第
卷第
年月
期山
东
矿
业于
!门
学
院
学
报
! ∀
附半导
体 应变 片 传 式感器 应 用 研 究
陈 强
奏国 山科 院学
摘
要
应变 片 式传感 器由 于 自身所具 的 灵有敏
,
度、
测量 精 度和 靠 性可高
、
动态响 应
、
快
干 抗扰
,性
强特等性
在已 许 领多域 获 广 泛 应得 用
。
。
本 文 就仅实 际 用使 的一 个 方
面,
做
一系 统介 绍
应供
用 者 进
一步 开 发研 究
自
由 词 关词
键导体应半 片 变 导 体半 感传
’器
压阻效应
应
变 传 感
器
阻 电桥
电伯 努 方 程利
中 图 分 类 与
号 随着集 成 路电和 社会结 构
。
、
大 规
模 集 电 成路等 半 导 技 术 体 信和息处 理 技术的 速迅 发展
“
, 以微 型 计
算机 为 中 的心微 电 子 学 开 始 在社 会 的 各 个 领域 得 广到 的 应 用泛 别 特 被是比喻 为
。从
而 极大 地 变改 了 们人的 生 活
。
脑电
”
的 型微 算计
机
,
“
正在 迅 速地 劝推 着电 子 设 备实 现 自
动化
、
系
统化和 智 能 化,
因
而被 称 为大 脑 的
,,
官
五
”
半
导体 应 变 片 式 传感 器 做为 力 器敏件 中 的 一
种 量度精 高工
、
于 —其 身 的 灵 自敏 度 高
由
,
,感技传 术也 得 了 极到大 的 发展,
,动
态 应 响快测
,
稳 定性 、 好铁
路
、
,
功耗低
、
命寿
长、
抗
性干 强
可能靠 性 高 等特点
已在航
天
。油
石、
化
材
建、
电力
织纺
医
疗
、
器
仪
仪、 等部 门表 获得 了 广泛的 应
半 用 体导应 变 片 传式 感器原 理半
导 体应变 片及 受 力分
析 变 应 是 片 利用 导半 体单 晶 体的 压 效 应阻将 被 测 件 的部 应力 转 换为 电 阻 化变 的一 种 力
电转
换元 件
。
应当 变片受 力发 生 变 形
,时
则促
半使 导体 应 片的变阻 值 发生 变化
。。
,通
过测 量 电
—
路 此将阻 值 的 变化 换转 成部 件 所 受 力应 的 小大
而 压
阻效 应的 大小 可 用 阻 系压数来 表 示 对 电 阻率 用可下 表式示 △式 中二
,
,
当应 变 承片 受纵 向和 横向 应力
对
,,
应变 片的相
叮,
。
△
分别 与向 横 数向 —分 为别 纵向 与 横向 所承 受 的应 — 力 阻率 电 的相 变 化对 率— 。
纵为
的阻压系
收稿 期日
一
一
第期
陈 国 强
半 导 体 应 片变 式传 感器 应用 研
究,
果 应如 片变 沿只纵 向受 到 力应 作 用 时若
令
。则式
可
写成
△
二
内
一
。
代入
上
,
式则得
△
一
二式中
是于得 半导 应 体变 片电 阻 的 变 化率 △ 式中△ 因式
、
—
半
体 导 材的料
弹 模 性数
—
产
沿应变片 纵 向的应 变
力,
厅。。 ,
。
—
号括 内 第右
端一
电
阻相对 变 化 率 、
目
一
曰
’
砂
,‘
一
、
第门
‘
—
仅 为第
一项、
产
泊松
‘,
比‘
一二
项的 不
一不
、
了
’
“
共
下
变片—此 以可 去第 数略
,因
’
应灵敏 系
引
’
、
两
项 的 影
一
’一“
。
”
“
一
、
‘
尸
、
”
“
‘响
所 以
电 阻 相 变对 化 率 只 与半 导 体 应变 所片 承 受 的 应力成 比 正传感 器的 基 本 结构
传感器 也称 为 换 能器 检
测、
。
它 是把
一 个 非 电量转 换 相 应成 不的 失真 的 电 号信
。
而 实,现信 息的
转换 与 输 传的 一 种 器
件,
它
是 半用导 体 应 变 片做为力
,
电的
转 元换件 。
。
使
用 时不 经须。
间放 中大
可
以 接直和微 安 表,
、
数表
字
。
微 型、计 算 机等 二次 仪 表 配套
、
使
用 起来 分 十 便方
半。导 体应 变 片 传式感 器 一 般 由 半导 体应 变
片应 变 片组成 格式 电路 如 图所示 图中
、
弹
性体 外 壳 和三 部 组 成
分、、
传感 器 四由 片
。分 别
为 应变 片 其构结是 在单
,晶, ,,
。
片 上 用 硅成 集 路 电的 方 法制 作 四个 值 彼 此阻 同相 的电
阻构成
四 只 变应片 其 将粘 贴 在 性 体 上 处弹于 工作 状 时
态,
,
只 两应变 片 拉 另 受 两只应 变 片 压
受
,
。
,
,
将 接其 成桥电 电路
,
构成 了半 导 应体 变 式传 器感 为
此
、上
。
,
体 具作时
制
,
将
、
散 在一个扩相 同的 晶
向
。扩散在 另一 个 相 的 同 晶向上
, ,
由
于 散时
扩,
,
四
个 电 很阻难做 到 阻 值 完 全 相同
图应 变片传感 器原 理图
。
所
一以般在 力敏 元 中件还
桥电处 于
要
扩调 零 电散
阻 配电合 路使 其 无外 力作 用 时
平衡 状 态
传 感器的 工 作 原理 如
在果 桥式 电路一
‘
、,
端
两,
通
以 恒 电流 源 当给未 感传 施 加器压 力 时
,
由,
于
一
一
所
」、以
、
两点 没 有位电 差,
即 电
桥 平衡
,
输出信 号电压
,,
。当给 感传器 施 加 一定 力时压如
压,
被
测 使 弹力性 体生发变 形
,致 使桥
式电路中 一 的对 力 另臂一对 臂力输 出电
压。
受
拉
两, 片 应变 的片阻 值 外随力 用作 的 加增而 加 电桥增 失去平
衡
,
如
。护
,
受
两
片应变 片的 值 阻却随 外 力 的增 加 减而 小
具体分 如 下析假
设 应 片变 到 受 力压 用 时作 力, ,
因 应 变
,
、
‘片
拉受
力,
阻
增 加 为值
△
。
。
,
、
受
,
阻压 值减 小 为 一△
当。 传感
器 有 负载时
,
电桥
失去 衡
平于
输是出 端 有 便 信号 电
压
输
出根 据
桥电原 理
输
出压
。
电
大为小,
。
△
△
△
一
△一
一
〔
一 〔
〕
△
△
△ △
〕
山
一东
矿
业
学
院
学
一 一△
・
第报 △
卷
△
且
式说明
传感当 受器到 外 作力 用时
,输 出电压
。
的 小 不 仅大与 变 片应 的 化变成 正比
,
,
与
电 输桥 入 压电、
成
比正,
,
。
,
,
,
,
曰
口‘
、
刀 正 且刘
。 二
。。
,
口
刁 电只
,
切
二,
日 狙个
’
,
,
,
△
平一
一
南
,
,。
义
斗七
左、
一
了 」 月玲上
比
幽”
、
仕,
,
万
,
。一 一恐丽 刚 由彻 缅
,
,
导 ,了 史尹
一
,
、
与
外力 正 比成 的 电信 号
。
传 器感 的配套 置
由装于 半 导 体 应 变 片 传 感 器式的 输 出信号 较 大 单
,
,
可
达
,
因 此
套仪配 器 比 较简
所以 这 种 感传 器 在 实 使 际 中用十分 方 便
。配
置位
半字数
图表 为 本基 理原图 ,
、
。
图
中
,
尺
,
、
、
、
为半
。
导
体应变 片
。
为
限 电流
阻,
,为调 零
位器电,
随
着 集成 电 路 的迅 速 展发
半 数位字 式 压 表
以下 要
电
头获已 得广 泛 的 应用其 程 度 一 般 在士
求 输 入号
・
信
此 因 该数字 表与半 体导应 变
。
式 片感 器 传配 应套 用特 别 合适
数 告字
表
其工 过作程 生 变
形,
当
外力 作用 于 传感 时
,
,
弹器 性体发
位
。电
桥 失 平衡
,去
输 信出 电 压号
。
直
接由
图
位半数 字表 与 传 感 器配 套 图
半 数字表显 示出 来
其 数
值反 映 了 外 的大力
小
置配 微型计 机算图
微 为 与传 感机器 配合时 方框 理原 当图 传 器 受 感到 拉 或 压力力
时场 现带 号
,即
产生
一 个 电 压 信
号,
放经大滤波 后 送多
、至
路 开 变关
现信场号
,
过通 样
采转 换
送 机
微 。
,进
行 处 理然 后显示 拉 力或 力压公斤 数
并 通 过可 打印 机 将 值数打印 来出
,
实现
现信场 卜号
快
速
图
、准
确 的 外测 力量
微 与 传 机感 器配 套 图
通
风 管 路 气体 流 量的 试测煤
矿 通 风 管 路 的 量风 大
小,
可
通以
。
过由 半 导 应体变 片式 传 感器组 成 的 测 试 电路
,
构
成 测 试仪 表进 行 实 时 测 或 打 印检 值 数微 型汁 机算
、测 试
表 仪方 框图方框
如图 图
所示
。
主 要由 压 力 传感
器
显 示 、仪表 等组
成
期
陈 第 国 半 强导体应变 片式 传器感应 用 研 究
工作 原
理 尸
弓叫
汉
二二
气
体 流量 是 用 采差压 测 量 方 法的实现 的
卜。
根 据 努 利方 伯程
,
,
通 测 量 过气 流 动体过 、
程
中 动压
的算
出流
速流量
。
。
体过 程 具
,
是首
先 利 用 皮 托管 气对 体压 进力 取行样
后
然将采 样 参 数送 压 差到 传 感器图
于
是在传感 器
气 流体
测试 方框
图的
输 出端 到得 个一 与 力成 正 比 的 压电 压信
号
此 信 经
,
号
换后转 变 为 字数量送 进
。
微 进机行 据数 理处微 机 是按 照 伯努利 由方。
。
程
编 制 程 的序 进行 数值 计算 处 理与 的气体 流速方程 式
。
为
努伯 方利程 如 下
一
抨票
,
住
米 ”‘
体气 流量 方程 式 为 。
一
擎厂艺
米
小时,
中式
— △ 力重速加度
根 式据 量流
。
,气体动 值压,
,
、
。
—气
体密 度
、
—管 道直径 、
—
、加
以 修
,正
,
即 可
求 出 况 工 的 下 流速
流量
标及 工况 准的下流速 蛛
、 、
设计 的气 体流 量测 量 线
路可 自动以 测量 道管 中的 体气 流量
、
流
,速
动
压
。静
压及度温
,
等 多种 参 数
优
点
,,
同时还
能 现工 实况流
,量、
流
速 标向准 流量,
、
流 速 的
自动 转 换
,
测 量 装该 由置于 采 用 机 控 微 广泛 适制 用矿于山 水泥 、
作方 便
、
操直
接读数
功 能齐
全稳
定 性好。
精 度
高等
化
工
纺 织 等一般 管有 道 气体 动流 的 场合参 考 献
文 新传感 最 手 册器,
实
用 电 子 文 摘编辑 部
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子 报社
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用电子 文摘
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动自检 测 技 术
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第
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东
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陈 强
奏国 山科 院学
摘
要
应变 片 式传感 器由 于 自身所具 的 灵有敏
,
度、
测量 精 度和 靠 性可高
、
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、
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干 抗扰
,性
强特等性
在已 许 领多域 获 广 泛 应得 用
。
。
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一步 开 发研 究
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由 词 关词
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变 传 感
器
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电伯 努 方 程利
中 图 分 类 与
号 随着集 成 路电和 社会结 构
。
、
大 规
模 集 电 成路等 半 导 技 术 体 信和息处 理 技术的 速迅 发展
“
, 以微 型 计
算机 为 中 的心微 电 子 学 开 始 在社 会 的 各 个 领域 得 广到 的 应 用泛 别 特 被是比喻 为
。从
而 极大 地 变改 了 们人的 生 活
。
脑电
”
的 型微 算计
机
,
“
正在 迅 速地 劝推 着电 子 设 备实 现 自
动化
、
系
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因
而被 称 为大 脑 的
,,
官
五
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导体 应 变 片 式 传感 器 做为 力 器敏件 中 的 一
种 量度精 高工
、
于 —其 身 的 灵 自敏 度 高
由
,
,感技传 术也 得 了 极到大 的 发展,
,动
态 应 响快测
,
稳 定性 、 好铁
路
、
,
功耗低
、
命寿
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性干 强
可能靠 性 高 等特点
已在航
天
。油
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医
疗
、
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仪、 等部 门表 获得 了 广泛的 应
半 用 体导应 变 片 传式 感器原 理半
导 体应变 片及 受 力分
析 变 应 是 片 利用 导半 体单 晶 体的 压 效 应阻将 被 测 件 的部 应力 转 换为 电 阻 化变 的一 种 力
电转
换元 件
。
应当 变片受 力发 生 变 形
,时
则促
半使 导体 应 片的变阻 值 发生 变化
。。
,通
过测 量 电
—
路 此将阻 值 的 变化 换转 成部 件 所 受 力应 的 小大
而 压
阻效 应的 大小 可 用 阻 系压数来 表 示 对 电 阻率 用可下 表式示 △式 中二
,
,
当应 变 承片 受纵 向和 横向 应力
对
,,
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叮,
。
△
分别 与向 横 数向 —分 为别 纵向 与 横向 所承 受 的应 — 力 阻率 电 的相 变 化对 率— 。
纵为
的阻压系
收稿 期日
一
一
第期
陈 国 强
半 导 体 应 片变 式传 感器 应用 研
究,
果 应如 片变 沿只纵 向受 到 力应 作 用 时若
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可
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△
二
内
一
。
代入
上
,
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△
一
二式中
是于得 半导 应 体变 片电 阻 的 变 化率 △ 式中△ 因式
、
—
半
体 导 材的料
弹 模 性数
—
产
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厅。。 ,
。
—
号括 内 第右
端一
电
阻相对 变 化 率 、
目
一
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’
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一
、
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—
仅 为第
一项、
产
泊松
‘,
比‘
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、
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’
“
共
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变片—此 以可 去第 数略
,因
’
应灵敏 系
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’
、
两
项 的 影
一
’一“
。
”
“
一
、
‘
尸
、
”
“
‘响
所 以
电 阻 相 变对 化 率 只 与半 导 体 应变 所片 承 受 的 应力成 比 正传感 器的 基 本 结构
传感器 也称 为 换 能器 检
测、
。
它 是把
一 个 非 电量转 换 相 应成 不的 失真 的 电 号信
。
而 实,现信 息的
转换 与 输 传的 一 种 器
件,
它
是 半用导 体 应 变 片做为力
,
电的
转 元换件 。
。
使
用 时不 经须。
间放 中大
可
以 接直和微 安 表,
、
数表
字
。
微 型、计 算 机等 二次 仪 表 配套
、
使
用 起来 分 十 便方
半。导 体应 变 片 传式感 器 一 般 由 半导 体应 变
片应 变 片组成 格式 电路 如 图所示 图中
、
弹
性体 外 壳 和三 部 组 成
分、、
传感 器 四由 片
。分 别
为 应变 片 其构结是 在单
,晶, ,,
。
片 上 用 硅成 集 路 电的 方 法制 作 四个 值 彼 此阻 同相 的电
阻构成
四 只 变应片 其 将粘 贴 在 性 体 上 处弹于 工作 状 时
态,
,
只 两应变 片 拉 另 受 两只应 变 片 压
受
,
。
,
,
将 接其 成桥电 电路
,
构成 了半 导 应体 变 式传 器感 为
此
、上
。
,
体 具作时
制
,
将
、
散 在一个扩相 同的 晶
向
。扩散在 另一 个 相 的 同 晶向上
, ,
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于 散时
扩,
,
四
个 电 很阻难做 到 阻 值 完 全 相同
图应 变片传感 器原 理图
。
所
一以般在 力敏 元 中件还
桥电处 于
要
扩调 零 电散
阻 配电合 路使 其 无外 力作 用 时
平衡 状 态
传 感器的 工 作 原理 如
在果 桥式 电路一
‘
、,
端
两,
通
以 恒 电流 源 当给未 感传 施 加器压 力 时
,
由,
于
一
一
所
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、
两点 没 有位电 差,
即 电
桥 平衡
,
输出信 号电压
,,
。当给 感传器 施 加 一定 力时压如
压,
被
测 使 弹力性 体生发变 形
,致 使桥
式电路中 一 的对 力 另臂一对 臂力输 出电
压。
受
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两, 片 应变 的片阻 值 外随力 用作 的 加增而 加 电桥增 失去平
衡
,
如
。护
,
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具体分 如 下析假
设 应 片变 到 受 力压 用 时作 力, ,
因 应 变
,
、
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力,
阻
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△
。
。
,
、
受
,
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当。 传感
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,
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压
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。
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第报 △
卷
△
且
式说明
传感当 受器到 外 作力 用时
,输 出电压
。
的 小 不 仅大与 变 片应 的 化变成 正比
,
,
与
电 输桥 入 压电、
成
比正,
,
。
,
,
,
,
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、
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,
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,
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,
,
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一
,
、
与
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。
传 器感 的配套 置
由装于 半 导 体 应 变 片 传 感 器式的 输 出信号 较 大 单
,
,
可
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,
因 此
套仪配 器 比 较简
所以 这 种 感传 器 在 实 使 际 中用十分 方 便
。配
置位
半字数
图表 为 本基 理原图 ,
、
。
图
中
,
尺
,
、
、
、
为半
。
导
体应变 片
。
为
限 电流
阻,
,为调 零
位器电,
随
着 集成 电 路 的迅 速 展发
半 数位字 式 压 表
以下 要
电
头获已 得广 泛 的 应用其 程 度 一 般 在士
求 输 入号
・
信
此 因 该数字 表与半 体导应 变
。
式 片感 器 传配 应套 用特 别 合适
数 告字
表
其工 过作程 生 变
形,
当
外力 作用 于 传感 时
,
,
弹器 性体发
位
。电
桥 失 平衡
,去
输 信出 电 压号
。
直
接由
图
位半数 字表 与 传 感 器配 套 图
半 数字表显 示出 来
其 数
值反 映 了 外 的大力
小
置配 微型计 机算图
微 为 与传 感机器 配合时 方框 理原 当图 传 器 受 感到 拉 或 压力力
时场 现带 号
,即
产生
一 个 电 压 信
号,
放经大滤波 后 送多
、至
路 开 变关
现信场号
,
过通 样
采转 换
送 机
微 。
,进
行 处 理然 后显示 拉 力或 力压公斤 数
并 通 过可 打印 机 将 值数打印 来出
,
实现
现信场 卜号
快
速
图
、准
确 的 外测 力量
微 与 传 机感 器配 套 图
通
风 管 路 气体 流 量的 试测煤
矿 通 风 管 路 的 量风 大
小,
可
通以
。
过由 半 导 应体变 片式 传 感器组 成 的 测 试 电路
,
构
成 测 试仪 表进 行 实 时 测 或 打 印检 值 数微 型汁 机算
、测 试
表 仪方 框图方框
如图 图
所示
。
主 要由 压 力 传感
器
显 示 、仪表 等组
成
期
陈 第 国 半 强导体应变 片式 传器感应 用 研 究
工作 原
理 尸
弓叫
汉
二二
气
体 流量 是 用 采差压 测 量 方 法的实现 的
卜。
根 据 努 利方 伯程
,
,
通 测 量 过气 流 动体过 、
程
中 动压
的算
出流
速流量
。
。
体过 程 具
,
是首
先 利 用 皮 托管 气对 体压 进力 取行样
后
然将采 样 参 数送 压 差到 传 感器图
于
是在传感 器
气 流体
测试 方框
图的
输 出端 到得 个一 与 力成 正 比 的 压电 压信
号
此 信 经
,
号
换后转 变 为 字数量送 进
。
微 进机行 据数 理处微 机 是按 照 伯努利 由方。
。
程
编 制 程 的序 进行 数值 计算 处 理与 的气体 流速方程 式
。
为
努伯 方利程 如 下
一
抨票
,
住
米 ”‘
体气 流量 方程 式 为 。
一
擎厂艺
米
小时,
中式
— △ 力重速加度
根 式据 量流
。
,气体动 值压,
,
、
。
—气
体密 度
、
—管 道直径 、
—
、加
以 修
,正
,
即 可
求 出 况 工 的 下 流速
流量
标及 工况 准的下流速 蛛
、 、
设计 的气 体流 量测 量 线
路可 自动以 测量 道管 中的 体气 流量
、
流
,速
动
压
。静
压及度温
,
等 多种 参 数
优
点
,,
同时还
能 现工 实况流
,量、
流
速 标向准 流量,
、
流 速 的
自动 转 换
,
测 量 装该 由置于 采 用 机 控 微 广泛 适制 用矿于山 水泥 、
作方 便
、
操直
接读数
功 能齐
全稳
定 性好。
精 度
高等
化
工
纺 织 等一般 管有 道 气体 动流 的 场合参 考 献
文 新传感 最 手 册器,
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用 电 子 文 摘编辑 部
电
子 报社
册下
实
用电子 文摘
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守 仁
动自检 测 技 术
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滨尔工 业 学
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