《机械工程测试技术基础 第3版 教学课件 ppt 作者 熊诗波 黄长艺 第10章流体参量的测量》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程测试技术基础 第3版 教学课件 ppt 作者 熊诗波 黄长艺 第10章流体参量的测量（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、内容提要： 10-1 压力的测量 10-2 流量的测量,第十章 流体参量测量,在液压马达的效率试验中，要同时测量液压马达的进口压力、出口压力、转速、转矩、流量等参量，并据此计算出液压马达的容积效率、机械效率和总效率。 压力和流量测量装置在原理或结构上有差别，共同特点： 1)中间转换元件压力、流量中间机械量传感器电量输出； 2)测量装置的精确度和动态响应不仅与传感器本身及组成测量装置的特性有关，还和由传感器、连接管路等组成的流体系统的特性有关。,第十章 流体参量测量,10-1 压力测量,垂直并均匀作用于单位面积上的力称为压强(压力) 1从测量角度分： 1)静定压 每秒钟的变化量为压力计分度值的1
2、%或每分钟的变化量为5%以下的压力。 2)变动压 每单位时间的变化量超过静定压限度的压力。 非周期变化的压力称为波动压力；不连续且变化大的压力称为冲击压力。 3)脉动压 压力随时间作周期性的变化，且其变化的速度超过静定压力限度的压力。,第十章 流体参量测量,2按测量方法分 1)绝对压力 以绝对真空作为零点压力标准的压力 在单位符号后面加上符号“abs”表示 2)表压力 以大气压作为零点压力标准的压力 通常所指压力就是表压力，在压力单位后面用字母“G”表示 3)差压力 以大气压以外的任意压力为零点压力标准的压力,第十章 流体参量测量,表压力与绝对压力之间关系为 绝对压力表压力十大气压力 国际度量
3、系统规定压力单位：Pa、kPa、MPa,作用在确定面积上的流体压力很容易转换成力，同力测量。 常用压力测量方法：静重比较法和弹性变形法 静重比较法多用于各种压力测量装置的静态校准。 弹性变形法是构成压力计和压力传感器的基础。,第十章 流体参量测量,一、弹性式压力敏感元件 指针式压力表(压力计)和压力传感器根据弹性变形原理工作，采用某种形式的弹式元件作为压力感受元件，用其变形的位移量来代表压力值。 常用弹性式压力敏感元件有弹簧管、膜片、波纹管和金属筒等。 测量弹性元件变形，可以用机械机构放大，带动指针，制成压力计；可以用机电转换装置，把位移变为电量，制成压力传感器，用仪表显示出压力值。,第十章
4、流体参量测量,1弹簧管压力计 弹簧管压力计主要由弹簧管2、齿轮传动机构、指针等组成。 弹簧管(波登管)横截面为扁圆形或椭圆形，截面的短轴方向与管子弯曲的径向方向一致。弹簧管的自由端封闭，其位移作为输出信号。开口端固定在仪表外壳上。当弹簧管内通入压力流体时，使管子截面有变圆的趋势，产生弹性变形。自由端要向管子伸直的方向移动，当变形引起的弹性力和被测压力产生的作用力相平衡时，变形停止,第十章 流体参量测量,第十章 流体参量测量,C型弹簧管端部位移量最大为25mm。为增大管端位移量，采用盘旋型或螺旋型弹簧管。 弹簧管尺寸已经系列化，不同材料的弹簧管适用于不同的被测压力和被测介质。 当压力低于20MP
5、a时，一般采用磷青铜，压力高于20MPa时则采用不锈钢或其他高强度合金钢。 弹簧管压力计测量压力范围10-4103MPa，特点： 结构简单，价格低，使用方便，固有频率低，存在弹性滞后现象，不宜测量动态压力。 弹簧管压力计的测量误差一般在0.5%1%以内。,第十章 流体参量测量,2膜片式压力计 金属膜片作为敏感元件 膜片周边固定，当膜片两侧面受不同压力时，膜片中心位移与其上压力(差)近似成正比关系，通过传动机构，使指针偏转。 膜片按形式分平膜片、波纹膜片，按刚度分弹性膜片和挠性膜片。 平膜片结构简单，位移小，测量较高压力，达100MPa。 波纹膜片通常用磷青铜、铍青铜或不锈钢制作，位移大，灵敏度
6、高，应用普遍，测量范围1Pa1MPa。 挠性膜片用橡胶或塑料制成，几乎没有弹性，起隔离流体作用，压力由其上的弹簧承受，测量010-2Pa压力。,第十章 流体参量测量,第十章 流体参量测量,3波纹管压力计 波纹管作为敏感元件 波纹管是表面上有许多同心环状波形皱纹的薄壁圆管，一端开口为流体入口，另一端密封与机电转换元件连接。,波纹管规格已经标准化和系列化，其轴向位移及轴向应力与内部的压力成正比。 波纹管在轴向容易变形，灵敏度高，缺点是迟滞大(56%)。 波纹管用铍青铜或不锈钢制作。,第十章 流体参量测量,二、常用压力传感器 压力传感器是压力测试系统的核心环节，将压力信号转换成电信号。 根据转换形式
7、的不同，压力传感器有应变式、压电式、压阻式、电容式、电感式、霍尔式、振弦式等。 1应变式压力传感器 常用应变式压力传感器： 平膜片式、应变管式 共同特点： 当敏感元件在被测压力作用下产生弹性变形时，粘贴在弹性敏感元件上的应变片阻值发生变化，引起电桥电路的相应输出信号，从而测得流体压力。,第十章 流体参量测量,(1)平膜片式压力传感器 结构示意图,平圆膜片周边固定。当其一面受流体压力作用时，膜片发生弯曲变形，在另一面(应变片粘贴面)产生径向应变r和切向应变t,第十章 流体参量测量,膜片应变分布曲线,当r=0时r和t相等，且都达到最大值,当r=r0(膜片边缘处)时，t=0，r达到负的应变最大值,第
8、十章 流体参量测量,径向应变r=0,r为正应变,r为负应变,根据膜片应变分布考虑应变片的粘贴位置和方向,第十章 流体参量测量,箔式组合应变片,电阻R1、R3感受正的切向应变t，应变片敏感栅沿圆周方向排列；电阻R2、R4感受负的径向应变r，敏感栅按半径方向排列。 应变片组成全桥电路灵敏度大。,膜片厚度,根据膜片允许的最大应变r和传感器量程p，并选定膜片半径后可求得膜片厚度h 。,第十章 流体参量测量,压力p与膜片中心位移关系,p和yc间非线性关系： 在变形较小情况下，(yc/h)3比yc/h小得多，可以忽略，弯曲应力占支配地位，近似认为p和yc成线性关系。 变形较大，p和yc呈非线性关系。如果要
9、求p和yc间的非线性误差小于5%，膜片中心的最大变形必须小于膜片厚度的1/3 。,第十章 流体参量测量,周边固定的弹性膜片有无穷多阶固有频率，最低阶固有圆频率,温度对膜片式压力传感器的性能影响较大。原因： 1)应变片与被测流体之间仅隔着一层很薄的膜片，流体的温度变化对应变片的工作带来影响； 2)当被测流体温度变化时，膜片内、外表面形成温差，使膜片向温度高的一面凸起，在膜片上引起附加的应力； 3)被测流体温度的变化使膜片材料的E和发生变化影响传感器灵敏度。,第十章 流体参量测量,(2)应变管式压力传感器 传感器示意图,当管内充以流体时，内壁受到压力，外壁呈现平面应力状态，两个主应力方向已知，且切
10、向应力t大于轴向应力a。 应变片沿切线方向粘贴，温度补偿片贴在圆管末端不变形的部位，以得到较大灵敏度。 假设薄壁圆管内径d，外径D，外壁切向应变t为 ：,第十章 流体参量测量,薄壁圆管，若壁厚为h，D/d+12，得,一般认为，应变管工作段长度可取(510)D范围 指出： 1)应变管在最大工作压力时的应力，远小于材料的弹性极限。 2)产生足够应变量，使传感器具有一定的灵敏度。,第十章 流体参量测量,2压阻式压力传感器 工作原理：半导体压阻效应 结构示意图,压力敏感元件为单晶硅膜片4。钢膜片将被测介质与硅膜片隔开，中间充满低粘度硅油，用以传递压力和隔热。 钢膜片高弹性和液体不可压缩性，保证被测压力
11、直接传递到硅膜片上。,硅膜片形状： 周边固支圆形硅膜片，周边固支方形或矩形硅膜片 。,第十章 流体参量测量,压阻式压力传感器采用集成电路，尺寸很小测量局部区域压力。 电阻直接扩散到膜片上，没有粘贴层零漂小，灵敏度高，重复性好。 通常用于中、低压力以及微压和压差的测量。 固有频率一般都在10kHz以上，适用于静态和动态压力测量。,3压电式压力传感器 工作原理：压电材料压电效应，用于动态或瞬态压力测量。 结构形式：活塞式、膜片式,第十章 流体参量测量,活塞式压电压力传感器结构示意图,被测压力通过活塞2、砧盘3将压力传递给压电元件4，压电元件产生的电荷由插头座5输出与仪表相连。 活塞面积小，适用于中
12、、高压测量。 由于活塞质量和刚度、活塞杆前端所测流体粘度等因素的影响，自振频率不高，一般在2030kHz之间。,第十章 流体参量测量,膜片式压电压力传感器结构示意图,承压膜片3只起密封、预压和传递压力的作用。 膜片质量很小，压电晶体刚度很大传感器固有频率很高(达100kHz以上)动态或瞬态压力测量。 常用压电材料有石英晶体、锆钛酸铅和钛酸钡。,压电式压力传感器需采用高输入阻抗的电荷放大器前置放大。,第十章 流体参量测量,压电晶体具有质量，振动条件下工作时产生与振动加速度相对应的输出信号，对中、高量程传感器产生的附加电荷比起被测压力对晶体作用产生的电荷相对较小，对小量程传感器就不容忽略。,带加速
13、度补偿的压力传感器,在传感器内部设置一个附加质量和一组极性相反的补偿压电晶体，补偿加速度的影响。,三、压力测量系统的动态特性,第十章 流体参量测量,四、压力测量系统校准 静态校准、动态校准 静态校准确定压力传感器或压力测量系统的静态灵敏度及静态误差，动态校准确定动态响应特性。,1压力测量装置静态校准 活塞压力计产生静态标准压力的装置 摇动手轮使液压缸的活塞1左移，举起砝码2及柱塞，系统中产生一定的压力作为标准值，与被校压力表5读数进行比较，确定压力表的刻度误差。,第十章 流体参量测量,系统标准压力,高精度校准时，产生的标准压力还应考虑空气对砝码的浮力及柱塞与缸体间隙带来的误差，进行修正。,关闭
14、通往砝码缸的阀门，在接头3上接入比被校压力表5高一精度等级的压力表，移动活塞产生压力，用高一精度等级压力表的读数作标准，检查被校验表的读数，进行相对标定。,第十章 流体参量测量,2压力测量系统动态校准 1)确定压力测量系统的动态响应，估计动态误差 2)校准动态灵敏度 确定测量系统动态特性方法： 建立系统数学模型、实验 动态校准：稳态校准、瞬态校准 稳态校准采用正弦压力作激励信号，测其响应获得频率响应曲线 稳态正弦压力发生器,第十章 流体参量测量,曲柄摇杆带动活塞往复运动，调整缸体2的容积改变输出压力的幅值，不同的曲柄转速产生压力频率变化。 输出压力幅值为6.9MPa时，频率可达100Hz 凸轮
15、4表面形状为正弦曲线，喷嘴3的出口阻力随凸轮表面形状变化而改变喷嘴内压力按正弦变化 压力幅值取决于压力源的压力值，正弦压力的频率由凸轮转速决定。输出压力幅值为6.9MPa时，频率达3kHz 。,第十章 流体参量测量,正弦压力发生器的压力受到气源压力幅值的限制，频率受曲柄或凸轮转速限制，在确定压力测量系统在较高压力下的高频特性时，采用瞬态校准。 压力源常用阶跃压力信号,激波管阶跃压力发生器，由两段等截面的长管4、6及膜片穿孔器2等组成 。,6段管为高压腔，4段管为低压腔，二者用膜片5隔离，低压腔连接被校压力计 。,第十章 流体参量测量,校准时，用穿孔器2将膜片5刺破，从高压腔向低压腔产生压力波(
16、激励)，同时产生一个穿越原高压区的膨胀波。从原高压区的端部反射出减压波，它被叠加到气体粒子上而使粒子速度进一步加强，使阶跃压力以更高的速度沿管子传播。 若已知液体的性质，通过安装在管壁上的两个压力检测器所提供的信息确定传播速度的数值，可求得阶跃压力的大小。 激波管产生相对压力表正的压力阶跃信号，其上升时间约为10-9s，压力达4MPa 。,第十章 流体参量测量,将压力传感器接到具有一定压力的容器上，用快速开启阀门或击穿容器等方法将压力释放，可产生负的压力阶跃信号，其下降时间约为10-4s，压力1.5MPa。 利用压力发生器把瞬变压力加到压力传感器或压力测量系统上，测得响应特性计算出该压力传感器或测压系统在整个频带内的响应。,第十章 流体参量测量,10-2 流量测量,流体密度随流体压力、温度变化。在说明容积流量时，同时指明流体的压力和温度(特别是气体) 流量测量方法： 直接测量法、间接测量法,单位时间内通过某一管道流体的体积Q(体积流量，m3/s或m3/h)或质量G
