工藝參數(shù)壓力檢測標(biāo)準(zhǔn)課件

第5節(jié)壓力檢測技術(shù)5.1壓力的基本概念5.2常用壓力檢測儀表第5節(jié)壓力檢測技術(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，正確地測量和控制壓力是保證工業(yè)生產(chǎn)過程良好地運行，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。工程上，習(xí)慣把壓強稱為壓力。

(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不同，在工程上壓力有幾種不同表示方法。(1)絕對壓力被測介質(zhì)作用于物體表面上的全部壓力稱為絕對壓力，用符號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p0表示。2.壓力的表示方法3(3)表壓力絕對壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐罘Q為表壓力，用符號表示， 。(4)真空度(負(fù)壓)當(dāng)絕對壓力小于大氣壓力時，表壓力為負(fù)值(負(fù)壓力)，其絕對值稱為真空度，用符號 表示，。(5)差壓(壓差)任意兩個壓力p1、p2之差稱為差壓， 。(3)表壓力絕對壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐罘Q為表壓力，用符號4各種壓力之間的關(guān)系各種壓力之間的關(guān)系54.壓力檢測的基本方法根據(jù)不同工作原理，壓力檢測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壓力相平衡的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度或平衡砝碼的重量來測量。例如液柱式壓力計和活塞式壓力計。

(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)生的彈性力與被測壓力相平衡的原理，將壓力轉(zhuǎn)換成位移，通過測量彈性元件位移變形的大小測出被測壓力。此類壓力計有多種類型，可以測量壓力、負(fù)壓、絕對壓力和壓差，應(yīng)用最為廣泛。4.壓力檢測的基本方法6(3)機械力平衡方法 這種方法是將被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個集中力，用外力與之平衡，通過測量平衡時的外力測知被測壓力。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，將被測壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來測量。如應(yīng)變式、壓電式、電容式壓力傳感器等等。(3)機械力平衡方法73.2常用壓力檢測儀表

1.液柱式壓力計 應(yīng)用液柱測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、單管或斜管進行壓力測量的，其結(jié)構(gòu)形式如圖3-2所示。圖3-2液柱式壓力計3.2常用壓力檢測儀表圖3-2液柱式壓力計8(1)U形管壓力計

圖3-2(a)所示的U形管是用來測量壓力和壓差的儀表。在U形管兩端接入不同壓力和時，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9由上式可求得兩壓力的差值或在己知一個壓力的情況下（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與被測差壓或壓力成正比，因此被測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

U形管壓力計的讀數(shù)誤差較大。為了減小讀數(shù)誤差，可以采用單管壓力計。 單管壓力計如圖3-2(b)所示，它相當(dāng)于將U形管的一端換成一個大直徑的容器，測壓原理與U形管相同。當(dāng)大容器一側(cè)通入被測壓力，管一側(cè)通入大氣壓時，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11由于D>>d，故d2/D2可以忽略不計，則式(3-4)可寫成:(3-5)管內(nèi)工作液面上升的高度h即可表示被測壓力的大小。由于D>>d，故d2/D2可以忽略12(3)斜管壓力計 用U形管或單管壓力計來測量微小的壓力時，因為液柱高度變化很小，讀數(shù)困難，為了提高靈敏度，減小誤差，可將單管壓力計的玻璃管制成斜管，如圖3-2(c)所示。大容器通入被測壓力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)液柱的長度；—斜管傾斜角。由于L>h，所以斜管壓力計比單管壓力計更靈敏，可以提高測量精度。(3)斜管壓力計132.彈性壓力計

當(dāng)被測壓力作用于彈性元件時，彈性元件便產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形(即機械位移)。根據(jù)變形量的大小，可以測得被測壓力的數(shù)值。彈性壓力計的組成環(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)測量要求選擇和設(shè)計；在彈性元件與指示機構(gòu)之間是變換放大機構(gòu)，其作用是將彈性元件的變形進行變換和放大；

指示機構(gòu)(如指針與刻度標(biāo)尺)用于給出壓力示值；調(diào)整機構(gòu)用于調(diào)整零點和量程。2.彈性壓力計14圖3-3彈性壓力計組成框圖圖3-3彈性壓力計組成框圖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量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓或真空度的測量。(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量范圍kPa輸出特性動態(tài)性質(zhì)最小最大時間常數(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，各適用于不同的測壓范圍和被測介質(zhì)。通過各種傳動放大機構(gòu)直接指示被測壓力值。這類直讀式測壓儀表有彈簧管壓力計、波紋管差壓計、膜盒式壓力計等。

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 彈簧管式壓力計是工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用很廣泛的一種直讀式測壓儀表，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針偏轉(zhuǎn)，并帶動嚙合的中心齒輪轉(zhuǎn)動，與中心齒輪同軸的指針將同時順時針偏轉(zhuǎn)，并在面板的刻度標(biāo)尺上指示出被測壓力值。(2)彈簧管壓力計20圖3-4彈簧管壓力計結(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位置，從而改變放大比，調(diào)整儀表的量程。轉(zhuǎn)動軸上裝有游絲，用以消除兩個齒輪嚙合的間隙，減小儀表的變差。直接改變指針套在轉(zhuǎn)動軸上的角度，就可以調(diào)整儀表的機械零點。彈簧管壓力計結(jié)構(gòu)簡單,使用方便，價格低廉，測壓范圍寬，應(yīng)用十分廣泛。一般彈簧管壓力計的測壓范圍為-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)彈性壓力計信號遠(yuǎn)傳方式 彈性壓力計可以在現(xiàn)場指示，但是許多情況下要求將信號遠(yuǎn)傳至控制室。一般可以在已有的彈性壓力計結(jié)構(gòu)上增加轉(zhuǎn)換部件實現(xiàn)信號的遠(yuǎn)距離傳送。

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

常見的轉(zhuǎn)換方式有電位計式、霍爾元件式、電感式、差動變壓器式等，圖3-5給出兩種電遠(yuǎn)傳彈性壓力計結(jié)構(gòu)原理。(3)彈性壓力計信號遠(yuǎn)傳方式23(a)電位器式(b)霍爾元件式圖3-5彈性壓力計信號電遠(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，滑線電位器的滑動觸點與自由端連接并隨之移動，自由端的位移就轉(zhuǎn)換為電位器的電信號輸出。這種遠(yuǎn)傳方法比較簡單，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，并處于兩對磁場方向相反的磁極組件構(gòu)成的線性不均勻磁場的間隙中。霍爾元件被自由端帶動在不均勻磁場中移動時，將感受不同的磁場強度。若在霍爾元件的兩端通以恒定電流，則在垂直于磁場和電流方向的另兩側(cè)將產(chǎn)生霍爾電勢，此輸出電勢即對應(yīng)于自由端位移，從而給出被測壓力值。這種儀表結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，壽命長，但對外部磁場敏感，耐振性差。圖3-5(b)為霍爾元件式，其轉(zhuǎn)263.力平衡式壓力計圖3-6力平衡式壓力計的基本框圖

3.力平衡式壓力計圖3-6力平衡式壓力計的基本框圖27

力平衡式壓力計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。力平衡式壓力計的基本構(gòu)成如圖3-6所示，被測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)；由偏差檢測器輸出偏差值至放大器；放大器將信號放大并輸出電流(或電壓)信號，電流信號控制反饋力或力矩發(fā)生機構(gòu)，使之產(chǎn)生反饋力；當(dāng)反饋力與作用力平衡時，儀表處于新的平衡狀態(tài)；顯示機構(gòu)可輸出與被測壓力或壓差相對應(yīng)的信號。

力平衡式壓力計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量系統(tǒng)的原理圖3-7彈性力平衡式壓力測量系統(tǒng)的原理294.壓力傳感器

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

壓力傳感器是壓力檢測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壓力變換成各種形式的電信號，便于滿足自動化系統(tǒng)集中檢測與控制的要求，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量各種彈性元件的應(yīng)變來間接測量壓力的傳感器。根據(jù)制作材料的不同，應(yīng)變元件可以分為金屬和半導(dǎo)體兩大類。應(yīng)變元件的工作原理基于導(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)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化。電阻值的相對變化與應(yīng)變有以下關(guān)系：

(3-7)工藝參數(shù)壓力檢測標(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)被測介質(zhì)和測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)被測介質(zhì)和測量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散壓敏電阻，當(dāng)硅膜片受壓時，膜片的變形將使擴散電阻的阻值發(fā)生變化。硅平膜片上的擴散電阻通常構(gòu)成橋式測量電路，相對的橋臂電阻是對稱布置的，電阻變化時，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對應(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，其兩邊有兩個壓力腔，分別輸入被測差壓或被測壓力與參考壓力。髙壓腔接被測壓力，低壓腔與大氣連通或接參考壓力。圖3-10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:(1)靈敏度高，頻率響應(yīng)高；(2)測量范圍寬，可測低至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:35(3)壓電式壓力傳感器

某些電介質(zhì)沿著某一個方向受力而發(fā)生機械變形(壓縮或伸長)時，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在其某些表面上會產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會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)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號的。由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時產(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。通過測量電荷量可知被測壓力大小。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。壓電元件夾于兩個彈性膜片之間，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。被測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，輸出信號與被測壓力值相對應(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:(1)體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠；(2)測量范圍寬，可測100MPa以下的壓力；(3)測量精度較高；(4)頻率響應(yīng)高，可達(dá)30KHz，是動態(tài)壓力檢測中常用的傳感器，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。壓電式壓力傳感器特點:39(4)電容式壓力傳感器 電容式壓力傳感器采用變電容測量原理，將由被測壓力引起的彈性元件的位移變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓?，用測量電容的方法測出電容量，便可知道被測壓力的大小。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、其中任意一個參數(shù)都可以使電容量發(fā)生變化。在實際測量中，大多采用保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變A或d一個參數(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參數(shù)的大小成比例。由式(3-9)可知，改變A、d、其41①差動變極距式電容壓力傳感器

改變電容兩平行板間距d的測量方式有較高的靈敏度，但當(dāng)位移較大時非線性嚴(yán)重。采用差動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 對于差動平板電容器，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)換成反映被測差壓的標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出。 這種傳感器結(jié)構(gòu)堅實，靈敏度高，過載能力大；精度高，其精確度可達(dá)±0.25％～±0.05％；可以測量壓力和差壓。 對于差動平板電容器，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。被測壓力作用在金屬膜片上，通過中心柱和支撐簧片，使可動電極隨簧片中心位移而動作?？蓜与姌O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重疊部分的面積所決定。固定電極與外殼之間絕緣，可動電極則與外殼導(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)換成反映被測壓力的標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出。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壓力所形成的應(yīng)力改變彈性元件的諧振頻率，通過測量頻率信號的變化來檢測壓力。

這種傳感器特別適合與計算機配合使用，組成高精度的測量、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，受壓前后的頻率變化可由檢測線圈檢出。此種儀表體積小，輸出頻率信號，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)成密封的壓力測量室，被測壓力p

經(jīng)過導(dǎo)壓管進入壓力測量室內(nèi)。參考壓力室可以通大氣用于測量表壓，也可以抽成真空測量絕壓。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，膜片產(chǎn)生諧振。沒有壓力時，膜片是平的，其諧振頻率為f0；當(dāng)有壓力作用時，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，它可以輸出一個與諧振頻率相同的信號。此信號經(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，構(gòu)成一個閉環(huán)正反饋自激振蕩系統(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533.1.3壓力檢測儀表的使用與校準(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)濟合理的原則綜合考慮儀表類型、測量范圍和精度等方面。 儀表的類型應(yīng)根據(jù)被測介質(zhì)情況、現(xiàn)場環(huán)境及生產(chǎn)過程對儀表的要求 儀表的量程要根據(jù)被測壓力的大小及其在測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)定的精度等級中選擇確定。所選精度等級應(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壓力檢測儀表的使用與校準(zhǔn)54

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

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

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

靜態(tài)校準(zhǔn) 壓力檢測儀表的靜態(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，且無振動沖擊的環(huán)境)，采用一定標(biāo)準(zhǔn)等級(其精度需為被校儀表的3～5倍)的校準(zhǔn)設(shè)備，對儀表重復(fù)(不少于3次)進行全量程逐級加載和卸載測試，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。一般在被校表的測量范圍內(nèi)，均勻地選擇至少5個以上的校驗點，其中應(yīng)包括起始點和終點。校準(zhǔn)方法通常有兩種：60(2)動態(tài)校準(zhǔn) 在一些工程技術(shù)領(lǐng)域常會遇到壓力動態(tài)變化的情況，例如，火箭發(fā)動機的燃燒室壓力在啟動點火后的瞬間，有極為快速地變化；在產(chǎn)生振蕩燃燒時，壓力變化頻率從幾赫到數(shù)千赫。為了能夠準(zhǔn)確測量壓力的動態(tài)變化，要求壓力傳感器的頻率響應(yīng)特性要好。實際上壓力傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了該傳感器對動態(tài)壓力測量的適用范圍和測量精度。因此，對用于動態(tài)壓力測量的傳感器或測壓系統(tǒng)必須進行動態(tài)校準(zhǔn)，以確定其動態(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)傳感器進行比較。也可以通過改變壓力源頻率，同時監(jiān)測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)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。但由于難以提供高頻高振幅的壓力信號，僅適用于低壓和低頻的壓力校準(zhǔn)中，不能用于壓力檢測儀表的高頻動態(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)

激波管是測定壓力傳感器頻率響應(yīng)特性的最常用的方便而簡單的設(shè)備。激波管校準(zhǔn)傳感器動態(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下被校傳感器所產(chǎn)生的瞬時響應(yīng)，根據(jù)其過渡過程曲線，運用適當(dāng)?shù)挠嬎惴椒ǎ蟮帽恍毫鞲衅鞯念l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)壓力傳感器動態(tài)特性系統(tǒng)圖。整個試驗裝置包括激波管、氣源、測量和記錄部分。圖3-19激波管校準(zhǔn)系統(tǒng)圖 圖3-19為激波管法校準(zhǔn)壓力傳感器動態(tài)特性系653.2力的測量

3.2.1力的基本概念1.力 力是一個重要的物理量。力體現(xiàn)了物質(zhì)之間的相互作用，凡是能使物體的運動狀態(tài)或物體所具有的動量發(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。按力對時間的變化性質(zhì)可分為靜態(tài)力和動態(tài)力兩大類。靜態(tài)力是指不變的力或變化很緩慢的力。動態(tài)力是指隨時間變化顯著的力，如沖擊力、交變力或隨機變化的力等。3.2力的測量662.力的單位 力在國際單位制(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)量是國際單位制中的一個基本量，單位是kg(千克)；加速度是基本量長度和時間，的導(dǎo)出量，單位是m/s2(米／秒2)。我國法定計量單位制和國際單位制中，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)確度等級的基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)測力儀器設(shè)備復(fù)現(xiàn)力值及進行量值的傳遞。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)測力儀器設(shè)備所傳遞的力值確定被校儀表刻度所對應(yīng)的力值。檢定是將準(zhǔn)確度級別更高的基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)測力儀器設(shè)備與被檢定測力儀表進行比對，以確定被檢定測力儀表的誤差。

3.力量值的傳遞683.2.2力的測量方法

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，將使物體的運動狀態(tài)或動量改變，使物體產(chǎn)生加速度，這是力的“動力效應(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現(xiàn)對力的檢測。力的測量方法可歸納為力平衡法，測位移法和利用某些物理效應(yīng)測力等。3.2.2力的測量方法691.力平衡法 力平衡式測量法是基于比較測量的原理，用一個已知力來平衡待測的未知力，從而得出待測力的值。平衡力可以是已知質(zhì)量的重力、電磁力或氣動力等。1.力平衡法70(1)機械式力平衡裝置 圖3-20(a)為梁式天平，通過調(diào)整砝碼使指針歸零，將被測力Fi與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量(砝碼G)的重力進行平衡，直接比較得出被測力Fi的大小。圖3-20機械式力平衡裝置(1)機械式力平衡裝置71 圖3-20(b)為機械杠桿式力平衡裝置，可轉(zhuǎn)動的杠桿支撐支點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力Fi；杠桿右端是質(zhì)量m已知的可滑動砝碼G；另在杠桿轉(zhuǎn)動中心上安裝有歸零指針。測量時，調(diào)整砝碼的位置使之與被測力平衡。當(dāng)達(dá)到平衡時，則有: (3-15) 式中:a，b分別為被測力Fi和砝碼G的力臂；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取? 圖3-20(b)為機械杠桿式力平衡裝置，可轉(zhuǎn)動的杠桿72可見，被測力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。這種測力計機構(gòu)簡單，常用于材料試驗機的測力系統(tǒng)中。上述測力方法的優(yōu)點是簡單易行，可獲得很高的測量精度。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)測量。可見，被測力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力系統(tǒng)。無外力作用時，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)被測力Fi作用在杠桿上時，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，經(jīng)放大后加到力矩線圈上與磁場相互作用而產(chǎn)生電磁力矩，用來平衡被測力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。此時杠桿轉(zhuǎn)角與被測力Fi成正比，而放大器輸出電信號在采樣電阻R上的電壓降Uo與被測力Fi成比例，從而可測出力Fi。(2)磁電式力平衡裝置74圖3-21磁電式力平衡測力系統(tǒng)

與機械杠桿式測力系統(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，輸出的電信號易于記錄且便于遠(yuǎn)距離測量和控制。圖3-21磁電式力平衡測力系統(tǒng) 與機械杠桿752.測位移法

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

圖3-23電容式測力裝置2.測位移法76

圖3-23所示是電容傳感器與彈性元件組成的測力裝置。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。用測量電路將此電容量變化轉(zhuǎn)換成電信號，即可得到被測力值。通常采用調(diào)頻或調(diào)相電路來測量電容。這種測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力裝置77圖3-24差動變壓器式測力裝置圖3-24差動變壓器式測力裝置78

圖3-24為兩種常用的由差動變壓器與彈性元件構(gòu)成的測力裝置。彈性元件受力產(chǎn)生位移，帶動差動變壓器的鐵芯運動，使兩線圈互感發(fā)生變化，最后使差動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)是差動變壓器與彈簧組合構(gòu)成的測力裝置；圖3-24(b)為筒形彈性元件。圖3-24為兩種常用的由差動變壓器與彈793.利用某些物理效應(yīng)測力

物體在力作用下會產(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)間接檢測力值。各種類型的測力傳感器就是基于這些效應(yīng)。3.利用某些物理效應(yīng)測力803.2.3測力傳感器

測力傳感器通常將力轉(zhuǎn)換為正比于作用力大小的電信號，使用十分方便，因而在工程領(lǐng)域及其他各種場合應(yīng)用最為廣泛。測力傳感器種類繁多，依據(jù)不同的物理效應(yīng)和檢測原理可分為電阻應(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)測出應(yīng)變，從而間接地測出力的大小。應(yīng)變片的布置和接橋方式，對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，其導(dǎo)磁率會隨應(yīng)力的大小和方向而變化。受拉力時，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，但要求有一個穩(wěn)定的激磁電源。壓磁式力傳感器可測量很大的力，抗過載能力強，能在惡劣條件下工作。但頻率響應(yīng)不高（1～10kHz），測量精度一般在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)部門作為測力或稱重傳感器，例如在軋鋼機上用來測量大的力以及用在吊車秤中。壓磁式力傳感器的輸出電勢比較大，通863.3轉(zhuǎn)矩測量

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

使機械元件轉(zhuǎn)動的力矩或力偶稱為轉(zhuǎn)動力矩，簡稱轉(zhuǎn)矩。機械元件在轉(zhuǎn)矩作用下都會產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形，故轉(zhuǎn)矩有時又稱為扭矩。 力矩是由一個不通過旋轉(zhuǎn)中心的力對物體形成的，而力偶是一對大小相等、方向相反的平行力對物體的作用。所以轉(zhuǎn)矩等于力與力臂或力偶臂的乘積，在國際單位制(SI)中，轉(zhuǎn)矩的計量單位為牛頓·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)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩。

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

動態(tài)轉(zhuǎn)矩是值隨時間變化很大的轉(zhuǎn)矩。

動態(tài)轉(zhuǎn)矩包括振動轉(zhuǎn)矩、過渡轉(zhuǎn)矩和隨機轉(zhuǎn)矩三種。振動轉(zhuǎn)矩的值是周期性波動的；過渡轉(zhuǎn)矩是機械從一種工況轉(zhuǎn)換到另一種工況時的轉(zhuǎn)矩變化過程；隨機轉(zhuǎn)矩是一種不確定的、變化無規(guī)律的轉(zhuǎn)矩。動態(tài)轉(zhuǎn)矩是值隨時間變化很大的轉(zhuǎn)矩。903.轉(zhuǎn)矩的測量方法 轉(zhuǎn)矩的測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)矩測量儀器種類最多，應(yīng)用也最廣泛。(1)平衡力法及平衡力類轉(zhuǎn)矩測量裝置 勻速運轉(zhuǎn)的動力機械或制動機械，在其機體上必然同時作用著與轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相反的平衡力矩。通過測量機體上的平衡力矩(實際上是測量力和力臂)來確定動力機械主軸上工作轉(zhuǎn)矩的方法稱為平衡力法。平衡力法直接從機體上測轉(zhuǎn)矩，不存在從旋轉(zhuǎn)件到靜止件的轉(zhuǎn)矩傳遞問題。但它僅適合測量勻速工作情況下的轉(zhuǎn)矩，不能測動態(tài)轉(zhuǎn)矩。3.轉(zhuǎn)矩的測量方法91(2)能量轉(zhuǎn)換法 依據(jù)能量守恒定律，通過測量其他形式能量如電能、熱能參數(shù)來測量旋轉(zhuǎn)機械的機械能，進而求得轉(zhuǎn)矩的方法即能量轉(zhuǎn)換法。從方法上講，能量轉(zhuǎn)換法實際上就是對功率和轉(zhuǎn)速進行測量的方法。能量轉(zhuǎn)換法測轉(zhuǎn)矩一般只在電機和液機方面有較多的應(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)矩時物理參數(shù)的變化與轉(zhuǎn)矩的對應(yīng)關(guān)系來測量轉(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)被測物理參數(shù)不同，基于傳遞法的轉(zhuǎn)矩測量儀器有多種類型。在現(xiàn)代測量中，這類轉(zhuǎn)矩測量儀的應(yīng)用最為廣泛。 本節(jié)介紹基于傳遞法原理的幾種轉(zhuǎn)矩測量方法和儀器。(3)傳遞法933.3.2傳遞法轉(zhuǎn)矩測量 轉(zhuǎn)矩測量儀器及裝置很多，應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境、測量精度等要求來選擇。1.應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測量

應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測量儀通過測量由于轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的應(yīng)變來測量轉(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，用于各種需要測量轉(zhuǎn)矩的場合。 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。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)簡單，精度較高。貼在轉(zhuǎn)軸上的電阻應(yīng)變片與測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)存在觸點磨損和信號不穩(wěn)定等問題，不適于測量高速轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩。近年來，巳研制出遙測應(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。轉(zhuǎn)軸未受轉(zhuǎn)矩作用時，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上的繞組不會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩作用時，其表面上出現(xiàn)各向異性磁阻特性，磁力線將重新分布，而不再對稱，因此在鐵芯B的線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電勢。轉(zhuǎn)矩愈大，感應(yīng)電勢愈大，在一定范圍內(nèi)，感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系。這樣就可通過測量感應(yīng)電勢e來測定軸上轉(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)矩測量

扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測量法是通過扭轉(zhuǎn)角來測量轉(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)矩測量101由(3-25)式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩作用時，其上兩截面間的相對扭轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩成比例，因此可以通過測量扭轉(zhuǎn)角來測量轉(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)軸上安裝兩個光柵圓盤，兩個光柵盤外側(cè)設(shè)有光源和光敏元件。無轉(zhuǎn)矩作用時，兩光柵的明暗條紋相互錯開，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，無電信號輸出。當(dāng)有轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)軸上時，由于軸的扭轉(zhuǎn)變形，安裝光柵處的兩截面產(chǎn)生相對轉(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。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

它在被測轉(zhuǎn)軸相距L的兩端處各安裝一個齒形轉(zhuǎn)輪，靠近轉(zhuǎn)輪沿徑向各放置一個感應(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)輪的齒頂對準(zhǔn)永久磁鐵的磁極時，磁路氣隙減小，磁阻減小，磁通增大；當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)過半個齒距時，齒谷對準(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。無轉(zhuǎn)矩作用時，轉(zhuǎn)軸上安裝轉(zhuǎn)輪的兩處無相對角位移，兩個脈沖發(fā)生器的輸出信號相位相同。它在被測轉(zhuǎn)軸相距L的兩端處各安裝一個齒106

當(dāng)有轉(zhuǎn)矩作用時，兩轉(zhuǎn)輪之間就產(chǎn)生相對角位移，兩個脈沖發(fā)生器的輸出感應(yīng)電勢出現(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) 可見只要測出相位差就可測得轉(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量，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，對環(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，兩轉(zhuǎn)輪之間就產(chǎn)生相對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在被測軸上相隔距離的兩個面上固定安裝著兩個測量環(huán)，兩根振弦分別被夾緊在測量環(huán)的支架上。當(dāng)軸受轉(zhuǎn)矩作用時，兩個測量環(huán)之間產(chǎn)生一相對轉(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，因此測出兩振弦的振動頻率差，就可知轉(zhuǎn)矩大小。 在安裝振弦時必須使其有一定的預(yù)緊力。在被測軸上相隔距離的兩個面上固定安109演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！110第5節(jié)壓力檢測技術(shù)5.1壓力的基本概念5.2常用壓力檢測儀表第5節(jié)壓力檢測技術(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，正確地測量和控制壓力是保證工業(yè)生產(chǎn)過程良好地運行，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。工程上，習(xí)慣把壓強稱為壓力。

(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不同，在工程上壓力有幾種不同表示方法。(1)絕對壓力被測介質(zhì)作用于物體表面上的全部壓力稱為絕對壓力，用符號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p0表示。2.壓力的表示方法113(3)表壓力絕對壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐罘Q為表壓力，用符號表示， 。(4)真空度(負(fù)壓)當(dāng)絕對壓力小于大氣壓力時，表壓力為負(fù)值(負(fù)壓力)，其絕對值稱為真空度，用符號 表示，。(5)差壓(壓差)任意兩個壓力p1、p2之差稱為差壓， 。(3)表壓力絕對壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐罘Q為表壓力，用符號114各種壓力之間的關(guān)系各種壓力之間的關(guān)系1154.壓力檢測的基本方法根據(jù)不同工作原理，壓力檢測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壓力相平衡的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度或平衡砝碼的重量來測量。例如液柱式壓力計和活塞式壓力計。

(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)生的彈性力與被測壓力相平衡的原理，將壓力轉(zhuǎn)換成位移，通過測量彈性元件位移變形的大小測出被測壓力。此類壓力計有多種類型，可以測量壓力、負(fù)壓、絕對壓力和壓差，應(yīng)用最為廣泛。4.壓力檢測的基本方法116(3)機械力平衡方法 這種方法是將被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個集中力，用外力與之平衡，通過測量平衡時的外力測知被測壓力。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，將被測壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來測量。如應(yīng)變式、壓電式、電容式壓力傳感器等等。(3)機械力平衡方法1173.2常用壓力檢測儀表

1.液柱式壓力計 應(yīng)用液柱測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、單管或斜管進行壓力測量的，其結(jié)構(gòu)形式如圖3-2所示。圖3-2液柱式壓力計3.2常用壓力檢測儀表圖3-2液柱式壓力計118(1)U形管壓力計

圖3-2(a)所示的U形管是用來測量壓力和壓差的儀表。在U形管兩端接入不同壓力和時，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119由上式可求得兩壓力的差值或在己知一個壓力的情況下（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與被測差壓或壓力成正比，因此被測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

U形管壓力計的讀數(shù)誤差較大。為了減小讀數(shù)誤差，可以采用單管壓力計。 單管壓力計如圖3-2(b)所示，它相當(dāng)于將U形管的一端換成一個大直徑的容器，測壓原理與U形管相同。當(dāng)大容器一側(cè)通入被測壓力，管一側(cè)通入大氣壓時，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121由于D>>d，故d2/D2可以忽略不計，則式(3-4)可寫成:(3-5)管內(nèi)工作液面上升的高度h即可表示被測壓力的大小。由于D>>d，故d2/D2可以忽略122(3)斜管壓力計 用U形管或單管壓力計來測量微小的壓力時，因為液柱高度變化很小，讀數(shù)困難，為了提高靈敏度，減小誤差，可將單管壓力計的玻璃管制成斜管，如圖3-2(c)所示。大容器通入被測壓力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)液柱的長度；—斜管傾斜角。由于L>h，所以斜管壓力計比單管壓力計更靈敏，可以提高測量精度。(3)斜管壓力計1232.彈性壓力計

當(dāng)被測壓力作用于彈性元件時，彈性元件便產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形(即機械位移)。根據(jù)變形量的大小，可以測得被測壓力的數(shù)值。彈性壓力計的組成環(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)測量要求選擇和設(shè)計；在彈性元件與指示機構(gòu)之間是變換放大機構(gòu)，其作用是將彈性元件的變形進行變換和放大；

指示機構(gòu)(如指針與刻度標(biāo)尺)用于給出壓力示值；調(diào)整機構(gòu)用于調(diào)整零點和量程。2.彈性壓力計124圖3-3彈性壓力計組成框圖圖3-3彈性壓力計組成框圖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量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓或真空度的測量。(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量范圍kPa輸出特性動態(tài)性質(zhì)最小最大時間常數(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，各適用于不同的測壓范圍和被測介質(zhì)。通過各種傳動放大機構(gòu)直接指示被測壓力值。這類直讀式測壓儀表有彈簧管壓力計、波紋管差壓計、膜盒式壓力計等。

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 彈簧管式壓力計是工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用很廣泛的一種直讀式測壓儀表，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針偏轉(zhuǎn)，并帶動嚙合的中心齒輪轉(zhuǎn)動，與中心齒輪同軸的指針將同時順時針偏轉(zhuǎn)，并在面板的刻度標(biāo)尺上指示出被測壓力值。(2)彈簧管壓力計130圖3-4彈簧管壓力計結(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位置，從而改變放大比，調(diào)整儀表的量程。轉(zhuǎn)動軸上裝有游絲，用以消除兩個齒輪嚙合的間隙，減小儀表的變差。直接改變指針套在轉(zhuǎn)動軸上的角度，就可以調(diào)整儀表的機械零點。彈簧管壓力計結(jié)構(gòu)簡單,使用方便，價格低廉，測壓范圍寬，應(yīng)用十分廣泛。一般彈簧管壓力計的測壓范圍為-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)彈性壓力計信號遠(yuǎn)傳方式 彈性壓力計可以在現(xiàn)場指示，但是許多情況下要求將信號遠(yuǎn)傳至控制室。一般可以在已有的彈性壓力計結(jié)構(gòu)上增加轉(zhuǎn)換部件實現(xiàn)信號的遠(yuǎn)距離傳送。

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

常見的轉(zhuǎn)換方式有電位計式、霍爾元件式、電感式、差動變壓器式等，圖3-5給出兩種電遠(yuǎn)傳彈性壓力計結(jié)構(gòu)原理。(3)彈性壓力計信號遠(yuǎn)傳方式133(a)電位器式(b)霍爾元件式圖3-5彈性壓力計信號電遠(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，滑線電位器的滑動觸點與自由端連接并隨之移動，自由端的位移就轉(zhuǎn)換為電位器的電信號輸出。這種遠(yuǎn)傳方法比較簡單，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，并處于兩對磁場方向相反的磁極組件構(gòu)成的線性不均勻磁場的間隙中?；魻栐蛔杂啥藥釉诓痪鶆虼艌鲋幸苿訒r，將感受不同的磁場強度。若在霍爾元件的兩端通以恒定電流，則在垂直于磁場和電流方向的另兩側(cè)將產(chǎn)生霍爾電勢，此輸出電勢即對應(yīng)于自由端位移，從而給出被測壓力值。這種儀表結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，壽命長，但對外部磁場敏感，耐振性差。圖3-5(b)為霍爾元件式，其轉(zhuǎn)1363.力平衡式壓力計圖3-6力平衡式壓力計的基本框圖

3.力平衡式壓力計圖3-6力平衡式壓力計的基本框圖137

力平衡式壓力計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。力平衡式壓力計的基本構(gòu)成如圖3-6所示，被測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)；由偏差檢測器輸出偏差值至放大器；放大器將信號放大并輸出電流(或電壓)信號，電流信號控制反饋力或力矩發(fā)生機構(gòu)，使之產(chǎn)生反饋力；當(dāng)反饋力與作用力平衡時，儀表處于新的平衡狀態(tài)；顯示機構(gòu)可輸出與被測壓力或壓差相對應(yīng)的信號。

力平衡式壓力計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量系統(tǒng)的原理圖3-7彈性力平衡式壓力測量系統(tǒng)的原理1394.壓力傳感器

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

壓力傳感器是壓力檢測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壓力變換成各種形式的電信號，便于滿足自動化系統(tǒng)集中檢測與控制的要求，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量各種彈性元件的應(yīng)變來間接測量壓力的傳感器。根據(jù)制作材料的不同，應(yīng)變元件可以分為金屬和半導(dǎo)體兩大類。應(yīng)變元件的工作原理基于導(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)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化。電阻值的相對變化與應(yīng)變有以下關(guān)系：