工程测量技术_第5章 压力测量

工质基本的状态参数之一。
5.1.2 基本参量及其测量 1、压力（压强） P=F/A 牛顿/米2或帕斯卡（Pa） 2、流体力学中，压力包括两部分：静压和动压 在水平流道中，一维流动的欧拉运动微分方程
υdυ+dP/ρ=0 式中υ—速度，P—压力，ρ—密度。
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5.1 总论
对不可压缩流ρ=常数，将欧拉方程沿流管积分（取任意两截面
吹风时，记下相应的p1、p2、p3值，
按此求出角度系数Kβ→→β
总压系数K0 →→总压p*
速度系数ζβ →→p。
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5.4 压力探针
圆柱形三孔针只能在低速时使用（λ<0.6）。 φ=45º的三管形三孔针可用到λ≤0.75，φ=60º的可用到λ≤0.8，
φ=75°的可用到λ≤0.9。 楔形三孔针用于高亚音速气流测量，θ值可取 8º、18º、23º、
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5.2 压力显示仪表
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5.2 压力显示仪表
5.2.4 测压仪表的使用
测压仪表的选择应根据被测压力的种类（压力、负压、 绝对压力或差压等），被测介质的物理、化学性质和参 数（温度、粘度、腐蚀性与爆炸性等），用途（标准、 指示、记录和信号远传等）以及要求的测量精度，被测 压力的变化范围等来确定压力表的种类、型式和规格。
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5.3 压力传感器
用三个标准压力值，采集每个传感器的对应输出，就可求得各 个传感器的实时校准特性。 然后，从右边送入p控，把切换阀推向左边，处于测量位置。 各路压力被接往自己的传感器，采集各传感器的输出，用各个 传感器自己的实时校准特性求压力，就可获得高精度的结果。
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5.4 压力探针
5.4.1 总压针
压阻效应——单晶硅受外力作用产生应 力时，其电阻要随应力改变。
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5.3 压力传感器
传感器的核心部分是杯状 的硅膜片，在膜片上用扩 散工艺制成四个等值电阻， 称为硅杯，它们构成一个 平衡电桥。
当压力作用于膜片时，膜 片弯曲，R1、R3位于正应 变区，电阻值增加，R2、 R4位于负应变区，电阻值 减少，电桥不平衡，所以 有电压输出，此不平衡电 压就是压力的度量。
1、2） (不可压缩流体的伯努利方程)

P1

v12 2
v2 P2 2 const
式中：P1、P2—静压， P P v2 为总压, v12 、 v22 为
动压
2
2
2
压力测量
静压测量、动压测量
非电量测量：例引入液柱式测压计。
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非电量电测：压力传感器、放大器、记录仪等构成测试系统。
2、单管式压力计与斜管式微压计
U型管压力计须要读两个液柱高度，不仅费时而且增大了读数 误差。
图3-2为单管式压力计与斜管微压计，可克服以上缺点。
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5.2 压力显示仪表
单管式压力计——当F>>f，F≈0时，有
p1 p2 g(ρ ρ 1 )h2
斜管式微压计—— Δ p Alபைடு நூலகம், A ρ g(sinα d 2 / D2 )
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5.4 压力探针
每枝三孔针在校准风洞吹风做出速度特性曲线。使 用时根据测得的p1/p2= p1/p*求出π(λ)= p /p*（P24 页），进而按π(λ)及p*=p2算出静压p。
2、不转动法
用不转动法时，先将三孔针按其定位基准固定在校准风洞 的坐标架上。然后得到角度、总压和速度特性曲线。
可以将总压针组合成梳状总压针， 也可以组合成耙状，如图， 还可以在发动机零件上直接构成
总压针（如在涡轮空心导向叶片 上）。
感应管的伸出长度及之间的间距
有一定要求，如图，避免产生干
扰。
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5.4 压力探针
5.4.2 静压测量 1、壁面静压孔 对于管内流动，如果横截面上各点的静压大致相等， 可用壁面开小孔的方法感受静压，如图。
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5.4 压力探针
静压针的特性对工艺质量很敏感。 每只静压针具有各自的系统误差，也就是具有自
己的校准特性，如图。
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5.4 压力探针
5.4.3 总静压针
将总压针与静压针组合在一起 构成总静压针，或称风速管、 毕托管。
它就是在静压针中套一根测总 压的管子，把总、静压分别引 出，如图。
各种压力探针制成后都必须在校准风洞中吹风以获得校准曲线。 典型的校准风洞如图3-33所示。 在其自由射流的核心区，气流的总压等于稳压箱的总压，静压等 于大气压，气流方向平行于喷管轴线。核心区流场均匀。
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由于总压比较容易测量，所以
设计时主要应满足静压孔的要
求。总静压孔的角度特性由静
压开孔决定。
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5.4 压力探针
5.4.4 三孔针
三孔针用来测量二维流的总压、静压与方向。图3-24 示出三种三孔针的典型结构。
有两种使用方法：转动法与不转动法。
1、转动法
测量时将三孔针绕支杆的轴线转动， 使 p1=p3 , 使1、3孔对称于气流 方向，从而保证第2孔对准气流， p2=p*。气流方向角就可以从坐 标机构上直接读出。
5.2 压力显示仪表
在热工、气动参数测量中，被测压力范围很广，没有一种压力 显示仪表能在规定的精度符合整个范围的要求，必须根据实际 情况正确选用。
5.2.1 液柱式压力计（根据流体静压强分布规律和连通器原理） 1、U型管压力计 图为U型管压 力计的结构图
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5.2 压力显示仪表
根据流体静力学原理，当两管分别作用压力P1和P2，工作液体 处于静止状态时，
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5.3 压力传感器
5.3.5 压力扫描系统
使用压力扫描系统的目的，一方面是对多路的稳态压力进行快速的 测量，以缩短大型试验的时间。另一方面是可以在使用中对压力传 感器进行实时校准，以提高测量精度。
1、机械式压力扫描阀
结构如图，在底座上钻的许多小孔中都装有接压嘴，每个接压
嘴接入一路待测压力。旋转阀上只有一条压力通道，转动旋转
流体流经孔口，流线会向孔内弯曲。 孔径越大，弯曲越严重，静压测量的误差也越大。
并且误差随M数增大而增加。 但孔径太小则反应迟缓，且易被灰尘堵塞。一般取
孔径为0.5~1.0mm。由图可看出，用孔径0.5mm的 小孔测静压，在马赫数M≤0.8范围，静压测量误差
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可以小于等于动压头的0.3%。
5.4 压力探针
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5.4 压力探针
2、静压针
亚音速气流测量用的静压针的典型结构如图。 在A-A截面的静压孔外的气流静压，一方面因气流受半
球头部的加速作用而降低，另一方面因受支杆的阻滞作 用而提高。 实验表明，按图示尺寸在A-A截面处这两种影响正好互 相抵消，从而使开孔感受的正好是来流的静压。
气流的总压就是气流绝能等熵滞止下来的压力。只要 在气流中放一根管子，其孔口轴线对准气流方向，孔 口无毛刺，从管子另一端用密封管路接往压力表，就 可测出孔口处的当地总压。典型的总压针头部构造如 图。
实用上，因气流方向往往不确切知道，故要求总压针
对气流方向有一定的不敏感性，即总压针孔口轴线虽
然偏离气流方向却仍能正确感受总压。方向特性如曲
线，纵坐标表示总压针测得总压p测*与气流真实总压p* 之差占动压头（ρv2/2）的百分数，横坐标β为气流方
向与孔口轴线的夹角。
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5.4 压力探针
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5.4 压力探针
从图中可见第4种孔口加倒角的直 管有较好的不敏感性，β达±15° 仍无误差。如果外面再加一引导 管（第5种），则可提高 不敏感 性β至±45°。
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5.3 压力传感器
压阻式压力传感器的优点是灵敏度高、无迟滞、频率 响应高、输出电平高、使用方便，特别是尺寸小，使 它可以被直接装入压力探针的传压针管中，因此在动 态压力测量中应用广泛。
扫描阀中使用。 压阻式压力传感器的缺点是对温度很敏感，存在零位
温度漂移和灵敏度温度漂移等问题，但使用扫描阀可 实现实时校准，以减小误差。
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5.3 压力传感器
2、电子扫描测压系统
这种系统每路压力使用一个压力传感器。由数 字数据采集系统来采集和处理传感器的输出信 号。因此速度比机械式压力扫描要快得多。
由于压阻式压力传感器价格低廉，体积可以很 小，几十个压阻式传感器可以紧凑布置在几个 平方厘米的平面内。但是，必须对全部压阻传 感器进行实时校准才能克服其零点及灵敏度漂 移问题。因此在各路压力接往自己的传感器之 前，先一起经过一个切换阀。测量前切换阀被 控 传制感压器力接入p控相推同向的右标边准，压处力于。校准位置。对所有
24.5º。
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5.4 压力探针
5.4.5 五孔针 五孔针用来测量三维流的总压、静压与方向。图示出三种五孔针的 典型结构。五孔针的作用原理和三孔针相同，它相当于两只三孔针 组合在两个互相垂直的平面内。 它有两种使用方法： 转动法与不转动法。
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5.4 压力探针
5.4.6 校准风洞
由于压电材料的温度效应，在用于测高温介质 的压力时，必须采取充分有效的冷却措施以保 持稳定的压电性能，克服温度干扰。
压电传感器的输出阻抗和电荷放大器的输入阻 抗都不可能为无穷大，漏电不可避免。因此压 电传感器不适用于稳态测量。
压电传感器的优点是频率响应高、灵敏度大、 不需电源（自身属于发电变换器）。其缺点是 输出阻抗高、温度效应大、低频性能差。
斜管式微压计用以测量微小的正压、负压和差压。测量压力时，被测压 力通入大截面容器，测量负压时，被测负压通入肘管，测量差压时，将 较高的压力通入
大截面容器，
而较低的压
力通入肘管。
如改变倾斜
角α即改变
A值，以适
应不同的测
量范围。
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5.2 压力显示仪表
5.2.2 弹性式压力计
工程测试技术
5 压力测量
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5 压力测量
重点： 1、压力测量的基本方法。 2、常用的压力显示仪表，压力传感器基本
原理及工作特性。 3、静压、总压、动压测量在发动机测试中
的作用。
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5.1 总论
5.1.1 发动机测试中的压力测量 压力是发动机试验中需大量测量的参数，是热力循环中
p1 p2 g(2 1 )(H h2 ) g( 1)(h1 h2 )
如果ρ1=ρ2，
p1 p2 g( 1 )(h1 h2 )
如果ρ1<<ρ，ρ2<<ρ，可不计ρ1，ρ2，则
p1 p2 g(h1 h2 )
图3-1（b）是测量微小压力的U型管微压计。
结构特点：根据弹性元件受压变形与压力大小有确定关 系的原理制成的。适用范围广，结构简单，是工业上应 用最广的压力测量仪表。
弹性元件：膜片、膜盒、波纹管和弹簧管。 1、弹簧管压力表
弹簧管是用一根扁圆形或椭圆形截面的金属管顺着截面 短轴方向弯成圆弧形而成。管子的一端封闭，可以自由 移动，管子的另一端固定在仪表基座上并开口，当固定 端通入被测压力时，弹簧管承受内压，截面形状趋于变 成圆形，自由端外移，经连杆、齿轮传动机构带动压力 表的指针转动指示被测压力。
阀，各接压嘴的待测压力就依次被送到压力传感器进行测量。
几十路压力共同使用一个传感器。用三个接压嘴分别接入数值
不同的三个标准压力。在旋转阀旋转一圈的过程中，不仅进行
了几十个压力的测量，同时也进行了一次校准。利用三个标准
压力值，可得到传感器的实时校准特性。用它立即去求各路的
待测压力。
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5.3 压力传感器
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5.3 压力传感器
5.3.2 压电式压力传感器
压电效应 与压电传感器配套的必
须是高输入阻抗电路， 一般使用电荷放大器。 测量电路如图。 如果放大器输入阻抗Z 为无穷大，那么输出电 压US等于负反馈电容Cr 两端的电压降：
Q KF,Q UC,Q CrUs 14
5.3 压力传感器
选择压力表时应使被测压力值在1/3~2/3仪表上限值范围， 如果被测压力经常变动，则被测压力为仪表上限值的1/2 左右较合适。
为了保证测量结果的准确性，在选择压力表的精度等级 时，还应估计附加误差，以使总的不确定度符合要求。
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5.3 压力传感器 5.3.1 压阻式压力传感器
压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻 效应进行工作的。