力压力和位移测量课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,力,物体对物体的作用：,物体变形；物体运动,单位：牛顿（,N,）、千牛（,kN,）、公斤（,kg,）,1 kg,9.8 N,分类：静力、动态力,应用：称重、应变、扭矩,1,、力测量,第1页/共47页,1、力测量第1页/共47页,1,应变式,柱式及筒式测力传感器,结构,敏感元件,弹性柱,/,筒,力作用在轴向产生变形,转换元件,应变片,转换电路,电桥,工作方式：受压式、受拉式,力的作用点或方向造成横向力,-,产生,附加弯矩,-,造成测力误差,采用径向刚度大大高于轴向刚度的横向,定位膜片,特点,:,体积小、结构紧凑、构造简单、可以承受很大的载荷,1,、力测量,1,弹性柱（筒）,2,应变片,3,横向定位膜片,4,传感器体,第2页/共47页,应变式1、力测量1弹性柱（筒）2应变片第2页/共,2,应变式,剪切梁式测力传感器,结构,敏感元件,剪切梁,受力,F,作用，在梁的切向产生剪切力（沿梁的方向等强度分布）,切应力,与梁的中心轴线成,45,方向有拉伸和压缩应力,转换元件,应变片,贴在梁侧面与中心轴成,45,度并相互垂直的位置上,转换电路,电桥,R,1,、,R,3,受拉伸,增加；,R,2,、,R,4,受压缩,减小,全桥测量,特点：体积小、结构简单、线性好、测量精度高,1,、力测量,F,R,1,(R,3,)R,2,(R,4,),剪切力,第3页/共47页,应变式1、力测量FR1(R3)R2(R4)剪切力第3,3,压电式,动态,力传感器,结构,敏感元件,弹性膜片,受力,F,作用，弹性膜片传递力,转换元件,压电元件,转换电路,电压放大器,受频率以及电缆影响，一般精度测量,电荷放大器,几乎不受电缆长度影响，高精度测量,1,、力测量,压电元件,传感器体,弹性膜片,电极,引线,F,第4页/共47页,压电式1、力测量压电元件传感器体弹性膜片电极引线F第4页/共,4,压电式,动态,力传感器,应用,电荷泄漏,不可用于静态、准静态信号的测量,（频率下限由后续放大器性质决定）,减小电缆的影响,固定好传感器的引出电缆,选用低噪声的同轴电缆,接地问题,消除,接地回路,：绝缘连接、,单点接地,转换电路,1,、力测量,错误 正确,在振动最小点离开试件,第5页/共47页,压电式1、力测量错误 正确 在振动最小点离,5,测力装置的动态测量,动态误差,负载效应,：改变,/,影响了被测体状态，造成力测量的误差,直接利用被测系统的,构件,作为测力装置的弹性元件,测量装置阻尼力及惯性力的影响（弹性,质量）,测量装置为,二阶系统,，其频率特性不满足不失真测量,在整个频率范围内进行全面标定和校准,1,、力测量,第6页/共47页,测力装置的动态测量1、力测量第6页/共47页,6,测力装置的动态测量,交叉干扰,多向测力，相互影响,精心设计弹性元件，使变形合理,正确选择应变片粘贴部位,利用修正来减小交叉干扰,频率特性,校准,1,、力测量,第7页/共47页,测力装置的动态测量1、力测量第7页/共47页,7,LC05,系列产品,测量动态、短期静态的振动和冲击力，机械结构的拉伸和压缩力,与激振器配合，能够测量和控制激振力,与加速度、速度传感器配合，可测量机械阻抗,1,、力测量,第8页/共47页,LC05系列产品1、力测量第8页/共47页,8,流体压强,单位面积上所受到的流体作用力，,即,垂直作用力,/,面积,工程上则习惯于称其为,“,压力,”,单位：,Pa(,帕,、,N/m,2,),、兆帕（,MPa,）,应用：气压、液,/,油压,2,、流体压力测量,第9页/共47页,2、流体压力测量第9页/共47页,9,U,形管压力计测量技术,原理：压力平衡,U,形管,定量工作液体,若一端通压力（或大气）,P,0,，另一端接被测压力,P,h,为两侧的液面差值,为,重度,（,密度,x g,重力加速度）,被测介质（如气体）重度,远小于,工作液体的重度：,2,、流体压力测量,1,工作液体,2,被测介质,1,越小，,h,就越大,说明选用密度较小的工作液体，可以,提高,压力计的,灵敏度,。,第10页/共47页,U形管压力计测量技术2、流体压力测量1工作液体2被测介质,10,U,形管压力计测量技术,精度：取决于,刻度,及,读数,的方式,一般,U,形管压力计读数刻度的最小单位是,1mm,配备光学读数装置，提高读数精度,适用范围,测量低压,负压或压差,优点,:,结构简单、使用方便、价格低廉,缺点,:,玻璃管易破碎、体积偏大、读数不方便,2,、流体压力测量,1,工作液体,2,被测介质,第11页/共47页,U形管压力计测量技术2、流体压力测量1工作液体2被测介质,11,U,形管压力计测量技术,误差,环境条件的影响,读数标尺因温度变化会膨胀或收缩,工作液体比重也会受当地温度和重力加速度的影响,安装的影响：,自由悬挂,毛细管现象的影响,管内的毛细现象,:,将使液柱产生附加的升高或降低，其值取决于工作液的种类、温度及管子内径,要求所用液柱管的内径不能太细,读数方面的影响,由于液体与固体间,表面张力,的影响，玻璃管中水银柱液体是凸起的，而水面则是下凹的,读数时，应注意从凸面或凹面的顶点算起,2,、流体压力测量,第12页/共47页,U形管压力计测量技术2、流体压力测量第12页/共47页,12,斜管微压计,结构：,U,形管的垂直管倾斜到夹角,，,放大了读数,精度,：,读数最小单位是,0.1mm,适用范围：,专供测量,微小压力,的实验用仪器,2,、流体压力测量,实际应用时,可以改变，,越小，灵敏度越高,液面拉得也越长，会影响读数的准确性，并且,太小会使压力测量范围过小,一般,不小于,15,0,第13页/共47页,斜管微压计2、流体压力测量实际应用时可以改变，越小，灵敏,13,弹性式压力计：,波登管、膜片、波纹管,波登管,:,指针式压力计,的弹性敏感元件,横截面为空心,椭圆,形或,扁圆,形的金属管,通入有一定压力的流体时，管内外的压力差迫使管,截面趋于圆形,，导致波登管封闭的自由端产生线位移或角位移,横截面纵横直径比愈大，波登管灵敏度越高，但强度降低,优点是,：测量精度高，可测兆帕级压力,缺点是,：尺寸大，固有频率较低，不宜作为,动态测量,2,、流体压力测量,第14页/共47页,弹性式压力计：波登管、膜片、波纹管2、流体压力测量第14页/,14,弹性式压力计：,波登管、膜片、波纹管,膜片,:,中低压压力计的敏感元件,在压力作用下，迫使,膜片,产生相应的,弹性变形,位移,借助连杆组经传动机构的传动并予放大,齿轮,指针,在膜片表面粘贴,应变片,来感测其表面应变,平膜片,:,周边固定的弹性膜片,最低阶固有频率与膜片厚度、膜片半径、膜片材料的密度、弹性膜量等许多因素有关,波纹膜片和膜盒：灵敏度高,2,、流体压力测量,第15页/共47页,弹性式压力计：波登管、膜片、波纹管2、流体压力测量第15页/,15,弹性式压力计：,波登管、膜片、波纹管,波纹管,:,指针式压力计,的弹性敏感元件,在压力作用下，迫使波纹管轴向产生相应的弹性变形,位移,特点：在较低的压力下得到较大的变位，灵敏,适用介质：液体，空气，天然气及相容气体,黄铜波纹管、不锈钢波纹管,2,、流体压力测量,第16页/共47页,弹性式压力计：波登管、膜片、波纹管2、流体压力测量第16页/,16,动态流体压力测量,应变式,弹性元件：,悬链膜片、平膜片,等,转换元件：采用应变片来感受弹性元件受压后的局部变形,转换电路：电桥,常用应变式压力传感器,悬链膜片,-,应变筒式,平膜片式,2,、流体压力测量,第17页/共47页,动态流体压力测量2、流体压力测量第17页/共47页,17,动态流体压力测量,应变式,:,SPTA,系列,2,、流体压力测量,敏感元件采用合金材料与箔式自补偿应变片组成全桥电路，内装高精度、低噪声、低漂移集成放大器,输出信号可达,5V,可解决小信号的远距离传输,精度高，稳定性好，结构简单，使用方便,适用于气体，液体及腐蚀介质的静态及缓变压力参数的测量,压力范围,0,0.5;0.6;0.8;1;3;6;10;15;20;25;60MPa,输出电压,1V;3V;5V,系统精度,0.1,0.3%F.S,零点温漂,0.1,0.3%F.S/10,灵敏度温漂,0.1,0.3%F.S/10,供电电压,15VD.C,工作环境温度,-40,+90,过载能力,120%,重量,约,130,克,负载阻抗,10K,第18页/共47页,动态流体压力测量2、流体压力测量敏感元件采用合金材料与箔式自,18,动态流体压力测量,压阻式,弹性元件：,单晶硅平膜片,转换元件：沿一定晶轴方向扩散着一些长条形电阻,应变片,转换电路：电桥,特点：灵敏度比一般金属应变片高的多,2,、流体压力测量,第19页/共47页,动态流体压力测量2、流体压力测量第19页/共47页,19,动态流体压力测量,压电式,弹性元件：膜片式,转换元件：压电元件,转换电路：电荷放大器,传感器有很高的固有频率,2,、流体压力测量,膜片,压电元件,引线,压力,壳体,绝缘,电极,第20页/共47页,动态流体压力测量2、流体压力测量膜片压电元件引线压力壳体绝缘,20,动态流体压力测量,压电式：,6301,2,、流体压力测量,测量液体、气体的缓变和速变压力,主要技术指标,压力范围：,6Mpa,最大压力：,10MPa,灵 敏 度：,210,-4,pC/Pa,非线性度：,1%,满量程,迟 滞：,0.5%,满量程,谐振频率：,125kHz,上升时间：,2.4s,电 容：,8pF,绝缘电阻：,10,12,温度范围：,-196+200,重 量：,24.5g,第21页/共47页,动态流体压力测量2、流体压力测量测量液体、气体的缓变和速变压,21,动态流体压力测量,压电式：,AK,系列,2,、流体压力测量,采用外壳和膜片为一体的圆膜片结构,频响高，精度高，性能稳定可靠,适用于各种动、静态，气、液体介质的压力测量,尺寸小，安装方便,连接螺纹：,M201.5,最小外形尺寸,10,第22页/共47页,动态流体压力测量2、流体压力测量采用外壳和膜片为一体的圆膜片,22,压力传感器标定,静态标定：确定传感器的静态指标,灵敏度,非线性度、重复性,精度,量程,动态标定,频率响应特性,2,、流体压力测量,第23页/共47页,压力传感器标定2、流体压力测量第23页/共47页,23,压力传感器标定,静态标定,仪器：标准活塞压力计,以作用在某一,确定面积上的已知重力,来平衡被测压力的,确定的柱塞面积、精确的标准砝码,2,、流体压力测量,砝码,H,柱塞,压力计,油杯,标定传感器,压力,油缸,手轮,柱塞座,阀门,油缸活塞,工作原理,被标定：压力计、传感器,油杯手轮油缸活塞,充油,砝码手轮,H,砝码,/,标准压力,（,确定面积上的已知重力,）,高精度：,0.02,、,0.05,、,0.2,、,0.5,宽量程：标准砝码,第24页/共47页,压力传感器标定2、流体压力测量砝码H柱塞压力计油杯标定传感,24,压力传感器标定,静态标定,应变式、压阻式压力传感器,均匀、逐步加载和卸载,加砝码时要避免因冲击引起的压力值的过冲,滞后特性,压电式压力传感器,测量系统具有足够高的绝缘电阻，以防止电荷的泄露,为提高标定精度，标定过程中采用,快速卸载法,2,、流体压力测量,第25页/共47页,压力传感器标定2、流体压力测量第25页/共47页,25,压力传感器标定,动态标定,标准激励信号,周期函数：如正弦波、三角波等,以正弦波为常用，如正弦压力信号发生器,低压、,低频率,瞬变函数：如阶跃波、半阶跃波等,以阶跃波最常用，适用于高频范围标定,2,、流体压力测量,第26页/共47页,压力传感器标定2、流体压力测量第26页/共47页,26,压力传感器标定,动态标定,标准激励信号：激波管装置,2,、流体压力测量,激波管高压管段,压力表 膜片,低压管段,高压气源 刺膜机构,触发点 传感器,触发点,工作原理,被标定：传感器,高压气源,激波管,高压管段,压力表,