压力测试技术课件

概述

垂直作用在单位面积上的力称压力。在国际单位制（SI）和我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。即1N的力垂直均匀作用在1m2的面积上所形成的压力值为1Pa。概述垂直作用在单位面积上的力称压力。在国际1

过去采用的压力单位“工程大气压力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“物理大气压”（atm）、“巴”（bar）、“PSI”等均应改成法定计量单位帕。1kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.332×102Pa1atm=1.01325×105Pa1bar=105Pa

1PSI=6.89×103Pa过去采用的压力单位“工程大气压力”（kgf/2压力表示方式绝对压力PJ大气压力PD表压力PB

PB=PJ

－PD真空度PZ（负压）

PZ＝

PD－PJ压力表示方式绝对压力PJ3压力测量方法一、力学测量方法：液体压力平衡、弹性力平衡二、电学测量方法：电位式、应变式、电容式、电感式、电涡流、压电式、压阻式压力测量方法43.1.1液体压力平衡利用液柱对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被测压力的大小优点：结构简单，使用方便，有相当高的准确度，在本专业中应用很广泛缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便3.1压力的力学测量方法3.1.1液体压力平衡3.1压力的力学测量方法5采用水银或水为工作液，用U形管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的检测被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量采用水银或水为工作液，用U形管或单管进行测量，常用于低压、负6一、U形管压力计△P=P1－P2=ρg(h1+h2)提高工作液密度将增加压力的测量范围，但灵敏度要降低。一、U形管压力计△P=P1－P2提高工作液密度将增加压力的测7静止液体的压力静止液体的压力8流量孔板的压降流量孔板的压降9皮托管测速皮托管测速10测速管测速管11压力测量在气固两相流中的应用压力测量在气固两相流中的应用12完整的压力测量系统完整的压力测量系统13二、单管压力计

由于U形管压力计需两次读取液面高度，为使用方便，设计出一次读取液面高度的单管压力计。二、单管压力计由于U形管压力计需两次读取液14

因则故由于D>>d，所以P=ρgh2

因15三、斜管微压计

主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。三、斜管微压计主要用于测量微小压力、负压和压16压力测试技术课件17倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液柱易冲散，读数较困难，误差增大。这种倾斜管液柱式压力计可以测量到0.98Pa的微压。为了进一步提高微压计的精确度，应选用密度小的酒精作为工作液体。

倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液柱183.1.2弹性力平衡方法

用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压力测量仪表称为弹性式压力计。弹性元件受压后产生的形变输出（力或位移），可以通过传动机构直接带动指针指示压力（或压差），也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力（或压差）信号的远传。

3.1.2弹性力平衡方法用弹性传感器（19

弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大小与被测压力成正比关系。弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大20弹簧管截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），并弯成圆弧状的空心管子一端为封闭（自由端），一端为开口（固定端）弹簧管21弹簧管压力表结构简单，使用方便，价格低廉，使用范围广，测量范围宽可测负压、微压、低压、中压和高压精度有0.5、1.0、1.5、2.5等弹簧管压力表22压力测试技术课件23弹性式压力计的误差1．迟滞误差相同压力下，同一弹性元件正反行程的变形量不一样，产生迟滞误差。2．后效误差弹性元件的变形落后于被测压力的变化，引起弹性后效误差。3．间隙误差仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性元件的变形不可能完全对应，引起间隙误差。4．摩擦误差仪表的活动部件运动时，相互间存在摩擦力，产生摩擦误差。5．温度误差环境温度的变化会引起金属材料弹性模量的变化，造成温度误差。弹性式压力计的误差1．迟滞误差相同压力下，同一弹性元件正24弹性式压力计误差的改善途径1．用无迟滞误差或迟滞误差极小的“全弹性”材料和温度误差很小的“恒弹性”材料制造弹性元件。2．采用新的转换技术，减少或取消中间传动机构，以减少间隙误差和磨擦误差。3．限制弹性元件的位移量，采用无干磨擦的弹性支承或磁悬浮支承等。4．采用合适的制造工艺，使材料的优良性能得到充分的发挥。弹性式压力计误差的改善途径1．用无迟滞误差或迟滞误差极小的25压力仪表的校验常用的校验仪表是活塞式压力计。校验就是将被校压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示值，如果被校表对于标准表的读数误差不大于被校表的最大允许绝对误差时，则认为被校表合格。压力仪表的校验常用的校验仪表是活塞式压力计。校验就是将被校压261-油杯；2-针阀；3-进油阀；4-油缸；5-活塞；6-砝码；7-托盘；8-联接螺母；9-导管；10-手摇油泵；11-水平调节螺钉；12-底盘1-油杯；2-针阀；3-进油阀；4-油缸；527压力测试技术课件283.2压力的电学测量方法压力量的电测系统1.传感器；2.测量回路；3.记录或显示器3.2压力的电学测量方法压力量的电测系统293.3电阻应变式压力传感器电阻应变测量系统①电阻应变计——传感元件；②电阻应变仪——转换部分，它将构件表面的应变转换为电阻值的相对变化，并将应变计电阻的相对变化(以电桥转换的方式)转换成电压或电流信号。③记录仪器——记录电阻应变仪的输出。3.3电阻应变式压力传感器电阻应变测量系统30电阻应变计测量特点①测量方法简单，价格低廉；②灵敏度高，测量应变的灵敏度可达l微应变，即等于10-6～mm／mm，准确度可达1％～2％；③频率响应好，可测量0～500000Hz的动态应变，惯性极小；④测量应变范围大，量程宽；⑤可在高温(800～1000℃)低温(-100～-270℃)高压液(高达上万个大气压)、高速旋转(几千转～几万转／分)强磁场、核幅射等特殊条件下进行测量。⑥输出为电信号。可远距离传输信号或用计算机控制，也可用无线电发报方式进行遥测。⑦用电阻应变计作为传感元件可制成各种传感器。用于测量力、压强、扭矩、加速度等物理量，应用广泛，应用于传感器的精度可达0.05％—1％。电阻应变式压力传感器就是众多电阻应变计中的一种。电阻应变计测量特点①测量方法简单，价格低廉；31应变式压力传感器工作原理应变片是基于应变效应工作的一种压力敏感元件，当应变片受外力作用产生形变时，应变片的电阻值也将发生相应变化。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的。应变式压力传感器工作原理32电阻应变式压力传感器（1）结构原理压力使弹性敏感元件变形，导致敏感元件的电阻发生变化。通过电桥记录电信号的变化，达到测压的目的。分为粘贴式与非粘贴式两种；特点：结构简单，灵敏度高，量程宽，应用特殊场合。输出信号小，对环境温度反应灵敏。电阻应变式压力传感器（1）结构原理33金属电阻应变片的典型结构箔式应变片金属电阻应变片的典型结构箔式应变片34电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时 其电阻值将发生变化F

Δl、ΔA、ΔρΔR金属的电阻应变效应电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时F35电阻丝应变效应ε—材料的纵向应变，即单位长度上的伸长量。μ—横向应变与纵向应变的比值，称“泊松比”电阻丝应变效应ε—材料的纵向应变，即单位长度上的伸长量。36高灵敏度系数电阻丝材料的要求①灵敏系数k0尽量大，以使变换器的输出大。②灵敏系数k0在尽可能大的应变范围内是常数，即电阻变化与应变成线性关系.③具有足够的热稳定性，电阻温度系数要小，以减少温度变化引起电阻变化所产生的误差。④电阻率高。当要求应变片具有一定的电阻值时，使得线材的长度短，丝栅的尺寸小。⑤具有优良的加工与焊接性能。高灵敏度系数电阻丝材料的要求①灵敏系数k0尽量大，以使变换器37电阻应变片的工作特性1.应变片灵敏度系数影响因素：电阻丝灵敏度系数、敏感栅尺寸、形状、粘结剂、基底、应变计粘贴位置及方向2.应变片的温度特性

温度变化

电阻丝与试件的线膨胀系数变化电阻应变片的工作特性1.应变片灵敏度系数38电阻应变式压力传感器（2）电阻应变片的温度效应：由温度变化引起的电阻变化；温度补偿方法：自补偿法；桥路补偿法：在电桥中加入补偿片，补偿温度变化引起的电阻偏差。电阻应变式压力传感器结构悬链膜-应变管式张丝式在火电厂的应用称重式给煤机汽车衡电阻应变式压力传感器（2）电阻应变片的温度效应：39桥路补偿法桥路补偿法40电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器41汽车衡汽车衡42称重式皮带给煤机称重式皮带给煤机43容器内液体重量（液位）传感器容器内液体重量（液位）传感器44液位传感器式中A1

、A2——传感器的传输系数；

g——重力加速度(m/s2)；

ρ——被测溶液的密度(Kg/m3)。溶液重量式中Q——容器内感压膜上面溶液的重量(N)；D——柱形容器的截面积(m2)。液位传感器式中A1、A2——传感器的传输系数；溶液重45应变式加速度传感器在低频（10~60Hz）振动测量中得到广泛的应用,但不适用于频率较高的振动和冲击。

应变式加速度传感器结构示意图1—等强度梁2—质量块3—壳体4—电阻应变片应变式加速度传感器在低频（10~60Hz）振动测量中得到广泛463.4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感元件，它指在半导体材料的基片上用基成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单晶体硅膜片。3.4压阻式压力传感器47电阻的灵敏系数对于半径为r的圆导体，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r又由材料力学可知，在弹性范围内，

ε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；μ为电阻丝材料的泊松比，横向应变与纵向应变的比值，称“泊松比”一般金属μ=0.3~0.5；λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；电阻的灵敏系数对于半径为r的圆导体，A=πr2，ΔA/A=248金属电阻的灵敏系数材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应）金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6半导体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定金属电阻的灵敏系数材料的几何尺寸变化引起的金属材料：k0以前49压阻式压力传感器的测量特点(1)结构简单，可微型化。有效面积的直径仅有零点几毫米或更小；

(2)精度高。实际精度可达0.1％--0.05％，最高可达0.01％。可靠性高，广泛用于宇航和航空工业中；(3)频率响应高。传感器本身的固有频率高，可达50---1500kHz。因此可以测几千赫～几十千赫以上的脉动压力；(4)灵敏度高，其灵敏度系数比金属丝应变式压力传感器高50---100倍。分辨力高，可测仅有1--2mm水柱的微压；(5)输出电平大，可达200mV左右，有时可不加放大器直接测量其输出信号。压阻式压力传感器的测量特点(1)结构简单，可微型化。有效面50压阻式压力传感器测量的主要缺点

压阻式压力传感器在测量中存在着测量较大应变时，存在非线性较严重及电阻和灵敏度系数的温度稳定性差的不足，因此必须找到有效、可靠的温度补偿措施。压阻式压力传感器测量的主要缺点压阻式压力传感器在测量中存在51压力测试技术课件52压力测试技术课件53r＝0，εr、εt达最大值r=0.58r0，εr=0r=r0，εr达负的最大值r=r0，εt=0r＝0，εr、εt达最大值r=0.58r0，r=r0，εr达54压阻式压力传感器输出压阻式压力传感器输出553.5电感式压力传感器单绕组电感变换器3.5电感式压力传感器单绕组电感变换器56差动式电感传感器为了克服单绕组电感传感器的缺陷，设计了差动式电感传感器。即用两只几何尺寸完全相同、导磁体材料相同、上下线圈的电气参数即线圈铜电阻，电感、匝数完全一致的单绕组电感传感器组成。长处：灵敏度高，精度高；输出信号大，结构简单，工作可靠，寿命长。不足之处：因温度影响造成测量误差较大。不适合高频脉动压力的测量，常用于准动态、频率较低的压力测量。差动式电感传感器为了克服单绕组电感传感器的缺陷，设计了差动式57电动差压变送器电动差压变送器58差压变送器差压变送器593.6压电式压力传感器1.压电式压力传感器压电效应原理：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。压电材料：单晶体、多晶体特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线性度好，频率响应高，量程范围广3.6压电式压力传感器1.压电式压力传感器60压电材料压电传感器中的压电元件材料一般有三类：压电晶体（如石英晶体）；经过极化处理的压电陶瓷；高分子压电材料。压电材料压电传感器中的压电元件材料一般有三类：61压电效应顺压电效应——将机械能转变为电能的现象(加力变形产生电荷)逆压电效应——电能转换为机械能的现象。(施加电场电介质产生变形应力

)压电介质正压电效应Q(E)电能T(S)机械能逆压电效应压电效应顺压电效应——将机械能转变为电能的现象(加力变62当压电晶片确定后，则极板间的电压Ua和外力Fx成正比当压电晶片确定后，则极板间的电压Ua和外力Fx成正比631.石英晶体的压电效应X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷“横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。1.石英晶体的压电效应X轴：电轴或1轴；“纵向压电效应”：64晶体切片当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷

d11——压电系数（C/N）作用力是沿着机械轴方向时，电荷仍在与X轴垂直的平面此时，晶体切片当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上65切片上电荷的符号与受力方向的关系图（a）是在X轴方向受压力，图（b）是在X轴方向受拉力，图（c）是在Y轴方向受压力，图（d）是在Y轴方向受拉力。切片上电荷的符号与受力方向的关系图（a）是在X轴方向受压力66石英晶体的压电效应（a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。（b）在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。（c）沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷石英晶体的压电效应（a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有67压电材料简介压电常数弹性常数（刚度）介电常数机电耦合系数电阻居里点压电效应强弱：灵敏度固有频率、动态特性固有电容、频率下限机电转换效率泄漏电荷、改善低频特性丧失压电性的温度压电材料简介压电常数弹性常数（刚度）介电常数机电耦合系数电阻68石英晶体一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。石英晶体一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C692.压电陶瓷的压电效应人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。压电陶瓷的极化2.压电陶瓷的压电效应人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体70陶瓷片极化压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。陶瓷片极化压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图71压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。放电电荷的多少与外力的大小成比例关系

Q——电荷量；d33——压电陶瓷的压电系数；

F——作用力。压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外72常见压电陶瓷（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能的PZT材料。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN） 具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。常见压电陶瓷（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷73常用压电材料常用压电材料74(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路(b)等效成一个电源U=Q/Ca

和一个电容Ca的串联电路压电式压力传感器工作原理(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路压电式压力75压电式压力传感器测量原理压电式压力传感器测量原理76压电式压力传感器测量要求压电传感器的晶体可以看成为一个产生电荷的高内阻发电元件，它把压力的作用变换为电荷量。由于压电元件的内阻很高且输出信号微弱，一般不能直接记录和显示。显然不能用一般的低输入阻抗仪表来进行测量，否则，压电晶片上的电荷就要通过测量电路的低输入阻抗泄漏掉。只有当测量电路的输入阻抗较高，快速测量被测参数的变化，所测得的结果才接近电荷的实际变化。压电式压力传感器测量要求压电传感器的晶体可以看成为一个产生电77压电式压力传感器的测量线路组成：测量线路的组成包括前置放大器、输出信号电缆要求：1.实现阻抗变换，将压电晶片的高输出阻抗变换成低输出阻抗；2.将微弱的输出信号实现放大。压电式压力传感器的测量线路78两个压电片的联结方式（1）“并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，（2）“串联”Q’=Q，U’=2U，C’=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。两个压电片的联结方式（1）“并联”，Q’=2Q，U’=U79图左）从电路上看，这是并联接法，类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。图右）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。

图左）从电路上看，这是并联接法，类似两个电容的并联。所80压电式传感器的信号调节电路

压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。 因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。

测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。压电式传感器的信号调节电路 压电式传感器要求负载电阻RL必须81压电传感器在实际测量系统中的等效电路压电传感器在实际测量系统中的等效电路82（1）电压放大器Ca：传感器的电容Ra：传感器的漏电阻Cc：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻Ci：放大器的输入电容（1）电压放大器Ca：传感器的电容83前置放大器输入电压压电元件的力F=Fmsinωt压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q=d11·F。输入电压的幅值当作用力是静态力（ω=0）时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。前置放大器输入电压压电元件的力F=Fmsinωt输入电压84①压电式压力传感器不能测静态力②压电式压力传感器时间常数一定，传感器的高频响应好。③测量低频动态压力，应增大压电式压力传感器的时间常数④压电式压力传感器的时间常数τ与压电式压力传感器的灵敏度ku的关系(C↑—τ↑

但ku

↓）①压电式压力传感器不能测静态力85传感器的低频响应范围如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。传感器的低频响应范围如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测86电压放大器应用限制压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。电压放大器应用限制压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接87解决电缆问题的办法将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。解决电缆问题的办法将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。88（2）电荷放大器

压电式传感器另一种专用的前置放大器。 能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达1010~1012Ω，输出阻抗小于100Ω。 使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。（2）电荷放大器 压电式传感器另一种专用的前置放大器。89压电传感器与电荷放大器连接等效电路K是放大器的开环增益，（-K）表示放大器的输出与输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近“地”电位。压电传感器与电荷放大器连接等效电路K是放大器的开环增益，（90充电电压接近等于放大器的输出电压几点结论：1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线形关系的输出电压。3、反馈电容Cf小，输出就大，4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。5、输出电压与电缆电容无关条件：（1+K）Cf>>（Ca+Cc+Ci）充电电压接近等于放大器的输出电压几点结论：91

电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。四通道电荷放大器外形电荷放大器外形电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换92例1：交通监测

将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。例1：交通监测将高分子压电电缆埋在公路上，可以93例2：汽车安全气囊系统事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、气体、充气、弹性体例2：汽车安全气囊系统事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发94例3:气体发生器输出特性测试密封容器压力测试法例3:气体发生器输出特性测试密封容器压力测试法95例4：压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电传感器测量双腿跳的动态力例4：压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析963.7压力检测仪表的安装一、压力检测仪表的选择1.仪表量程的选择被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的1/3优先满足最大工作压力条件3.7压力检测仪表的安装一、压力检测仪表的选择972.仪表精度的选择

压力检测仪表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。2.仪表精度的选择983.仪表类型的选择从被测介质压力大小来考虑被测介质的性质对仪表输出信号的要求使用的环境3.仪表类型的选择99压力表的安装1.取压口的选择在管道或烟道上取压测量流动介质的压力测量液体介质的管道上取压压力表的安装1.取压口的选择1002.导压管的铺设

导压管是传递压力、压差信号的。2.导压管的铺设1013.压力、压差计的安装3.压力、压差计的安装102压力传感器的安装1.管子越细、频率越高，则吸收效应越显著，压力波的衰减也就越明显。2.随着传压管长的增加，系统的固有频率就下降，即动态特性变差。直管无腔室管道系统压力传感器的安装1.管子越细、频率越高，则吸收效应越显著，压103有空腔的传压管系统有空腔的传压管系统104压力测试技术课件105增大ωn，测量系统或环节的动态特性变好。若使ωn增大，则要使传压小管直径d增加，而容腔体积V和传压小管长度L要减小d的增加，和V及L的减小，则会使阻尼比ξ减小。当ξ减小到一定程度时，就会使系统的固有频率ωn和被测压力的频率ω接近直至相等，严重时产生共振。增大ωn，测量系统或环节的动态特性变好。若使ωn增大，则要使106压力测试技术课件107非谐振传压管系统消除共振，改善频率响应特性，扩大测量动态压力的频率范围非谐振传压管系统消除共振，改善频率响应特性，扩大测量动态压力108曲线1为容腔环节的频率特性，它表征了压力测量系统总的频率特性；曲线1’是增加了传压小管直径d、减小长度L和V，使环节的固有频率增加，然而此举使阻尼比ξ减少虚线1¨,采用非谐振传压管系统，改善了整个系统的频率特性曲线1为容腔环节的频率特性，它表征了压力测量系统总的频率特性109基本参数指标环境参数指标可靠性指标其他指标量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性

动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等

温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等

抗冲振指标：允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差

其他环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀等能力、抗电磁场干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等基本参数指标环境参数指标可靠性指标其他指标量程指标：温度1103.8传感器的标定标定：通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。标定曲线：试验求得的传感器输入量与输出量之间的关系曲线（输出特性曲线）。标定方法：利用已知的标准值输入到待标定的传感器中，传感器得到相应的输出量，将输出量与输入的标准量绘制成曲线即得标定曲线。按传感器的种类和使用情况不同，其标定方法也不同。荷重、应力、压力传感器等的静标定方法是利用压力试验机进行标定；它们更精确的标定则是在压力试验机上用专门的荷载标定器标定；位移传感器的标定则是采用标准量块或位移标定器。标定要求：●标定应该在与其使用条件相似的状态下进行；●增加重复标定的次数，以提高测试精度；●传感器需定期标定，一般以一年为期；●对重要的试验，需在试验前后的标定误差，在允许的范围内。3.8传感器的标定标定：通过试验建立传感器输入量与输出量111传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应。而与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数τ、二阶传感器则有固有频率ωn和阻尼比ζ两个参数;动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。有时，根据需要也要对横向灵敏度、温度响应、环境影响等进行标定。传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。112选用传感器的基本原则：1）根据实际需要，保证主要的参数。2）不必盲目追求单项指标的全面优异，主要关心其稳定性和变化规律性。选用传感器的基本原则：113静态标准条件

没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（20±5℃）、相对湿度不大于85%，大气压力为101±7kPa的情况。静态标准条件没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被114标定仪器设备精度等级的确定对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。标定仪器设备精度等级的确定对传感器进行标定，是根据试验数据确115静态特性标定的方法标定过程步骤：⑴将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；⑵根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；⑶将输入值由大到小一点一点的减少，同时记录下与各输入值相对应的输出值；⑷按⑵、⑶所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出－输入测试数据用表格列出或画成曲线；⑸对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。静态特性标定的方法标定过程步骤：116压力发生部分测量部分压力发生部分测量部分117活塞压力计标定过程标定时，把传感器装在联接螺帽上。然后，按照活塞压力计的操作规程，转动压力泵的手轮，使托盘上升到规定的刻线位置，按照所要求的压力间隔，逐点增加砝码重量，使压力计产生所需的压力，同时用数宇电压表记下传感器在相应压力下的输出值。这样就可以得出被标定传感器或测压系统的输出特性曲线(即输出与压力之间的关系曲线)。根据这条曲线就可确定出所需要的各个静态特性指标。活塞压力计标定过程标定时，把传感器装在联接螺帽上。然后，按照118加压前的准备关闭压力计上的两个阀门，开启压力台上油杯的进油阀。摇退压力台上的活塞螺杆，使压力台油缸中充进油。关闭油杯的进油阀，然后开启压力计上的阀门。摇进活塞螺杆，直至压力计上有压力读数为止。校验在测量范围内选取从0.5兆帕至5.5兆帕间隔0.5兆帕作为校验点，增压至校验点后读数，轻敲表壳后再读数。增压至5.5兆帕后再缓慢降压至每一校验点进行校验。活塞压力计标定实验步骤加压前的准备活塞压力计标定实验步骤119

图3.52压力标定曲线上述标定方法不适合压电式压力测量系统，因为活塞压力计的加载过程时间太长，致使传感器产生的电荷有泄漏，严重影响其标定精度。所以，对压电式测压系统一般采用杠杆式压力标定机或弹簧测力计式压力标定机。为了保证压力传感器的测量准确度，需定期检定，检定周期最长不超过一年。图3.52压力标定曲线上述标定方法不适合压电式压力测120

●杠杆式测力计标定装置，如图所示，砝码重量与压力的关系W=pSb/a

●杠杆式测力计标定装置，如图所示，砝码重量与压力的关系121●弹簧式测力计标定装置，如图所示，p=F/S式中，F—测力计检定表所测得的传感器所受的力；

S—传感器的受力面积。●弹簧式测力计标定装置，如图所示，122压力传感器的动态标定给传感器加一个特性已知的校准动压信号作为激励源，从而得到传感器的输出信号，经计算分析、数据处理，即可确定传感器的频率特性。

压力传感器在标定时广泛采用激波管法方法。

激波管法三大特点： ⑴

压力幅度范围宽，便于改变压力值； ⑵

频率范围宽

(2kHz~2.5MHz)； ⑶

便于分析研究和数据处理。压力传感器的动态标定给传感器加一个特性已知的校准动压信号作为1231.激波管标定装置工作原理图3.54激波管标定装置系统原理框图1-高压室2-低压室3-膜片4-侧面被标定的传感器

5-底面被标定的传感器6、7-测速压力传感器8-测速前置级9-数字频率计10-测压前置级11-记录装置12-气源13-气压表14-泄气门1.激波管标定装置工作原理图3.54激波管标定装置系124激波管标定装置系统激波管入射激波测速系统标定测量系统气源激波管标定装置系统激波管125激波管中压力与波动情况

膜片爆破前的情况(b)膜片爆破后稀疏波反射前的情况稀疏波反射后的情况(d)反射激波的波动情况激波管中压力与波动情况膜片爆破前的情况(b)膜片爆破126激波管标定过程由激波管作为动态压力源，产生一个阶跃压力来激励被标定的压力传感器，然后用适当的记录仪器记下传感器被激励后的响应过程，最后，根据这一响应曲线求出传感器的传递函数或频率特性。激波管标定过程由激波管作为动态压力源，产生一个阶跃压力来激励1272.正弦压力发生器当振动台产生振动时，弹簧活塞块就受到一个与振动台频率相同的加速度激励，腔室内的油受活塞块作用产生压力变化，从而使标准传感器和被标传感器同时受到正弦变化的压力作用。通过改变振动台的振动频率和幅度，就可实现动态标定的目的，得到系统的幅频特性。2.正弦压力发生器当振动台产生振动时，弹簧活塞块就受到一个128思考题电阻应变式压力传感器与压阻式压力传感器的区别？什么是正压电效应和逆压电效应？压电传感器能否用于静态测量?电荷放大器和电压放大器有何特点？非谐振传压管路的优点？活塞压力计的标定原理?思考题电阻应变式压力传感器与压阻式压力传感器的区别？129概述

垂直作用在单位面积上的力称压力。在国际单位制（SI）和我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。即1N的力垂直均匀作用在1m2的面积上所形成的压力值为1Pa。概述垂直作用在单位面积上的力称压力。在国际130

过去采用的压力单位“工程大气压力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“物理大气压”（atm）、“巴”（bar）、“PSI”等均应改成法定计量单位帕。1kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.332×102Pa1atm=1.01325×105Pa1bar=105Pa

1PSI=6.89×103Pa过去采用的压力单位“工程大气压力”（kgf/131压力表示方式绝对压力PJ大气压力PD表压力PB

PB=PJ

－PD真空度PZ（负压）

PZ＝

PD－PJ压力表示方式绝对压力PJ132压力测量方法一、力学测量方法：液体压力平衡、弹性力平衡二、电学测量方法：电位式、应变式、电容式、电感式、电涡流、压电式、压阻式压力测量方法1333.1.1液体压力平衡利用液柱对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被测压力的大小优点：结构简单，使用方便，有相当高的准确度，在本专业中应用很广泛缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便3.1压力的力学测量方法3.1.1液体压力平衡3.1压力的力学测量方法134采用水银或水为工作液，用U形管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的检测被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量采用水银或水为工作液，用U形管或单管进行测量，常用于低压、负135一、U形管压力计△P=P1－P2=ρg(h1+h2)提高工作液密度将增加压力的测量范围，但灵敏度要降低。一、U形管压力计△P=P1－P2提高工作液密度将增加压力的测136静止液体的压力静止液体的压力137流量孔板的压降流量孔板的压降138皮托管测速皮托管测速139测速管测速管140压力测量在气固两相流中的应用压力测量在气固两相流中的应用141完整的压力测量系统完整的压力测量系统142二、单管压力计

由于U形管压力计需两次读取液面高度，为使用方便，设计出一次读取液面高度的单管压力计。二、单管压力计由于U形管压力计需两次读取液143

因则故由于D>>d，所以P=ρgh2

因144三、斜管微压计

主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。三、斜管微压计主要用于测量微小压力、负压和压145压力测试技术课件146倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液柱易冲散，读数较困难，误差增大。这种倾斜管液柱式压力计可以测量到0.98Pa的微压。为了进一步提高微压计的精确度，应选用密度小的酒精作为工作液体。

倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液柱1473.1.2弹性力平衡方法

用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压力测量仪表称为弹性式压力计。弹性元件受压后产生的形变输出（力或位移），可以通过传动机构直接带动指针指示压力（或压差），也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力（或压差）信号的远传。

3.1.2弹性力平衡方法用弹性传感器（148

弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大小与被测压力成正比关系。弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大149弹簧管截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），并弯成圆弧状的空心管子一端为封闭（自由端），一端为开口（固定端）弹簧管150弹簧管压力表结构简单，使用方便，价格低廉，使用范围广，测量范围宽可测负压、微压、低压、中压和高压精度有0.5、1.0、1.5、2.5等弹簧管压力表151压力测试技术课件152弹性式压力计的误差1．迟滞误差相同压力下，同一弹性元件正反行程的变形量不一样，产生迟滞误差。2．后效误差弹性元件的变形落后于被测压力的变化，引起弹性后效误差。3．间隙误差仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性元件的变形不可能完全对应，引起间隙误差。4．摩擦误差仪表的活动部件运动时，相互间存在摩擦力，产生摩擦误差。5．温度误差环境温度的变化会引起金属材料弹性模量的变化，造成温度误差。弹性式压力计的误差1．迟滞误差相同压力下，同一弹性元件正153弹性式压力计误差的改善途径1．用无迟滞误差或迟滞误差极小的“全弹性”材料和温度误差很小的“恒弹性”材料制造弹性元件。2．采用新的转换技术，减少或取消中间传动机构，以减少间隙误差和磨擦误差。3．限制弹性元件的位移量，采用无干磨擦的弹性支承或磁悬浮支承等。4．采用合适的制造工艺，使材料的优良性能得到充分的发挥。弹性式压力计误差的改善途径1．用无迟滞误差或迟滞误差极小的154压力仪表的校验常用的校验仪表是活塞式压力计。校验就是将被校压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示值，如果被校表对于标准表的读数误差不大于被校表的最大允许绝对误差时，则认为被校表合格。压力仪表的校验常用的校验仪表是活塞式压力计。校验就是将被校压1551-油杯；2-针阀；3-进油阀；4-油缸；5-活塞；6-砝码；7-托盘；8-联接螺母；9-导管；10-手摇油泵；11-水平调节螺钉；12-底盘1-油杯；2-针阀；3-进油阀；4-油缸；5156压力测试技术课件1573.2压力的电学测量方法压力量的电测系统1.传感器；2.测量回路；3.记录或显示器3.2压力的电学测量方法压力量的电测系统1583.3电阻应变式压力传感器电阻应变测量系统①电阻应变计——传感元件；②电阻应变仪——转换部分，它将构件表面的应变转换为电阻值的相对变化，并将应变计电阻的相对变化(以电桥转换的方式)转换成电压或电流信号。③记录仪器——记录电阻应变仪的输出。3.3电阻应变式压力传感器电阻应变测量系统159电阻应变计测量特点①测量方法简单，价格低廉；②灵敏度高，测量应变的灵敏度可达l微应变，即等于10-6～mm／mm，准确度可达1％～2％；③频率响应好，可测量0～500000Hz的动态应变，惯性极小；④测量应变范围大，量程宽；⑤可在高温(800～1000℃)低温(-100～-270℃)高压液(高达上万个大气压)、高速旋转(几千转～几万转／分)强磁场、核幅射等特殊条件下进行测量。⑥输出为电信号。可远距离传输信号或用计算机控制，也可用无线电发报方式进行遥测。⑦用电阻应变计作为传感元件可制成各种传感器。用于测量力、压强、扭矩、加速度等物理量，应用广泛，应用于传感器的精度可达0.05％—1％。电阻应变式压力传感器就是众多电阻应变计中的一种。电阻应变计测量特点①测量方法简单，价格低廉；160应变式压力传感器工作原理应变片是基于应变效应工作的一种压力敏感元件，当应变片受外力作用产生形变时，应变片的电阻值也将发生相应变化。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的。应变式压力传感器工作原理161电阻应变式压力传感器（1）结构原理压力使弹性敏感元件变形，导致敏感元件的电阻发生变化。通过电桥记录电信号的变化，达到测压的目的。分为粘贴式与非粘贴式两种；特点：结构简单，灵敏度高，量程宽，应用特殊场合。输出信号小，对环境温度反应灵敏。电阻应变式压力传感器（1）结构原理162金属电阻应变片的典型结构箔式应变片金属电阻应变片的典型结构箔式应变片163电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时 其电阻值将发生变化F

Δl、ΔA、ΔρΔR金属的电阻应变效应电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时F164电阻丝应变效应ε—材料的纵向应变，即单位长度上的伸长量。μ—横向应变与纵向应变的比值，称“泊松比”电阻丝应变效应ε—材料的纵向应变，即单位长度上的伸长量。165高灵敏度系数电阻丝材料的要求①灵敏系数k0尽量大，以使变换器的输出大。②灵敏系数k0在尽可能大的应变范围内是常数，即电阻变化与应变成线性关系.③具有足够的热稳定性，电阻温度系数要小，以减少温度变化引起电阻变化所产生的误差。④电阻率高。当要求应变片具有一定的电阻值时，使得线材的长度短，丝栅的尺寸小。⑤具有优良的加工与焊接性能。高灵敏度系数电阻丝材料的要求①灵敏系数k0尽量大，以使变换器166电阻应变片的工作特性1.应变片灵敏度系数影响因素：电阻丝灵敏度系数、敏感栅尺寸、形状、粘结剂、基底、应变计粘贴位置及方向2.应变片的温度特性

温度变化

电阻丝与试件的线膨胀系数变化电阻应变片的工作特性1.应变片灵敏度系数167电阻应变式压力传感器（2）电阻应变片的温度效应：由温度变化引起的电阻变化；温度补偿方法：自补偿法；桥路补偿法：在电桥中加入补偿片，补偿温度变化引起的电阻偏差。电阻应变式压力传感器结构悬链膜-应变管式张丝式在火电厂的应用称重式给煤机汽车衡电阻应变式压力传感器（2）电阻应变片的温度效应：168桥路补偿法桥路补偿法169电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器170汽车衡汽车衡171称重式皮带给煤机称重式皮带给煤机172容器内液体重量（液位）传感器容器内液体重量（液位）传感器173液位传感器式中A1

、A2——传感器的传输系数；

g——重力加速度(m/s2)；

ρ——被测溶液的密度(Kg/m3)。溶液重量式中Q——容器内感压膜上面溶液的重量(N)；D——柱形容器的截面积(m2)。液位传感器式中A1、A2——传感器的传输系数；溶液重174应变式加速度传感器在低频（10~60Hz）振动测量中得到广泛的应用,但不适用于频率较高的振动和冲击。

应变式加速度传感器结构示意图1—等强度梁2—质量块3—壳体4—电阻应变片应变式加速度传感器在低频（10~60Hz）振动测量中得到广泛1753.4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感元件，它指在半导体材料的基片上用基成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单晶体硅膜片。3.4压阻式压力传感器176电阻的灵敏系数对于半径为r的圆导体，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r又由材料力学可知，在弹性范围内，

ε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；μ为电阻丝材料的泊松比，横向应变与纵向应变的比值，称“泊松比”一般金属μ=0.3~0.5；λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；电阻的灵敏系数对于半径为r的圆导体，A=πr2，ΔA/A=2177金属电阻的灵敏系数材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应）金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6半导体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定金属电阻的灵敏系数材料的几何尺寸变化引起的金属材料：k0以前178压阻式压力传感器的测量特点(1)结构简单，可微型化。有效面积的直径仅有零点几毫米或更小；

(2)精度高。实际精度可达0.1％--0.05％，最高可达0.01％。可靠性高，广泛用于宇航和航空工业中；(3)频率响应高。传感器本身的固有频率高，可达50---1500kHz。因此可以测几千赫～几十千赫以上的脉动压力；(4)灵敏度高，其灵敏度系数比金属丝应变式压力传感器高50---100倍。分辨力高，可测仅有1--2mm水柱的微压；(5)输出电平大，可达200mV左右，有时可不加放大器直接测量其输出信号。压阻式压力传感器的测量特点(1)结构简单，可微型化。有效面179压阻式压力传感器测量的主要缺点

压阻式压力传感器在测量中存在着测量较大应变时，存在非线性较严重及电阻和灵敏度系数的温度稳定性差的不足，因此必须找到有效、可靠的温度补偿措施。压阻式压力传感器测量的主要缺点压阻式压力传感器在测量中存在180压力测试技术课件181压力测试技术课件182r＝0，εr、εt达最大值r=0.58r0，εr=0r=r0，εr达负的最大值r=r0，εt=0r＝0，εr、εt达最大值r=0.58r0，r=r0，εr达183压阻式压力传感器输出压阻式压力传感器输出1843.5电感式压力传感器单绕组电感变换器3.5电感式压力传感器单绕组电感变换器185差动式电感传感器为了克服单绕组电感传感器的缺陷，设计了差动式电感传感器。即用两只几何尺寸完全相同、导磁体材料相同、上下线圈的电气参数即线圈铜电阻，电感、匝数完全一致的单绕组电感传感器组成。长处：灵敏度高，精度高；输出信号大，结构简单，工作可靠，寿命长。不足之处：因温度影响造成测量误差较大。不适合高频脉动压力的测量，常用于准动态、频率较低的压力测量。差动式电感传感器为了克服单绕组电感传感器的缺陷，设计了差动式186电动差压变送器电动差压变送器187差压变送器差压变送器1883.6压电式压力传感器1.压电式压力传感器压电效应原理：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。压电材料：单晶体、多晶体特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线性度好，频率响应高，量程范围广3.6压电式压力传感器1.压电式压力传感器189压电材料压电传感器中的压电元件材料一般有三类：压电晶体（如石英晶体）；经过极化处理的压电陶瓷；高分子压电材料。压电材料压电传感器中的压电元件材料一般有三类：190压电效应顺压电效应——将机械能转变为电能的现象(加力变形产生电荷)逆压电效应——电能转换为机械能的现象。(施加电场电介质产生变形应力

)压电介质正压电效应Q(E)电能T(S)机械能逆压电效应压电效应顺压电效应——将机械能转变为电能的现象(加力变191当压电晶片确定后，则极板间的电压Ua和外力Fx成正比当压电晶片确定后，则极板间的电压Ua和外力Fx成正比1921.石英晶体的压电效应X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷“横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。1.石英晶体的压电效应X轴：电轴或1轴；“纵向压电效应”：193晶体切片当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷

d11——压电系数（C/N）作用力是沿着机械轴方向时，电荷仍在与X轴垂直的平面此时，晶体切片当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上194切片上电荷的符号与受力方向的关系图（a）是在X轴方向受压力，图（b）是在X轴方向受拉力，图（c）是在Y轴方向受压力，图（d）是在Y轴方向受拉力。切片上电荷的符号与受力方向的关系图（a）是在X轴方向受压力195石英晶体的压电效应（a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。（b）在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。（c）沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷石英晶体的压电效应（a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有196压电材料简介压电常数弹性常数（刚度）介电常数机电耦合系数电阻居里点压电效应强弱：灵敏度固有频率、动态特性固有电容、频率下限机电转换效率泄漏电荷、改善低频特性丧失压电性的温度压电材料简介压电常数弹性常数（刚度）介电常数机电耦合系数电阻197石英晶体一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。石英晶体一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C1982.压电陶瓷的压电效应人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。压电陶瓷的极化2.压电陶瓷的压电效应人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体199陶瓷片极化压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。陶瓷片极化压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图200压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。放电电荷的多少与外力的大小成比例关系

Q——电荷量；d33——压电陶瓷的压电系数；

F——作用力。压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外201常见压电陶瓷（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能的PZT材料。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN） 具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。常见压电陶瓷（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷202常用压电材料常用压电材料203(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路(b)等效成一个电源U=Q/Ca

和一个电容Ca的串联电路压电式压力传感器工作原理(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路压电式压力204压电式压力传感器测量原理压电式压力传感器测量原理205压电式压力传感器测量要求压电传感器的晶体可以看成为一个产生电荷的高内阻发电元件，它把压力的作用变换为电荷量。由于压电元件的内阻很高且输出信号微弱，一般不能直接记录和显示。显然不能用一般的低输入阻抗仪表来进行测量，否则，压电晶片上的电荷就要通过测量电路的低输入阻抗泄漏掉。只有当测量电路的输入阻抗较高，快速测量被测参数的变化，所测得的结果才接近电荷的实际变化。压电式压力传感器测量要求压电传感器的晶体可以看成为一个产生电206压电式压力传感器的测量线路组成：测量线路的组成包括前置放大器、输出信号电缆要求：1.实现阻抗变换，将压电晶片的高输出阻抗变换成低输出阻抗；2.将微弱的输出信号实现放大。压电式压力传感器的测量线路207两个压电片的联结方式（1）“并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，（2）“串联”Q’=Q，U’=2U，C’=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。两个压电片的联结方式（1）“并联”，Q’=2Q，U’=U208图左）从电路上看，这是并联接法，类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。图右）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。

图左）从电路上看，这是并联接法，类似两个电容的并联。所209压电式传感器的信号调节电路

压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。 因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。

测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。压电式传感器的信号调节电路 压电式传感器要求负载电阻RL必须210压电传感器在实际测量系统中的等效电路压电传感器在实际测量系统中的等效电路211（1）电压放大器Ca：传感器的电容Ra：传感器的漏电阻Cc：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻Ci：放大器的输入电容（1）电压放大器Ca：传感器的电容212前置放大器输入电压压电元件的力F=Fmsinωt压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q=d11·F。输入电压的幅值当作用力是静态力（ω=0）时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。前置放大器输入电压压电元件的力F=Fmsinωt输入电压213①压电式压力传感器不能测静态力②压电式压力传感器时间常数一定，传感器的高频响应好。③测量低频动态压力，应增大压电式压力传感器的时间常数④压电式压力传感器的时间常数τ与压电式压力传感器的灵敏度ku的关系(C↑—τ↑

但ku

↓）①压电式压力传感器不能测静态力214传感器的低频响应范围如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。传感器的低频响应范围如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测215电压放大器应用限制压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。电压放大器应用限制压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接216解决电缆问题的办法将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。解决电缆问题的办法将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。217（2）电荷放大器

压电式传感器另一种专用的前置放大器。 能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大