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1、61概述,流体、气体压力测试工作较频繁，流体、气体压力大部分是瞬态或冲击的压力。其延续时间在几分之一秒至万分之几秒，其变化频率约为几十赫至几千赫不等。最大压力可达数千兆帕。为此必须根据具体测试对象采用适当的方法。,第六章 压力(力)的测试,压力（力）测试在选择测试方法尽量满足下列要求：1)测压测试系统的频响要适应被测参数的频率特性，使频率误差具有足够小的数值。2)由于被测压力值一般较高，所以测压传感器及其附件夹具等，应具有足够的强度，否则会引起传感器破坏。3)测压传感器的灵敏度要适中，若灵敏度太高，会影响整个测试设备的复杂程度和增 加消除干扰的困难。4)测压传感器的信号输出应该是线性的，这对一
2、些测压传感器来说是可以满足要求的。但必须指出，在设计传感器夹具、外壳及夹持方式时，常因没有考虑这些问题而使线性破坏，从而使压力的标定和处理工作复杂化，同时还会引起误差的增加。,压力可分为: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（如脉动压力、爆炸冲 击波压力等）。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。,压力的分类,动态压力测量：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。,常用压力检测仪表,液柱式压力计,弹性压力计,压力(力)的测试方法很
3、多，但比较成熟的方法大致有以下几种：1)塑性测压法；2)应变测压法；3)压电测压法；4)压阻测压法；5)电容测压法；6)电感测压法。上述测试方法，应用最普遍的是应变测压法、压电测压法、压阻测压法。,62应变式测压法,应变测压法，是利用应变式压力传感器将压力信号转变成应变信号，再通过应变仅将其转换成电信号并放大输出给记录仪器记录。应变式测压法适合于在压力作用时间较长的条件下使用。应变式测压传感器以弹性变形为基础。被测压力作用在传感器的弹性元件上，使弹性元件产生变形，并用弹性应变的大小来表示压力的大小。由于去载时弹性变形是可以恢复的，所以它不仅能测试压力的上升段，也可测其下降段，从而反映压力变化的
4、全过程。弹性测压法是基于虎克定律，即,应变式测压传感器，按其结构可分为：,膜片式 薄壁圆筒活塞式（柱形圆筒）,应变式压力测量系统组成,1)测压弹性元件是膜片式的，受压后膜片变形，使膜片上的应变片阻值发生与压力成正比的变化。设计的三个假设,当流体的压力作用在薄板上，薄板就会产生形变(应变)，贴在另一侧的应变片随之形变(应变)，通过桥式等测量电路，可以测出与应变相对应的输出电压，从而得到压力的大小。,这种传感器的最大固有频率可达30kHz的范围内。,应变分析 对于半径为r0沿圆周固定的模片，片内任意半径 r 处在压强 P 的作用下的应变(膜厚为h)为:,切向应变(与半径垂直),只有拉伸,径向应变(
5、指向圆心),可拉可压(可正可负),正应变最大,径向负应变最大,贴片位置,在t=r的两个半径处分别粘贴个于检测径向应变和切向应变的应变片，构成全差动电桥。,1温度补偿电阻；2接线板；3组合应变片,平膜式压力传感器,4膜片；5连接管,2)测压弹性元件是一弹性薄壁圆筒，受压后膨胀，则贴在弹性筒上的应变片的阻值产生与压力值成正比的变化。,空腔式应变测压传感器的固有频率要受填充在应变筒空腔中的油柱的限制。这种传感器的固有频率在5至7kHz在的范围内。,环向应变p,3)测压弹性元件是柱形圆筒，受轴向压力后，产生轴向变形。,活塞式应变测压传感器主要是通过活塞杆，而不是通过油脂传递压力的，所以它的固有频率比较
6、高，一般可达10、15kHz。活塞的质量愈轻，活塞杆的刚度愈大，则固有频率愈高。,工作应变片（一片或两片）沿轴向贴在应变管的中部。温度补偿片可沿应变管周向粘贴。,电桥连接方式,63压电式测压法,压电式测压法适合于压力作用时间短的情况下使用，除了用其测试火药气体压力以外，也可用来测试液体和气体的压力。压电效应：有一些电介质的晶体，当它们受到机械力的作用而发生变形时，会发生极化，导致晶体表面上出现束缚电荷，所产生的电荷和外力成正比。可以利用压电效应把机械量力(压力)变换为电量电荷(电压)，这就是压电测压传感器的基本原理。压电晶体是一种力敏感元件，它可以把力、应力、加速度等机械量转化为电量以进行非电
7、量的电测。,压电式压力测量系统组成,提高灵敏度的方法 在压电式传感器中，压电元件常用两片或两片以上组合在一起。由于存在极性，因此有两种连接方法。1）并联法,两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上，这种连接方法称为并联。输出电容C为单片电容的n倍；输出电压U等于单片电压Ua；极板上电荷量Q为单片电荷量Q的n倍，即 Q=nQ U=Ua C=n Ca,压电式压力传感器,2)串联法,正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，这种接法称为串联。Q=Q U=nUa C=,3）比较：并联接法输出电荷大，本身电容大（因而接上负载后时间常数大
8、），宜用于以电荷作为输出量的场合，相对来说允许被测对象变化频率稍低。串联接法输出电压大，本身电容小，宜用于以电压作为输出量的场合，要求后续电路有较大的输入阻抗。,压电传感器的等效电路,1）测量系统框图,2）等效电路,Ra为传感器的漏电阻；Cc为连接电缆的分布电容；Ri为相连放大器的输入电阻；Ci为相连放大器的输入电路。,3）压电传感器的灵敏度,压电式传感器的灵敏度有两种表示方式：电荷灵敏度Kq、电压灵敏度Ku。电压灵敏度：单位机械量（力）作用时的传感器输出电压值；电荷灵敏度：单位机械量（力）作用时的传感器输出电荷量。两者之间关系：可通过压电元件（或传感器）的电容Ca联系起来，有：,压电测压传感
9、器是发电型的变换器。压电效应产生的电荷很少，为保证压电晶体产生的电荷不会泄漏掉，要重视整个传感器的电绝缘性能。绝缘零件应当用聚四氟乙烯、聚苯或有机玻璃等高绝缘性能的材料制作。为防止沿表面漏电，零件表面要光洁，在装配前用汽油、酒精或丙酮、四氯化碳清洗2、3次，并把清洗好的零件在6080的温度下烘烤一小时。装配后的绝缘电阻应大于1011欧。装配时应当给压电晶体一定的预压力，预压力的大小约25MPa左右。预压力的作用是消除压电晶体片、活塞、压块之间的间隙，防止压电晶体因撞击而受损坏，并可以提高测压传感器的固有频率。（压电传感器安装时要用扭力扳手）,压电测压传感器的固有频率和以下的因素有关：1传感器的
10、活动零件，如活塞等的质量越小，刚 度越大，则传感器的固有频率越高。2传感器壳体的刚度越大，零件的紧因性越好，则固有频率越高。压电传感器的固有频率般可达25100kHz。压电测压传感器的低频特性不好，这是压电传感器的一个缺点。产生这个缺点的原因在于静电荷泄漏。很明显，压电传感器的绝缘电阻也不可能是无限大的；测试电路输入的阻抗也不可能是无限大的，这样就不可避免的要发生静电荷的泄漏，破坏了压力和电量(电压)之间的正比关系。在测试快速变化过程时，由于持续时间短，漏电的影响不大；但是对于缓慢变化的过程，漏电可能产生较大的误差。,1）由于压电传感器的输出信号非常微弱，需将其输出电信号进行放大才能测量出来；
11、2）压电传感器的内阻抗相当高，不是普通放大器能放大的，需进行阻抗匹配；3）连接电缆的长度、噪声对系统输出有明显影响。,测量电路,压电式传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号。当采用电压输出信号时，这时把传感器看作电压发生器；当采用电荷输出信号时，这时把传感器看作电荷发生器。,放大器有两种形式：电压放大器，电荷放大器,两种放大器的主要区别：使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容的变化非常敏感，尤其是连续电缆长度变化更为明显；使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响差不多可以忽略不计。,1）注意传感器及连接电缆线的输出阻抗、防潮防湿；2）传感器灵敏度的归一化处理；,3）注意电荷放大器的上、下限
12、频率选择；4）电荷放大器的“工作”及“复位”开关的位置；5）要注意全系统的共地。,使用注意事项：,6-4 压阻式测压法,固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。,硅平膜片在圆形硅杯的底部，其两边有两个压力腔，分别输入被测差压或被测压力与参考压力。髙压腔接被测压力，低压腔与大气连通或接参考
13、压力。膜片上的两对电阻中，一对位于受压应力区，另一对位于受拉应力区。,压阻式压力测量系统组成,电容式测压方法电感式测压方法,6-5 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，究其原因主要是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。,塑性测压法具有明显的经济性和可靠性优点，因此，在膛压测量尤其是重武器膛压测量领域，塑性变形测压法应还有相当长的技术寿命。目前常见的塑性测压器件有测压铜柱、铜球等。我国过去基本上沿用
14、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、多型号进口测压器件的混乱状况。3.58.75mm锥形铜柱测压范围：20MPa240Mpa；3.58.75mm柱形铜柱测压范围：250MPa800Mpa；4.763mm铜球测压范围80MPa600Mpa。,铜柱测压法 铜柱测压法所用的测压试件是铜柱。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。,铜柱测压器按其结构和使用方法不同，可分为旋入式测压器和放入式测压器两种。,塑
15、性测压器测压基本方法为：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（测压铜柱、铜球等），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，该关系通常表示成数表的形式，称为压力对照表。,66测压系统的静态标定与动态标定,测压系统的标定分为静态标定和动态标定两种，静态标定的目的是确定测压系统静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定的目的是确定测压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。,静态校准压力检测仪表的静态校准是在静态标准条件下(温度205，湿度80，大
16、气压力为76080mmHg，且无振动冲击的环境)，采用一定标准等级(其精度需为被校仪表的35倍)的校准设备，对仪表重复(不少于3次)进行全量程逐级加载和卸载测试，获得各次校准数据，以确定仪表的静态基本性能指标和精度的过程。校准方法校准方法通常有两种：1.将被校表与标准表的示值在相同条件下进行比较；2.将被校表的示值与标准压力比较。无论是压力表还是压力传感器、变送器，均可采用上述两种方法。一般在被校表的测量范围内，均匀地选择至少5个以上的校验点，其中应包括起始点和终点。,a、b、c截止阀；d进油阀；1测量活塞；2砝码；3活塞筒；4螺旋压力发器；5工作液；6压力表或传感器；7手轮；8丝杠；9工作活
17、塞；10油杯；11进油阀,活塞式压力校准系统的结构原理,标定时，以一定的压力间距逐次增加压力，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35次。,测压系统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。,测压系统的动态标定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。,动态压力源的分类如下：稳态周期性压力源，如活塞与缸筒、凸轮控制喷嘴、声谐振器；非稳态
18、压力源，如快速卸荷阀、闭式爆炸器、激波管及落锤液压动标装置等。,电磁式正弦压力发生器,机械式正弦压力发生器,稳态校准,稳态校准,A1，A2，A3为压电式压力传感器，装在激波管的侧面，其中A1和A2特性相同，用于测量激波速度；A3是触发传感器，Ax和Ay为被校压力传感器（激波管掠过侧面的入射激波阶跃压力和底端面的反射激波阶跃压力）；B1，B2，B3为电荷放大器。,（a）膜片爆破前情况；（b）膜片爆破后稀疏波反射前情况；（c）稀疏波反射后情况；（d）反射激波波动情况,动态校准,非稳态校准,非稳态校准,6-7 压力传感器的安装问题,例如，在测量火箭燃烧室的压力时，要把压力传感器齐平地安装在燃烧室的内
19、壁上是有困难的，因为高温气流会使传感器无法正常工作。通常是用一个直径为635mm或更小一些的孔道把被测压力引向压力传感器。在测量火箭燃气流场的压力时，由于还没有能承受高速、高温燃气流的压力传感器可供使用，因此就得把压力传感器置于燃气流场之外，用传压管把置于流场中的压力探头和传感器连接起来。,在很多场合，压力传感器还不能直接、准确地安装在需测试的部位，往往需要用连接管道将被测压力引向压力传感器。,测量静态压力时，传压管对测量精度没有多大影响。测量动态压力时，管道会使压力测量系统的动态响应变坏，造成动态压力测量误差。,如果管道长度比较短，压力波在管道中的一阶共振频率远远高于被测压力的频率，则尚能维
20、持足够的精度。但是，若连接管道较长，管道的共振频率接近甚至低于被测压力的频率，则测量结果就难以致信了。下面分别讨论三种测压管道系统。,这种形式的传压管系统如图所示，在动态压力测量中是常见的。它是一个谐振系统，其固有频率可按下式计算：式中 C声速(m/s)；l传压管长(m)。,一、直管无腔室管道系统,直管无腔室管道系统,从上式可以看出，传压管径对固有频率是没有影响的。但是，实际上，随着传压管径的增加，固有频率也有所增大。另外，还应该指出的是，如果管子太细，那么由于管壁对空气质点相对运动造成的粘滞及由粘滞产生的吸收效应就增大了。管子越细、频率越高，则吸收效应越显著，压力波的衰减也就越明显。根据声波
21、在细管中传播的特性，为了减少压力波在传压管中的衰减，传压管内半径r应满足以下条件：式中空气粘滞系数，1.82210-5(kgms)；0空气密度；动态压力角频率。,这也是一种较为典型的结构形式，如图所示。该系统一阶固有频率可按下式计算：式中 C 声速；d 传压管内直径；l 传压管长度；V 空腔体积。由上可知，传压管的长度、内径和空腔体积是决定传压管系统频响特性的三个主要结构参数。为了提高这种传压管道的频响，就应该尽可能地用较短的传压管，尽可能缩小空腔的体积，而且在不严重影响被测流场的前提下，适当增加传压管的内径。,二、有空腔的传压管系统,有空腔的传压管系统,上述两种传压管系统在动态压力的作用下有
22、可能发生共振现象。这是因为压力波在管道中传播到管底引起反射，反射波与入射波迭加，形成驻波，当驻波频率与管道的固有频率接近时，产生共振。为了消除共振，改善频响，扩大测量动态压力的频率范围，可采用非谐振传压管系统，如图所示。它是将压力传感器装在一个三通连接件上(要与管内壁齐平安装)，压力波通过安装管传递到传感器，再通过一段延伸很长的终端管继续向前传播。如果终端管无限长，那么压力波就没有反射，也就不会发生共振现象。实际上由于空气的粘滞阻尼，延伸的终端管并不需要无限长，只要反射压力波到达传感器之前已衰减到可以忽略的程度，就可以了。,三、非谐振传压管系统,非谐振传压管系统,理论分析和试验证明，终端管短，幅频特性曲线的波动较大，这说明管道内还存在着幅值较大的反射压力波，有可能形成驻波和共振。一般若终端管20m左右，就基本上消除了反射压力波。安装管长度对管系的低频特性无明显的影响，但在频率较高时，由于管系的阻尼作用，使幅频特性有下降的趋势。安装管较短的管系，高频响应较好。当然，安装管的内径也不能太小，否则压力幅值衰减太大，影响测试精度。从以上分析可知，采用非谐振传压管系统，对改善有管道测压系统的动态响应特性是行之有效的。,6-7 力的测量,力的测量方法,机械式力平衡装置,这种方法需逐级加砝码，测量精度取决于砝码分级的密度和砝码等级。,仅适用于作静态测量,电容式测力装置,差动变压器式测力装置,
