1、 第一节第一节 气流压力的测量气流压力的测量 第二节第二节 压力指示仪压力指示仪 第三节第三节 电气式压力检测电气式压力检测 第四节第四节 气流速度测量气流速度测量 第五节第五节 热线测速技术热线测速技术 第五章思考题第五章思考题第五章第五章 压力与流速测量压力与流速测量 在供热、通风及供燃气工程中，压力是最常在供热、通风及供燃气工程中，压力是最常用的测量参数之一。压力指的是单位面积上的作用的测量参数之一。压力指的是单位面积上的作用力。在压力测量中，有稳定压力的测量，也有用力。在压力测量中，有稳定压力的测量，也有瞬态压力的测量。从被测压力的量值看有低压、瞬态压力的测量。从被测压力的量值看有低压
2、、中压、高压之分，另外也有负压或真空度的测量。中压、高压之分，另外也有负压或真空度的测量。 压力的单位为国际通用的帕（压力的单位为国际通用的帕（PaPa）或巴）或巴（barbar），），1Pa=101Pa=10- -5 5barbar。常用的压力单位还有标。常用的压力单位还有标准大气压和工程大气压。准大气压和工程大气压。 一、压力表示方式一、压力表示方式 压力的表示方式有绝对压力压力的表示方式有绝对压力P PJ J、表压力、表压力P PB B、真、真空度或负压空度或负压P PZ Z。 绝对压力是指介质的实际压力；表压力是指绝对压力是指介质的实际压力；表压力是指高于大气压的绝对压力与大气压力高于
3、大气压的绝对压力与大气压力P PD D之差，即之差，即 P PB B=P=PJ J-P-PD D 真空度是指大气压力与低于大气压力的绝真空度是指大气压力与低于大气压力的绝对压力之差，有时也叫负压，即对压力之差，有时也叫负压，即 P PZ Z=P=PD D-P-PJ J 二、压力检测方法二、压力检测方法 1 1、重力与被测压力平衡、重力与被测压力平衡 通过直接测量单位面积所承受的垂直方向力通过直接测量单位面积所承受的垂直方向力的大小来检测压力，如液柱式和活塞式压力计。的大小来检测压力，如液柱式和活塞式压力计。 2 2、弹性力与被测压力平衡、弹性力与被测压力平衡 弹性元件感受压力作用后会产生弹性变
4、形，弹性元件感受压力作用后会产生弹性变形，形成弹性力，当弹性力与被测压力平衡时，弹性形成弹性力，当弹性力与被测压力平衡时，弹性元件变形多少则反映了被测压力的大小。元件变形多少则反映了被测压力的大小。 3 3、利用物质其它与压力有关的物理性质测、利用物质其它与压力有关的物理性质测量压力量压力 一些物质受压后，其某些物理性质会发生变一些物质受压后，其某些物理性质会发生变化，通过测量这种变化就能测量出压力。如压阻化，通过测量这种变化就能测量出压力。如压阻式传感器和压电式传感器。式传感器和压电式传感器。 4 4、以空气动力测压法为基础的气动探针、以空气动力测压法为基础的气动探针 测量气流中压力（总压和
5、静压）所常用的方测量气流中压力（总压和静压）所常用的方法，如毕托管。法，如毕托管。第一节第一节 气流压力的测量气流压力的测量 一、总压测量一、总压测量 由流体力学可知，任何被流体绕流的物体上由流体力学可知，任何被流体绕流的物体上都有这样一些点，在这些点上流体完全滞止，即都有这样一些点，在这些点上流体完全滞止，即这些点上流速为零，通常称这些点为驻点，驻点这些点上流速为零，通常称这些点为驻点，驻点上的压力为滞止压力或总压。上的压力为滞止压力或总压。其物理意义是：在其物理意义是：在没有外功作用下，流体速度等熵地减速为零时所没有外功作用下，流体速度等熵地减速为零时所产生的压力。此时，流体的动能全部等熵
6、地转变产生的压力。此时，流体的动能全部等熵地转变为压力能。为压力能。 在实际应用中，由于通道及管道中气流的运在实际应用中，由于通道及管道中气流的运动情况很复杂，气流方向往往不可能确切知道，动情况很复杂，气流方向往往不可能确切知道，而且随着工况的变化，气流的方向变化较大。即而且随着工况的变化，气流的方向变化较大。即使知道气流的方向，要保证总压管轴线对准气流使知道气流的方向，要保证总压管轴线对准气流方向，对安装的要求就要提高。因此，实用上希方向，对安装的要求就要提高。因此，实用上希望孔口轴线对气流方向虽然偏离了一定角度望孔口轴线对气流方向虽然偏离了一定角度时，时，还能正确感受总压。还能正确感受总压
7、。 事实上，各种型式的总压管的不敏感角度是事实上，各种型式的总压管的不敏感角度是随着气流速度的变化而有不同程度的改变。随着气流速度的变化而有不同程度的改变。 1 1、L L型总压管型总压管 孔的直径孔的直径0.5mm0.5mm；L/D3L/D3，以减小支杆部分，以减小支杆部分对孔口干扰，不敏感角对孔口干扰，不敏感角为为（10101515）。）。 2 2、带导流套管型总压管、带导流套管型总压管 在在L L型总压管外增加一个导流套管进行整流，型总压管外增加一个导流套管进行整流，使不敏感角增大至使不敏感角增大至（30304545）。）。 3 3、多点总压管、多点总压管 4 4、附面层总压管、附面层总
8、压管 二、静压测量二、静压测量 按静压的物理概念，只有当感受管对液体无按静压的物理概念，只有当感受管对液体无任何干扰时，流体速度和流线未受任何影响的情任何干扰时，流体速度和流线未受任何影响的情况下，才有可能正确测出静压，这只有当感受管况下，才有可能正确测出静压，这只有当感受管与流体以同一速度运动时才能实现。与流体以同一速度运动时才能实现。 1 1、壁面静压孔、壁面静压孔 对于直管道内流动的液体，可以认为在横截对于直管道内流动的液体，可以认为在横截面上各点的静压大致相等。因此，常常采用在液面上各点的静压大致相等。因此，常常采用在液体通道壁面上开孔的方法以感受静压。体通道壁面上开孔的方法以感受静压
9、。 壁面开孔必然对流过壁面的流体有些干扰，由壁面开孔必然对流过壁面的流体有些干扰，由此将造成测量误差。孔径越大，流线弯曲越严重，此将造成测量误差。孔径越大，流线弯曲越严重，因而误差也就越大；但孔径太小会使制造困难，使因而误差也就越大；但孔径太小会使制造困难，使用时也容易被灰尘堵塞，而且还会引起测量反映迟用时也容易被灰尘堵塞，而且还会引起测量反映迟缓，一般孔径取为缓，一般孔径取为0.50.51.0mm1.0mm。 2 2、静压管、静压管 当必须测量气流中某一点的静压或需要测量当必须测量气流中某一点的静压或需要测量流场中某截面的静压分布时可使用静压管。流场中某截面的静压分布时可使用静压管。 1 1
10、）L L型静压管型静压管 2 2）带导流的静压管）带导流的静压管第二节第二节 压力指示仪压力指示仪 一、液柱式压力计一、液柱式压力计 液柱式压力计是利用液柱底面产生的静压力液柱式压力计是利用液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来反映与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来反映被测压力大小的仪表。被测压力大小的仪表。一般采用水银或水为工作一般采用水银或水为工作介质，常用于低压、负压、或压力差的检测。介质，常用于低压、负压、或压力差的检测。 这种压力计结构简单，使用方便，有相当高这种压力计结构简单，使用方便，有相当高的准确度，在本专业中应用广泛。缺点是量程受的准确度，在本专业中应
11、用广泛。缺点是量程受液柱高度的限制。液柱高度的限制。 1 1、U U形管压力计形管压力计 所测压差与工作液垂直液柱高度差的关系为所测压差与工作液垂直液柱高度差的关系为 )(21hhgP 若若P P2 2管通向大气，则管通向大气，则P P1 1管的表压为管的表压为)(21hhgPB 可见提高工作液密度可见提高工作液密度将增加压力测量范围，但将增加压力测量范围，但灵敏度降低。灵敏度降低。 2 2、单管压力计、单管压力计 由于由于U U形管压力计需要两形管压力计需要两次读取液面高度，使用不方便，次读取液面高度，使用不方便，为此设计出一次读取液面高度为此设计出一次读取液面高度的单管压力计。的单管压力计
12、。 21221) 1()(hAAghhgPB 当当A A1 1A A2 2时，上式近似时，上式近似为为2hgPB 3 3、斜管微压计、斜管微压计 是一种变形单管压力计，是一种变形单管压力计，主要用于测量微小主要用于测量微小压力、负压和压差。压力、负压和压差。由于被测压力很小，用单管由于被测压力很小，用单管压力计测量时其液柱高度变化也小。为了减小读压力计测量时其液柱高度变化也小。为了减小读数相对误差，拉长液柱，把测量管斜放一角度，数相对误差，拉长液柱，把测量管斜放一角度，构成斜管微压计。构成斜管微压计。 在被测压力作用下管内液面升高在被测压力作用下管内液面升高h h2 2时，得时，得lAAgPl
13、hlAAhB)sin(sin122121 式中式中 为一常数。因此读取为一常数。因此读取 值，即值，即可得被测压力。可得被测压力。 角越小，角越小， 则越长，测量灵敏度则越长，测量灵敏度就越高；但就越高；但 不能太小（一般不小于不能太小（一般不小于1515），否），否则读数困难，反而增加读数误差。则读数困难，反而增加读数误差。)sin(12AAgll 4 4、液柱式压力计的读数误差及修正、液柱式压力计的读数误差及修正 1 1、环境温度变化的影响及修正、环境温度变化的影响及修正 当环境温度偏离规定温度时，工作液密度、当环境温度偏离规定温度时，工作液密度、标尺长度都会发生变化。由于工作液的体膨胀系
14、标尺长度都会发生变化。由于工作液的体膨胀系数比标尺的线膨胀系数大得多，对于一般的工业数比标尺的线膨胀系数大得多，对于一般的工业测量，主要考虑温度变化使工作液密度变化对压测量，主要考虑温度变化使工作液密度变化对压力测量的影响。力测量的影响。 环境温度偏离规定温度环境温度偏离规定温度t t0 0后，工作液密度改变后，工作液密度改变对压力计读数影响的修正公式为：对压力计读数影响的修正公式为：)(1 00tthhtt 2 2、重力加速度变化的修正、重力加速度变化的修正 仪表使用地点的重力加速度由下式计算：仪表使用地点的重力加速度由下式计算：BHggn21)2cos(00265. 01 式中式中 H H
15、， 使用地点的海拔，使用地点的海拔，m m和纬度（和纬度（）；）； g gn n标准重力加速度标准重力加速度 。 R R 地球的公称半径，地球的公称半径，R=6356766mR=6356766m。smng2/80665. 9 压力读数的修正系数为压力读数的修正系数为hgghnn式中式中 标准重力加速度下的工作液液柱高度。标准重力加速度下的工作液液柱高度。 使用地点（重力加速度为使用地点（重力加速度为 ）的工作）的工作 液液柱高度。液液柱高度。nhhg 3 3、毛细管现象的影响、毛细管现象的影响 毛细管现象能使压力计测量管内的液柱升高毛细管现象能使压力计测量管内的液柱升高或降低，尤其对单管压力计
16、，这种影响较大。或降低，尤其对单管压力计，这种影响较大。当当管内工作液为吸附性液体时，如水、酒精等，液管内工作液为吸附性液体时，如水、酒精等，液面呈凹面，会产生正误差；面呈凹面，会产生正误差；当管内工作液为非吸当管内工作液为非吸附性液体时，如贡，液面成凸面，会产生负误差。附性液体时，如贡，液面成凸面，会产生负误差。为了减小该读数误差，通常要求液柱式压力计测为了减小该读数误差，通常要求液柱式压力计测量管的内径不小于量管的内径不小于10mm10mm。 二、弹性机械式压力计二、弹性机械式压力计 弹性式压力检测是利用弹性元件作为压力敏弹性式压力检测是利用弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成弹性元件位移
17、的一种检测方感元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。法。 弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形的大小与被测压力成正比关系。目前，作压变形的大小与被测压力成正比关系。目前，作压力检测的弹性元件主要有力检测的弹性元件主要有膜片、波纹管和弹簧管。膜片、波纹管和弹簧管。 弹性元件受外部压力作用后通过受压面表现弹性元件受外部压力作用后通过受压面表现为力的作用，其力的大小为为力的作用，其力的大小为式中式中A A为弹性元件承受压力的有效面积。根据虎克为弹性元件承受压力的有效面积。根据虎克定律，弹性元件在一定范围内变形与所受外力成定律，弹性元件在一定范围内变形
18、与所受外力成正比关系，即正比关系，即PAFCxF 式中式中C C为弹性元件的刚度系数；为弹性元件的刚度系数；x x为弹性元件在受为弹性元件在受到外力到外力F F作用下所产生的位移。作用下所产生的位移。 因此，当弹性元件受压力为因此，当弹性元件受压力为P P时，其位移量为：时，其位移量为：CpACFx/ 上式中弹性元件的有效面积上式中弹性元件的有效面积A A和刚度系数和刚度系数C C与与弹性元件的性能、加工过程和热处理等有较大关弹性元件的性能、加工过程和热处理等有较大关系。当位移量较小时，它们均可视为常数，压力系。当位移量较小时，它们均可视为常数，压力与位移成线性关系。比值与位移成线性关系。比值
19、A/CA/C的大小决定了弹性元的大小决定了弹性元件的压力测量范围。一般地，件的压力测量范围。一般地，A/CA/C越小，可测压力越小，可测压力越大。越大。 1 1、膜片、膜片 膜片是一种沿外缘固定的片状形测压弹性元件，膜片是一种沿外缘固定的片状形测压弹性元件，按剖面形状分为按剖面形状分为平膜片和波纹膜片平膜片和波纹膜片。膜片的特性一膜片的特性一般用中心的位移和被测压力的关系来表征。般用中心的位移和被测压力的关系来表征。当膜片当膜片的位移很小时，它们之间有良好的线性关系。的位移很小时，它们之间有良好的线性关系。 波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄膜，波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄膜，其
20、波纹的数目、形状、尺寸和分布情况与压力测量其波纹的数目、形状、尺寸和分布情况与压力测量范围有关，也与线性应变有关。有时也可以将两块范围有关，也与线性应变有关。有时也可以将两块膜片沿周边对焊起来，成一薄膜盒子，膜片沿周边对焊起来，成一薄膜盒子，称为膜盒。若将膜盒内部抽成真空，并且密封起称为膜盒。若将膜盒内部抽成真空，并且密封起来，则当膜盒外压力变化时，膜盒中心将产生位来，则当膜盒外压力变化时，膜盒中心将产生位移。这种真空膜盒常用来测量大气的绝对压力。移。这种真空膜盒常用来测量大气的绝对压力。 膜片常用的材料有：锡锌青铜、磷青铜、铍膜片常用的材料有：锡锌青铜、磷青铜、铍青铜、高弹性合金、恒弹性合金
21、、碳素钢、不锈青铜、高弹性合金、恒弹性合金、碳素钢、不锈钢等。膜片的厚度一般在钢等。膜片的厚度一般在0.050.050.3mm0.3mm。 膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是，机构指示。但是，由于膜片的位移较小，灵敏度由于膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度也不高，一般为低，指示精度也不高，一般为2.52.5级。级。 2 2、波纹管、波纹管 波纹管是一种具有等间距同轴环状波纹，能波纹管是一种具有等间距同轴环状波纹，能沿轴向伸缩的测压弹性元件。沿轴向伸缩的测压弹性元件。 由于波纹管的位移相对较大，故一般可在其由于波纹管的位移相对较大，故一般可
22、在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。顶端安装传动机构，带动指针直接读数。波纹管波纹管的特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检的特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（测较低的压力（1.01.010106 6PaPa），但波纹管迟滞误），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到差较大，精度一般只能达到1.51.5级。级。 3 3、弹簧管、弹簧管 弹簧管截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），弹簧管截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），并弯成圆狐状（中心角常为并弯成圆狐状（中心角常为270270）的空心管子。）的空心管子。 由于变形前后弹簧管由于变形前后弹簧管长度不变，假设变形后内长度不变，假
23、设变形后内外半径分别为外半径分别为r r、R R，变形后圆弧角为变形后圆弧角为，则，则有有rrRR 两式相减，则有两式相减，则有)()(rRrR 即即 bb 若被测压力大于标准大气压，由于弹簧管的若被测压力大于标准大气压，由于弹簧管的非圆截面，使得短轴方向的受力面大于长轴方向非圆截面，使得短轴方向的受力面大于长轴方向的受力面，因此短轴伸长，长轴缩短，使它有变的受力面，因此短轴伸长，长轴缩短，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。 弹簧管常用的材料有磷青铜、锡
24、青铜、合金弹簧管常用的材料有磷青铜、锡青铜、合金钢和不锈钢等，适用于不同的压力测量范围和被钢和不锈钢等，适用于不同的压力测量范围和被测介质。测介质。 弹簧管可以通过传动机构直接指示被测压力，弹簧管可以通过传动机构直接指示被测压力，也可以用适当的转换元件把弹簧管自由端的位移也可以用适当的转换元件把弹簧管自由端的位移变换成电信号输出。变换成电信号输出。 （1 1）弹簧管压力表）弹簧管压力表 弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中负压、微压、低压、中压和高压，因此应用
25、十压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要分广泛。根据制造的要求，仪表的精度等级有求，仪表的精度等级有0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.52.5级。级。 （2 2）电远传式弹簧管压力表）电远传式弹簧管压力表 主要有霍尔压力传感器和电感式压力传感器主要有霍尔压力传感器和电感式压力传感器两种。两种。 霍尔压力传感器是在弹簧管自由端连接一个霍尔压力传感器是在弹簧管自由端连接一个置于置于线性变化磁场线性变化磁场中的霍尔元件，把霍尔元件的中的霍尔元件，把霍尔元件的位移转换成霍尔电势。位移转换成霍尔电势。 电感式压力传感器是将处于电感线圈中的衔电感式压力传感器是将处于电感线圈中的衔铁与弹簧管自
26、由端相连，铁与弹簧管自由端相连，把衔铁的位移转换成线把衔铁的位移转换成线圈的电感量的变化圈的电感量的变化。 霍尔元件的基本工作原理阐述如下：霍尔元件的基本工作原理阐述如下：霍尔效应的产生是由霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中于运动电荷受磁场中洛仑磁力作用的结果。洛仑磁力作用的结果。假设在假设在N N型半导体薄片型半导体薄片上通以电流上通以电流I I，则，则半导体中的电子沿着电流相反的方向运动，由于半导体中的电子沿着电流相反的方向运动，由于在垂直于半导体薄片平面的方向上施加磁场力在垂直于半导体薄片平面的方向上施加磁场力B B，所以电子受洛仑磁力的作用向一边偏转，并所以电子受洛仑磁力的作用向一边
27、偏转，并使该边形成电子积累，而另一边则为正电荷积累，使该边形成电子积累，而另一边则为正电荷积累，于是形成电场。该电场阻止电子的继续偏转，当于是形成电场。该电场阻止电子的继续偏转，当电场作用在运动电子上的力等于洛仑磁力时，电电场作用在运动电子上的力等于洛仑磁力时，电子的积累便达到动态平衡。在薄片两横端面之间子的积累便达到动态平衡。在薄片两横端面之间建立电场，其对应的电动势称为霍尔电势建立电场，其对应的电动势称为霍尔电势E EH H，其，其大小可表示为大小可表示为)(VdIBREHH式中式中R RH H霍尔系数；霍尔系数； dd霍尔元件厚度。霍尔元件厚度。 霍尔压力传感霍尔压力传感器用做远传压力表
28、器用做远传压力表的原理如图所示。的原理如图所示。霍尔片与弹簧管的霍尔片与弹簧管的自由端相连，使霍自由端相连，使霍尔片处于两对磁极尔片处于两对磁极所形成的非均匀磁所形成的非均匀磁场之中。场之中。 霍尔片的四个端面引出四根导线，其中与磁钢霍尔片的四个端面引出四根导线，其中与磁钢平行的两根导线和直流稳压电源相连接，另两根导平行的两根导线和直流稳压电源相连接，另两根导线用来输出信号。线用来输出信号。 当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管的自由端产生位移，改变了霍尔片处于非均匀磁管的自由端产生位移，改变了霍尔片处于非均匀磁场之中的位置，从而将机械位移量转换成
29、霍尔电势，场之中的位置，从而将机械位移量转换成霍尔电势，所以可将压力信号以电量形式进行远传。所以可将压力信号以电量形式进行远传。 霍尔片对温度变化非常敏感，需要进行温度补霍尔片对温度变化非常敏感，需要进行温度补偿。偿。霍尔片连接的外部直流电源应具有恒流特性，霍尔片连接的外部直流电源应具有恒流特性，以保证流过霍尔片的电流恒定。以保证流过霍尔片的电流恒定。第三节第三节 电气式压力检测电气式压力检测 弹性式压力检测仪表由于结构简单，价格便宜，弹性式压力检测仪表由于结构简单，价格便宜，使用和维修方便，在工业生产中应用十分广泛。然使用和维修方便，在工业生产中应用十分广泛。然而而在测量压力变化快和高真空、
30、超高压时，其动态在测量压力变化快和高真空、超高压时，其动态和静态性能就不能适应，而电气式压力检测方法则和静态性能就不能适应，而电气式压力检测方法则较适合。较适合。 电气式压力检测方法一般是用压力敏感元件直电气式压力检测方法一般是用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。能实能实现这种压力电量转换的压敏元件主要有压电材料、现这种压力电量转换的压敏元件主要有压电材料、应变片和压阻元件。应变片和压阻元件。 一、压电材料及压电式压力传感器一、压电材料及压电式压力传感器 利用压电材料检测压力是基于压电效应原理，利用压电材料检测压力是基于压电效应原理，
31、即压电材料受压时会在其表面产生电荷，其电荷量即压电材料受压时会在其表面产生电荷，其电荷量与所受的压力成正比。与所受的压力成正比。 压电元件被夹在两压电元件被夹在两块弹性膜片之间，当压块弹性膜片之间，当压力作用于膜片，使压电力作用于膜片，使压电元件受力而产生电荷。元件受力而产生电荷。电荷量经放大可转换成电荷量经放大可转换成电压或电流输出。电压或电流输出。 电压或电流输出的大小与输入压力成正比关系。电压或电流输出的大小与输入压力成正比关系。 压电式压力传感器结构简单、紧凑，小巧轻便，压电式压力传感器结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，具有线性度好、频率响应高，量程范围工作可靠，具有线性度好、频率响
32、应高，量程范围大等优点。但是，大等优点。但是，由于晶体上产生的电荷量很小，由于晶体上产生的电荷量很小，一般是以皮库仑计，需要加高阻抗的直流放大器。一般是以皮库仑计，需要加高阻抗的直流放大器。近年来已将场效应管与运算放大器组成的电荷放大近年来已将场效应管与运算放大器组成的电荷放大器直接与压电元件配套使用以提高精度；器直接与压电元件配套使用以提高精度；另外，由另外，由于在晶体边界上存在漏电现象，所以这类传感器不于在晶体边界上存在漏电现象，所以这类传感器不能用于稳态测量。能用于稳态测量。 二、应变片与应变式压力传感器二、应变片与应变式压力传感器 导体或半导体材料在外界作用下（如压力等）导体或半导体材
33、料在外界作用下（如压力等）产生机械变形，其阻值将发生变化，这种现象称产生机械变形，其阻值将发生变化，这种现象称为为“应变效应应变效应”。 把依据这种效应制成的应变片粘贴于被测材把依据这种效应制成的应变片粘贴于被测材料上，则被测材料受外界作用所产生的应变就会料上，则被测材料受外界作用所产生的应变就会传送到应变片上，从而使应变片上电阻丝的阻值传送到应变片上，从而使应变片上电阻丝的阻值发生变化，通过测量阻值的变化量，就可反映出发生变化，通过测量阻值的变化量，就可反映出外界作用的大小。外界作用的大小。 金属导体的电阻金属导体的电阻R R可用下式表示：可用下式表示： AlRdAAldlAdAlRdR2
34、如果对整条电阻丝长度作用均匀应力，由于如果对整条电阻丝长度作用均匀应力，由于、l l、A A的变化引起电阻的变化，可通过对上式的变化引起电阻的变化，可通过对上式的全微分求得：的全微分求得： 相对变化量相对变化量 AdAldldRdR 为分析方便，假设电阻丝是圆截面，则为分析方便，假设电阻丝是圆截面，则 ，则，则 2rArdrdA2rdrrrdrAdA222ldlrdr 令令dl/l =dl/l =为电阻丝轴向相对伸长，即轴向应为电阻丝轴向相对伸长，即轴向应变，而变，而dr/rdr/r为电阻丝径向相对伸长，即径向应变。为电阻丝径向相对伸长，即径向应变。由由材料力学材料力学获知，在弹性范围内，金属
35、丝沿长获知，在弹性范围内，金属丝沿长度方向伸长或缩短时，轴向应变和径向应变的关系度方向伸长或缩短时，轴向应变和径向应变的关系如下：如下： 式中式中为金属材料的泊松系数，即径向应变和为金属材料的泊松系数，即径向应变和轴向应变的比例系数，负号表示方向相反，所以轴向应变的比例系数，负号表示方向相反，所以2AdA)21(dRdR 经整理后得经整理后得dRdRk21/ 定义金属丝的灵敏系数为定义金属丝的灵敏系数为 它的物理意义是单位应变所引起的电阻相对变它的物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。化。 从上式可知，从上式可知，k k受两个因素的影响，一个是受受两个因素的影响，一个是受力后材料的几何尺寸变
36、化所引起的，即（力后材料的几何尺寸变化所引起的，即（1 12 2）项，另一个是受力后材料的电阻率发生变化而引起项，另一个是受力后材料的电阻率发生变化而引起的，即的，即 项。项。对于确定的材料，（对于确定的材料，（1 12 2）项）项是常数，其数值约在是常数，其数值约在1 12 2之间，并且由实验证明之间，并且由实验证明 也是一个常数，因此灵敏系数也是一个常数，因此灵敏系数k k为常数，则得为常数，则得/d/dkRdR 上式表明金属电阻丝的电阻相对变化与轴向上式表明金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。应变成正比。 为了使应变片能在受压时产生形变，应变片一为了使应变片能在受压时产生形变，应变
37、片一般要和弹性元件一起使用。弹性元件可以是金属膜般要和弹性元件一起使用。弹性元件可以是金属膜片、膜盒、弹簧管及其他弹性体；敏感元件（应变片、膜盒、弹簧管及其他弹性体；敏感元件（应变片）主要有金属或合金丝、箔等。它们可以以粘贴片）主要有金属或合金丝、箔等。它们可以以粘贴或非粘贴的形式连接在一起。或非粘贴的形式连接在一起。 应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相应的桥路组成相应的桥路组成，应变式压力传感器有应变式压力传感器有很多结构形很多结构形式。下图是一种形式的粘贴式应变片压力传感器的式。下图是一种形式的粘贴式应变片压力传感器的原理图。原理图。 被测压
38、力作用在膜的下方，应变片贴在膜的上被测压力作用在膜的下方，应变片贴在膜的上表面。当膜片受压力作用变形向上凸起时，膜片上表面。当膜片受压力作用变形向上凸起时，膜片上任一点任一点具有具有径向应变径向应变r r和切向应变和切向应变t t 。 从图中可以看出，在从图中可以看出，在r=0r=0处，处，r r和和t t 都达到都达到最大值，且相等；在最大值，且相等；在r=0.58rr=0.58r0 0处，处，r r0 0；当；当r r 0.58r0.58r0 0时，时，r r成为负值；当成为负值；当r rr r0 0时，时，r r达到负的达到负的最大值。最大值。 膜片上应变片的粘贴位置就是根据上述应变分膜
39、片上应变片的粘贴位置就是根据上述应变分布规律来确定的布规律来确定的。图中贴有四个应变片，图中贴有四个应变片，在膜在膜 片受压力作用时，片受压力作用时，R R2 2和和R R3 3受到正向受到正向r r的拉伸，电阻的拉伸，电阻值增大；值增大；R R1 1和和R R4 4受到负的受到负的r r的拉伸，电阻值减小。的拉伸，电阻值减小。把这四个应变片接在一个桥路的四个桥臂上，把这四个应变片接在一个桥路的四个桥臂上，其中其中R R1 1和和R R4 4，R R2 2和和R R3 3互为对边，互为对边，则桥路的输出信号反映了被测则桥路的输出信号反映了被测压力的大小。压力的大小。 由于金属材料有电阻温度由于
40、金属材料有电阻温度系数，特别是弹性元件和应变系数，特别是弹性元件和应变片两者的膨胀系数不等，会片两者的膨胀系数不等，会 造成应变片的电阻值随环境温度而变，所以必须要造成应变片的电阻值随环境温度而变，所以必须要考虑补偿措施。考虑补偿措施。最简单也是最常用的方法是采用上最简单也是最常用的方法是采用上述差动电桥的形式，四述差动电桥的形式，四个应变片的静态性能完全相个应变片的静态性能完全相同，它们处在同一电桥的不同桥臂上，温度升降将同，它们处在同一电桥的不同桥臂上，温度升降将使这两个电阻同时增减，从而不影响电桥平衡；有使这两个电阻同时增减，从而不影响电桥平衡；有压力作用时，相邻两臂的阻值一增一减，使电
41、桥能压力作用时，相邻两臂的阻值一增一减，使电桥能有较大的输出。但尽管这样，应变式压力传感器仍有较大的输出。但尽管这样，应变式压力传感器仍有比较明显的温漂和时漂。因此，这种压力传感器有比较明显的温漂和时漂。因此，这种压力传感器较多地用于一般要求的动态压力检测。较多地用于一般要求的动态压力检测。 3 3、压阻元件与压阻式压力传感器压阻元件与压阻式压力传感器 压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件。感元件。所谓压阻元件实际上就是指在半导体材所谓压阻元件实际上就是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当
42、它受外力作用时，其阻值由于电阻的变化而改变它受外力作用时，其阻值由于电阻的变化而改变。和应变片一样，扩散电阻正常工作需依附于弹性和应变片一样，扩散电阻正常工作需依附于弹性元件，常用的是单元件，常用的是单晶硅膜片。晶硅膜片。压阻式压力传感器压阻式压力传感器就是根据压阻效应原理制造晶硅膜片。就是根据压阻效应原理制造晶硅膜片。 压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构比较简单，其核心部分就是一个构比较简单，其核心部分就是一个单晶硅膜片，单晶硅膜片，它既是压敏元件又是弹性元件。它既是压敏元件又是弹性元件。扩散电阻的灵敏扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的灵敏系数的系数
43、是金属应变片的灵敏系数的5050100100倍，能直倍，能直接反应出微小的压力变化，能测出十几帕斯卡的接反应出微小的压力变化，能测出十几帕斯卡的微压。微压。它的动态响应也很好，虽然比压电晶体的它的动态响应也很好，虽然比压电晶体的动态特性要差一些，但仍可用来测量高达数千赫动态特性要差一些，但仍可用来测量高达数千赫兹乃至更高的脉动压力，因此这是一种比较理想、兹乃至更高的脉动压力，因此这是一种比较理想、目前发展和应用较迅速的一种压力传感器。目前发展和应用较迅速的一种压力传感器。 这种传感器的缺点是敏感元件易受温度的影这种传感器的缺点是敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小。解决的方法是在响，
44、从而影响压阻系数的大小。解决的方法是在制造硅片时，利用集成电路的制造工艺，将温度制造硅片时，利用集成电路的制造工艺，将温度补偿电路、放大电路甚至将电源变换电路集成在补偿电路、放大电路甚至将电源变换电路集成在同一块单晶硅膜片上，从而可以大大提高传感器同一块单晶硅膜片上，从而可以大大提高传感器的静态特性和稳定性。因此，这种传感器也称固的静态特性和稳定性。因此，这种传感器也称固态压力传感器，有时也叫集成压力传感器。态压力传感器，有时也叫集成压力传感器。第四节第四节 气流速度测量气流速度测量 从热力学和流体力学的基本定律可知，当气从热力学和流体力学的基本定律可知，当气流速度较小时，可不考虑流体的可压缩
45、性，并认流速度较小时，可不考虑流体的可压缩性，并认为它的密度为常数。此时有为它的密度为常数。此时有220upp 只要测得总压（滞止压力）和静压（流体压只要测得总压（滞止压力）和静压（流体压力）之差以及流体的密度，就可以利用上式确定力）之差以及流体的密度，就可以利用上式确定流体速度的大小。流体速度的大小。 测量动压除可以使用静压管和总压管分别测量测量动压除可以使用静压管和总压管分别测量静压和总压，然后接入静压和总压，然后接入U U型管确定动压值外，还可型管确定动压值外，还可以采用总静压风速管进行测量。以采用总静压风速管进行测量。 一、动压管（毕托管）一、动压管（毕托管） 设计动压管时主要应满足静
46、压测量的要求，其设计动压管时主要应满足静压测量的要求，其不敏感偏流角由静压孔决定。不敏感偏流角由静压孔决定。 1 1、L L型动压管型动压管 2 2、T T型动压管型动压管 3 3、笛型动压管、笛型动压管 主要用于测量大尺寸流道内的平均动压，以主要用于测量大尺寸流道内的平均动压，以得到平均流速。得到平均流速。 二、平面气流的测量二、平面气流的测量 平面气流的测量包括气流方向的测量和气流平面气流的测量包括气流方向的测量和气流速率的测量。速率的测量。为了准确测出气流的方向，要求方为了准确测出气流的方向，要求方向管或复合管对气流方向的变化尽量敏感。向管或复合管对气流方向的变化尽量敏感。 三孔圆柱形测
47、压管测量气流的总压、静压和三孔圆柱形测压管测量气流的总压、静压和方向的方法有两种。方向的方法有两种。 1 1、转动法、转动法 转动三孔管以对准气流的方向。转动三孔管以对准气流的方向。 2 2、不转动法、不转动法 将三孔管按定位基准装在试验管段上固定不动。将三孔管按定位基准装在试验管段上固定不动。由于安装时不能保证对准气流方向，所以一般情况由于安装时不能保证对准气流方向，所以一般情况下下P P1 1不等于不等于P P3 3，P P2 2不等于不等于P P。但。但P P1 1、P P2 2、P P3 3与气流与气流的偏角、总压和静压之间仍有一定的规律性联系。的偏角、总压和静压之间仍有一定的规律性联
48、系。312203121322pppPPkpppppk 当当0.30.3时，可以忽略气流的压缩性，时，可以忽略气流的压缩性，3122ppppp 当当0.60.6时，时，31222)(1ppppkk 第五节第五节 热线测速技术热线测速技术 一一、基本原理、基本原理 散热率法测量流速的原理，是将发热的测速散热率法测量流速的原理，是将发热的测速传感器置于被测流体中，利用发热的测速传感器传感器置于被测流体中，利用发热的测速传感器的散热率与流体流速成比例的特点，通过测定传的散热率与流体流速成比例的特点，通过测定传感器的散热率来获得流体的流速。感器的散热率来获得流体的流速。 热线风速仪是利用被加热的金属丝（
49、称为热热线风速仪是利用被加热的金属丝（称为热线）的热量损失来测量气流速度的。线）的热量损失来测量气流速度的。 风速仪的热线探头为惠斯通电桥的一臂，由仪风速仪的热线探头为惠斯通电桥的一臂，由仪器的电源给金属丝供电。当被测流体通过被电流加器的电源给金属丝供电。当被测流体通过被电流加热的金属丝或金属膜时，会带走热量，使金属丝的热的金属丝或金属膜时，会带走热量，使金属丝的温度降低，其降低程度取决于流过金属丝的气流速温度降低，其降低程度取决于流过金属丝的气流速度。当热线向流体散热达到平衡时，有度。当热线向流体散热达到平衡时，有wwRfwRRIQTTFQQQ22)( 二、恒流型热线风速仪二、恒流型热线风速
50、仪 在热线工作过程中，人为地用一恒值电流对在热线工作过程中，人为地用一恒值电流对热线加热，即热线加热，即I IW W为常数。由于流体对热线的对流为常数。由于流体对热线的对流冷却，且冷却能力随着流速的增大而加强。冷却，且冷却能力随着流速的增大而加强。当流当流速呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小（即热速呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小（即热线的温度高低）确定流体的速度。线的温度高低）确定流体的速度。),(WWRIfu 经研究，发现流体的速度只是流过热线的电经研究，发现流体的速度只是流过热线的电流和热线电阻（热线温度）的函数，即流和热线电阻（热线温度）的函数，即 三、恒温型热线风速仪三、恒温型热线
