第六章 压力测试ppt课件

用这两种方法进行测量时，应尽量满足下列要求： 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。 测压传感器及其附件夹具等，应具有足够的强度 。 测压传感器的灵敏度要适中 。 测压传感器的信号输出应该是线性的。 测压传感器的外形尺寸应尽量小。
应变式测压法
应变式测压法采用应变式压力传感器作为转换器件，主要用来
习惯上，将负表压称为真空，理想的真空是绝对零 压力
任意两个压力之间的差值
计算公式 pa=pg+p0
pg=pa-p0
pv=p0-pa Δp=p1-p2
压力测试
工程大气压： 1kgf/cm2=0.9807×105 Pa 毫米水柱： 1 mmH2O=0.9807×10 Pa 毫米汞柱 1 mmHg=1.333×102 Pa 物理大气压 1 atm=1.01325×105 Pa
常用的活塞式压力计
活塞式压力计有直接加负荷压力计、双活塞压力真空计、通过传 动装置向活塞加负荷的压力计等几种。
压力测试方法
电测式
工作原理 利用某些材料的电气特性在压力的作用下发生一定的变化,将被
测的压力转换成与压力成一定关系的电信号来求得压力值的 。
常用的电测式压力计 常用的有应变式、固态压阻式、压电式、电感式、电容式、振频
+
q q
U 2U
串联
C 1 C 2
电容量小、响应快、 输出电压大，适用于测量 以电压作输出的信号和频 率较高的信号 。
压电式测压法
为保证在交变力作用下正常工作，消除因接触不良产生的非线 性误差，装配时应通过拧紧芯体施加预压紧力。
优点：具有较高的灵敏度和分辨率，利于小型化。 缺点：1）膜片产生的弯曲，会造成线性与动态特性变差。
应变式测压法
柱形圆筒式测压传感器
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 有频率比较高，一般可达10或 15kHz。活塞的质量愈轻，活 塞杆的刚度愈大，则固有频率 愈高。
应变式测压法
柱形圆筒式测压传感器
柱形圆筒式测压传感器测量原理图
应变式测压法
柱形圆筒式测压传感器
常用的液体式压力仪器 水银气压计、U型（双管）和杯型（单管）压力计、环天平式压力 计、钟罩式压力计、补偿式微压计和斜管微压计等。
压力测试方法
U型管压力计原理图
△P=P1－P2=ρg(h1+h2)
单管压力计原理图
P =ρgh2
压力测试方法
弹簧式
作用原理 利用弹性敏感元件（如弹簧管）在压力作用下产生弹性形变,其
压电式测压法
通常把沿电轴(X轴)方向的作用力(一般利用压力)产生的压电效 应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压 电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压 电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要 是利用纵向压电效应。
压电式测压法
压电测压传感器的结构
t : 切向应变 r : 径向应变
t
r
a
r
径向应变 r E 1 rt 3 p 8 1 E 22 h a 2 3 r 2
薄圆板受均匀压力后的应变方向
切向应变 t E 1 tr 3 p 8 1 E 22 h a 2 r2
应变式测压法
在圆板中心（r = 0）处，切向应力与径向应力相等，切向应变 与径向应变相等，而且具有正的最大值 。
0.5
0.628r
3pa2
4h2
径向应变的曲线，在中心附近是正值，在板的边缘则为负值。
应变式测压法
膜片式用力传感器的应变片布置方式
0.577a
r
R1
R2
R1
l
R2
R4
R3
（a）
半桥布置
（b）
全桥布置
应变式测压法
弹性薄壁圆筒式测压传感器
A
p r
D0
R
该传感器主要用来测量液体的
压力。弹性元件是—个钻了盲孔的
t
2r2 R2 r2
p
应变式测压法
应变片的粘贴位置
在盲孔的外端部有一个 实心部分，制作传感器时， 在筒壁和端部沿环向各贴一 片应变片，端部在筒内有压 力时不产生变形，只作温度 补偿用。为提高传感器的灵 敏度，还可利用两片应变片 工作，另选两片应变片在端 部作温度补偿。
应变式测压法
应变管的频率范围
2）各组件间接触刚度的改变，改变传感器固有频率。 3）温度变化时，膜片变形量变化，压紧力也变化。
压电式测压法
为消除预加载时引起膜 片变形，采用了预紧筒加载 结构。预紧筒是一个薄壁厚 底的金属圆筒，通过拉紧预 紧筒对石英晶片组施加预压 紧力，并在加载状态下用电 子束将预紧筒与芯体焊成一 体。膜片是后焊接到壳体上 去的。
r0t038ph2a21
r0t083E pa2 2h12
应变式测压法
在圆板的边缘（r = a）处，切向应力、径向应力和径向应变都达到 负的最大值，而径向应变为零。
ra
3pa2 4h2
ra43Epah22 12
ta
3pa2 4h2
ta 0
平膜片的挠度：
y3p12 a2r22 1E 63h
式等多种压力计等几种。
电容式差压变送器
电子线 路位置
高压侧 进气口
低压侧 进气口
内部不锈钢膜片的位置
压阻式固态压力传感器
小型压阻式固态压力传感器
低压进气口 高压进气口
绝对压力传感器
p1进气管
表压压力传感器
压力测试方法
数字式
工作原理 数字式压力计是可以直接以压力单位用数字显示压力量值的仪
应变片粘贴方式
电桥连接方式
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压电式测压法
压电式测压法适合于压力作用时间在20ms以下，压力值在 200MPa以上的情况下使用，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
某些电介质的晶体，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。这种由于机械力的作用而使得晶体表面带电的现象称为压电效 应。
D
薄壁圆筒，即应变筒。
(a)
R1
R2
(b)
测试时把传感器拧到测试位置 的测试孔中，压力作用在油脂上， 油脂受压后，把压力传送到应变筒 的内壁，使应变筒向外膨胀，发生 弹性变形。
应变式测压法
受力情况
轴向应力 切向应力
x FS R2r2r2 p
2tR rl 2 p l0 r t
r Rr
p
当筒壁很薄时，有 Rr
应变式测压法
中心（r=0）处的挠度有最大值：
3p12a4
y0ymax 1E 63h
平膜片的固有频率
f
12.0a12h7
E
1212
应变式测压法
平膜片的应力分布曲线
3pa2 12 0
8Eh2
t
3pa2 1
8h2
0.5 r 1
r/a
0.577
3pa2 12 4Eh2
3pa2
t 0.872 4h2
器。这类压力计大部分是以压力传感器为感压元件,然后将信号放大, 经模/数和数/模转换器转换后显示压力数值的压力计。数字式压力 计既可以显示生产工艺流程中的压力参数,又可将压力信号输出供数 据分析和处理,因此在自动控制系统中被广泛应用 。
电容式压力变送器
压力测试方法
电测式测压方法中应用最普遍的是应变测压法和压电测压法。利
应变式测压法
膜片式测压传感器
工作原理： 膜片式应变测压传感器的弹性敏感元件是周边固定的 圆膜片，由贴在膜片上的应变片感受应变的大小，并通过后级的电桥 输出信号。
p
t
o
r
r
ph r
a
a
薄圆板受均匀压力后的应变分布
应变式测压法
平膜片受力情况
径向应力 r8 3 h p 2a21r23
切向应力 t8 3 h p 2a21r213
应变式测压法
应变式测量系统
应变式压力传感器将压力信号转变成应变信号，再通过应变仪将 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。
被测压力
应变式压力传感器
动态电阻应变仪 测量记录仪器
静态压力标定机
应变式测压法
应变式测压传感器
膜片式测压传感器 弹性薄壁圆筒式测压传感器 柱形圆筒式测压传感器
膜片压电式压力传感器
这种传感器结构紧凑，具有较高 的谐振频率。主要组成部分是弹性敏 感器件（膜片）、压电转换器件（晶 片）和本体（外壳及芯体）组成。
膜片常用材料有石英晶体和压电 陶瓷，尤其石英晶体稳定性好。
压电式测压法
压电晶体（主要是单晶体）
石英、天然晶体，除压电常数不大外，特性优越,可作为标准传感器。
测量流动介质的动态或静态压力, 如动力管道设备的进出口气体或 液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机 管道的压力等。
应变式测压法的测试原理
应变式测压传感器是基于弹性变形的原理，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全过程。
压力的定义
流体或固体垂直作用在单位面积A上的力F称为压力，也称压强。
PF A
压力测试
工程中常采用的压力有绝对压力，表压力、大气压力、真空和差压 等几种。
压力名称
绝对 压力 pa
表压力pg
真空pv 差压Δp
定
义
相对于绝对压力零线测得的压力，或作用于物体上 全部压力
绝对压力pa与当地大气压力p0的差值，当pa>p0时，pg 为正时，称为正表压；当pa<p0时，pg为负时，称为 真空度。
形变的大小与作用的压力成一定的线性关系,通过传动放大机构或其 他显示装置表示出被测的压力。
常用的弹簧式压力计
根据弹性敏感元件不同,弹簧式压力仪表有弹簧管式、膜片式、 膜盒式、波纹管式等多种。
压力测试方法
压力测试方法
活塞式
工作原理 利用流体静压原理和帕斯卡原理,由作用于已知活塞有效面积上
的专用砝码来进行压力测量。这种压力计有时又称为砝码式压力计, 主要用于标准压力量值的传递。
压电式测压法
压电式测压传感器的使用
使用时注意的问题：
1）绝缘性：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。
2）预压力：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。
压电式测压法
影响压电式传感器的固有频率相关因素
压力测试
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。如爆炸冲击波压力。
压力测试方法
压力的测试方法
压力测量根据传感器原理可以分为液体式、弹簧式、活塞式、电 测式，根据测试系统对信号的处理方式又分为模拟式和数字式。
液体式
液体式压力仪工作原理 基于流体静力学原理,利用液柱的高度差来测试压力的仪器。被测 的液柱高度差可以直接读出、显示或通过计算的方法来确定。
1）传感器的活动零件，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。
f C 4L0
应变式测压法
柱形圆筒式测压传感器
柱形圆筒式测压传感器的弹性元件是柱形圆筒，如活 塞式应变测压传感器，它的弹性元件是应变管。使用时把 传感器拧在测压孔内，压力作用在活塞阶一端，活塞把压 力转化为集中力作用在应变管上，使应变管产生轴向压缩 弹性变形，工作应变片(一片或两片)沿轴向贴在应变管的 中部。
第六章 压力测试
本章主要内容
压力测试及测试方法 应变式测压法 压电式测压法 测压系统的静态标定与动态标定 膛压测试
压力测试
压力是工业生产过程中常见的一个重要参数，在动力机械、冶 金、造船、航空航天、化工、石油、纺织、原子能、电子、轻工、 食品、医药、农业和气象等工农业部门中是经常用到的，此外，如 物位、流量等参数的测量，有时常通过测量压力或压差的方法来达 到的。
压电陶瓷（多晶体）
属于人工制造的多晶体，仍以Q=dF表示，较大的压电系数，介电 常数，机械强度<石英。
压电式测压法
压力p作用在膜片上，通过传力块加到石英晶片上，石英双晶片利用X 切割,厚度形变的纵向压电效应，双晶片并联（输出总电荷量为单片的两 倍）。
F
+
+
q 2q
U U
并联
C 2C
电容量大、输出电荷 量大、时间常数也大，适 用于测量缓变信号及电荷 量输出信号。
在向空腔中灌注 油脂时，必须防止混 入气泡，因为气泡会 严重地降低传感器的 固有频率。可以把油 脂加热熔化后用医用 注射器注入空腔底部， 以保证排除空气。
环向粘贴应变片时，传感器应变管的固有振荡频率有：
f 0.13 E L
由于应变管内需注入油液，油柱体的弹性模量较低，因此， 注入的液柱限制了传感器固有频率。当液柱的柱长L0大于柱半径 的1.7倍时，应变管的固有频率可由下式替代