1、,核工程检测技术,2020/4/3,核工程检测技术,2,第三章 压 力 检 测(2),2020/4/3,核工程检测技术,3,第四节 电气式压力计,一、电阻应变片式压力传感器,被测压力作用于弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受被测压力的变化，按这种原理设计的传感器称为应变片式压力传感器。根据所使用的材料不同分为金属应变片和半导体应变片。,2020/4/3,核工程检测技术,4,（一）电阻的应变效应,若电阻丝的长度为l，截面积为A，电阻率为，电阻值为R，R=l/A 设在外力作用下，电阻丝各参数的变化相应为dl、dA、d 、dR,2020/4/3,核工程检测技术
2、,5,其中：dl/l=叫轴向应变； dA/A叫横向应变,K0称为单根电阻丝的灵敏度系数，表示单位应变引起的电阻的相对变化。 K0由实验获得，在弹性极限以内大多数金属的K0为常数。,2020/4/3,核工程检测技术,6,由金属丝做成的电阻应变片的灵敏度系数K需要重新通过实验测定，在很大范围内仍然是线性的：,在K是常数的情况下，只要测量出应变片电阻值的相对变化，就可以直接得知其应变量，进而求得被测压力。,2020/4/3,核工程检测技术,7,组成：应变敏感元件、基片和覆盖层、引出线,2020/4/3,核工程检测技术,8,（二）电阻应变片式压力传感器的结构,由应变片、弹性元件、外引线等部分组成,20
3、20/4/3,核工程检测技术,9,（三）温度补偿与桥式电路输出,电阻应变片式压力传感器是依据压力产生应变、应变导致阻值变化而测得压力的原理。但应变片的电阻受温度影响很大，其电阻值会随着温度的变化而变化；另一方面，弹性元件和应变片的线膨胀系数很难完全一样，但它们又是粘贴在一起的，温度变化时就会产生附加应变。 因此，电阻应变式压力传感器要采取各种温度补偿措施，通常都是采用电桥补偿的方法。,2020/4/3,核工程检测技术,10,半桥电路,全桥电路,2020/4/3,核工程检测技术,11,（四）电阻应变片式压力传感器测量系统,电阻应变片式压力传感器通过不平衡电桥把电阻的变化转换为电流或电压的信号输出
4、。,2020/4/3,核工程检测技术,12,二、电感式压力传感器,（一）电感式压力传感器工作原理,电感式压力传感器以电磁感应原理为基础，利用磁性材料和空气的导磁率不同，把弹性元件的位移量转换为电路中电感量的变化或互感量的变化，再通过测量线路转变为相应的电流或电压信号。,2020/4/3,核工程检测技术,13,2020/4/3,核工程检测技术,14,（二）差动式电感压力传感器,2020/4/3,核工程检测技术,15,（三）霍尔式压力传感器,霍尔效应： 把一半导体单晶薄片放在磁感应强度为B的磁场中，在它的两个端面上通以电流I，则在它的另两个端面上产生电势UH，这种物理现象称为霍尔效应。,2020/
5、4/3,核工程检测技术,16,测压原理： 利用霍尔片式传感器（根据半导体材料的霍尔效应的原理）实现压力-位移-霍尔电势的转换。 霍尔片： 是一种半导体或化合物半导体转换元件。,线性非均匀磁场,2020/4/3,核工程检测技术,17,霍尔式压力表,霍尔片 + 弹簧管,K霍尔式压力传感器输出系数 自由端霍尔元件的位移量,2020/4/3,核工程检测技术,18,四、电容式压力传感器,1、电容式传感器的工作原理,电容器的电容量由它的两个极板的大小、形状、相对位置和电介质的介电常数决定。果一个极板固定不动，另一个极板感受斥力，并随着压力的变化而改变极板间的相对位置，电容量的变化就反映了被测压力的变化。这
6、是电容式压力传感器的基本工作原理。,2020/4/3,核工程检测技术,19,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为,式中:为电容极板间介质的介电常数，=0r, 其 中0为真空介电常数，r极板间介质相对介 电常数；A为两平行板所覆盖的面积；d为两平行 板之间的距离。,电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。,2020/4/3,核工程检测技术,20,2、变极距型电容传感器,当传感器的r和A为常数，初始极距为d0时，由上式可知其初始电容量C0为：,若电容器极板间距离由初始值缩小d，则电容量增大C，应有：,2020/4/3,核工程检测技术,21,
7、传感器的输出特性C=f(d)，不是线性关系。,变极距型电容式传感器 电容量与极板间距的关系,2020/4/3,核工程检测技术,22,此时C1与d近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只 有在 很小时，才有近似的线性输出。,2020/4/3,核工程检测技术,23,讨 论：,由式 可以看出，在d0较小时，对于同样的变化所引起的C可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质(如下图所示)，此时电容C变为,2020/4/3,核工程检测技术,24,式中: g为云母的相对介电常数；0为空气的介电常数，0=1； d。为空
8、气隙厚度；dg为云母片的厚度。云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小1000kV/mm，而空气的仅为3kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小，式中的 项是恒定值，它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。,2020/4/3,核工程检测技术,25,3.电容式差压传感器,这种传感器结构简单、灵敏度高、响应速度快 (约100ms)、能测微小压差(00.75Pa)。它是由两个玻璃圆盘和一个金属(不锈钢)膜片组成。两玻璃圆盘上的凹面深约25m，其上各镀以金作为电容式传感器的两个固定极板，而夹在两凹圆盘中的膜片则为传感器的可动电极，则形成传感器的两个差动电容Cl、C2。当两边压力pl
9、、p2相等时，膜片处在中间位置与左、右固定电容间距相等，因此两个电容相等；当pl p2时，膜片弯向p2，那么两个差动电容一个增大、一个减小，且变化量大小相同；当压差反向时，差动电容变化量也反向。这种差压传感器也可以用来测量真空或微小绝对压力，此时只要把膜片的一侧密封并抽成高真空(1O-5Pa)即可。,2020/4/3,核工程检测技术,26,下图是电容式差压传感器结构示意图。,2020/4/3,核工程检测技术,27,五、压电式压力传感器,压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应，将压力转换为相应的电信号，经放大器、记录仪而得到被测的压力参数。 压电效应:一些物质在一定方向上受外力作用而产生变形时
10、，在它们的表面上会产生电荷；当外力去掉后，它们又重新回到不带电状态。 能产生压电效应的材料可分为两类:一类是天然或人造的单晶体，如石英、酒石酸甲钠等。另一类是人造多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。,2020/4/3,核工程检测技术,28,2020/4/3,核工程检测技术,29,根据压电理论，压电晶体表面上的电荷密度（极化强度）与晶体片的机械变形成正比，即在弹性变形范围内，极化强度与压力成正比,面积为S的面上的电荷总量为：,2020/4/3,核工程检测技术,30,1-弹性膜片； 2-传力件； 3-底座；4-石英片（三片）； 5-导电环； 6-金属箔； 7-玻璃导管；8-胶玻璃导管；9-引出导
11、线插头,两个工作石英片既是感压的弹性元件，又是机电变换元件，在脉动压力的作用下它们作轴向强迫振动，同时产生变化的电荷。它们并联连接，是为了提高传感器的电荷灵敏度；若串联连接，则可提高电压灵敏度。,石英晶体压电传感器构造,2020/4/3,核工程检测技术,31,使用注意：,（1）压电式压力传感器不能用于静态压力测量。被测 压力变化的频率太低或太高，环境温度和湿度的 改变，都会改变传感器的灵敏度，造成测量误差。 （2）压电陶瓷的压电系数是逐年降低的，以压电陶瓷为 压电元件的传感器应定期校正其灵敏度，以保证测 量精度。 （3）电缆噪声和接地回路噪声也会造成测量误差，应设 法避免。 （4）采用电压前置
12、放大器时，测量结果受测量回路参数 的影响，不能随意更换出厂配套的电缆。,2020/4/3,核工程检测技术,32,第五节 测压仪表的标定,为了保证测量的精度，测压仪表在使用前必须经过标定，对于长期使用的仪表也要定期标定。 标定有静态标定和动态标定两种。,一、静态标定,测压仪表的静态标定首先应有一个稳定的标准压力源，它的压力应有足够精确的方法来测量。这里我们介绍活塞式压力计。,2020/4/3,核工程检测技术,33,活塞式压力计,1-油杯；2-针阀；3-进油阀；4-油缸（活塞缸）；5-活塞；6-砝码；7-托盘；8-联接螺母（表接头）；9-导管；10-手摇油泵；11-水平调节螺钉；12-底盘,202
13、0/4/3,核工程检测技术,34,用直接作用在已知活塞面积上的砝码重力来平衡被测压力从已知的活塞面积和砝码重量求得被测压力。,活塞式压力计工作原理：,其中： G,G0分别为达到一定压力时所加砝码和砝码与活塞重量(kg) F为活塞的有效面积，一般取F=1cm2 P=G+G0(kg/cm2),2020/4/3,核工程检测技术,35,二、动态标定,动态标定的目的是为了得到仪表的频率响应特性，以确定它们的适用范围、动态误差等。,动态标定有两种方法，一种是将传感器输入标准频率及标准幅值的压力信号与它的输出信号进行比较，这种方法称为对比法，例如将测压仪表装在标准风洞上进行标定。另一种方法是通过激波管产生一
14、个阶跃的压力并施加于待标定的压力传感器上，根据其输出曲线求得它们的频率响应特性。,2020/4/3,核工程检测技术,36,第六节 气流压力测量,气流的压力是指气流单位面积上所承受的法向表面力。,在静止气体中，由于不存在切向力，故这个表面力与所取面积的方向无关，该压力称为静压。在流动气体中，静压是指相对于运动坐标上的压力，它可用与运动方向平行的单位面积的表面力来衡量；,2020/4/3,核工程检测技术,37,总压是指气流某点上速度等熵滞止为零时所达到的压力， 又称滞止压力。若速度相对于相对坐标等熵滞止，则 可称为相对滞止压力。 总压与静压之差，称为该点的动压。 测量气流的压力，主要是测量气流的总
15、压和静压。最常用的仪器是以空气动力测压法为基础的总压管和静压管。,2020/4/3,核工程检测技术,38,气流压力测量系统图 1-测压管（感受部分）；2-连接管；3-二次仪表,2020/4/3,核工程检测技术,39,一、总压测量,（一）总压的测量方法及不敏 感偏流角 右图为最简单的总压管示意图，总压管的一端管口轴线对准气流方向，另一端管口与二次仪表相连，这样便可测出被测点的气流总压与大气压之差。,2020/4/3,核工程检测技术,40,习惯上取使测量误差占速度头1%的偏流角作为总压管的不敏感偏流角 ， 的范围越大，对测量越有利。,不敏感偏流角:,2020/4/3,核工程检测技术,41,（二）总
16、压管的结构,多点总压管,2020/4/3,核工程检测技术,42,要根据气流的速度范围、流道的条件和对气流方向的不敏感性，决定所用总压管的结构形式，在满足要求的前提下，其结构形式越简单越好；同时在保证一定的结构刚度的前提下，总压管应具有较小的尺寸，以减少对流场的干扰。,选用总压管原则：,2020/4/3,核工程检测技术,43,二、静压测量,气流的静压 就是运动气流里的压力，当传感器在气流中与气流以相同的速度运动时，感受到的就是气流的静压。静压测量对偏流角、马赫数、传感器的结构参数等影响测量精度的因素更为敏感，所以静压测量比总压测量困难得多。静压测量有时在机械的固体壁面处进行，有时需在流场中进行，
17、前者采用壁面静压孔，后者采用静压管。,2020/4/3,核工程检测技术,44,（一）壁面静压孔,壁面开静压孔后，为了减少对流场的干扰，提高测量精度，对静压孔的设计加工有严格的技术要求。主要有： 1静压孔的开孔直径一般以0.51.0mm为宜。若M数为 0.8，由此引起的误差约为0.11.0%。 2静压孔的轴线应和管道内壁面垂直，孔的边缘应尖锐， 无毛刺，无倒角，孔的壁面应光滑。 3静压孔的深度为l，直径为d，一般取l/d3，太浅了会 增加流线弯曲的影响。 4连接静压孔与导压管的管接头要固定在流道壁上，只要 流道壁厚度允许，螺纹连接的方法比焊接的方法好，以 免热应力使壁面变形，干扰流场。,2020
18、/4/3,核工程检测技术,45,（二）静压管,当需要测量气流中某点的静压时，就要使用静压管。,1L型（直角型）静压管,2020/4/3,核工程检测技术,46,气流方向与头部轴线的夹角为L型静压管的偏流角 ，的存在往往难以避免，这就要引起测量误差。为了减少此影响，一般在其表面沿圆周方向等距离开28个静压孔。 L型静压管的管径常取12mm，孔径常取0.30.4mm。实验数据表明，雷诺数在5003105的范围内对静压测量值没有影响。,2020/4/3,核工程检测技术,47,2圆盘型静压管,测量时，它应和气流的流动方向垂直，使圆盘平面平行于气流方向，其静压孔感受到的就是气流的静压。圆盘型静压管的测量值
19、对与圆盘平面平行的气流方向变化（角的变化）不敏感，但对气流与其轴向的夹角（即角）的变化却极其敏感。,2020/4/3,核工程检测技术,48,2020/4/3,核工程检测技术,49,3带导流管的静压管,一般静压管的不敏感偏流角都较小，在静压孔外加了导流管后，这种状况得到了明显的改善。,但导流管的形状比较复杂，加工也比较出难；其头部尺寸难以做得很小，在小尺寸的流道中难以应用。,2020/4/3,核工程检测技术,50,根据就地观察及能进行高低报警的要求，可选用YX-150型电接点压力表，测量范围为040MPa。,2020/4/3,核工程检测技术,51,所以选择测量范围为040Mpa，精度等级为1.5级的YX-150型电接点压力表。,最大引用误差,被测压力的最小值不低于满量程的1/3，符合要求。,检验量程下限,2020/4/3,核工程检测技术,52,本章内容结束,
