1、第四章第四章 压力测量系统压力测量系统中国民航大学电子信息与自动化学院中国民航大学电子信息与自动化学院钟伦珑钟伦珑2第四章第四章 压力测量系统压力测量系统4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 液柱式压力计和活塞式压力计液柱式压力计和活塞式压力计4.3 4.3 位移式压力测量装置位移式压力测量装置4.4 4.4 应变式压力传感器应变式压力传感器4.5 4.5 压阻式压力传感器压阻式压力传感器4.6 4.6 压电式压力传感器压电式压力传感器4.7 4.7 力平衡式压力测量系统力平衡式压力测量系统4.8 4.8 谐振式压力传感器谐振式压力传感器4.9 4.9 动态压力测量时的管道和容腔效应动态压力
2、测量时的管道和容腔效应4.10 4.10 压力测量装置的静、动态标定压力测量装置的静、动态标定34.1概述概述v4.1.1压力的概念 压力流体介质垂直作用于单位面积上的力。压力是流体介质分子的质量与分子热运动对容器壁碰撞的结果，也是反映流体介质状态的一个重要参数，通常以符号p表示，即F:流体介质垂直作用于物体表面的力(N)S:承受力的面积(m2)FpS44.1.1压力的概念压力的概念 流体压力分类（参照点不同）: 压差两个压力之间的相对差值; 绝对压力相对于零压力(绝对真空)的压力; 表压力绝对压力与当地大气压之差; 负压(真空表压力)当绝对压力小于大气压时，大气压与该绝对压力之差 大气压地球
3、表面上的空气质量所产生的压力54.1.1压力的概念压力的概念 按压力随时间的变化 静态压力不随时间变化或随时间缓慢变化的压力; 动态压力随时间作快速变化的压力。64.1.2压力的单位压力的单位 帕斯卡 Pa(N/m2） 每lm2的面积上均匀作用有1N的力。 国际单位制(SI)中规定的压力单位，也是我国国标中规定的压力单位。 标准大气压(atm) 温度为0、重力加速度为9.806 65 m/s2 ，高度为0.760m,密度为13.5951kg/m3的水银柱所产生的压力 工程大气压(at) 1 cm2的面积上均匀作用有9.806 65 N(1 kgf)时所产生的压力。1101 325atmPa21
4、1/98066.5atkgfcmPa74.1.2压力的单位压力的单位 巴(bar) 1 cm2的面积上均匀作用有106 dyn力所产生的压力 巴是厘米克秒制中的压力单位 常用于气象学和航空测量技术中 毫米液柱 以液柱(水银或水或其他液体)高度来表示压力的大小 常用的有毫米汞柱(mmHg) 毫米水柱(mmH2O) 磅/英寸2 (psi) 1 in2均匀作用有1 lbf力时所产生的压力635110/10bardyn cmPa84.l.3压力测量系统的分类压力测量系统的分类94.l.3压力测量系统的分类压力测量系统的分类v 根据测量压力的原理，可分为: 基于与重力相比较的压力测量系统 各种液柱压力计
5、等 利用弹性敏感元件的压力位移特性的压力测量系统 如机械式压力表、 电位计式压力传感器 电容式压力传感器等 利用弹性敏感元件的压力与应变特性的压力测量系统 应变式压力传感器104.l.3压力测量系统的分类压力测量系统的分类 利用弹性敏感元件的压力与应力特性的压力测量系统 硅压阻式压力传感器 压电式压力传感器等 利用弹性敏感元件的压力/集中力特性的压力测量系统 力平衡式压力传感器等 利用弹性敏感元件的压力/频率特性的压力测量系统 如振弦式 振动筒式压力传感器 谐振膜式压力传感器等。 利用某些物理特性的压力测量系统 如热导式 电离式真空计等。114.1.4常用的压力弹性敏感元件常用的压力弹性敏感元
6、件124.2液柱式压力计和活塞式压力计液柱式压力计和活塞式压力计 液柱式压力计是最早使用的压力计，其结构简单，测压精度较高，目前常用做压力计量基准 活塞式压力计也是目前常用的压力计量基准，其测压精度高，压力测量范围大。134.2.1液柱式压力计液柱式压力计 液柱式压力计 利用液柱产生的压力与被测流体介质的压力平衡原理 倾斜管液柱压力计可以提高压力测量精度12pppgh 144.2.2活塞式压力计活塞式压力计 活塞式压力计 利用标准砝码所产生的力与被测流体介质压力作用于自由活动的活塞上所产生的力相互平衡的原理ffeWFFpSFS p154.3位移式压力测量装置位移式压力测量装置 电位计式压力传感
7、器 变磁阻式压力传感器 电容式压力传感器164.3.1电位计式压力传感器电位计式压力传感器 原理174.3.2变磁阻式压力传感器变磁阻式压力传感器 原理184.3.3电容式压力传感器电容式压力传感器 原理194.3.3电容式压力传感器电容式压力传感器 变压器式电桥线路原理图 等效电路图204.3.3电容式压力传感器电容式压力传感器Zf上的电压即为电桥输出电压当 时以平行极板电容为模型则112212()1()outffffECE CjUI ZZZCCjww-=+fZ1212()outE CCUCC-=+1200,ssCCeedddd=- D+ D0outEUddD=214.4应变式压力传感器应变
8、式压力传感器 利用弹性敏感元件受被测压力作用后所产生的机械弹性变形（应变），通过应变丝、应变片或应变膜的电阻变化实现压力测量。224.4.1 平膜片应变式压力传感器平膜片应变式压力传感器234.4.2非粘贴式非粘贴式(张丝式张丝式)应变压力传感器应变压力传感器 原理244.5压阻式压力传感器压阻式压力传感器 单晶硅材料的压阻效应 :电阻的变化量(n); :以电阻条长度方向为参考方向的纵向应力和横向应力(Pa) :纵向压阻系数和横向压阻系数(Pa-1 ) aannRRp sp sD=+,ananRssppD254.5压阻式压力传感器压阻式压力传感器 压阻式压力传感器264.5压阻式压力传感器压阻
9、式压力传感器 由于压阻效应主要是基于电阻率的变化，而对于半导体特殊的导电机制，其电阻率受温度的影响非常大，因此单晶硅的压阻效应受温度的影响非常大。所以，在应用压阻式压力传感器时，必须考虑温度对其测量过程的影响。274.6压电式压力传感器压电式压力传感器 压电效应 某些电介质，当沿一定方向对其施加外力时，在其某些表面产生电荷;当外力去掉后，又重新回到不带电状态。这种将机械能转变成电能的现象称为“正压电效应” 压电材料 天然的石英晶体材料、人工合成的压电陶瓷材料与压电薄膜材料三大类。284.6压电式压力传感器压电式压力传感器 膜片式压电压力传感器两片石英晶片输出的总电荷量q为d11:石英晶体的压电
10、常数(C/N) ;S :膜片的有效面积（m2）p :压强(Pa)。112qd Sp294.7力平衡式压力测量系统力平衡式压力测量系统 力反馈式压力测量系统弹性敏感元件将作为一个把压力变为集中力的变换元件，利用其压力，集中力特性，这样弹性敏感元件不产生或产生极小的位移，弹性敏感元件的迟滞和温度误差将不起作用。 两种类型 弹簧力反馈式压力测量系统 磁电力反馈式压力测量系统304.7.1弹簧力反馈式压力测量系统弹簧力反馈式压力测量系统314.7.2磁电力平衡式压力测量系统磁电力平衡式压力测量系统324.8谐振式压力传感器谐振式压力传感器利用机械谐振原理，基于被测压力改变(调制)谐振敏感元件的固有频率
11、，通过检测机械谐振子的固有频率实现对压力测量的传感器。 特点 传感器通常工作在一个处于谐振状态的闭环系统下，而且相对于谐振子的振动能量，系统的功耗是极小量。这一特征决定了谐振式压力传感器的抗干扰性强，稳定性好。 传感器的敏感元件固有的谐振特性决定了其具有高的灵敏度和分辨率。334.8.1谐振弦式压力传感器谐振弦式压力传感器 原理被测压力不同，加在振弦上的张紧力不同，则振弦的等效刚度不同，因此振弦的固有频率不同。通过测量振弦的固有频率就可以测出被测压力的大小。344.8.1谐振弦式压力传感器谐振弦式压力传感器振弦的固有频率k:振弦的等效刚度(N/m)m:振弦工作段的质量(kg)振弦的横向刚度与弦
12、的张紧力的关系为 T0:振弦的初始张紧力(N) Tx:作用于振弦上的，由被测压力引起的张紧力(N) L:振弦工作段长度(m)则振弦的固有频率与张紧力的函数关系为12kfm20()xTTkL012xTTfmL354.8.2振动筒式压力传感器振动筒式压力传感器 原理 通入振动筒的被测压力不同时，振动筒的等效刚度不同，因此振动筒的固有频率不同。通过测量振动筒的固有频率就可以测出被测压力的大小364.8.2振动筒式压力传感器振动筒式压力传感器 振动筒内的压力与固有频率间的近似关系f0:压力为零时振动筒所具有的固有频率(Hz)p:被测压力(Pa)C:与振筒材料、物理参数有关的系数(Pa-1) 温度误差
13、振动筒合金材料的弹性模量随温度而变化 被测气体密度与湿度的影响01ffCp374.8.3谐振膜式压力传感器器谐振膜式压力传感器器 原理 谐振膜式压力传感器的工作原理与振动筒式压力传感器的工作原理一样，利用振膜的固有频率随被测压力而变化来测量压力。384.9动态压力测量时的管道和容腔效应动态压力测量时的管道和容腔效应v压力测量系统的动态性能与以下两个因素密切相关: 压力传感器及其测量线路 传送压力的连接管道和传感器容腔(主要因素)v容腔效应：测压传感器前的空腔和导压管，导致压力衰减和相位滞后。394.9.1管道和容腔的无阻尼自振频率管道和容腔的无阻尼自振频率 传感器容腔体积比压力传送管道的体积小
14、时管道和传感器容腔可看作是一个由气体材料构成的圆柱体这段气体柱可以看作是一个单自由度弹性振动系统，其固有振动频率为 a:声音在气体中的传播速度(m/s)Lp:传压管道的长度(m); n:泛音次数，n=1、2、3.214npnafL404.9.1管道和容腔的无阻尼自振频率管道和容腔的无阻尼自振频率 传感器容腔体积和传压管道体积比不能忽略时固有振动频率为r:管道半径(m)Lp:管道长度(m)V:传感器容腔体积(m3)221324npr afL V414.9.2管道和容腔存在阻尼时的频率特性管道和容腔存在阻尼时的频率特性 阻尼为各层流体间与流体和管壁间的摩擦（粘性摩擦）若以p0表示管道开口处的压力，
15、p表示传感器容腔内的压力，则上述系统的幅频特性C:容腔等效气容(m5/N);L:管道等效气感(Ns2/m5);R:管道等效气阻(Ns/m5) :气体的密度(kg/m3) :气体的动态粘度(Ns/m)2222201(1)ppLCC Rww=-+rh424.9.2管道和容腔存在阻尼时的频率特性管道和容腔存在阻尼时的频率特性 当采用很细的管道(毛细管)作传压管道时，传压管道的阻抗可看作为纯气阻 无论是否考虑气体的阻尼，只要传压管道越长、管径越细、容积越大，该传压系统在动态压力测量时，造成的动态误差就越大。这一点在动态压力测量时必须认真考虑。222011ppC Rw=+434.10压力测量装置的静、动态标定压力测量装置的静、动态标定v4.10.1压力测量装置的静态标定 压力测量装置静态标定试验设备是一台能产生高精度压力并能精确判读出所具有压力值的装置和一台能精确判读被标定的压力测量装置的输出量大小的装置 常用静压标定设备 液体压力计 活塞压力计444.10.2压力测量装置的动态标定压力测量装置的动态标定 用于动态压力标定的设备分为两类: 一类产生阶跃压力 一类产生正弦压力454.10.2压力测量装置的动态标定压力测量装置的动态标定 阶跃压力发生设备464.10.2压力测量装置的动态标定压力测量装置的动态标定 正弦压力发生设备474.10.2压力测量装置的动态标定压力测量装置的动态标定
