《压力测量技术》PPT课件.ppt

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1、,第十三章 压力测量技术,1.熟悉常用的压力测量方法及测量用传感器工作原理；2.掌握压力系统静动态特性的标定方法；,学 习 重 点,1、压力的定义 流体或固体垂直作用在单位面积（S）上的力（F）称为压力（p），也称压强。工程中常采用的压力有绝对压力（pa）、表压力（pg）、真空（pv）和差压等几种。,13.1概述,pa、pg、pv与p0之间的关系,2、压力的计量单位 压力的单位是力和面积的导出单位，而各种单位制中力和面积的单位不同，则压力的单位也有多种。1)在SI中，压力的单位是牛顿/米2（N/m2），为帕斯卡或简称帕（Pa），1Pa0.1mmH2O（毫米水柱）；2)在CGS制中，压力的单位是

2、达因/厘米2（dyn/cm2）简称为巴（bar），1bar=0.1Mpa。3)在新标准中，压力的其他单位，如标准大气压（atm）、千克力/米2（kgf/m2）、托（Torr）、工程大气压（at）等。,3.压力的分类 压力：静态压力和动态压力 静态压力：不随时间变化 或变化非常缓慢的压力。动态压力：随时间变化的压力。压力测量方法 静态压力测量：一般采用压力表、压力变送器进行测量。,动态压力测量：动态压力测量与静态压力测量不同。动态压力测量方法塑性变形测压法：利用铜柱或铜球的塑性变形进行测量。弹性变形测压法：将敏感元件感受压力而产生的弹性变形量转换为电量再进行测量。,13.2.1 概述 膛压是各类

3、兵器设计、研制、生产、验收中必须测量一重要参数，兵器技术的发展给膛压测量提出了越来越苛刻的要求。测量方法有两种：电测法；塑性变形法。,13.2 塑性测压法,自19世纪60年代诺贝尔首次使用铜柱测压器测得膛内火药燃气最大压力后，一百多年来，古老的塑性测压法在“实用弹道学”领域内一直是膛压测量的主要的技术手段，至今仍为世界各国采用，塑性变形测压法具有以下几个特点：（1）使用方便；（2）操作简单；（3）不需要破坏武器。,我国基本上沿用前苏联20世纪40年代以前的铜柱系列，技术落后且测压范围很小。在过去的几个五年计划中，我国已自行研制了具有中国特色的铜柱、铜球测压系列，改革了我国引进了多批次、多型号进

4、口测压器件的混乱状况。3.58.75mm锥形铜柱测压范围：20MPa-240Mpa；3.58.75mm柱形铜柱测压范围：250MPa-800Mpa；4.763mm铜球测压范围:80MPa-600Mpa。,铜球测压法和铜柱测压法的主要差别：测压试件不同。铜球测压法的测压试件是具有一定直径的铜球（铝球或铁球），使用前不进行预压，直接用压后高作为最大膛压的量度；压力标定的方法不同。铜球压力表的编制是在能产生模拟膛压曲线的半正弦压力波形的动态压力发生器上进行。,铜柱标定方法：静标体制。测压器材压力标定的概念 静态标定;准动态标定;对电测传感器讲：静态标定;动态标定;准动态标定;,13.2.2 铜柱测压

5、法 铜柱用含铜量不小于99.97%、含氧量不大于0.02%的纯净电解铜制成。它具有良好的塑性，同一批铜柱的硬度应相同。铜柱测压器可分：旋入式测压器和放入式测压器。,塑性测压基本方法为 测量时，将测压器放入弹膛内某位置，火药燃气压力通过活塞作用于塑性测压器件，使其产生塑性永久变形，为获得膛压峰值，需要对铜柱变形量或铜球压后高进行定度，即获得变形量或压后高与压力之间的对应关系(压力对照表)。,静态压力对照表,静标铜柱动态误差产生的原因：1)塑性测压器件的本构关系。材料的应力应变关系和应变速率有关，这被称为应变率效应，即塑性变形的抗力不仅是变形量的函数，还是变形速率的函数，随着应变率的增大，材料的屈

6、服极限将提高，即静态加载时屈服极限最低，这就导致在相同压力情况下，测压元件变形量小于静标时变形量，从而产生负误差，铜柱在测定动态的膛压时测量值要偏低。,2)测压器活塞惯性的影响。火药燃气压力通过测压器活塞压缩测压器件的同时活塞获得运动速度，压力脉冲消失后，由于活塞的惯性，要继续压缩测压器件，产生过冲，从而产生静动差，这种误差的趋势一般可认为是正误差，即测量值大于真实的压力值。,13.2.3 铜球测压法,铜球测压器的工作过程：在火药气体推动下，活塞压缩铜球，使之产生塑性变形。铜球测压器分为:旋入式和放入式 标定体制:准动态校准体制。准动态校准可有效地减小静动差，是塑性测量器材校准体制改革的方向。

7、,准动态校准 用已知峰值且波形与膛压曲线接近的压力脉冲作用于塑性测量元件上，得出峰压和测压器材的输出间的对应关系，再据此编出动态压力对照表。由于标定压力和待测压力有相似的动态特征，得到的响应自然也比较接近，因此，准动态校准可以减小塑性测压器材的静动差。,准动态校准装置:落锤液压动标装置 压力源的工作原理:沿导向系统自由下落的重锤将重力势能转化为动能，随后与油缸顶端的精密活塞相撞，通过活塞压缩油缸内的液体在油缸内产生压力，从而将重锤的动能又转化为液压油体积变形的弹性势能。当动能全部转化时，重锤与活塞达到最大压缩行程，其后由于液压油的弹性恢复作用，把活塞与重锤上推，直到重锤跳离活塞，弹性势能又转化

8、为重锤动能。这样在油缸内形成一个近似于半正弦的压力脉冲，它和膛压曲线上升段相似。,这样在油缸内形成一个近似于半正弦的压力脉冲，它和膛压曲线上升段相似。调节落锤液压动标装置的工作参数（重锤质量、重锤落高、活塞面积、油缸初始容积等），可以产生不同峰值及脉宽的半正弦脉冲，用作准动态标定的压力源。,落锤液压动标装置组成：半正弦压力源和标准动态压力测试系统。,准动态标定方法 在油缸四周径向安装四只标准电测压力传感器及四只铜柱（球）测压器，同时测出四只电测压力传感器的压力峰值及相应测压器材的输出值。得到表示峰压与铜柱变形量（铜球压后高）间关系的数据对。在铜柱（球）测量范围内大致均匀地设定79个点进行标定，

9、运用多项式回归技术可求出峰压与铜柱变形量（铜球压后高）的回归方程，据此可编出塑性测压器材的动态压力对照表。为了消除铜柱原始高度差异的影响，测压铜柱采用的是峰压和变形量编表，而不用峰压和压后高编表。,利用敏感元件感受压力而产生的弹性变形量转换为电量进行测量的。弹性测压法按转换原理可分为：利用弹性敏感元件的应力应变特性 弹性敏感元件在被测压力作用下产生应力、应变，利用应力、应变来测量压力的，如应变式压力传感器等；利用弹性敏感元件的压力集中力特性 弹性敏感元件将被测压力转换成集中力，利用测量集中力来测量压力的，如压电式压力传感器；利用弹性敏感元件的压力位移特性 将被测压力转换为弹性敏感元件的位移来测

10、量的，如电容式压力传感器；,13.3 弹性测压法,利用弹性元件的压力谐振频率特性 弹性元件在被测压力作用下其谐振频率变化，利用测量谐振频率来测量压力的，如振动筒式压力测量系统。13.3.1 应变式压力传感器 被测压力作用在传感器的弹性元件上，使弹性元件产生弹性变形，并用弹性变形的大小来量度压力的大小。由于去载时弹性变形可恢复，所以应变式测压传感器不仅能测量压力的上升段，也能测量压力的下降段，能反映出压力变化的全过程。,应变式压力测量系统组成使用注意事项1)在测量前应对系统进行标定，以获取测量系统的灵敏度及相关静态特性指标。2)使用时要注意电桥调平衡。3)系统抗干扰及绝缘措施。,1.筒式应变测压

11、传感器,活塞压缩应变管产生轴向压缩变形,2.活塞式应变测压传感器,1.活塞式压电传感器,压电式压力传感器,2.膜电式压电传感器,用金属膜片代替活塞，膜片起着传递压力、实现预压和密封三个作用,3.压电式压力测量系统组成,4.使用注意事项注意传感器及连接电缆线的输出阻抗、防潮防湿；传感器灵敏度的归一化处理；,注意电荷放大器的上、下限频率选择；电荷放大器的“工作”及“复位”开关的位置；要注意全系统的共地。,将选择好的传感器安装在需要进行压力测量的部位，其间有腔室和管道的情况是很多的，甚至是无法避免的，这会显著地影响传感器的频响特性。管道效应会使压力测量系统的动态响应变坏，甚至会造成动态压力测量曲线的

12、严重失真，在进行动态压力测量时必须予以考虑。一般应尽量减小不必要的腔室容积和管道长度。,13.4 动态压力测量的管道效应,管道长度应与被测量的最高频率相匹配。管道的最低纵向共振频率为,c为给定温度下气体中的声速；l为管道长度。由于一般液体中的声速要比气体中的高得多，所以测量时应尽量在管道中充满液体。,直管道情况,在此情况下，系统的频响特性会受明显的影响。腔室的容积及管道的内径和长度将起主要影响作用，其关系式为 式中，d为管道内径；V为腔室容积。,有腔室和管道的情况,静态标定和动态标定 静态标定的目的:确定系统静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定的目的:确定系统的动态特性参数

13、，如频率响应函数、时间常数、固有频率及阻尼比等。常用的静压发生装置有：活塞式压力发生器、杠杆式压力发生器及弹簧测力计式压力发生器。,13.5 测压系统的标定,13.5.1 测压系统的静态标定,被标定的压力传感器或压力仪表安装在压力计的接头上。当转动手轮时，加压油缸的活塞往前移动使油缸增压，并把压力传至各部分。当压力达到一定值时，将精密活塞连同上面所加的标准砝码顶起，轻轻转动砝码盘，使精密活塞与砝码旋转，以减小活塞与缸体之间的磨擦力。此时油压与砝码（连同活塞）的重力相平衡。,传感器或压力仪表受到的压力等于砝码（连同活塞）的重力与活塞的有效面积之比可表示为 p为油缸的压力（Pa）；m1为标准砝码的

14、质量（kg）；m2为活塞的质量（kg）；D为活塞的直径（m）；g为当地的重力加速度（m/s2）。,标定时，以一定的压力间距逐点加压，记录下所加的压力值Pi，以及相应的记录仪器的电压偏移量Vi，标定时所施加的最大压力应略大于待测压力的最大值。然后，再逐次减小压力，记录下测压系统记录仪器的电压偏移量Vi，并重复3-5次。,压力标定过程:,压力系统动态标定要解决两个问题：要获得一个令人满意的周期或阶跃的压力源；要可靠地确定上述压力源所产生的真实的压力-时间关系。,13.5.2 测压系统的动态标定,动态压力源的分类如下：稳态周期性压力源：活塞与缸筒、凸轮控制 喷嘴、声谐振器、验音盘等；非稳态压力源：快

15、速卸荷阀、脉冲膜片、闭式爆炸器、激波管及落锤液压动标装置等。1稳态标定法 常见的活塞和缸筒装置就是一种简单的稳态周期性校准压力源。活塞运动源的一种变型是传动膜片、膜盒或弹簧管，通过连杆与管端连接的偏心轮使弹簧管弯曲，这样来使用弹簧管，效果很好。,2非稳态标定 采用稳态周期性压力源来确定压力系统的动态特性时，往往受到所能产生的压力幅值和频率的限制。高压和稳态频率很难同时获得。为此，在较高压力振幅范围内，为了确定压力传感器的高频响应特性，必须借助于阶跃函数理论。,可采用各种方法来产生所需要的脉冲。最简单的一种方法是在液压源与传感器之间使用一个快速卸荷阀，从0上升到90%的全压力的时间为10ms。采

16、用脉冲膜片也可获得阶跃压力。用薄塑料膜片或塑料薄板。把两个空腔隔开，由撞针或尖刀使膜片产生机械损坏。由此发现，降压而不是升压，可产生一个更接近理想的阶跃函数。降压时间约为0.25ms。激波管能产生非常接近的瞬态“标准”压力。激波管的结构十分简单，它是一根两端封闭的长管，用膜片分成两个独立空腔。,1-激波管的高压室 2-激波管的低压室3-激波管高低压室间的膜片 4-侧面被标定的传感器5-底面被标定的传感器 6、7-各为测速压力传感器8-测速前置级 9-数字式频率计 10-测压前置级11-记录记忆装置 12-气源 13-气压表 14-泄气门,图13-19 激波管标定装置系统原理框图,作 业,1.设

17、某科研项目中需测定一设备的油缸压力，已知该压力最大值小于300MP,压力持续时间为68ms,用你所学知识组建两种类型的电测压力系统，要求：根据所选传感器真确选用二次仪表及三次仪表，并简要说明各部分的功能。2.今预测量某油缸内的工作压力，已知该压力最大峰值压力为300MPa，其最高频率有效分量为2.5KHz，压力脉宽时间约为10ms。用你所学知识组建两种电测该压力测量系统。（压力测量的动态误差在5%以内）要求：在所键系统中给出各环节要求的主要性能参数，如传感器的静、动态特性，采集系统的采样频率3.压力和力传感器都有哪几种动态校准方法？各有何优缺点？,3.弹性测压法与塑性测压法的主要区别是什么？简述应变筒式测压传感器是如何进行温度补偿的？应变筒式测压传感器与应变管式测压传感器的主要区别是什么？,