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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,*,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,*,第,5,章 力与压力测量,5.1,概述,5.2,常用力与压力传感器,5.3,动态压力测量,第5章 力与压力测量5.1 概述,5.1,概述,力的测量方法,直接比较法,：将被测力与标准质量的重力进行比较，二者平衡时被测力等于所施加标准质量的重力。常见的有台式称和分析天平等,。,间接比较法,：采用测力传感器将被测力转换为其它物理量，再与标准值比较，从而得到被测力的大小。常用的测力传感器有应变片式、电感式、电容式、压电式等,。,压力：,垂直作用于物体单位面积上的力,（压强）,绝对压力,：完全真空作为零标准的压力,表压力,：在压力仪表上所指示的压力，也称相对压力，其数值为绝对压力与当地大气压的差值,差压力,：两个压力之差表示的压力,5.1 概述力的测量方法,5.1,概述,压力的测量方法,重力与被测压力的平衡法,：,通过直接测量单位面积上所承受的垂直方向上力的大小来测量压力，液柱式压力计和活塞式压力计等,弹性力与被测压力的平衡法,：,弹性元件受压后会产生弹性变形，产生弹性力，当弹性力与被测压力平衡时，弹性元件变形的大小即反映了被测压力的大小,利用物质某些与压力有关的物理性质进行测压,：,一些物质受压后，它的某些物理性质会发生变化，测量这些变化就能测量出压力。压阻式传感器,、,压电式传感器,等,。精度高、体积小、动态特性好，是当前测压技术的主要发展方向,5.1 概述压力的测量方法,5.2,常用力与压力传感器,5.2.1,应变式传感器,应用最为广泛的测力传感器，测量范围大，测量精度,高,工作原理,基于金属的电阻应变效应，即导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，电阻值也随之产生相应的变化,应变片的结构,1-,基底,2-,敏感栅,3-,覆盖层,3,4-,引出线,4,5.2 常用力与压力传感器5.2.1 应变式传感器1-基,5.2,常用力与压力传感器,5.2.1,应变式传感器,应变片的温度补偿,温度变化引起应变片敏感栅的电阻变化及附加变形，或试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变,桥路补偿,又称补偿片法，将两片具有相同特性的应变片按轴线相互垂直地粘在同一个弹性件表面上，应变片的纵轴方向与受力方向一致的为工作片，另一片为补偿片，因两片位置靠得很近，故可认为两者所处的温度相同。将两应变片接入电桥相邻的两臂，当电桥平衡时，固定电阻,R,1,、,R,2,的阻值相等；当环境温度变化时，两个应变片上引起的电阻增量,R,a,、,R,b,不仅符号相同，而且数值也相等，因此仍能保持平衡，消除了温度变化的影响,5.2 常用力与压力传感器5.2.1 应变式传感器又称补,5.2,常用力与压力传感器,应变片的温度补偿,应变片自补偿,采用粘贴在试件表面上的一种特定应变片，当温度变化时，使其电阻增量等于零或相互抵消,选择合适的电阻丝栅材料，使：,组合式,自补偿应变片,：利用两种不同电阻丝材料电阻温度系数不同的特点，将两者串连绕制成敏感栅，如果两段敏感栅的电阻值,R,1,和,R,2,由于温度变化而产生的电阻变化,R,1,和,R,2,大小相等，,方向相反，则可以实现温度补偿。,热敏电阻补偿,热敏电阻,R,t,处在与应变片相同的温度条件下。当应变片的灵敏度随着温度的升高而下降时，,R,t,的阻值也下降，使电桥的供桥电压随温度的升高而增加，从而提高了电桥的输出，补偿应变片引起的输出下降，通过选择分流电阻的,R,5,值，就可以得到良好的补偿效果,5.2 常用力与压力传感器应变片的温度补偿热敏电阻Rt处在,5.2,常用力与压力传感器,5.2.2,电容,式传感器,工作原理,通过将力作用下位移的变化转换为电容量的变化进行力与压力测量,变极板间隙的电容式传感器原理,固定,r,和,A,，极板间隙,d,变化引起电容量变化,5.2 常用力与压力传感器5.2.2 电容式传感器固定,5.2,常用力与压力传感器,5.2.2,电容,式传感器,电容式差压传感器,结构简单、耐振动冲击、测量范围宽、可靠性强,、,精度高，适合高工作压力、低差压的测量。,1,电极导线,2,球形或弧形电极,3,中心感压膜片,4,硅油,5,玻璃绝缘子,6,隔离膜片,测量电路,5.2 常用力与压力传感器5.2.2 电容式传感器1电,5.2,常用力与压力传感器,5.2.3,压,电,传感器,工作原理,压电效应：,沿某些结晶物质的某个结晶轴施加力时，内部出现极化现象，从而在表面形成电荷集结，电荷量与作用力的大小成正比,石英晶体作为压电材料,为了增强输出信号，往往将多片压电晶体组合在一起组成传感器,a,）石英晶体的结晶形状与切片方向,b,）压电元件受力简图与等效电路,a),、,c),并联组合,b),串联组合,5.2 常用力与压力传感器5.2.3 压电传感器a）石英,5.2,常用力与压力传感器,5.2.3,压,电,传感器,典型压电传感器结构,水冷式压电传感器,与内燃机火花塞一体的压电传感器,1.,测压时，被测压力压向弹性膜片,1,，作用于石英片,4,上。石英片在脉动压力的作用下产生交变的电荷。,2.,石英压电晶体传感器一般不能用作静态压力测量，多用于测量,1020kHz,的脉动压力。,3.,压电传感器产生的信号很弱而输出阻抗很高，因此必须根据压电传感器的输出要求，将微弱的信号经过电压放大或电荷放大（一般是电荷放大）,4.,若被测介质温度远高于室温，可采用畅通的冷却水进行冷却，否则高温会改变传感器的灵敏度甚至造成传感器的损坏,5.2 常用力与压力传感器5.2.3 压电传感器水冷式压,5.2,常用力与压力传感器,5.2.3,压,电,传感器,压电传感器的测量电路,电荷放大器：,电荷放大器是一种与输出电荷量成正比的前置放大器。在采用电荷放大器的情况下，压电传感器可视为一个电荷源。电荷放大器是一个高增益的、具有反馈电容,f,的运算放大器,输出电压仅与电荷量及反馈电容量有关，增益,A,及电缆分布电容,C,c,的变化不影响放大器的输出，此外，当电荷放大器与压电传感器连接使用时，其下限频率（时间常数）仅取决于电荷放大器,5.2 常用力与压力传感器5.2.3 压电传感器输出电压,5.2,常用力与压力传感器,5.2.3,压,电,传感器,压电传感器的测量电路,电压放大器：,1.,当,=0,时，,e,m,=0,，电压放大器与压电传感器相配不适于测量静态信号。,2.,当,1/,RC,时，即测量高频动态参数时，输入电压,e,m,=,K,p,F,/,C,，说明对于高频参数，电压放大器的输入电压不再随着输入参数的频率而变，而是只随作用力的大小而变化，即电压放大器的高频特性好。,输入电压,5.2 常用力与压力传感器5.2.3 压电传感器1.当,5.2,常用力与压力传感器,5.2.4,液柱式压力计,工作原理,利用工作液的液柱重力与被测压力平衡，根据液柱高度确定被测压力大小,U,形管压力计,当,1,2,，且,1,封液可采用水、水银、苯等,5.2 常用力与压力传感器5.2.4 液柱式压力计封液可采,5.2.4,液柱式压力计,单管压力计,两侧压力差为,若,F,1,F,2,，且,1,，则,贝兹微压计,1,5.2,常用力与压力传感器,1-,毛玻璃片；,2-,目镜；,3-,宽断面容器；,4-,浮子；,5,、,8-,压力接头；,6-,升管；,7-,软管；,9-,玻璃刻度；,10-,测量液体；,11-,投影装置；,12-,灯泡,在大容器的中部插有一根升管，被测压力接到容器的软管上（若测压差，则低压端接到升管上端的压力接头）。当容器的压力高于环境大气压时，升管中的液面上升，在升管中的浮子也随之上升。浮子的下端挂有玻璃刻度板，投影仪将刻度的一段放大约,20,倍后显示在具有游标的毛玻璃上。相邻两刻线相差为,1,mm,，用游标尺读数的方法可精确读出,1Pa,的压力,5.2.4 液柱式压力计 5.2 常用力与压力传感器1-毛玻,5.2.4,液柱式压力计,斜管微压计,斜管微压计两侧压力,p,1,、,p,2,和液柱长度,l,关系表示为,斜管微压计的刻度比,U,型管压力计的刻度放大了,1/,sin,倍，更便于测量微压，一般这种斜管压力计适于测量,2,2000,Pa,范围的压力,5.2,常用力与压力传感器,5.2.4 液柱式压力计斜管微压计两侧压力p1、p2和液柱长,5.2.4,液柱式压力计,液柱式压力计的测量误差及修正,环境温度变化的影响,封液的密度、标尺的长度等都会发生变化,环境温度偏离规定温度,20,后，封液密度改变对压力计读数影响的修正公式为,重力加速度变化的修正,仪器使用地点的重力加速度,g,由下式计算,毛细现象的影响,封液在管内由于毛细现象引起表面形成弯月形，使液柱产生附加的升高或降低，并且会引起读数误差,通过加大管径的方法减少毛细现象的影响。当封液为酒精时，管子内径,d,3mm,；封液为水或水银时，要求管子内径,d,8mm,5.2,常用力与压力传感器,5.2.4 液柱式压力计 5.2 常用力与压力传感器,5.3.1,压力测量系统的动态特性,容腔效应,定义：,在动态压力测量系统中，压力传感器固有频率很高，响应也很快，但由于测压元件前的空腔和导压管的存在，必然导致压力信号的幅值衰减和相位滞后，这种效应称为动态压力测量的容腔效应,使整个测量系统的响应速度大大低于传感器的响应速度，降低了系统的动态性能,测量系统的动态特性主要取决于传感器以外的部分,感压元件前空腔和导压管合在一起的固有频率,f,近似为,空腔的容积越大，导压管越长，内径越小，则固有频率越低,5.3,动态压力测量,5.3.1压力测量系统的动态特性 5.3动态压力测量,5.3.1,压力测量系统的动态特性,传输管道的数学模型和频率特性,压力传输管道从根本上讲是一个阻容系统,被测压力为,p,0,，空腔压力为,p,1,，传递函数方程为,是一个惯性环节，时间常数的大小由流阻和气容的大小决定，它反映了动态压力测量时的滞后程度。导压管的长度越大、内径越小时，流阻越大。空腔容积增大时，时间常数增大。测量时压力滞后越大，对动态压力测量的影响越大，所以要从导压管和空腔着手减少滞后。,5.3,动态压力测量,5.3.1压力测量系统的动态特性 5.3动态压力测量,5.3.2,测压仪表的动态标定,目的：,确定传感器的频率响应特性，以确定它们的适用范围、动态误差等,动态标定方法,输入标准频率及标准幅值的压力信号与传感器的输出信号进行比较，这种方法称为对比法，例如将测压管装在标定风洞上的标定,是通过激波产生一个阶跃的压力并施加于被标定的传感器上，根据其输出曲线求得它们的频率响应特性，这种激波管动态标定是一种最为基本的动态标定方法,。,5.3,动态压力测量,5.3动态压力测量,5.3.2,测压仪表的动态标定,激波管标定系统：,通过激波产生一个阶跃的压力并施加于被标定的传感器上，根据其输出曲线求得它们的频率响应特性,当激波管开始工作时，直流电源,3,接通吸动撞针机构,4,，使撞针捅破膜片，高压气流向低压端，,为传感器动态标定提供一个上升时间极快的大幅值的压力阶跃,1,气瓶,2,控制器,3,直流电源,4,撞针机构,5,高压段,6,膜片,7,低压段,8,被标定的传感器,9,动态应变仪,10,示波器,11,信号时标,5.3,动态压力测量,5.3.2 测压仪表的动态标定当激波管开始工作时，直流电源,5.3.2,测压仪表的动态标定,激波管标定系统,5.3,动态压力测量,激波管内的工作过程,传感器输出曲线,有了传感器的输出曲线以及激波管阶跃压力，就可以求得被标定传感器的频率响应特性传感器输出曲线,5.3.2 测压仪表的动态标定 5.3动态压力测量激波管内,5.3.3,动态压力测量的典型应用内燃机气缸动态压力测量,示功图：,气缸内工质压力随曲轴转角或气缸容积变化的关系,a,）,p-V,示功图,b,）,p-,示功图,c,）燃烧过程中的异常压力波,d,）低压示功图,5.3,动态压力测量,5
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