大連大學建筑環(huán)境測試技術(shù)9

1、12第第5 5章章 壓力測量壓力測量 垂直作用在單位面積上的力稱垂直作用在單位面積上的力稱壓力壓力。 工程中采用工程中采用表壓力表壓力PB（壓力表讀數(shù)）。（壓力表讀數(shù)）。 在國際單位制（在國際單位制（SI）和我國法定計量單位中，壓力的）和我國法定計量單位中，壓力的單位是單位是“帕斯卡帕斯卡”，簡稱，簡稱“帕帕”，符號為，符號為“Pa”。 3 大氣壓力大氣壓力PD 、表壓力、表壓力PB 、絕對壓力、絕對壓力PJ之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：表壓（正壓）表壓（正壓）絕對壓力的零線絕對壓力的零線大氣壓力線大氣壓力線PD絕對壓力絕對壓力絕對壓力絕對壓力表壓（表壓（負壓）負壓）P1lP2l 被測壓力通常可表示

2、為被測壓力通常可表示為絕對壓力、表壓、負壓（或真絕對壓力、表壓、負壓（或真空度）。空度）。 一、壓力表示方式一、壓力表示方式絕對壓力是介質(zhì)的實際壓力。絕對壓力是介質(zhì)的實際壓力。PB = PJ PD（5.1.1）真空度真空度PZ（負壓）（負壓）: PZ PD PJ（5.1.2）4二、壓力檢測方法二、壓力檢測方法1.平衡法平衡法：通過儀表使液柱高度的重力或砝碼的：通過儀表使液柱高度的重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡重量與被測壓力相平衡的原理測量壓力。的原理測量壓力。2.彈性法彈性法：利用各種形式的彈性元件，在被測介：利用各種形式的彈性元件，在被測介質(zhì)的表壓力或質(zhì)的表壓力或負壓力作用下產(chǎn)生的彈性變形

3、負壓力作用下產(chǎn)生的彈性變形來來反映被測壓力的大小。反映被測壓力的大小。3.電氣式電氣式：用壓力敏感元件直接將：用壓力敏感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換壓力轉(zhuǎn)換成成電阻、電荷量電阻、電荷量等電量的變化。等電量的變化。壓力傳感器分類壓力傳感器分類：液柱式、機械式、電測式。：液柱式、機械式、電測式。5測壓儀表測壓儀表液柱式液柱式依據(jù)重力與被測壓力平衡的原理依據(jù)重力與被測壓力平衡的原理制成的，可將被制成的，可將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱的高度差進行測量測壓力轉(zhuǎn)換為液柱的高度差進行測量U型管壓力計、單管壓力計以及斜管壓力計型管壓力計、單管壓力計以及斜管壓力計彈性式彈性式依據(jù)彈性力與被測壓力平衡依據(jù)彈性力與被測壓力平衡的原理

4、制成，彈性元的原理制成，彈性元件變形的多少反映了被測壓力的大小。件變形的多少反映了被測壓力的大小。彈簧管壓力計、波紋管壓力計以及膜盒式壓力彈簧管壓力計、波紋管壓力計以及膜盒式壓力計計電氣式電氣式利用一些物質(zhì)與壓力有關(guān)的物理性質(zhì)利用一些物質(zhì)與壓力有關(guān)的物理性質(zhì)進行測壓。進行測壓。電阻應(yīng)變片式、電容式、壓電式、電感式、霍電阻應(yīng)變片式、電容式、壓電式、電感式、霍爾式爾式活塞式活塞式根據(jù)水壓機液體傳送壓力的原理，根據(jù)水壓機液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝碼的質(zhì)量換成活塞面積上所加平衡砝碼的質(zhì)量。它普遍地被作為標準儀器用來校驗或刻度彈性它普遍地被作為標準儀器用來校驗或

5、刻度彈性式壓力計。式壓力計。三、壓力測量儀表的分類三、壓力測量儀表的分類6u所用液體叫作封液，常用的有水、酒精、水銀等。液柱所用液體叫作封液，常用的有水、酒精、水銀等。液柱式壓力計多用于測量式壓力計多用于測量低壓、負壓和壓力差低壓、負壓和壓力差。u常用的液注式壓力計有常用的液注式壓力計有U U型管壓力計、單管壓力計和斜管型管壓力計、單管壓力計和斜管微壓計微壓計。 u利用液柱對液柱底面產(chǎn)生的靜壓力與被測壓力相平衡的利用液柱對液柱底面產(chǎn)生的靜壓力與被測壓力相平衡的原理，通過原理，通過液柱高度來反映被測壓力液柱高度來反映被測壓力的大小。的大小。7一、一、U形管壓力計形管壓力計)(21hhgp 21p

6、pp p1、p2與封液液柱高度與封液液柱高度h間有如下關(guān)系：間有如下關(guān)系： 提高工作液密度將提高工作液密度將( )壓力的測壓力的測量范圍，靈敏度將量范圍，靈敏度將( )。增加增加降低降低增加增加?減少？減少？降低？提高？降低？提高？式中式中 - -介質(zhì)及封液密度；介質(zhì)及封液密度； g g -重力加速度。重力加速度。 -左右兩管液面相對于左右兩管液面相對于0 0刻度的高度差?？潭鹊母叨炔睢D圖5.2.1（5.2.1）（5.2.2）21hh8U型管壓力計型管壓力計9 由于由于U形管壓力計需兩次讀取液面高度，為使用方形管壓力計需兩次讀取液面高度，為使用方便，設(shè)計一次讀取液面高度的單管壓力計。便，設(shè)計

7、一次讀取液面高度的單管壓力計。二、單管壓力計二、單管壓力計2211hAhA 由于由于)(21hh （5.2.4）則則2121hAAh （5.2.5） 故故212211)1()(hAAghhgP （5.2.6）由于由于 A A1 1AA2 2，所以，所以21ghp （5.2.7）體積相等：10單管壓力計單管壓力計 用單管壓力計測用單管壓力計測量供熱鍋爐煙囪的量供熱鍋爐煙囪的排煙壓力，若一側(cè)排煙壓力，若一側(cè)通大氣，另一側(cè)應(yīng)通大氣，另一側(cè)應(yīng)連接到壓力計的哪連接到壓力計的哪一端？一端？P2連接煙道負壓的原因11 主要用于主要用于測量微小壓力、負壓和壓差測量微小壓力、負壓和壓差，它將單管液，它將單管液柱

8、壓力計的測量管傾斜放置，這樣可以提高靈敏度，柱壓力計的測量管傾斜放置，這樣可以提高靈敏度，減少讀數(shù)相對誤差。減少讀數(shù)相對誤差。三、斜管微壓計三、斜管微壓計 lAAh121 （5.2.8） sin2lh 而：而： （5.2.9）lAAghhgPB)sin()(1221 故故P1的表壓力為：的表壓力為：（5.2.10）12傾斜角度越小，傾斜角度越小，l越長，測量靈敏度就越高；但不可太小，越長，測量靈敏度就越高；但不可太小，否則液柱易沖散，讀數(shù)較困難，誤差增大。否則液柱易沖散，讀數(shù)較困難，誤差增大。這種傾斜管液柱式壓力計可以測量到這種傾斜管液柱式壓力計可以測量到0.98Pa的微壓。為了的微壓。為了進

9、一步提高微壓計的精確度，應(yīng)選用密度小的酒精作為工進一步提高微壓計的精確度，應(yīng)選用密度小的酒精作為工作液體。作液體。 13 用彈性傳感器（又稱彈性元件）組成的壓力測用彈性傳感器（又稱彈性元件）組成的壓力測量儀表稱為量儀表稱為彈性式壓力計彈性式壓力計。彈性元件受壓后產(chǎn)生的。彈性元件受壓后產(chǎn)生的形變輸出（力或位移），可以通過傳動機構(gòu)直接帶形變輸出（力或位移），可以通過傳動機構(gòu)直接帶動指針指示壓力（或壓差），也可以通過某種電氣動指針指示壓力（或壓差），也可以通過某種電氣元件組成變送器，實現(xiàn)壓力（或壓差）信號的遠傳。元件組成變送器，實現(xiàn)壓力（或壓差）信號的遠傳。 14類別名稱示意圖薄膜式平薄膜波紋管式波

10、紋管彈簧管式單圈多圈彈性傳感器（彈性元件彈性傳感器（彈性元件) )的種類（的種類（P121P121圖圖5.3.15.3.1）：）：15PCAx x P（5.3.3）彈性元件在軸向受到外部壓力作用產(chǎn)生拉伸或壓縮位移，彈性元件在軸向受到外部壓力作用產(chǎn)生拉伸或壓縮位移， 即即CxF 式中式中 FF軸向外力軸向外力 xx位移位移 CC彈性元件的剛度系數(shù)彈性元件的剛度系數(shù) PAF 測量原理測量原理位移位移壓力壓力（5.3.1）（5.3.2）16 測量原理測量原理P 彈簧管式彈性元件彈簧管式彈性元件P 膜片式彈性元件膜片式彈性元件壓力壓力彈性變形彈性變形 彈性式壓力計是以各種形式的彈性元件受壓后產(chǎn)生的彈彈

11、性式壓力計是以各種形式的彈性元件受壓后產(chǎn)生的彈性變形作為測量的基礎(chǔ)。常用的彈性元件有彈簧管、膜片性變形作為測量的基礎(chǔ)。常用的彈性元件有彈簧管、膜片和波紋管，相應(yīng)的有和波紋管，相應(yīng)的有彈簧管壓力計、膜式壓力計彈簧管壓力計、膜式壓力計和和波紋管波紋管式壓差計式壓差計。 17u按剖面形狀分為平膜片和波紋膜片按剖面形狀分為平膜片和波紋膜片1. 膜片膜片 波紋波紋膜片可分為膜片可分為彈性膜片彈性膜片和和撓性膜片撓性膜片兩種。膜片呈圓兩種。膜片呈圓形，一般由金屬制成，常用的彈性波紋膜片是一種壓有環(huán)形，一般由金屬制成，常用的彈性波紋膜片是一種壓有環(huán)狀同心波紋的圓形薄片，它的四周被固定起來。通入壓力狀同心波紋

12、的圓形薄片，它的四周被固定起來。通入壓力后，膜片將向壓力低的一面彎曲，其中心產(chǎn)生一定的位移后，膜片將向壓力低的一面彎曲，其中心產(chǎn)生一定的位移（即撓度），通過傳動機構(gòu)帶動指針轉(zhuǎn)動，指示出被測壓（即撓度），通過傳動機構(gòu)帶動指針轉(zhuǎn)動，指示出被測壓力。力。 （a）彈性膜片）彈性膜片 （b）撓性膜片）撓性膜片 18（1 1）電容式）電容式壓力傳感器壓力傳感器（2 2）光纖式壓力傳感器）光纖式壓力傳感器u常用材料常用材料 P121；精度不高精度不高u可與其他轉(zhuǎn)換元件合用；可與其他轉(zhuǎn)換元件合用；（3 3）力矩平衡式壓力變送器）力矩平衡式壓力變送器 光纖光纖式壓力傳感器式壓力傳感器利用敏感元件膜片感受被測壓力

13、的利用敏感元件膜片感受被測壓力的變化，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠處或難以接近場變化，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠處或難以接近場所的光變化信號，所以也稱為所的光變化信號，所以也稱為傳光型傳感器傳光型傳感器。 采用光纖及其調(diào)制機構(gòu)實現(xiàn)位移采用光纖及其調(diào)制機構(gòu)實現(xiàn)位移-光強的轉(zhuǎn)換。光強的轉(zhuǎn)換。19v膜盒壓力計膜盒壓力計 為了增大膜片的位移量以提高靈敏度，可以把兩片金屬膜片為了增大膜片的位移量以提高靈敏度，可以把兩片金屬膜片的周邊焊接在一起，形成膜盒。的周邊焊接在一起，形成膜盒。1-調(diào)零螺桿；調(diào)零螺桿； 2-機座；機座； 3-刻度板；刻度板； 4-膜盒；膜盒； 5-指針；指針； 6-調(diào)零板；調(diào)零

14、板； 7-限位限位螺釘；螺釘； 8-弧形連桿；弧形連桿； 9-雙金屬片；雙金屬片； 10-軸；軸； 11-杠桿架；杠桿架； 12-連桿；連桿； 13-指針軸；指針軸； 14-杠桿；杠桿； 15-游絲；游絲； 16-管接頭；管接頭； 17-導壓管導壓管202. 波紋管波紋管 具有等距離同軸環(huán)狀波紋，能沿軸向伸縮的測壓具有等距離同軸環(huán)狀波紋，能沿軸向伸縮的測壓彈性元件。彈性元件。 優(yōu)點：靈敏高，可測較低壓力；優(yōu)點：靈敏高，可測較低壓力； 缺點：遲滯誤差較大，精度一般只有缺點：遲滯誤差較大，精度一般只有1.5級。級。（1）彈簧管壓力表）彈簧管壓力表u結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低

15、廉，使用范圍廣，測量范低廉，使用范圍廣，測量范圍寬圍寬3. 彈簧管彈簧管位移壓力 位移21222220)1(1kabbhREP 彈簧管壓力計工作原理彈簧管壓力計工作原理圖圖5.3.4 5.3.4 單圈彈簧管結(jié)構(gòu)單圈彈簧管結(jié)構(gòu)（5.3.5）彈簧管式壓力表彈簧管式壓力表22u 可測負壓、微壓、低壓、中壓可測負壓、微壓、低壓、中壓和高壓和高壓u精度有精度有0.5、1.0、1.5、2.5等。等。23電接點壓力表電接點壓力表電位器式遠程壓力表電位器式遠程壓力表24（2）電遠傳電遠傳式彈簧壓式彈簧壓力儀表力儀表 u霍爾壓力霍爾壓力傳感器傳感器u電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器（位移 電感量）u電阻式電阻式

16、（位移 電阻）變隙式差動電感壓力變隙式差動電感壓力傳感器傳感器霍爾霍爾元件元件9位移電流（磁感強度B）霍爾電勢（5.3.6）25u壓電效應(yīng)原理壓電效應(yīng)原理：壓電材料受壓時會在其表面產(chǎn)生電荷，：壓電材料受壓時會在其表面產(chǎn)生電荷，其電荷量與所受的壓力成正比。其電荷量與所受的壓力成正比。u壓電材料壓電材料：單晶體、多晶體：單晶體、多晶體u特點特點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，線性：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，線性度好，頻率響應(yīng)高，量程范圍廣度好，頻率響應(yīng)高，量程范圍廣1. 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器u電氣式壓力檢測方法一般是用壓力敏感元件直接將電氣式壓力檢測方法一般是用壓力敏感

17、元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷量等電量的變化。壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷量等電量的變化。u能實現(xiàn)壓力電量轉(zhuǎn)換的壓敏元件主要有壓電材料、能實現(xiàn)壓力電量轉(zhuǎn)換的壓敏元件主要有壓電材料、應(yīng)變片和壓阻元件。應(yīng)變片和壓阻元件。26石英晶體壓電式石英晶體壓電式傳感器傳感器壓電材料晶體受壓時會在其表面產(chǎn)生電荷，其壓電材料晶體受壓時會在其表面產(chǎn)生電荷，其電荷量電荷量與所受的壓力成與所受的壓力成正比。正比。27u應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器是由彈性元件、應(yīng)變片以及相應(yīng)的是由彈性元件、應(yīng)變片以及相應(yīng)的橋路組成的。橋路組成的。2. 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器 （建筑結(jié)構(gòu)力學常用）u應(yīng)變片應(yīng)變片是基于應(yīng)變效應(yīng)工作的

18、一種壓力敏感元件。被測是基于應(yīng)變效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件。被測壓力作用于彈性敏感元件上，使它產(chǎn)生變形，壓力作用于彈性敏感元件上，使它產(chǎn)生變形，在其變形在其變形的部位粘貼有的部位粘貼有電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片感受到被測壓力的變，應(yīng)變片感受到被測壓力的變化，應(yīng)變片的電阻值也將發(fā)生相應(yīng)變化。化，應(yīng)變片的電阻值也將發(fā)生相應(yīng)變化。按這種原理設(shè)按這種原理設(shè)計的傳感器稱為計的傳感器稱為電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片式式壓力傳感器壓力傳感器。壓電測力壓電測力傳感器傳感器28 實驗證明，應(yīng)變片電阻的相對變化與應(yīng)變的關(guān)系在很實驗證明，應(yīng)變片電阻的相對變化與應(yīng)變的關(guān)系在很大范圍內(nèi)仍然是線性的，即大范圍內(nèi)仍然是線性的，即

19、KRdR結(jié)論：結(jié)論：在在K是常數(shù)的情況下，只要是常數(shù)的情況下，只要測量出應(yīng)變片電阻值的測量出應(yīng)變片電阻值的相對變化，就可以直接得知其應(yīng)變量，進而求得被測壓相對變化，就可以直接得知其應(yīng)變量，進而求得被測壓力力。 K-電阻絲的靈敏度系數(shù)，其意義為單位應(yīng)變所引起電電阻絲的靈敏度系數(shù)，其意義為單位應(yīng)變所引起電阻值的相對變化。阻值的相對變化。 K是通過實驗獲得的，在彈性極限以內(nèi)，是通過實驗獲得的，在彈性極限以內(nèi)，大多數(shù)金屬的大多數(shù)金屬的K是常數(shù)。是常數(shù)。= dl/l -軸向應(yīng)變，簡稱應(yīng)變；而軸向應(yīng)變，簡稱應(yīng)變；而dA/A為橫向應(yīng)變，由材為橫向應(yīng)變，由材料力學知兩者有一定的關(guān)系。料力學知兩者有一定的關(guān)系。

20、式中式中29應(yīng)變片由應(yīng)變片由應(yīng)變敏感元件、基片和覆蓋層、引出線應(yīng)變敏感元件、基片和覆蓋層、引出線三部分組成。三部分組成。應(yīng)變敏感元件是應(yīng)變片的核心部分，一般由金屬絲、金屬箔或應(yīng)變敏感元件是應(yīng)變片的核心部分，一般由金屬絲、金屬箔或半導體材料組成，由它將機械應(yīng)變轉(zhuǎn)為電阻的變化，基片和覆半導體材料組成，由它將機械應(yīng)變轉(zhuǎn)為電阻的變化，基片和覆蓋層起固定和保護應(yīng)變敏感元件、傳遞應(yīng)變和電氣絕緣的作用。蓋層起固定和保護應(yīng)變敏感元件、傳遞應(yīng)變和電氣絕緣的作用。（a a）絲繞式）絲繞式 （b b）箔式）箔式 （c c）半導體）半導體30電阻應(yīng)變片式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)。主要結(jié)構(gòu)形式有膜片

21、式、筒式、組合式三種。主要結(jié)構(gòu)形式有膜片式、筒式、組合式三種。 （a）膜片式）膜片式 （b）筒式）筒式 （c）組合式）組合式31u壓阻元件壓阻元件是基于壓阻效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件，是基于壓阻效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件，它指在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴它指在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻，當它受外力作用時，其阻值由于電阻率的變散電阻，當它受外力作用時，其阻值由于電阻率的變化而改變?；淖儭擴散電阻正常工作需依附彈性元件，常用的是單晶體擴散電阻正常工作需依附彈性元件，常用的是單晶體硅膜片。硅膜片。3. 壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器u優(yōu)點優(yōu)點：體積小，結(jié)構(gòu)簡

22、單，能直接反映微小的壓力：體積小，結(jié)構(gòu)簡單，能直接反映微小的壓力變化，動態(tài)響應(yīng)好。變化，動態(tài)響應(yīng)好。u缺點缺點：敏感元件易受溫度的影響，從而影響壓阻系：敏感元件易受溫度的影響，從而影響壓阻系數(shù)的大小。數(shù)的大小。32將四個電阻接入電橋回路時就可根據(jù)各阻值的變化測出應(yīng)將四個電阻接入電橋回路時就可根據(jù)各阻值的變化測出應(yīng)力的變化。力的變化。擴散硅式壓力擴散硅式壓力傳感器傳感器33一、壓力檢測儀表的選擇一、壓力檢測儀表的選擇 P1021. 儀表量程的選擇儀表量程的選擇u被測壓力較穩(wěn)定：最大工作壓力被測壓力較穩(wěn)定：最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的不應(yīng)超過儀表滿量程的3/4；u被測壓力波動較大或測脈動壓力：

23、被測壓力波動較大或測脈動壓力：最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的程的2/3；u為保證測量準確度：最小工作壓為保證測量準確度：最小工作壓力不應(yīng)低于滿量程的力不應(yīng)低于滿量程的1/3；u優(yōu)先滿足最大工作壓力條件。優(yōu)先滿足最大工作壓力條件。u我國生產(chǎn)的壓力表有統(tǒng)一的量程系列，它們是我國生產(chǎn)的壓力表有統(tǒng)一的量程系列，它們是1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它們的以及它們的10n倍數(shù)倍數(shù)。34u 壓力檢測儀表的精度主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來壓力檢測儀表的精度主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實際被測壓力允許的最大絕對誤差應(yīng)小確定，即要求實際被測壓力允許的最大絕對

24、誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差。于儀表的基本誤差。2. 儀表精度的選擇儀表精度的選擇例例5-1 壓力容器的工作壓力范圍為壓力容器的工作壓力范圍為0.40.6MPa，欲用，欲用彈簧管壓力表檢測，要求測量誤差小于被測壓力的彈簧管壓力表檢測，要求測量誤差小于被測壓力的4%,確定該壓力表的量程和精度等級。確定該壓力表的量程和精度等級。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求選擇壓力表的量程和精度等級！根據(jù)生產(chǎn)工藝要求選擇壓力表的量程和精度等級！解：解：1.工作壓力穩(wěn)定：工作壓力穩(wěn)定：0.40.6MPa，選擇壓力表的量，選擇壓力表的量程，根據(jù)最大工作壓力程，根據(jù)最大工作壓力A 436 . 0MPaA8 . 0436 . 0 35 根據(jù)壓力表量程系列，選擇根據(jù)壓力表量程系列，選擇01.0MPa的彈簧管壓的彈簧管壓力表。力表。A 314 . 0MPaA2 . 1314 . 0 根據(jù)最小工作壓力根據(jù)最小工作壓力2. 被測壓力的允許最大絕對測量誤差為：被測壓力的允許最大絕對測量誤差為：MPa016. 0%44 . 0max MPa024. 0%46 . 0max 0000006 .11000 .1016.0100 mmxx 由滿度