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1、2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,1,轮 机 测 试 技 术,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,2,第三章的问题,压力的检测方法有哪些？常用液柱式测压仪表有哪些？常用弹性测压仪表有哪些？压力传感器有哪些？何谓压电效应？压电晶片是如何连接的？电阻应变片的种类有哪些？如何接电桥？气缸的最高压力和平均压力如何测量？压力表是如何标定的？,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,3,第三章 压力检测,工程上习惯把压强称为压力，通过测量所得的压力有绝对压力、表压力之分。按压力变化的性质不同，通常可将其分为稳定的或缓慢变化的压力( 如润滑系统的滑油压力、冷却系
2、统的冷却水压力和大气压力等)和迅速变化的压力(气缸内压力、进排气压力和高压油管中燃油压力等)。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,4,压力检测方法,1.平衡法：通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力2.弹性法：利用各种形式的弹性元件，在被测介质的表压力或负压力作用下产生的弹性变形来反映被测压力的大小3.电气式：用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电感量等电量的变化测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分为三类：液柱式：根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度机械式：根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移电气式：将被测压力转换成各种电量
3、，如电感、电容、电阻、电位差等， 依据电量的大小实现压力的间接测量,?,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,5,3-1 液柱式测压仪表,液柱式压力计的测量范围可由10Pa到200300KPa, 因而主要应用于微压或稍高于大气压的测量中。,为了满足不同要求的测量, 液柱式压力计的工作液体常用水银、水、酒精、甲苯等, 对它们的要求是: 物理、化学性能稳定, 不易挥发, 密度不变, 另外最好不与玻璃吸附, 以保证准确地读数。液柱式压力计还有一些附加误差, 如温度及当地重力加速度为非标准值时都要产生附加误差。 液柱式压力计在使用中还要注意安装垂直, 因基底倾斜也会产生附加误差。,202
4、2/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,6,原理：利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来反映被测压力的大小。优点：结构简单，使用方便，有相当高的准确度缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管 容易损坏及读数不方便,1.U形管压力计 一般用于测量气体的压差。一端用软管与被测气体相通，另一端通大气。测量压差时，U 形管两端均用软管通所测部位气体。读数时，水和酒精应从凹面谷算起，水银应从凸面顶峰算起。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,7,2.水银大气压力计 使用时应调整螺钉使容器内水银面刚好接触象牙针尖。移动游标，读出水银液柱的精确高度，即可
5、求得当时的大气压力。但环境温度、重力加速度等的变化会使标尺和工作液密度发生变化，影响测量精度，故应对液柱高度进行修正。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,8,3.斜管微压计 专供测量微小压力或压差的实验用仪表。测压范围:2Pa2000Pa。,测量时，较高压力（p1）一端与容器连接，较低压力（p2）一端与斜管连接。,由于容器截面积F1远大于斜管截面积F2，被测介质的密度远小于工作液的密度0时，上式可简化为,可见：斜管微压计的刻度比U形压力计的刻度放大了1/sin。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,9,4.贝兹微压计 测量微小压力的较高测量精度的仪表。测压范围
6、可达4000Pa，读数精度为1Pa。可用于测量低压、真空度和压力差。,测量时，较高压力（p1）一端与软管连接，较低压力（p2）一端与升管上的压力接头连接。浮子下端的玻璃刻度板随浮子上升，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片上。刻度上相邻两刻度线相差为1mm，用游标尺读数的方法可精确读出1Pa的压力。,p1,p2,?,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,10,一、弹性压力表 利用弹性元件弹性变形产生的弹力与被测压力产生的力相平衡，通过测量其弹性元件的弹性形变来测量压力。常用的弹性元件有弹簧管、金属薄膜和波纹管。 1、弹簧管式压力表 弹簧管式压力表结构简单、工作
7、可靠、使用方便、测量范围广、读数直接。因而在内燃机试验中得到广泛使用。,3-2 弹性测压仪表,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,11,根据弹簧管变形示意图可知，弹簧管受压所产生的角位移与压力成正比,而该角位移经机械放大机构的放大，线性地转换为指针的偏转角。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,12,弹簧管式压力表可用于测量0.031000MPa的压力，精度等级在0.252.5之间。弹簧管式压力表的误差主要来源于： (1) 弹性元件的弹性滞后 (2) 温度对金属材料的弹性模量的影响 (3) 弹性元件的弹性衰退,2、薄膜式压力表,被测压力作用在金属膜片上，使膜片向
8、上弯曲，通过传动机构使指针在刻度盘上偏转。 一般测压范围在3MPa以下，也可用于真空度测量。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,13,下图是采用双波纹管测量压差的双波纹管差压计的结构示意图。,1-连接轴；2-保护阀；3-阻尼环；4-推板； 5-扭力管；6-心轴；7-量程弹簧； 8-平衡阀；9-低压波纹管； 10-摆杆；11-阻尼阀； 12-中心基座；13-高压波纹管； 14-填充液,3. 波纹管压力计,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,14,当p1p2时，高压波纹管13被压缩，填充液14经阻尼旁路流向低压波纹管9，使低压波纹管9拉伸，由于推板4的移动，通过摆
9、杆10使指针心轴6转,动，指示被测压力差。 高压波纹管13左边的波纹管起温度补偿用，其中有小孔与高压波纹管13 相通。当温度变化引起高压波纹管13和低压波纹管9中的填充液体积变化时 ，可使多余或不足部分的填充液通过小孔流进或流出，从而保持高压和低压波纹管中的填充液体积基本不变。 阻尼阀11可控制流动阻力，以防迟延过大或系统振荡。,波纹管压力计工作原理：,?,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,15,二、机械电气式压力表 为了适应生产过程中压力信号远距离传送、显示和自动调节系统的需要，还有许多附有远传、显示和变送装置的变形产品，即远传式弹簧管压力表（又称机械电气式压力表）。这是一
10、类将压力值转换为电量输出的仪表。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,16,1.霍尔式弹簧管远传压力表 霍尔式弹簧管远传压力表是利用霍尔效应将弹性元件的位移转换为电压信号，然后利用电气仪表对电压信号进行测量。霍尔电势可用下式表示：（KH为霍尔元件灵敏度）,（5-8）,霍尔元件线性良好，响应快，噪声系数小，可远距离传送、控制，改变不同的弹性元件，可使变送器适用于不同的测量范围，精度可达1%。因而，霍尔式弹簧管远传压力表得到广泛应用。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,17,当弹簧管没有引入压力时，霍尔元件置于线性梯度磁场的中央，霍尔电势为零；当弹簧管引入压力而发
11、生变形时，霍尔元件偏离线性梯度磁场的中央位置，霍尔电势正比于霍尔元件的位移量，亦即正比于被测压力。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,18,2.电位器式弹簧管远传压力表 在被测压力作用下，弹簧管变形，一方面带动指针指示压力，同时指针上的电刷也在电阻上滑动，电位器滑臂电刷两旁的电阻随指针的角位移而按比例地变化，此变化与被测压力相对应，并在远处用电气仪表显示出来。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,19,电位器式压力表常用的仪表是交叉动圈式比率计。当压力表中的压力增大时，指针顺时针偏转，RAC减小， RBC增大，引起I1变大， I2变小，于是出现I1I2，从而导
12、致M1M2，使两线圈与铁心产生顺时针方向偏转。由于磁靴是椭圆形的，它与圆柱形铁心间的空气隙的宽度不相等，因此中间处的磁感应强度大，两边的磁感应强度小。两线圈偏转时，线圈2转入磁靴中间磁场较强处，电磁力矩M2增大，而线圈1转入磁靴两边磁场较弱处，电磁力矩M1减小，即磁场与电流的改变对电磁力矩产生相反的作用，当M1与M2重新达到平衡时，线圈与铁心便停在新的平衡位置，指针被其带动偏转一个与压力变化相对应的角度。,?,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,20,3-3 电参量式测压仪表,压力传感器：能够测量压力并提供远传电信号的装置压力变送器：装置内部设有适当处理电路，能将压力信号转换成
13、工业标准 信号(如420mA直流电流)输出一、压电式压力传感器 压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,21,压电效应：某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，压电材料：石英晶体、压电陶瓷、压电半导体石英晶体 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。天然石英晶体为规则的六角棱柱体。石
14、英晶体有三个晶轴：Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,22,纵向压电效应产生的电荷为 qxxdxxFx 式中，qxx为垂直于X 轴平面上的电荷， dxx为压电系数(下标的意义为产生电荷的面的轴向及作用力的轴向)； Fx为沿晶轴X方向施加的压力。 由上式看出，当晶片受到X 向的压力作用时，qxx 与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关。如果作用力Fx改为拉力时，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。,2022/12/8,轮 机
15、 工 程 测 试 技 术,23,横向压电效应产生的电荷为 式中，qXY为了轴向施加压力，在垂直于X 轴平面上的电荷 dXY为压电系数，Y 轴向施加压力，在垂直于X 轴平面上产生电荷时的压电系数；FY为沿晶轴Y方向施加的压力。,根据石英晶体的对称条件dXX=-dXY，所以 由上式可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的，式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,24,石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理+化学性质几乎与天然石英晶体无多大区别，因此目前广泛应用
16、成本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内，压电系数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573，即到573时，它将完全丧失压电性质。它有很大的机械强度和稳定的机械性能，没有热释电效应，但灵敏度很低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料所代替。铌酸锂晶体 铌酸锂是一种透明单晶，熔点为1250，居里点为1210。它具有良好的压电性能和时间稳定性，在耐高温传感器上有广泛的前途。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,25,压电陶瓷这是一种应用最普遍的压电材料，压电陶瓷具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。1) 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡(BaTiO3)是由BaCO3和TiO2二者在
17、高温下合成的。具有较高的压电系数和介电常数。但它的居里点较低，为120，此外机械强度不如石英。2) 锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT) 锆钛酸铅是PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb(ZrTi)O2。它具有较高的压电系数和居里点(300以上)。3) 铌酸盐系压电陶瓷姐铌酸铅具有很高的居里点和较低的介电常数。铌酸钾的居里点为435C，常用于水声传感器中。4) 铌镁酸铅压电陶瓷(PMN) 这是一种由Pb(MgNb)O3、PbTiO3、PbZrO3组成的三元系陶瓷。它具有较高的压电系数和居里点，能够在较高的压力下工作，适合作为高温下的力传感器。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,2
18、6,压电半导体 有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如ZnS、CaS、GaAs等。因此既可利用它的压电特性研制传感器，又可利用半导体特性以微电子技术制成电子器件。,压电式压力传感器 在压电式传感器中，常用两片或多片压电晶片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种：并联接法：输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。串联接法：输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,27,由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线
19、性关系：,式中，q电荷量；d压电常数；A作用面积；p压力。,压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。 压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器的前置放大器有两个用处： 一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出； 二是把传感器的微弱信号进行放大。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,28,由于引入了电容负反馈，电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电荷量及放大器的反馈电容有关，电缆电容等其他因素对灵敏度的影响可以忽略不计。电荷放大器的灵敏度为,放大器的输出灵敏度取决于Cf。在实际电路中，是
20、采用切换运算放大器负反馈电容Cf的办法来调节灵敏度的。Cf越小则放大器的灵敏度越高。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,29,特点：体积小，结构简单，工作可靠，测量范围宽，测量精度较高，频率响应高。但不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。 近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等等。,电荷放大器,?,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,30,二、电阻式压力传感器 电阻式压力传感器就是将压力信号转换成电阻值变化的压
21、力传感器。有电阻应变式压力传感器压阻式压力传感器两种。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,31,1、电阻应变式压力传感器,电阻应变式传感器中，将被测量产生的应变转换成电阻变化的元件，亦称电阻应变片。目前广泛应用的主要有：金属电阻应变片和半导体应变片。,1） 金属电阻应变片工作原理 一根长l、截面积S、电阻率 的金属丝 ，其电阻值为,（2-1）,两边取自然对数且微分,又因：S=D2/4，dD/D=-dl/l， 为泊松比。于是公式变为：,（2-4）,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,32,式中，K应变片灵敏系数,K=1+2。 大多数金属材料泊松比0.30.5，所
22、以K值在1.62.0之间 应变，l/l 一般很小，实用上多用微应变 表示， 1106。 对于金属电阻丝，在一定变形范围内无论受拉或受压应力作用，其应变片灵敏系数保持不变，即 R/R与 是线性关系。这就是金属电阻应变片作为应变测量的理论基础。,对大多数金属 值极小，可以忽略，因此公式（2-4）可简化为,（2-5）,R/R,应变片,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,33,金属电阻应变片结构 金属电阻应变片的典型结构如图所示。它是用直径0.02mm左右的高电阻金属丝以丝栅形式粘固于两绝缘片之间制成的。,.电阻丝;.覆盖片;.引出线;.基片,应变片的基片材料有纸基、胶基和玻璃纤维等几
23、种，下面分别介绍其优缺点：,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,34,实际使用中多是箔式应变片，它是将0.0010.010mm厚的合金电阻箔片固附于胶基膜片上。与金属丝栅式相比，箔式的尺寸精确、均匀，易于制成任意形状和尺寸很小的应变片。,敏感箔栅长度最小可达.mm或更小。 敏感箔栅横向连接面积大，效应影响可以忽略。 敏感箔栅散热性、疲劳寿命、防潮、耐热、绝缘及长期稳定性都比丝式应变片好。,为适应不同测量需要，可很方便地制成各种不同尺寸特殊形式的箔式应变片。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,35,2）半导体电阻应变片 半导体（电阻）应变片是基于“压阻效应”设计
24、的。 当半导体压阻元件受到纵向应力 产生纵向应变 时，电阻率的相对变化量可表示为,式中，半导体材料的纵向压阻效应系数； E半导体材料的弹性模量。,（2-6）,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,36,（2-4）,将式（2-6）代入（2-4），且(1+2)，得,（2-8）,式中，kT半导体应变片灵敏系数，kT，一般kT=60170。,半导体应变片的特点： 灵敏系数大，机械滞后小，频率响应快，频带宽。但温度稳定性差，灵敏系数非线性大，需采用温度和非线性补偿。,金属电阻变化率的应变效应表达式(2-4)同样适用与半导体材料，即,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,37,
25、3）应变片测量的温度特性 粘固在试件上的应变片，除了感受机械应变而使电阻变化外,当环境温度变化时,也要引起的电阻的变化，这一现象称为温度效应。对于半导体应变片，其灵敏系数受温度影响很大，因此环境温度对其测量影响更大。因此，使用应变片测量时均应采用温度补偿措施。,若环境温度变化t 时，将引起应变片电阻R产生下列两种变化：（）应变片电阻丝材料本身电阻温度系数m引起应变片自由状态下的电阻变化Rt1 ：,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,38,（）应变片电阻丝材料的线膨胀系数m与试件材料的线膨胀系数n不同，由试件强迫应变片在其自由膨胀伸长之外产生的强迫应变,从而引起电阻的附加变化Rt
26、 ：,因此，当环境温度变化t 引起应变片电阻总的变化量为Rt ：,对应的虚假应变是相当大的，有时甚至超过所测的机械应变。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,39,通常采用的温度补偿方法有：桥路补偿法和温度自补偿法。（1）桥路补偿法 如图所示，R1为工作应变片，贴在试件上； R为补偿应变片，它是与R1参数相同的应变片（同批生产），贴在与试件材料相同且与试件温度条件相同的构件上，接在与R1相邻的桥臂上。 R3与R4为固定电阻，且R3R4 。 这种方法简单、经济，常温下有较好的补偿效果。但温度梯度较大时会引起误差。,?,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,40,（2
27、）温度自补偿法 (A) 选择法 电阻应变片的电阻温度系数m与其电阻丝的材料成分和热处理工艺有关，利用这一特性可制造出不同电阻温度系数m的应变片。使用时只要根据试件的线膨胀系数n，选用相应应变片电阻丝材料的线膨胀系数m与电阻温度系数m的应变片，满足右式即可实现补偿。,(B) 热电阻自补偿应变片 它由两种不同电阻丝栅材料构成，分别接入电桥相邻桥臂上。适当调节补偿片所在桥臂的串联可变电阻即可实现补偿。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,41,4）电阻应变的电桥测量原理,应变片,电桥电路,被测非电量,电阻R,电流或电压,直流电桥的开路输出电压为,设R1为应变片，工作时电阻值变为R1+
28、R1，则电桥的开路电压为：,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,42,若电桥已调平衡,即R1R4R2R3=0，并考虑到实际测量时R1R1+R2，分母中R1可忽略不计，则上式可化为,式中，K1、1应变片灵敏系数及产生的应变。 通常取R1=R2=R3=R4=R，称为全等臂电桥。当其中一个桥臂工作（半桥单臂电桥）时：,A,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,43,式(2-23) 、(2-24)是电桥常用的基本关系式。它表明电桥的输出与所测应变呈线性关系。可采用增加电桥电源的电压或减小桥臂电阻R的方法提高电桥灵敏度。另外可选择灵敏系数K较大的应变片以提高电桥灵敏度。,当
29、电桥四臂皆为应变片（全桥），且四个桥臂应变片完全相同，则,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,44,如果只有1、2两个桥臂工作（半桥双臂电桥），且1=2 ，则,这就是前面温度补偿措施里提到的桥路补偿原理。 如果只有1、2两个桥臂工作（半桥双臂电桥），且2=-1，则,上两式表明：半桥双臂电桥有温度补偿作用，且比半桥单臂电桥工作时输出增加一倍。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,45,电桥的加法特性： 相邻桥臂异号、相对桥臂同号电阻变化时，电桥能将各桥臂引起的电压自动相加后输出。 电桥的减法特性： 相邻桥臂同号、相对桥臂异号电阻变化时，电桥能将各桥臂引起的电压自动
30、相减后输出。 下式表明了以上特性。,重要结论：相邻桥臂相同变化或相对桥臂相反变化，灵敏度降低； 相邻桥臂相反变化或相对桥臂相同变化，灵敏度增加。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,46,5）电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相应的桥路组成的。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,47,当应变筒内腔承受压力时，薄壁筒表面的周向应力最大，相应的周向应变为：,式中，p被测压力； E应变筒材料的弹性模量； 应变筒材料的泊松比； D应变筒外径； d应变筒内径。,优点：应变筒式压力传感器结构简单，制造方便，能进行静、动态压力测量，测量范围也比
31、较宽。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,48,柱式测力传感器及其测量电桥,?,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,49,2、压阻式压力传感器,压阻式压力传感器是基于半导体材料的压阻效应制成的，它是利用集成电路工艺直接在作为弹性元件的硅平膜片上按一定晶向制成扩散电阻，这样就很容易得到尺寸小、高灵敏度、高自振频率的压力传感器。,特点：重复性、稳定性好，工作可靠；灵敏度高，固有频率高；测量范围宽；精度高；易于微小型化。特别适合在中、低温度条件下的中、低压测量。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,50,1、电容式传感器工作原理设平板电容器两极板间距
32、离为，有效覆盖面积为A，极板间介质的相对介电系数，真空介电常数 ，则电容器的电容量为,如果在、A、三个参数中保持其中的两个不变，而只改变一个参数，则电容器的电容量将随之发生变化。所以电容式传感器可以分成三种类型：极距变化型（变）、面积变化型（变A）和介质变化型（变）。,三、电容式压力传感器,电容式压力传感器采用变电容测量原理，将被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电容的变化，测出电容量，便可知道被测压力的大小。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,51,1、变极距式电容压力传感器,对于平板电容，在被测压力作用下，电容值C会因两平行板间距发生的微小变化而变化。,特点：有较高的灵
33、敏度，但当位移较大时传感器非线性严重；可改善非线性、提高灵敏度、并可减小因极板间电介质的介电常数受温度影响而引起的不稳定性。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,52,2、变面积式电容压力传感器,特点：灵敏度高，输出信号大；测量精度高；结构简单、牢固，可靠性高，环境适应性强，能承受高过载，耐冲击与振动，可在高温条件下工作；由于可动极板质量小，故传感器固有频率高，动态响应快。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,53,3、电容式压差传感器,特点：灵敏度提高一倍，输出信号更大，非线性也大为降低。 两膜片之间充满低凝固点和体积膨胀系数小的硅油，硅油的作用是传递压力及产
34、生阻尼防止膜片振动的作用。,?,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,54,四、电感式压力传感器,将被测压力转换为线圈自感量或互感量变化的装置。电感式传感器可分为自感型和互感型两大类,1、自感型,（1） 可变磁阻式传感器,式中： 空气磁导率 A 铁芯截面积 气隙长度 N线圈匝数,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,55,可变磁阻位移传感器,变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积A的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。 变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差, 实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。,2022/
35、12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,56,电感式压力传感器 图示是变隙电感式压力传感器的结构图。 它由膜盒、 铁芯、 衔铁及线圈等组成, 衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力进入膜盒时, 膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动, 从而使气隙发生变化, 流过线圈的电流也发生相应的变化, 电流表指示值就反映了被测压力的大小。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,57,图示为变隙式差动电感压力传感器。它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。,当被测压力进入C形弹簧管时，弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动, 使线
36、圈 1 和线圈 2 中的电感发生大小相等、符号相反的变化，即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,58,2、互感型差动变压器式传感器, 把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的, 并且次级绕组都用差动形式连接, 故称差动变压器式传感器。,差动变压器结构形式较多, 有变隙式、 变面积式和螺线管式等, 但其工作原理基本一样。非电量测量中, 应用最多的是
37、螺线管式差动变压器, 它可以测量1100mm范围内的机械位移, 并具有测量精度高, 灵敏度高, 结构简单, 性能可靠等优点。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,59,差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联, 并且在忽略铁损、 导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下, 其等效电路如图所示。当初级绕组w1加以激励电压 时, 根据变压器的工作原理, 在两个次级绕组w2a和w2b中便会产生感应电势 和 。 如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理, 将有 由于变压器两次级绕组反向串联,因而 , 即差动变压器输出电
38、压为零。 ,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,60,右图给出了变压器输出电压 与活动衔铁位移x的关系曲线。实际上, 当衔铁位于中心位置时, 差动变压器输出电压并不等于零, 我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作 , 它的存在使传感器的输出特性不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。,活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响, w2a中磁通将大于w2b, 使M1M2, 因而增加, 而减小。 反之, 增加, 减小。因为 , 所以当、 随着衔铁位移x变化时, 也必将随x变化。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,61,零点残余电压主要是由传感器的两
39、次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小，否则将会影响传感器的测量结果。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,62,压力差传感器 测量液体压力差的膜片式压力传感器由两部分组成：一部分是通过弹性膜片1将两旁腔室中的压力转换为膜片位移；第二部分是通过由线圈3和4及铁心11组成的差动变压器将膜片传递来的位移转换为电信号输出。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,63,膜片周边缘固定，受压力差作用时产生弹性变形。受均匀压力差作用时，平膜片及波纹大小相同的波纹膜片的中心位移量s与其所受的
40、压力差p的关系为,式中，a、b为结构参数，也有按线性设计的波纹膜片。膜片的位移可表示相应的压力差。,测量气体的压力差传感器膜片盒如图6-8所示。两膜片之间充满低凝固点和体积膨胀系数小的硅油，硅油的作用是传递压力及产生阻尼防止膜片振动的作用。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,64,差动变压器是将位移变换为互感系数变化的变换器。差动变压器输出的交流电压e2的幅值大小反映了铁心位移量的大小，也就是反映了压差信号的大小。e2的正负反映了铁心的移动方向，也就是反映了压差信号的正负值。,?,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,65,五、力平衡式压力变送器工作原理：压力差
41、作用于膜片，产生作用力Fm，使主杠杆以密封膜片为支点顺时针传动，带动副杠杆以O2为支点逆时针转动，从而使位移检测片与位移检测线圈的距离变小，位移检测线圈的输出随即发生变化，经检测放大器放大为420mA的直流信号输出。输出电流经反馈线圈，产生反馈力FR，形成反馈力矩MR，使副杠杆回复到原来位置，杠杆系统处于一个新的力平衡状态。,输出直流信号与被测压力差成正比,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,66,一、最高压力测量 内燃机的汽缸最高压力是指汽缸内脉动压力的最高点。它表征机件所受到的最大机械负荷，是柴油机机械强度的主要限制因素，是判断柴油机工作情况及各缸负荷平衡情况的主要依据。
42、压力测量最高压力的仪表通常有机械式、气电式和电子式3种。,3-4 气缸压力测量,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,67,机械式最高压力表主要由指示仪表和止回阀装置组成。 机械式最高压力表测量误差较大，但由于这种压力表结构简单，使用方便，因此常用来检查多缸柴油机各缸工作的均匀性；特别适用于做随即监测仪表，以便随时对发动机的技术状态进行不拆卸检查。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,68,二、平均压力测量 平均压力pt 是代表一段时间内气缸中压力的平均值。测量pt 的平均压力计是一种用于比较测量的随机调整用仪表，通常可用来判断各缸负荷的均匀性。测量平均压力pt
43、，常用机械惯性轮式平均压力表。,平均压力表的量程一般可调整，以适应不同柴油机平均压力大小的需要。通常调整量程的方法是改变弹簧的刚度。因此平均压力表一般都配有几种不同刚度的弹簧以备选用。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,69,测量时，柴油机气缸中的气体压力作用在小活塞上，推动活塞杆上移使弹簧被压缩，同时通过连接杆杠杆使扇形齿轮带动小齿轮偏转。小齿轮的偏转经空心轴传递给主惯性轮，使其摆动，又经过螺旋弹簧传给辅惯性轮，最后经空心轴内心轴带动指针偏转，指针在刻度盘上指示出平均压力值。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,70,平均压力表使用时应注意：根据被测柴油机平
44、均有效压力及使用情况选择合适的弹簧，根据需要适当加减垫片，并注意刻度值的对应关系。安装时表面应保持垂直，使惯性轮运动自如，减小摩擦误差。要注意防止仪表过热。只有测量时才能打开示功阀，测量时间一般不应超过5min，最好用循环水冷却。如测量时指针不稳定，可在主、辅惯性轮之间的表面加一层气缸油，以增加阻尼。测量时，发动机转速不应低于80r/min，否则不能使用。,?,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,71,三、用机械示功器测量气缸压力。,示功器用螺母拧在气缸盖上，缸内压力 p 经测压通道的气柱作用在活塞7上，使活塞运动。活塞通过活塞杆6、杠杆组8带动记录笔5 摆动，机构的设计使得记
45、录笔尖作直线移动，该位移与活塞所受缸内压力成正比。 利用与辅助曲柄连杆机构连接的绳3拉动转鼓2 。转鼓的返转由它内部的螺旋弹簧1实现。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,72,辅助曲柄连杆机构由发动机曲轴驱动，它的连杆长度与曲柄半径之比必须等于发动机的连杆长度与曲柄半径之比，尺寸缩小到记录转鼓所需的大小，并且死点也必须与发动机的死点严格一致。因此，转鼓角位移量就与发动机活塞位移成正比。于时，在夹于转鼓表面的记录纸上可绘出发动机的 p -v 图。,通常船用柴油机并没设置辅助曲柄连杆机构，测取示功图时由测取者手拉绳子。,取下示功图纸，与示功器配带的标尺进行比对，即可得到该缸的压缩
46、压力和最高爆发压力。,?,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,73,3-5 压力表的标定、安装和使用,一、压力表的标定 为确定压力表的实际测量精度，常以活塞压力计作为压力标准器来校验和标定各类压力表。,活塞式压力计由压力发生部分和测量部分组成，它的精度等级有0.02、0.05和0.2级，可用来校准0.25级精密压力表，也可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为60MPa。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,74,在活塞（包括托盘）和砝码的重量作用下，活塞对工作液体所产生的压力为,（6-7）,式中，m0活塞2连同托盘的质量； m平衡时砝码的质量； S0活塞2的
47、有效面积； g重力加速度。 因为m0和S0是固定值，因此，根据m 的大小即可得到工作液体所传递的压力值。从而对压力表进行校验。,?,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,75,二、压力表的安装与使用,1、取压点选择,取压位置要具有代表性，能真实地反映被测压力。应按下述原则选择：,1)取压点不能处于流束紊乱的地方，要选在直管段上，不可选在管路弯曲、分岔、死角或其他能形成涡流的区域；,2)取压点上游侧不应有突出管路或设备的阻力件(如温度计套管、阀门、挡板等)，否则应保证有一定的直管段长度；,3)测量液体压力时，取压点应在管道下侧，不宜取在最低部；测量气体压力时，取压点应在管道上侧；,
48、4)取压口开孔轴线必须与介质流动方向垂直，引压管口端面应与设备连接处的内壁保持平齐。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,76,2、引压管的敷设,引压管的敷设应注意以下几点：,1)引压管的粗细、长短均应选取合适；,2)水平安装的引压管应保持有1:101:20的倾斜度，以避免引压管中积存液体(或气体)，并有利于这些积液(或气)的排出；,3)若当被测介质易冷凝或冻结，应增加保温伴热措施；,4)取压点与压力表之间在靠近取压口处应安装切断阀，以备检修压力仪表时使用。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,77,3、压力仪表的安装,压力仪表的安装要注意以下方面：,1)压力仪
49、表应安装在能满足规定的使用环境条件和易于观察、维修之处；仪表安装处与取压点之间的距离应尽量短；,2)为避免温度变化对仪表的影响，当测量高温气体或蒸汽压力时，应装冷凝管或冷凝器；,4)测量有腐蚀性、粘度较大、有结晶或沉淀物等介质压力时，应采取相应的保护措施(如安装适当的隔离容器)，以防腐蚀、堵塞等发生；,5)压力仪表的连接处根据压力高低和介质性质，必须加装密封垫片，以防泄漏；,6)当被测压力较小而压力仪表与取压点不在同一高度时，应考虑修正液体介质的液柱静压对仪表示值的影响。,3)仪表安装在有振动的场所时，应加装减振器；,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,78,4、压力仪表类型选
50、择,压力仪表类型的选择主要应从以下几个方面考虑：,要考虑被测介质的物理、化学性质(如温度高低、粘度大小、腐蚀性、易燃易爆性能等)，以选择相应的仪表。,要根据生产工艺对压力仪表的要求和用途，选择压力仪表。,要考虑压力仪表使用现场环境条件。,还要考虑被测压力的种类(压力、负压、绝对压力、差压等)、变化快慢等情况，选择压力仪表。,2022/12/8,轮 机 工 程 测 试 技 术,79,5、压力仪表量程选择,压力仪表的量程要根据被测压力的大小及在测量过程中被测压力变化的情况等条件来选取，为保证测压仪表安全可靠地工作，选择量程时必须留有足够的余地。测量稳定压力时，正常操作压力应小于满量程的2/3；测量
