N/m2）

2.其他常用度量單位（1）工程大氣壓（kgf/cm2

）

1工程大氣壓=1千克力/厘米2（或公斤力/厘米2）

（2）毫米汞柱（mmHg）

（3）毫米水柱（mmH2O）3.1.3壓力檢測的主要方法和分類液柱式壓力檢測；彈性式壓力檢測；電氣式壓力檢測；活塞式壓力檢測。敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的特性，一般分為四類：3.2液柱式壓力計液柱式壓力計的測壓是基于液體靜力學原理，利用已知密度的液柱高度對底面產(chǎn)生的靜壓力來平衡被測壓力，根據(jù)液柱高度來確定被測壓力的大小。3.2.1U形管壓力計3.2.2單管壓力計3.2.3斜管壓力計3.2.4液柱式壓力計的使用3.2.1U形管壓力計1.U型管壓力計的結構U型管壓力計結構圖U型、內(nèi)截面積相同的玻璃管被固定在底板上，在U型管中間設一個刻度標尺，零點在標尺中央。U型玻璃管內(nèi)充入水銀或水等工作液，液體到零點處。2.U型管壓力計的工作原理

當p1=p2時，兩管中自由液面同處于標尺中央零刻度。當p2>p1時，右邊管中液面下降，左邊管中液面上升，一直到液面的高度差H產(chǎn)生的壓力與被測差壓平衡為止。根據(jù)流體靜力學原理有如果將兩管分別通大氣壓p0和被測壓力pa，則測得壓力為表壓力。

3.2.1U形管壓力計3.2.2單管壓力計1.單管壓力計的結構單管壓力計結構圖它是U型管壓力計的一種變形。單管壓力計把其中一個管用一個較大直徑的杯來代替，也稱杯型壓力計。由于杯的直徑與管的直徑相差較大，所以杯中液面高度下降h2可忽略不計，因此在測量時只要讀數(shù)一次就夠了，減小了讀數(shù)誤差。2.單管壓力計的工作原理測表壓時，被測壓力通到杯子一側(cè)，當被測壓力大于大氣壓時，玻璃管內(nèi)液面上升，而杯中液面下降，液面高度差H=h+h2，由于杯內(nèi)下降與細管上升液體體積相同，即

則由于，可忽略不計。所以

3.2.2單管壓力計3.2.3斜管壓力計1.斜管壓力計的結構斜管壓力計結構圖它是單管式壓力計的一種變形。將單管傾斜一個角度，這樣可以加長液柱長度，提高壓力計的靈敏度。斜管壓力計常用于測量微小的壓力和負壓。2.斜管壓力計的原理根據(jù)單管壓力計原理可知，當d2<<D2時。從式可知，它的讀數(shù)比單管式壓力計擴大1/sinα倍，使讀數(shù)精度有所提高。顯然，在用同一種工作液體，儀表刻度標尺也相同的情況下，管子的傾斜角度α愈小，靈敏度越高，但實際使用時，α不能小于15°，這是因為α太小使得液面拉得太長，反而難于準確讀數(shù)，增加讀數(shù)誤差。由于酒精有較小的密度，常用它做斜管微壓計的工作液體。3.2.2單管壓力計3.2.4液柱式壓力計的使用（1）壓力計在使用前，一定要放置水平，要保證管子處于嚴格的鉛垂位置，未測量時工作液面應處于標尺零位，否則將產(chǎn)生安裝誤差。（2）在確定液面高度差H時，可采用各種提高讀數(shù)精度的輔助裝置，如放大尺、游標尺、光學讀數(shù)系統(tǒng)等，減小讀數(shù)誤差。（3）由于毛細管的作用使管內(nèi)液體呈彎月形，對于浸潤液體（如水），液面呈凹月面，對于非浸潤液體（如汞），液面呈凸月面。因此，讀數(shù)時視線一定要與彎月面頂點相切。（4）當使用地點的環(huán)境溫度與重力加速度有較大偏差時，應注意修正。彈性式壓力計是利用各種形式的彈性元件受壓后變形產(chǎn)生的彈性力與被測表壓或真空度相平衡的原理制成的。彈性元件的形變大小是壓力的函數(shù)，通過測量彈性元件的形變就可以間接得到被測壓力的大小。3.3彈性式壓力計3.3彈性式壓力計3.3.1彈性元件3.3.2彈簧管壓力計重點：彈性元件結構、總類。難點：各彈性元件的量程比較。重點：彈簧管壓力計的原理、結構、工作過程。難點：彈簧管壓力計的檢定。3.3.1彈性元件彈性元件是彈性式壓力計的測壓敏感元件，是壓力—位移轉(zhuǎn)換元件。不同的彈性元件所適用的測壓范圍有所不同，工業(yè)上常用的彈性元件有膜片、膜盒、波紋管和彈簧管，結構如下圖所示：1.膜片膜片是一種沿外緣固定的片狀測壓彈性元件，測量時，將壓力或差壓轉(zhuǎn)換成膜片中心位移或集中力輸出，傳給傳動機構及指示機構就地指示。膜片的位移較小，靈敏度低，更多的應用是與壓力變送器配合使用。有時膜片也被用來隔離儀表和被測介質(zhì)，以保護儀表。膜片按其結構特征分為平膜片、波紋膜片。3.3.1彈性元件2.膜盒為增加膜片的中心位移量，提高儀表的靈敏度，可以把兩塊膜片沿周邊對焊起來，成一薄膜盒子，稱為膜盒。其撓變?yōu)閱蝹€膜片的兩倍，在測微壓時要使位移量更大，靈敏度更高，還可以把數(shù)個膜盒串在一起組成膜盒串作為彈性敏感元件。膜盒按其結構特征可分為開口膜盒、真空膜盒和填充膜盒。3.3.1彈性元件3.波紋管

波紋管是一種具有等間距同軸環(huán)狀波紋，能沿軸向伸縮的測壓彈性元件，又稱波紋箱。波紋管在受到外力作用時，其膜面產(chǎn)生的機械位移量主要不是靠膜面的彎曲形變，而是靠波紋柱面的舒展或壓屈來帶動膜面中心作用點的移動。由于位移相對較大，一般可直接帶動傳動機構、就地指示。靈敏度高，可以用來測量較低的壓力或壓差。但波紋管遲滯誤差較大，準確度最高僅為1.5級。3.3.1彈性元件4.彈簧管彈簧管是一根彎成270°圓弧的空心金屬管子，管子的截面呈扁圓形或橢圓形。管子封閉的一端（B）為自由端，即位移輸出端，管子另一端（A）開口，并被固定在接頭上，作為被測壓力的輸入端。

當被測壓力介質(zhì)從開口端進入并充滿彈簧管的內(nèi)腔時，橢圓或扁圓截面在被測壓力p的作用下將趨向圓形。由于彈簧管長度一定，迫使彈簧管產(chǎn)生向外挺直的擴張變形，結果改變彈簧管的中心角，使其自由端產(chǎn)生位移。3.3.1彈性元件3.3.2彈簧管壓力計1.單圈彈簧管壓力計結構彈簧管壓力計主要由彈簧管、齒輪傳動機構、指示機構以及表殼等幾個部分組成。1表殼、2彈簧管、3指針、4上夾板、5拉桿、6刻度盤、7接頭、8示值調(diào)節(jié)螺釘、9扇形齒輪、10中心齒輪、11游絲、12下夾板、13固定游絲螺釘3.3.2彈簧管壓力計2.多圈彈簧管壓力計單圈彈簧管壓力計由于自由端的位移和轉(zhuǎn)動力矩小，只能作指示式儀表用，而在工業(yè)生產(chǎn)的壓力測量中，往往還需要記錄壓力在某段時間的變化情況，因此需要使用壓力記錄儀，為了能帶動記錄機構的運動，就需要彈簧管自由端有較大位移和轉(zhuǎn)動力矩，在設計時可以將單圈彈簧管改為多圈式的。多圈彈簧管也叫螺線管壓力表，彈簧管的圈數(shù)一般有2.5圈至9圈，根據(jù)需要而定，管端的轉(zhuǎn)角一般在54°左右。3.3.2彈簧管壓力計3.彈簧管壓力表的檢定彈簧管壓力表在使用過程中要定期進行檢定，確定其精度等級。壓力表精度等級不同，對檢定環(huán)境溫度有嚴格要求。精度等級0.06，0.1，0.16，0.250.4，0.61，1.6，2.5，4檢定環(huán)境溫度/℃20±220±320±5檢定各級壓力表時環(huán)境溫度要求3.3.2彈簧管壓力計3.彈簧管壓力表的檢定壓力表在檢定過程中壓力表指針的轉(zhuǎn)動應在全量程范圍內(nèi)平穩(wěn)無跳動或卡住現(xiàn)象。首先根據(jù)其量程范圍確定檢定點，這些點應均勻分布在整個分度盤上，對于精密壓力表檢定點不應少于8個，一般壓力表不應少于5個。檢定時逐漸增加壓力或疏空，當示值達到測量上限后，須耐壓3min，然后按原檢定點倒序回檢，

檢定時，每個檢定點要進行兩次讀數(shù)，第一次在輕敲表殼前進行，第二次在輕敲表殼后進行。3.3.2彈簧管壓力計3.彈簧管壓力表的檢定壓力表檢定要計算的誤差有：（1）示值誤差

對每一檢定點，在升壓和降壓檢定時，輕敲表殼前、后的示值與標準值之差。（2）回程誤差

對同一檢定點，在升壓和降壓時，輕敲表殼后的示值之差。（3）輕敲位移

對每一檢定點，在升壓和降壓檢定時，輕敲表殼后引起的指針示值變動量。電氣式壓力傳感器是利用壓力敏感元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成各種電量，如電阻、頻率、電荷量等來實現(xiàn)測量的。電氣式壓力計測量范圍大，線性好，便于進行壓力的連續(xù)測量及遠傳，實現(xiàn)自動控制，尤其適合于壓力變化快和高真空、超高壓的測量。3.4電氣式壓力傳感器3.4電氣式壓力傳感器3.4.1應變式壓力傳感器重點：應變效應、壓阻效應、應變式壓力傳感器組成。難點：力-應變型彈性元件及應變片粘貼。3.4.2壓電式壓力傳感器重點：壓電效應、壓電式壓力傳感器原理、結構。難點：壓電材料特性、壓電式壓力傳感器使用。3.4.1應變式壓力傳感器應變式壓力計的工作原理是，被測壓力引起彈性元件應變，通過粘貼在彈性元件上電阻應變片將應變轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，最后通過測量電路把電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。應變式壓力計的核心敏感元件是電阻應變片，電阻應變片有金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。3.4.1應變式壓力傳感器1.應變效應和壓阻效應金屬電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形，從而引起電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應變效應。半導體電阻體材料在受到外力作用后，其晶格間距發(fā)生變化，從而使電阻率發(fā)生變化，壓力也隨之變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應。3.4.1應變式壓力傳感器2.應變片的結構金屬電阻應變片

柵絲式應變片結構常用的金屬電阻應變片有柵絲式、箔式和薄膜式等種類。結構如圖，一般由敏感柵（金屬絲或箔）、絕緣基底、覆蓋層或保護膜、引出線等部分組成。1引出線、2覆蓋面、3基層、4電阻絲3.4.1應變式壓力傳感器2.應變片的結構半導體應變片

體型半導體應變片結構半導體應變片的材料有硅、鍺、銻化銦、磷化鎵、砷化鎵等，硅和鍺由于壓阻效應大，故多作為壓阻式壓力計的半導體材料。半導體應變片按結構可分為體型應變片、擴散型應變片和薄膜型應變片。1硅條、2內(nèi)引線、3基底、4電極、5外引線3.電阻應變式壓力傳感器的組成應變片的粘貼方法：一種是將應變片直接粘貼于壓力–位移型彈性元件的應變處（平膜片）。另一種是粘貼在力–應變型彈性元件表面，通過壓力–位移彈性元件實現(xiàn)壓力–力的變換，再通過力–應變型彈性元件實現(xiàn)力–應變–電阻值的轉(zhuǎn)換。3.4.1應變式壓力傳感器1）力–應變型彈性元件柱形彈性元件:3.4.1應變式壓力傳感器柱形彈性元件此類彈性元件由于應變很小，測力量程較大，尤其是實心圓柱在徑向尺寸較大時，測力上限可達數(shù)千噸，常作為荷重式壓力傳感器的敏感元件。1）力–應變型彈性元件懸臂梁:懸臂梁是一端固定、一端自由的測力彈性元件。其特點是結構簡單，加工方便，其輸出可以是應變，也可是撓度。它靈敏度比圓柱高，適于較小力的測量。根據(jù)截面形狀，可分為等截面懸臂梁和變截面等強度懸臂梁兩種。梁形彈性元件3.4.1應變式壓力傳感器1）力–應變型彈性元件薄壁環(huán):3.4.1應變式壓力傳感器彈性元件為等截面圓環(huán)。薄壁環(huán)靈敏度高，用于測量較小的力，但加工困難，且在力F作用下，環(huán)的各部位應變不相等。薄壁環(huán)彈性元件2）橋式測量轉(zhuǎn)換電路電橋的一個對角線結點接入電源電壓Ui，另一個對角線結點為輸出電壓Uo。為了使電橋在測量前的輸出電壓為零，應該選擇4個橋臂電阻，使R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3，這就是電橋平衡的條件。3.4.1應變式壓力傳感器測量電路2）橋式測量轉(zhuǎn)換電路當每個橋臂電阻變化值ΔRi<<Ri，且電橋輸出端的負載電阻為無限大、全等臂形式工作，即R1=R2=R3=R4（初始值）時，電橋輸出電壓可用下式近似（小信號時誤差小于1%）表示

由于ΔR/R=Kεx，當各橋臂應變片的靈敏度K都相同時有

3.4.1應變式壓力傳感器2）橋式測量轉(zhuǎn)換電路單臂半橋工作方式:即R1為應變片，R2、R3、R4為固定電阻，ΔR2～ΔR4均為零。雙臂半橋工作方式：即R1、R2為應變片，R3、R4為固定電阻，ΔR3=ΔR4=0。全橋工作方式：即電橋的4個橋臂都為應變片。其中，全橋4臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。3.4.1應變式壓力傳感器4.應變式壓力傳感器的類型（1）膜片式壓力傳感器工作時將傳感器的下端旋入管壁，使被測壓力均勻分布地作用在膜片的一面，使平膜片產(chǎn)生應變，從而使電阻應變片產(chǎn)生應變而有一定電阻變化輸出，通過測量電路轉(zhuǎn)換求得被測壓力的大小。3.4.1應變式壓力傳感器膜片式壓力傳感器1插頭座、2螺蓋、3外殼、4墊圈、5膜片4.應變式壓力傳感器的類型（2）應變筒式壓力傳感器應變筒的上端與外殼緊密固定，下端與不銹鋼密封膜片緊密連接，應變片R1、R2分別軸向、徑向粘貼在應變筒外壁，分別接到測量橋路的相鄰臂上。3.4.1應變式壓力傳感器應變筒壓力傳感器1應變筒、2應變片、3密封膜片、4外殼3.4.2壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器是基于某些電介質(zhì)的壓電效應原理制成的。某些電介質(zhì)物體，對其沿一定方向施加壓力或拉力發(fā)生機械應變時，會在其相對兩面上產(chǎn)生等量異號電荷，若將外力去掉時，電荷隨之消失，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。1.壓電式壓力傳感器的工作原理石英晶體外形：縱向軸線z叫做光軸；經(jīng)過六面體棱線并與光軸垂直的軸線x叫做電軸；而垂直于對稱棱面，同時與光軸和電軸垂直的軸線y稱為機械軸。3.4.2壓電式壓力傳感器1.壓電式壓力傳感器的工作原理當沿電軸方向施加壓力時，則在與電軸垂直的兩晶體邊界面上產(chǎn)生異性電荷。當沿機械軸方向施加壓力時，則仍在與電軸垂直的兩晶體邊界面上產(chǎn)生異號電荷，但符號相反。而在光軸方向施加壓力則不產(chǎn)生壓電效應。3.4.2壓電式壓力傳感器2.壓電式壓力傳感器的結構壓電元件被夾在兩片膜片之間，彈性元件把壓力傳遞給壓電元件。壓電元件的一個側(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。送到電荷放大器或電壓放大器放大，轉(zhuǎn)換成標準電壓或電流輸出，其大小與被測壓力成正比關系。3.4.2壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器1壓電元件、2膜片、3彈簧、4引線、5殼體、6絕緣體3.壓電式壓力傳感器的應用及特點1）體積小、重量輕、結構簡單、工作可靠，工作溫度可在250℃以上。2）靈敏度高，線性度好，常用精度有0.5級和1.0級。3）測量范圍寬，可測100Mpa以下的所有壓力。4）是一種有源傳感器，無須外加電源，可避免電源帶來的噪聲干擾。3.4.2壓電式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器是根據(jù)壓阻效應原理制造的。壓阻元件是基于壓阻效應工作的一種壓力敏感元件，在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻，在外力作用下，阻值由于電阻率的變化而變化。擴散電阻正常工作依附于彈性元件，常用的是單晶硅膜片。特點：1）體積小，結構簡單。2）靈敏系數(shù)高，可測微小壓力變化。3）動態(tài)響應好，可以測幾千赫茲的脈動壓力。4）易受溫度的影響，影響壓阻系數(shù)的大小。3.4.3壓阻式壓力傳感器為了構成差動電橋，提高輸出靈敏度，在硅膜片上布置電阻時，可以使R1、R3布置在負應力區(qū)，承受壓應力；R2、R4布置在正應力區(qū)，承受拉應力。這樣，在承受壓力時，四個電阻有增有減，將阻值增加的兩個電阻與阻值減小的兩個電阻分別相對接入橋路，構成不平衡電橋。電阻分布利用壓感元件本身的諧振頻率與壓力的關系，通過測量頻率信號的變化來檢測壓力。主要有：振筒、振弦、振膜、石英諧振等多種型式。特點：1）體積小，輸出頻率信號，重復性好，耐振；2）精度高，精度為±0.1%和±0.01%，測量范圍0-0.014Mpa至0-50Mpa，適合測量氣體。3.4.4振頻式壓力傳感器3.5壓力計的使用1.壓力計的選型（1）壓力計種類和型號的選擇考慮被測介質(zhì)壓力大小?？紤]被測介質(zhì)的性質(zhì)?？紤]使用環(huán)境。考慮儀表輸出信號的要求。3.5壓力計的使用（2）壓力計量程的選擇測量穩(wěn)定壓力時，最大工作壓力不應超過量程的3/4；測量脈動壓力時，最大工作壓力則不應超過量程的2/3；測高壓時，則不應超過3/5。為了保證測量準確度，最小工作壓力不應低于量程的1/3。當被測壓力變化范圍大，最大和最小工作壓力可能不能同時滿足上述要求時，應首先滿足最大壓力條件。1.壓力計的選型3.5壓力計的使用（3）壓力計精度等級的選擇壓力計的精度等級主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定。根據(jù)我國壓力表的新標準GB/T1226—2001規(guī)定，一般壓力表的精度等級分為：1級、1.6級、2.5級、4.0級。精密壓力計的精度等級為：0.1級，0.16級，0.25級，0.4級。它既可作為檢定一般壓力表的標準器還可以作為高精度壓力測量之用。1.壓力計的選型3.5壓力計的使用2.壓力計的安裝（1）取壓口位置的確定