液壓測試及計算機測控技術(shù)（課件）

2011.03.10

1家3二人學

zNcrthecstemUnlvenity

液壓測試及計算機測控技術(shù)

HydraulicTestingandComputerMeasurement&Control

周生浩

液壓與氣動技術(shù)研究所

InstituteofHydraulicPneumaticTechnology(IHPT)

課程安排

■液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)2學時

液壓測試系統(tǒng)的組成，信號分類，測試裝置等

?流體基本參數(shù)測量8學時

壓力測量，流量測量，流量的溫度測量，流體密度、粘度

及污染度測量。

■機械參數(shù)的測量8學時

電阻應(yīng)變片和應(yīng)變測量，位移測量，力與轉(zhuǎn)矩測量，速度測量,

振動與噪聲測量。基本電測儀器的原理與應(yīng)用.

■測量誤差與試驗數(shù)據(jù)處理6學時

測量誤差的來源及分類，隨機誤差的特性，系統(tǒng)誤差的特性，

衡量測量精度的標準，誤差傳遞定律，綜合誤差計算。

課程安排

■計算機測控系統(tǒng)4學時

數(shù)字量和模擬量的轉(zhuǎn)換技術(shù)，數(shù)據(jù)采集卡和基于計算機的測控系統(tǒng),

虛擬儀器技術(shù)

?液壓測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)2學時

綜合測控系統(tǒng)的原理和組成，并給出一個實例說明現(xiàn)代綜合技術(shù)

在測試中的應(yīng)用。

中大作業(yè)2課時總課時：32課時

先修課程和參考書

I先修課程

＞液壓傳動與控制

＞電工學

＞流體力學

＞自動控制理論基礎(chǔ)

＞液壓比例和伺服技術(shù)（非必須）

＞參考書

＞液壓測試技術(shù)

吳寶良等編上海交通大學出版社1995

＞液壓測試技術(shù)

熊詩波主編機械工業(yè)出版社1982

＞計算機測控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用

王利強等編機械工業(yè)出版社2007

液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

i概述

背景和目的:

①液壓傳動和控制裝置應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大

對液壓元件、組件和系統(tǒng)的品種及性能要求愈來愈高

研制新產(chǎn)品和分析、改進原產(chǎn)品

液壓試驗系統(tǒng)

q,1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)_

?概述

背景和目的：

②|液壓傳動和控網(wǎng)裝置越來越復(fù)雜

________________________________,

靠機理分析故障原因變得困難

________________________________1,

液壓.量系統(tǒng)

________________________________1,

故障診斷分析系統(tǒng)

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

i概述

背景和目的:

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

被測量

壓力、流量、力、力矩、位移、轉(zhuǎn)速、速度、加速度、

噪聲、溫度、粘度和污染度等非電物理量

非電物理量一傳感器一電物理量一放大器

壓力

壓力傳感器mVV或mA

20MPa

壓電元件

液壓綜合試驗臺

aexatr

液壓智能綜合實驗臺

1一輔助平臺2—液壓站3—液壓泵調(diào)壓閥組4—帶過渡底板和快速接頭的

液壓元件5—主操作臺T型槽板6—輸出、輸入油口7—電器控制面板

8—計算機9—液壓元件柜

01液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

?液壓測試系統(tǒng)組成

?液壓試驗系統(tǒng)

液壓試驗系統(tǒng)組成

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

I液壓測試系統(tǒng)組成

?液壓試驗系統(tǒng)

?動力源和控制系統(tǒng)

液壓泵試驗：直流電機，直流電機調(diào)速系統(tǒng)

液壓馬達和閥試驗：液壓源，壓力、流量、方向控制

工一般還包括油溫控制系統(tǒng)

?被試元件或系統(tǒng)

液壓泵、液壓馬達、液壓閥等元件或系統(tǒng)

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

I液壓測試系統(tǒng)組成

?液壓試驗系統(tǒng)

?加載器

液壓加載裝置，對被試對象和系統(tǒng)進行加載

?檢測、放大、轉(zhuǎn)換、顯示和記錄裝置

包括傳感器、放大器（變送器）、A/D轉(zhuǎn)換器、

顯示器和記錄器

?數(shù)據(jù)處理

包括數(shù)據(jù)準備、數(shù)據(jù)檢驗、數(shù)據(jù)分析等步驟

?程序控制裝置

使整個試驗過程按預(yù)定程序自動運行

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

液壓測試系統(tǒng)組成

?液壓測量系統(tǒng)

白箱灰箱黑箱

?正常狀態(tài)下：液壓系統(tǒng)是作為白箱系統(tǒng)存在

Input-------液聞戳------->Output

?非正常狀態(tài)下：液壓系統(tǒng)是作為黑箱或灰箱系統(tǒng)存在

Input7敏廉箱?Unknown

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

I液壓測試系統(tǒng)組成

?液壓測量系統(tǒng)

液壓測量系統(tǒng)

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

■液壓測試系統(tǒng)組成

例:混凝土輸送泵車

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

I液壓測試系統(tǒng)組成

例：混凝土輸送泵車

液壓原理簡圖

、?液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

￥1--------

I液壓測試系統(tǒng)組成

例：混凝土輸送泵車

液壓測試系統(tǒng)

解決方案

*1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

I液壓測試系統(tǒng)組成

?智能測試系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集儀分析軟件

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

I液壓測試系統(tǒng)組成

?智能測試系統(tǒng)

qmCiMITIE，砧1401跖1刖而,M'MWRTfl

)011

S3

LOT

uxn

0X)9如ADHDISOHUIfinMD加豈0乂口血)XflM0劉4010ffjKDtx143W^D22QMJI)MJ301

*1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

I液壓測試系統(tǒng)組成

?液壓測量和控制系統(tǒng)

控制對象

電液比例控制系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成

參考:新編實用電液比例技術(shù)

『液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

■測量裝置的特性

測量裝置的特性決定了能否很好地完成了預(yù)定的

測量任務(wù)

?測量裝置的靜態(tài)特性

條件：被測物理量不變或變化極慢

參數(shù)：與運動微分方程無關(guān)，描述測量裝置

特性，稱為靜態(tài)參數(shù)

?測量裝置的動態(tài)特性

條件：被測物理量快速變化

參數(shù)：運動微分方程描述輸入輸出動態(tài)關(guān)系，基于這

種動態(tài)關(guān)系上的特性參數(shù)稱為動態(tài)態(tài)參數(shù)

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

i測量裝置的特性

?測量裝置的靜態(tài)特性

壓力表為例

圖2-4彈簧管壓力計結(jié)構(gòu)

1-彈簧管；2—連桿,3—扇形齒輪；4—底座；5一中心齒輪：6—海絲；7—表盤;

8—指針；9一接頭?10一橫斷面，11一靈敏度調(diào)整槽

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

i測量裝置的特性

?測量裝置的靜態(tài)特性

產(chǎn)品型號YN-60YN-100YN-150YN-200

公稱直徑①60010001500200

接頭螺紋M14X1.5M20X1.5

精確度等級1.5；2.51.0；1.5

0~0.1；0?0.16；0—0.25；。?。4；0?。6；

0?1；0?1.6；0~2.5；。?4；。?6；

0—10；0—16；0?25；0~40；。?60；

測量范圍

(MPa)

耐振等級V.H.4

使用環(huán)境條件溫度-40?70℃；相對溫度￡85%

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

i測量裝置的特性

?測量裝置的靜態(tài)特性

?準確度和精密度

準確度:測量值偏離真值的程度，準確度高意味著系統(tǒng)誤差小

準確度二測量學/■際值xlOO%

實際值

精密度:測量中所測得數(shù)值重復(fù)一致的程度

注意:精密度高意味著隨機誤差小，但是精密不一定準

確

精確度:綜合反映裝置的準確和精密程度，精確度高意味著隨

機誤差和系統(tǒng)誤差都小

01液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

■測量裝置的特性

?測量裝置的靜態(tài)特性

?靜態(tài)靈敏度k._Ay

K-

Ax

△y--輸出量變化值

Ax--輸入量變化值

(a)

靈敏度標定曲線

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

i測量裝置的特性

?測量裝置的靜態(tài)特性

?靜態(tài)靈敏度k

壓力輸入-----測量

輸出

干擾輸入------裝置

幾個概念（以壓力測量為例）

工作溫度和你京

溫度不同時

零點漂移：由于溫度變化使得壓力表中的機械

傳動機構(gòu)發(fā)生相對膨脹和收縮，即使在壓力沒靈敏度

漂移、工作溫度和標定

有變化的情況下，也能導(dǎo)致壓力讀數(shù)的變化溫度相同時

由溫度引起

靈敏度漂移:溫度能改變壓力表中彈簧管的的總誤差

彈性模量，從而是靜態(tài)靈敏度發(fā)生變化

輸入壓力?MPa

??i

(e)

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

?測量裝置的特性

?測量裝置的靜態(tài)特性

?線性度

線性標定和非線性標定

?一上升壓力應(yīng)g幽■■邛黑;

asttI

oA一下降壓力

o.r

G

a

5L05J>0.64

-R

陽ao.4

芯

把

a3

加速度-0

網(wǎng)BI溫度-20C±0?5?

o.2

IS14T4■■?佛貌!!??▲???什鼻（eA2t?）

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

，測量裝置的特性

?測量裝置的靜態(tài)特性

?線性度

任意標定點偏離參考直線的最大偏差來表示

參考直線:兩種表示方法，一為最小二乘法，二為零輸入和滿量

程輸出的連接直線

____Jb

o

>

o

V

o

O

0

06.

0.

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

■測量裝置的特性

,測量裝置的靜態(tài)特性

?滯后

(a)沒有機械摩擦，彈簧管的內(nèi)摩擦和滯后阻尼導(dǎo)致滯后

(b)零點兩側(cè)都有有效量程

(c)、(d)彈簧管內(nèi)摩擦為零或很小，但存在外摩擦

(e)多因素綜合作用

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

i測量裝置的特性

?測量裝置的靜態(tài)特性

?分辨能力、死區(qū)

分辨能力就是測量儀器可能檢測出被測信號最小變化的能力

死區(qū)就是產(chǎn)生可以檢測到的輸入之前可能的輸入值的總范圍

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

i測量裝置的特性

?測量裝置的靜態(tài)特性

?測量范圍

一個測量裝置可測量的變量范圍，也稱測量范圍或量程。

最低工作界限--最高工作界限

對本質(zhì)線性測量裝置，稱線性工作范圍

動態(tài)范圍

測量裝置能精確測量的最大與最小動態(tài)輸入之比值K,以分貝

(dB)來表示

d5=201gK

『液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

＞測量裝置的特性

?靜態(tài)標定中一些注意問題

?輸入量比被標定的測量裝置精確度至少高一級

?干擾和變異輸入保持不變

?靜態(tài)標定一般步驟：

⑥檢查測量裝置的構(gòu)造，羅列和鑒別所有可能的輸入變量

④確定測量裝置所要標定的參量

⑥考慮產(chǎn)生所要標定的參量的方法和測量標準

⑥在保持其他輸入不變的情況下，逐級變化所要標定的參

量，并記錄，得到標定曲線

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

＞測量裝置的特性

?測量裝置的動態(tài)特性

測量快速變化的物理量時，有必要研究測量裝置準確測量這

種迅速變化的物理量的能力，即研究測量裝置的動態(tài)特性

動態(tài)特性研究時，輸入量和輸出量都是時間的函數(shù)，傳遞

函數(shù)也是時間的函數(shù)

測量系統(tǒng)動態(tài)特性描述：

?時域過渡過程曲線——時域動態(tài)性能指標

?頻率特性曲線——頻域動態(tài)性能指標

01液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

＞測量裝置的特性

?測量裝置的動態(tài)特性

?時域動態(tài)性能指標

1.時間常數(shù)T

2.響應(yīng)時間ts

允許誤差2%、5%、10%

3.上升時間t_tao

從5%到95%

4.延遲時間td

—階測量系統(tǒng)一階測量系統(tǒng)階躍輸入響應(yīng)曲線

輸出響應(yīng)值到穩(wěn)態(tài)值50%

液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

*■測量裝置的特性

?測量裝置的動態(tài)特性

?時域動態(tài)性能指標

二階測量系統(tǒng)

對阻尼系數(shù)小于1.0的衰減振

蕩曲線

5.峰值時間tp

6.超調(diào)量sigma

二階測量系統(tǒng)階躍輸入響應(yīng)曲線

工具體公式計算參考控制理論基礎(chǔ)

1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

測量裝置的特性

?測量裝置的動態(tài)特性

?頻域動態(tài)性能指標

1.帶寬頻率

-3dB所對應(yīng)的頻率

2.工作頻率

3.跟隨角

4.諧振頻率

幅值最大值時所對應(yīng)的頻率

頻域動態(tài)性能指標

+1液壓測試技術(shù)基礎(chǔ)

■液壓測試技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

?液壓測試技術(shù)現(xiàn)狀

有難點、有挑戰(zhàn)

在線檢測技術(shù)

?液壓測試技術(shù)發(fā)展趨勢

智能技術(shù)、LabView技術(shù)

全方位在線檢測技術(shù)

小論文

■LabVIEW測控應(yīng)用

要求：前期寫個小報告：

i.界面簡潔美觀LabVIEW實時系統(tǒng)

2.功能完善實用截止日期：4」4

3.最終報告頁數(shù)＞5頁A4紙

第1組:變量泵測控第5組:油箱測控

第2組:變量馬達測控第6組:液壓缸測控

第3組:比例閥系統(tǒng)測控第7組:三通比例減壓閥測控

第4組:伺服閥系統(tǒng)測控截止日期：6.2

y2流體基本參數(shù)測量

?流體基本參數(shù)

2流體基本參數(shù)測量_____

■壓力測量

?絕對壓力、表壓力、負壓力

〃表壓二夕絕對一P大氣

夕真空=P大氣一夕絕對

-------------------------------------被測壓力]

Pc

AP

------「」----------------環(huán)境大氣壓力

[rI/

P㈤--------1-----------------被測壓力2

%Pg

>〃/，"?/〃〃//)〃//〃〃/〃//〃/〃//〉〃〃〃〃〃,真仝狀態(tài)

各種壓力表示法之間的關(guān)系

-2流體基本參數(shù)測量

1------------------------

■壓力測量

?各種壓力之間的換算關(guān)系

公斤力/厘米2磅/英寸2標準大氣壓米汞柱米水柱

帕(Pa)巴(bar)

(kgf/cm2)(bf/in2)(atm)(mHg)(mHz。)

110.00p10.20M145.0〃9.869H7.501M102.Ofi

0.10M11.02014.500.98690.750110.20

98.07k0.9807114.220.96780.753610.00

6.895k68.95m70.31m168.05m51.720.7031

10L3k1.01310.3314.7010.760010.33

133.3k1.3331.3619.341.316113.6

9.807k98.07m0.1001.42296.78m73.56m1

2流體基本參數(shù)測量

■壓力測量

?壓力儀表

1.液柱式壓力表

運用靜力學原理

2.彈性式壓力表

彈性元件受力變形

3.活塞式壓力表

流體靜力學液壓傳遞原理

4,壓力傳感器和壓力變送器

壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號

2流體基本參數(shù)測量

壓力測量

?壓力儀表

1.液柱式壓力表

(a)U形管壓力計

Ap=p「P2

=gh(p-pdp2-pj

ifP\=P?&P?P\

2=P-P2=Pgh

(a)U形管壓力計

測壓范圍最大不超過0.2MPa

2流體基本參數(shù)測量

＞壓力測量

?壓力儀表

1.液柱式壓力表

(a)單管壓力計

、P=P「P2

二g(。-夕1)(1+芻〃2

F1

ifF{?F2&p?

M=P\-P2=Pgh2

(b)單管壓力計

2流體基本參數(shù)測量

＞壓力測量

?壓力儀表

2.彈性式壓力表

2流體基本參數(shù)測量

壓力測量

?壓力儀表

2.彈性式壓力表

彈簧管式壓力計

優(yōu)點

a）測量范圍大從真空到lGPd

b）精度可達1級

c）結(jié)構(gòu)簡單可靠彈簧管壓力計結(jié)構(gòu)

d）髭"、準確、售爆f5T心齒輪;6-7-表盤

6）價格便宜

8—指針；9—接頭；10—橫斷面：11—靈敏度調(diào)整槽

2流體基本參數(shù)測量

＞壓力測量MM

?壓力儀表

2.彈性式壓力表

彈簧管式壓力計

也1±^￡[]_昌2]^

x

(PEbhaC2+a

S=1S；+S；

九

^^-Ryl(l-cos(p)~+(^9-sin^>)2(2)

(P

E-彈性模數(shù)；r-泊松比；h-壁厚；R-曲率半徑;

alphi,Cl,C2為與R、h、a、b相關(guān)的參數(shù)

*2流體基本參數(shù)測量

■壓力測量

?壓力儀表

2.彈性式壓力表

膜片式壓力變送器

（a）彈性膜片（b）撓性膜片

特性

a）可測量范圍大腐蝕性或粘性介質(zhì)壓力

b）真空到6MPa

c）結(jié)構(gòu)簡單可靠

d）讀數(shù)方便、準確、穩(wěn)定

e）價格便宜

y2流體基本參數(shù)測量

■壓力測量

?壓力儀表

2.彈性式壓力表

膜片式壓力變送器

L1/

圖2-5膜片式壓力變送器結(jié)構(gòu)

1一測量膜片；2一被測壓力輸入口;3—隔離膜

yO-膜片中心處位移；

片;4一填充液：5—大氣口；6—活動磁芯；

D-膜片直徑；

Y—電感線圈

T-膜片厚度；

a,b-幾何形狀參數(shù)

2流體基本參數(shù)測量

B壓力測量

?壓力儀表（C）膜盒

2.彈性式壓力表

膜盒式壓力計

膜盒式壓力計結(jié)構(gòu)與

彈簧管式壓力計相似

特性

圖2-6膜盒壓力計的結(jié)構(gòu)圖

a）測量氣體的負壓和微壓1一調(diào)零螺桿，2—機座?3—刻度板；4-膜盒；5—指針?6一調(diào)零板；

7—限位螺燈18一弧形連桿j9一雙金屬片；10一軸，11一杠桿架；

b）0-40kPa12—連桿；13—指針軸，14一杠桿；】5—游絲，16―管接頭；17一導(dǎo)壓管

2流體基本參數(shù)測量

＞壓力測量

?壓力儀表

2.彈性式壓力表

波紋管式壓差計

波紋管受壓時線性輸出

范圍比受拉時大，常在

壓縮狀態(tài)下使用

波紋管外形

*2流體基本參數(shù)測量

(a)壓差計內(nèi)部結(jié)構(gòu)(b)扭力管結(jié)構(gòu)

圖2-8雙波紋管壓差計的結(jié)構(gòu)示意圖

1一連接軸；2-隔板；3—單向受壓的保護閥；4一阻尼環(huán)；5—擋板；6-擺桿;

7-扭力管；8—心軸；9一量程彈簧組；10一中心基座?11一阻尼閥；12一阻

尼旁路；13—填充液；14一滾針軸承；15—瑪瑙軸承；

16—平衡閥,Bi?B3-波紋管

作業(yè),fisher

2流體基本參數(shù)測量

＞壓力測量

?壓力儀表

3.壓力傳感器

能檢測壓力值并提供遠傳信號的裝置統(tǒng)稱為壓力傳感器

壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于

各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)

自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道

等眾多行業(yè)，下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應(yīng)用。

常見形式：

應(yīng)變式、壓阻式、電容式、壓電式、振頻式

、2流體基本參數(shù)測量

B壓力測量

?壓力儀表

3.壓力傳感器

應(yīng)變片式壓力傳感器

電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。

金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是

將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學應(yīng)變基體上，

當基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)

變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種

應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組

成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理

電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機構(gòu)。

2流體基本參數(shù)測量

十

B壓力測量

?壓力儀表

3.壓力傳感器

應(yīng)變片式壓力傳感器

應(yīng)變

s-膜片有效面積；

圖4-6應(yīng)變式壓力傳感器

「2-彈性筒外半徑;1一雙垂線膜片2—彈性圓筒.3—外殼4、5—電阻

應(yīng)變片U一直流供橋電壓1/。一輸出信號電壓

門-彈性筒內(nèi)半徑；

E-彈性模量

2流體基本參數(shù)測量

B壓力測量

?壓力儀表

3.壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器

應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高

的精度以及較好的線性特性。

壓阻原理

利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅

材料在受到力的作用后，晶體對稱性發(fā)生變化，電阻率發(fā)生變化，

通過測量電路就可得到正比于壓力變化的電信號輸出。

應(yīng)用

壓阻式傳感器用于壓力、拉力、壓力差和可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱Φ淖兓钠渌?/p>

理量（如液位、加速度、重量、應(yīng)變、流量、真空度）的測量和控制

參考:傳感器與變送器

2流體基本參數(shù)測量

B壓力測量

?壓力儀表

3.壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器

徑向應(yīng)力

，二/=[(1+〃)端一(3+4)嚴]半導(dǎo)體壓阻元件結(jié)構(gòu)圖

oO

切向應(yīng)力

。二△胃[(1+?)4一(1+v)r2]

oc>

Nu-膜片材料泊松比；

「0-膜片半徑；

delta-膜片厚度；

硅杯膜片上電阻布置

2流體基本參數(shù)測量

B壓力測量

?壓力儀表

3.壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器

工程應(yīng)用

壓阻式傳感器廣泛地應(yīng)用于航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫(yī)

學工程、氣象、地質(zhì)、地震測量等各個領(lǐng)域。

?航天和航空工業(yè)

在航天和航空工業(yè)中壓力是一個關(guān)鍵參數(shù)，對靜態(tài)和動態(tài)壓力，局部壓力和整個壓力場的測量都

要求很高的精度。壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例如，用于測量直升飛機機

翼的氣流壓力分布，測試發(fā)動機進氣口的動態(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。在飛

機噴氣發(fā)動機中心壓力的測量中，使用專門設(shè)計的硅壓力傳感器,其工作溫度達500℃以上。

在波音客機的大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中采用了精度高達0.05%的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的

風洞模型試驗中，壓阻式傳感器能密集安裝在風洞進口處和發(fā)動機進氣管道模型中。單個傳

感器直徑僅2.36毫米，固有頻率高達300千赫,非線性和滯后均為全量程的±0.22%。

2流體基本參數(shù)測量

B壓力測量

?壓力儀表

3.壓力傳感器液壓系統(tǒng)常用擴散硅或陶瓷

壓阻壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器

工程應(yīng)用

壓阻式傳感器廣泛地應(yīng)用于航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫(yī)

學工程、氣象、地質(zhì)、地震測量等各個領(lǐng)域。

?生物醫(yī)學

在生物醫(yī)學方面，壓阻式傳感器也是理想的檢測工具。已制成擴散硅膜薄到10微米,外徑僅

0.5毫米的注射針型壓阻式壓力傳感器和能測量心血管、顱內(nèi)、尿道、子宮和眼球內(nèi)壓力

的傳感器。

?其他

壓阻式傳感器還有效地應(yīng)用于爆炸壓力和沖擊波的測量、真空測量、監(jiān)測和控制汽車發(fā)動機

的性能以及諸如測量槍炮膛內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測量。此外，在油井壓力測量、

隨鉆測向和測位地下密封電纜故障點的檢測以及流量和液位測量等方面都廣泛應(yīng)用壓阻式傳

感器。隨著微電子技術(shù)和計算機的進一步發(fā)展，壓阻式傳感器的應(yīng)用還將迅速發(fā)展。

2流體基本參數(shù)測量

壓力測量

?壓力儀表

3.壓力傳感器

電容式壓力傳感器

結(jié)構(gòu)與工作原理

|壓力px

4隔離膜片

圈2-9電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

硅油傳遞壓力Siliconeoil

1,4-波紋隔離膜片；2,3一不銹鋼基座；

7膜片變形5—玻璃層；6—金屬膜；7—測量膜片

4-20mA

電容變化測量線路A

2流體基本參數(shù)測量

■壓力測量

?壓力儀表

3.壓力傳感器

電容式壓力傳感器

特性

a）結(jié)構(gòu)簡單

b）由于電容量小，容抗高，僅需很

小的輸入力和能量

圈2-9電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

c）較高固有頻率和良好動態(tài)特性

1,4一波紋隔離膜片；2,3一不銹鋼基座；

d）工作適應(yīng)性強，可非接觸式

5—玻璃層；6—金屬膜；7—測量膜片

e）電容變化量小，負載能力差

f）易受干擾，須良好的屏蔽和絕緣

2流體基本參數(shù)測量

■壓力測量

?壓力儀表

3.壓力傳感器

問題:可以用來發(fā)電嗎？

壓電式壓力傳感器

壓電原理

由物理學知，一些離子型晶體的電介質(zhì)（如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋼等）

不僅在電場力作用下，而且在機械力作用下，都會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。即：在

這些電介質(zhì)的一定方向上施加機械力而產(chǎn)生變形時，就會引起它內(nèi)部正負

電荷中心相對轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個相對表面（極化面）上

出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，且其電位移D（在MKS單位制中即電荷密度。）與

外應(yīng)力張量T成正比；當外力消失，又恢復(fù)不帶電原狀；當外力變向，電

荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡稱壓電效應(yīng)。

壓電材料

最常用的壓電材料是壓電陶瓷，尤其是以錯酸鉛和鈦酸鉛組成的固溶體使

用更為普遍，以Pb,Zr;Ti這三個元素的第一個字母組成PZT來代表。

2流體基本參數(shù)測量

B壓力測量

?壓力儀表

3.壓力傳感器

壓電式壓力傳感器

結(jié)構(gòu)和工作原理

1.3—壓電材料PZT

2一銅片

4—壓板

5—鋼球

6—螺釘壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

2流體基本參數(shù)測量

＞壓力測量

?壓力儀表

3.壓力傳感器

壓電式壓力傳感器

特性

a）結(jié)構(gòu)簡單、緊湊

b）工作可靠

c）線性度好

d）量程范圍大

e）使用頻帶寬

圖2-10壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

f）靈敏度高

]—絕緣體；2—壓電元件；3―殼體；4—膜片

g）重量輕

2流體基本參數(shù)測量

■壓力測量

?壓力儀表的選擇和使用

選擇原則

?被測介質(zhì)的物理化學性質(zhì)

溫度、粘度、污染度、腐蝕性、易燃易爆等

?生產(chǎn)過程對壓力測量的要求

壓力范圍、精確度、記錄方式、上下限報警等

?現(xiàn)場環(huán)境條件

高溫、腐蝕、潮濕、振動、電磁場等

?國產(chǎn)儀表量程系列

l.OkPa、1.6k、2.5k、4.0k、6.0k、lOn倍

2流體基本參數(shù)測量

■壓力測量

?壓力儀表的選擇和使用

使用原M

?測量點的選擇

取壓點避免處于管路容易形成渦流區(qū)域

?儀表安裝

應(yīng)盡量避免振動和高溫

安裝在易于觀測和維修的地方

2流體基本參數(shù)測量

B壓力測量

?壓力儀表的靜態(tài)標定區(qū)域化變量的增量的方差

目的

保證壓力值的精確測量，靜態(tài)標定是在靜態(tài)壓力作用下，確定儀

表的輸出量與輸入量之間的對應(yīng)關(guān)系，即對儀表的指示值進行分

度，并確定反映儀表精確度的有關(guān)指標（非線性，重復(fù)度和變差）

方法

采用活塞式壓力計，如下圖

2流體基本參數(shù)測量

B壓力測量5

?壓力儀表的靜態(tài)標定

活塞式壓力計

逛構(gòu)和工作原理

4g（叫+加2）

P=----;--

7lD2

p-油缸壓力；

ml-祛碼5質(zhì)量；

圖4-18活塞式壓力計的結(jié)構(gòu)

m2-測量活塞4質(zhì)量；1—壓力缸2—油液3一測?缸體4一測量活塞

5-袪碼6—盛油杯7一進油閥

測量活塞的直徑；

D-48一被校壓力儀裹

g-試驗地重力加速度

質(zhì)量和直徑都能被精確測量->p有較高精度，可達正負0.01%

2流體基本參數(shù)測量

B流量測量

體積流量%—A-v———

/At

流量〈

質(zhì)量流量Qm=2.2.V

流量計種類

差壓式流量計、靶式流量計、渦輪式流量計、橢圓齒輪流量計、

浮子式流量計、質(zhì)量流量計等

2流體基本參數(shù)測量

■流量測量

?流量儀表

1.差壓式流量計

伯努利方程

C|年+P；=。2詈+P；+J年(1)

cl,c2-修正系數(shù)；

VI,v2—流速；

ifuxilong-阻力系數(shù)；

連續(xù)方程

孔板工作原理

匕4=匕4

2流體基本參數(shù)測量

B流量測量

?流量儀表

1.差壓式流量計

—=v—?—=v-a-m

/二嶺42442⑵

AO-孔口面積；

Al-管道截面積；

A2-流束最小截面積;

a-流束收縮系數(shù)；

m-孔板截面比孔板工作原理

2流體基本參數(shù)測量

B流量測量

?流量儀表

1.差壓式流量計

聯(lián)立（1）、（2）

匕=/12（3）

臟2-cxam+JVP

引入取壓系數(shù)

P1-P2

貝I」

孔板工作原理

2流體基本參數(shù)測量

B流量測量

?流量儀表

1.差壓式流量計

流量流量系數(shù)是一個綜合系數(shù)

久,二4匕?流量系數(shù)與節(jié)流裝置相關(guān)

?流束收縮系數(shù)與m及Re相關(guān)

=4

Jq2+HJV.3—0)

\lc2-cxam?取壓系數(shù)與取壓點相關(guān)

=2)?cl,c2也與m及Re相關(guān)

\c-cam+^\p

2x?阻力系數(shù)與管壁粗糙度相關(guān)

Alpha-流量系數(shù)

2流體基本參數(shù)測量

B流量測量

?流量儀表

1.差壓式流量計

雷諾數(shù)

VD

Re=——P—

4

當雷諾數(shù)大于一定值之后

流量系數(shù)將趨于一個值

流量系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系

2流體基本參數(shù)測量

?流量測量

?流量儀表

1-差壓式流量計

節(jié)流裝置

a）孔板節(jié)流裝置

b）噴嘴節(jié)流裝置

c）文丘里管節(jié)流裝置

幾種節(jié)流裝置

2流體基本參數(shù)測量

B溫度測量

?基本概念

L溫度

反映物體分子熱運動的一個物理參數(shù)，只能通過物體的某些物理

性質(zhì)隨溫度變化的特性來加以間接的測量

測溫物體的物理性能

溫度的單值、連續(xù)函數(shù)，重復(fù)性好、便于精確測量

常用物理性質(zhì)有：熱膨脹、兩種導(dǎo)體間的熱電效應(yīng)、熱輻射等

2.溫標和種類

溫度的數(shù)值表示，規(guī)定溫度的零點和測量溫度的基本單位。

種類：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標

2流體基本參數(shù)測量

B溫度測量

?基本概念

?攝氏溫標

根據(jù)液態(tài)水銀熱膨脹性質(zhì)建立起來

單位：攝氏度℃

零點（0℃）：atm,冰的融點

沸點（100C）：dtm,水的沸點

1℃：0℃-100℃之間100等份中的每一等份

?華氏溫標

根據(jù)液態(tài)水銀熱膨脹性質(zhì)建立起來

單位：華氏度°F

atm,冰的融點：32°F

atm.水的沸點：212°F：

1°F：32°F-212°F之間180等份中的每一等份

2流體基本參數(shù)測量

B溫度測量

?基本概念

影響溫標的兩個因素

水銀的純度、玻璃管材料有關(guān)

?熱力學溫標

最科學的溫標，只與熱量有關(guān)而與物體任何物理性質(zhì)無關(guān)

單位：K

絕對零度（0K）：分子運動停止

可采用裝置復(fù)雜使用不便的氣體溫度計來測量

?協(xié)議性國際實用溫標（ITS-90）

開爾文1度（1K）：水三相點熱力學溫度的1/273.16

開爾文溫度T和攝氏溫度t

%=T—273.16

*2流體基本參數(shù)測量

B溫度測量

?常用測溫儀表

測溫儀表的種類工作原理■*?H"C

彩脹式［液體膨脹式

利用液體或固體畏熱套眼的特性?200?+5。?！?/p>

溫度計［固體膨脹式'?.??

接■

利用報閉在一定容器中的氣體、液

壓力式溫度計體或某種液體的飽和素汽受藕”就1-M。七;

觸壓力變化的特性

*?4產(chǎn)?.一.，--,?4」.?-、./____.,V?一._

利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體受熱其電阻變化

..電阻式溫度計?℃

式的特性-200+500

熱電溫度計利用熱電憫的熱電效應(yīng)?--??1600,0