机械工程测试课件 流体参量测

第十章 流体参量测量压力测量和流量测量是工程测试领 域中的一个重要的物理量。

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第一节 压力的测量压力的定义 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。而工程上则习惯于称其为压力。 压力单位是Pa(帕),1Pa=1N/m2. 1个标准大气压=101325Pa=1.01325工程大气压

p F/S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。

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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: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。

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一、压力测量的弹性元件压力测量弹性元件通常有波登管、膜片、波纹管等。

▲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量 的，如电容式压力传感器；

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波登管

波纹管

波登管

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二、常用压力传感器1. 应变式压力传感器

(1) 膜片应变式压力传感器的主要元件是含有半导体应 变片的特殊膜片，利用压阻效应工作。该传感器的弹性敏感元件是 周边固定的平圆膜片，在上 面粘贴一个组合应变片，当 膜片在被测压力作用下发生 弹性变形时，应变片也发生 相应的变化，从而使应变片 的阻值发生变化，由四个电 阻组成的电桥就有相应的输 出信号。

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εr、εt—径向、切向应变； p—被测流体压力(Pa); E—材料弹性模量(N/m2); μ—材料泊桑比； h—膜片厚度(m); R—膜片半径(m); r—膜片任意位臵的半径(m)。工作过程 被测压力作用 粘

膜片

膜片应变外接电路

电阻应变片

电阻变化

电量的输出

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(2) 筒式应变压力传感器

膜片式压力传感器是作为腔体 的密封元件。可以在膜片表面 粘贴应变片测量应变。

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膜片式压力传感器一般膜片式压力传感器是作为腔体的密封元件。膜片中心在 流体压力作用下产生位移，可以用位移传感器测量该位移。

E—材料的弹性模量(N/m2); μ—材料的泊桑比； h—膜片厚度(m); R—膜片半径(m) yc—膜片中心位移(m)。 当yc/h<1/3时，(yc/h)3<<(yc/h),故可忽略高次 项，p与yc近似成线性关系。式中

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2、 压阻式压力传感器低压腔 高

压腔 硅杯 引线 硅膜片

压阻式传感器的结构如图所示。其核心部分是一圆形 的硅膜片。在沿某晶向切割的N型硅膜片上扩散四个 阻值相等的P型电阻，构成平衡电桥。硅膜片周边用 硅杯固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部 为低压腔，通常与大气相通。在被测压力作用下，膜 片产生应力和应变，P型电阻产生压阻效应，其电阻 发生相对变化。

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3 压电式压力传感器 膜片式压电传感器 膜片式压电测压传感器 结构示意图。它用金属 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。膜片 用微束等离子焊和本体 焊接，整个结构是密封 的。 因此，在性能稳定性和勤务性上都大大优于活塞式结构，目 前正在逐渐取代后者。由于膜片质量小，和压电元件相比， 刚度也很小，如果提供合适的预紧力，传感器的固有频率可 达100kHz以上。

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活塞式压电传感器

活塞式压电压力传感器的结构示意图。该传感器主要由传感器本体、活 塞、砧盘、晶体、导电片、引出导线等组成。传感器在装配时用顶螺丝 给晶片组件一定的预紧力，以保证活塞、砧盘、晶片、导电片之间压紧， 避免受冲击时因有间隙而使晶片损坏，并可提高传感器的固有频率。测 量时，传感器通过螺纹安装到测压孔上，锥面起密封作用。被测压力作 用在活塞的端面上，并通过活塞的另一头把压力传送到压电晶体上。

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电感式压力传感器电感式压力传感器一般由两部分组成，一部分是弹性元件， 用来感受压力并把压力转换成位移量，另一部分是由线圈和 衔铁组成的电感式传感器。可分为自感型和差动变压器型。测气体压力的电感传感器(自感型) 图为其结构原理图。为由膜盒 与变气隙自感传感器构成的压 力传感器，流体压力使膜盒变 形，从而推动固定在膜盒自由 端的衔铁上移引起电感变化。

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L L0

被测压力 作用

膜片

电感变化(δ) 外接电路 电量的输出

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差动变压器式微压传感器

图为膜盒与差动变压器构 成的微压力传感器。衔铁 固定在膜盒的自由端。无 压力时，衔铁在差动变压 器线圈的中部，输出电压 为零，当被测压力通过接 头输入膜盒后，膜盒变形 推动衔铁移动，使差动变 压器输出正比与被测压力 的电压。

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测压系统的定度(标定) 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，如频率响应函 数、时间常数、固有频率及阻尼比等。 1、测压系统的静态标定 常用的静压发生装臵有：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。

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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。

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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 4 g (m1 m2 ) p πD 2 p为油缸的压力(Pa);m1为标准砝码的质量 (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)。

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压力标定过程

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。