《壓力測(cè)試技術(shù)》PPT課件.ppt

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第三章壓力測(cè)試技術(shù) 3 1壓力的力學(xué)測(cè)量方法3 2壓力的電學(xué)測(cè)量方法3 3電阻應(yīng)變式壓力傳感器3 4壓阻式壓力傳感器3 5電感式壓力傳感器3 6壓電式壓力傳感器3 7壓力檢測(cè)儀表的安裝3 8傳感器的標(biāo)定 劉漢周動(dòng)力學(xué)院 概述 垂直作用在單位面積上的力稱壓力 在國際單位制 SI 和我國法定計(jì)量單位中 壓力的單位是 帕斯卡 簡稱 帕 符號(hào)為 Pa 即1N的力垂直均勻作用在1m2的面積上所形成的壓力值為1Pa 過去采用的壓力單位 工程大氣壓力 kgf cm2 毫米汞柱 mmHg 毫米水柱 mmH2O 物理大氣壓 atm 巴 bar PSI 等均應(yīng)改成法定計(jì)量單位帕 1kgf cm2 0 9807 105Pa1mmH2O 0 9807 10Pa1mmHg 1 332 102Pa1atm 1 01325 105Pa1bar 105Pa1PSI 6 89 103Pa 壓力表示方式 絕對(duì)壓力PJ大氣壓力PD表壓力PBPB PJ PD真空度PZ 負(fù)壓 PZ PD PJ 壓力測(cè)量方法 一 力學(xué)測(cè)量方法 液體壓力平衡 彈性力平衡二 電學(xué)測(cè)量方法 電位式 應(yīng)變式 電容式 電感式 電渦流 壓電式 壓阻式 3 1 1液體壓力平衡利用液柱對(duì)液柱底面產(chǎn)生的靜壓力與被測(cè)壓力相平衡的原理 通過液柱高度來反映被測(cè)壓力的大小優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 使用方便 有相當(dāng)高的準(zhǔn)確度 在本專業(yè)中應(yīng)用很廣泛缺點(diǎn) 量程受液柱高度的限制 體積大 玻璃管容易損壞及讀數(shù)不方便 3 1壓力的力學(xué)測(cè)量方法 采用水銀或水為工作液 用U形管或單管進(jìn)行測(cè)量 常用于低壓 負(fù)壓或壓力差的檢測(cè)被廣泛用于實(shí)驗(yàn)室壓力測(cè)量或現(xiàn)場(chǎng)鍋爐煙 風(fēng)道各段壓力 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各段壓力的測(cè)量 一 U形管壓力計(jì) P P1 P2 g h1 h2 提高工作液密度將增加壓力的測(cè)量范圍 但靈敏度要降低 靜止液體的壓力 流量孔板的壓降 皮托管測(cè)速 測(cè)速管 壓力測(cè)量在氣固兩相流中的應(yīng)用 完整的壓力測(cè)量系統(tǒng) 二 單管壓力計(jì) 由于U形管壓力計(jì)需兩次讀取液面高度 為使用方便 設(shè)計(jì)出一次讀取液面高度的單管壓力計(jì) 因則故由于D d 所以P gh2 三 斜管微壓計(jì) 主要用于測(cè)量微小壓力 負(fù)壓和壓差 它將單管液柱壓力計(jì)的測(cè)量管傾斜放置 這樣可以提高靈敏度 減少讀數(shù)相對(duì)誤差 傾斜角度越小 l越長 測(cè)量靈敏度就越高 但不可太小 否則液柱易沖散 讀數(shù)較困難 誤差增大 這種傾斜管液柱式壓力計(jì)可以測(cè)量到0 98Pa的微壓 為了進(jìn)一步提高微壓計(jì)的精確度 應(yīng)選用密度小的酒精作為工作液體 3 1 2彈性力平衡方法 用彈性傳感器 又稱彈性元件 組成的壓力測(cè)量儀表稱為彈性式壓力計(jì) 彈性元件受壓后產(chǎn)生的形變輸出 力或位移 可以通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)指針指示壓力 或壓差 也可以通過某種電氣元件組成變送器 實(shí)現(xiàn)壓力 或壓差 信號(hào)的遠(yuǎn)傳 彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓后會(huì)產(chǎn)生變形 變形大小與被測(cè)壓力成正比關(guān)系 彈簧管截面為非圓形 橢圓形或扁圓形 并彎成圓弧狀的空心管子一端為封閉 自由端 一端為開口 固定端 彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡單 使用方便 價(jià)格低廉 使用范圍廣 測(cè)量范圍寬可測(cè)負(fù)壓 微壓 低壓 中壓和高壓精度有0 5 1 0 1 5 2 5等 彈性式壓力計(jì)的誤差 1 遲滯誤差相同壓力下 同一彈性元件正反行程的變形量不一樣 產(chǎn)生遲滯誤差 2 后效誤差彈性元件的變形落后于被測(cè)壓力的變化 引起彈性后效誤差 3 間隙誤差儀表的各種活動(dòng)部件之間有間隙 示值與彈性元件的變形不可能完全對(duì)應(yīng) 引起間隙誤差 4 摩擦誤差儀表的活動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí) 相互間存在摩擦力 產(chǎn)生摩擦誤差 5 溫度誤差環(huán)境溫度的變化會(huì)引起金屬材料彈性模量的變化 造成溫度誤差 彈性式壓力計(jì)誤差的改善途徑 1 用無遲滯誤差或遲滯誤差極小的 全彈性 材料和溫度誤差很小的 恒彈性 材料制造彈性元件 2 采用新的轉(zhuǎn)換技術(shù) 減少或取消中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 以減少間隙誤差和磨擦誤差 3 限制彈性元件的位移量 采用無干磨擦的彈性支承或磁懸浮支承等 4 采用合適的制造工藝 使材料的優(yōu)良性能得到充分的發(fā)揮 壓力儀表的校驗(yàn) 常用的校驗(yàn)儀表是活塞式壓力計(jì) 校驗(yàn)就是將被校壓力表和標(biāo)準(zhǔn)壓力表通以相同壓力 比較它們的指示值 如果被校表對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)誤差不大于被校表的最大允許絕對(duì)誤差時(shí) 則認(rèn)為被校表合格 1 油杯 2 針閥 3 進(jìn)油閥 4 油缸 5 活塞 6 砝碼 7 托盤 8 聯(lián)接螺母 9 導(dǎo)管 10 手搖油泵 11 水平調(diào)節(jié)螺釘 12 底盤 3 2壓力的電學(xué)測(cè)量方法 壓力量的電測(cè)系統(tǒng)1 傳感器 2 測(cè)量回路 3 記錄或顯示器 3 3電阻應(yīng)變式壓力傳感器 電阻應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng) 電阻應(yīng)變計(jì) 傳感元件 電阻應(yīng)變儀 轉(zhuǎn)換部分 它將構(gòu)件表面的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值的相對(duì)變化 并將應(yīng)變計(jì)電阻的相對(duì)變化 以電橋轉(zhuǎn)換的方式 轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào) 記錄儀器 記錄電阻應(yīng)變儀的輸出 電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量特點(diǎn) 測(cè)量方法簡單 價(jià)格低廉 靈敏度高 測(cè)量應(yīng)變的靈敏度可達(dá)l微應(yīng)變 即等于10 6 mm mm 準(zhǔn)確度可達(dá)1 2 頻率響應(yīng)好 可測(cè)量0 500000Hz的動(dòng)態(tài)應(yīng)變 慣性極小 測(cè)量應(yīng)變范圍大 量程寬 可在高溫 800 1000 低溫 100 270 高壓液 高達(dá)上萬個(gè)大氣壓 高速旋轉(zhuǎn) 幾千轉(zhuǎn) 幾萬轉(zhuǎn) 分 強(qiáng)磁場(chǎng) 核幅射等特殊條件下進(jìn)行測(cè)量 輸出為電信號(hào) 可遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)或用計(jì)算機(jī)控制 也可用無線電發(fā)報(bào)方式進(jìn)行遙測(cè) 用電阻應(yīng)變計(jì)作為傳感元件可制成各種傳感器 用于測(cè)量力 壓強(qiáng) 扭矩 加速度等物理量 應(yīng)用廣泛 應(yīng)用于傳感器的精度可達(dá)0 05 1 電阻應(yīng)變式壓力傳感器就是眾多電阻應(yīng)變計(jì)中的一種 應(yīng)變式壓力傳感器工作原理 應(yīng)變片是基于應(yīng)變效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件 當(dāng)應(yīng)變片受外力作用產(chǎn)生形變時(shí) 應(yīng)變片的電阻值也將發(fā)生相應(yīng)變化 應(yīng)變式壓力傳感器是由彈性元件 應(yīng)變片以及相應(yīng)的橋路組成的 電阻應(yīng)變式壓力傳感器 1 結(jié)構(gòu)原理壓力使彈性敏感元件變形 導(dǎo)致敏感元件的電阻發(fā)生變化 通過電橋記錄電信號(hào)的變化 達(dá)到測(cè)壓的目的 分為粘貼式與非粘貼式兩種 特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 靈敏度高 量程寬 應(yīng)用特殊場(chǎng)合 輸出信號(hào)小 對(duì)環(huán)境溫度反應(yīng)靈敏 金屬電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu) 箔式應(yīng)變片 電阻應(yīng)變效應(yīng) 當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)其電阻值將發(fā)生變化 F l A R 金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 電阻絲應(yīng)變效應(yīng) 材料的縱向應(yīng)變 即單位長度上的伸長量 橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值 稱 泊松比 高靈敏度系數(shù)電阻絲材料的要求 靈敏系數(shù)k0盡量大 以使變換器的輸出大 靈敏系數(shù)k0在盡可能大的應(yīng)變范圍內(nèi)是常數(shù) 即電阻變化與應(yīng)變成線性關(guān)系 具有足夠的熱穩(wěn)定性 電阻溫度系數(shù)要小 以減少溫度變化引起電阻變化所產(chǎn)生的誤差 電阻率高 當(dāng)要求應(yīng)變片具有一定的電阻值時(shí) 使得線材的長度短 絲柵的尺寸小 具有優(yōu)良的加工與焊接性能 電阻應(yīng)變片的工作特性 1 應(yīng)變片靈敏度系數(shù)影響因素 電阻絲靈敏度系數(shù) 敏感柵尺寸 形狀 粘結(jié)劑 基底 應(yīng)變計(jì)粘貼位置及方向2 應(yīng)變片的溫度特性溫度變化電阻絲與試件的線膨脹系數(shù)變化 電阻應(yīng)變式壓力傳感器 2 電阻應(yīng)變片的溫度效應(yīng) 由溫度變化引起的電阻變化 溫度補(bǔ)償方法 自補(bǔ)償法 橋路補(bǔ)償法 在電橋中加入補(bǔ)償片 補(bǔ)償溫度變化引起的電阻偏差 電阻應(yīng)變式壓力傳感器結(jié)構(gòu)懸鏈膜 應(yīng)變管式張絲式在火電廠的應(yīng)用稱重式給煤機(jī)汽車衡 橋路補(bǔ)償法 電阻應(yīng)變式壓力傳感器 汽車衡 稱重式皮帶給煤機(jī) 容器內(nèi)液體重量 液位 傳感器 液位傳感器 式中A1 A2 傳感器的傳輸系數(shù) g 重力加速度 m s2 被測(cè)溶液的密度 Kg m3 溶液重量 式中Q 容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量 N D 柱形容器的截面積 m2 應(yīng)變式加速度傳感器 在低頻 10 60Hz 振動(dòng)測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用 但不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊 應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1 等強(qiáng)度梁2 質(zhì)量塊3 殼體4 電阻應(yīng)變片 3 4壓阻式壓力傳感器 壓阻元件是基于壓阻效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件 它指在半導(dǎo)體材料的基片上用基成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻 當(dāng)它受外力作用時(shí) 其阻值由于電阻率的變化而改變 擴(kuò)散電阻正常工作需依附彈性元件 常用的是單晶體硅膜片 電阻的靈敏系數(shù) 對(duì)于半徑為r的圓導(dǎo)體 A r2 A A 2 r r又由材料力學(xué)可知 在彈性范圍內(nèi) 為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變 其數(shù)值一般很小 常以微應(yīng)變度量 為電阻絲材料的泊松比 橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值 稱 泊松比 一般金屬 0 3 0 5 為壓阻系數(shù) 與材質(zhì)有關(guān) 為應(yīng)力值 E為材料的彈性模量 金屬電阻的靈敏系數(shù) 材料的幾何尺寸變化引起的材料的電阻率 隨應(yīng)變引起的 壓阻效應(yīng) 金屬材料 k0以前者為主 則k0 1 2 1 7 3 6半導(dǎo)體 k0值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定 壓阻式壓力傳感器的測(cè)量特點(diǎn) 1 結(jié)構(gòu)簡單 可微型化 有效面積的直徑僅有零點(diǎn)幾毫米或更小 2 精度高 實(shí)際精度可達(dá)0 1 0 05 最高可達(dá)0 01 可靠性高 廣泛用于宇航和航空工業(yè)中 3 頻率響應(yīng)高 傳感器本身的固有頻率高 可達(dá)50 1500kHz 因此可以測(cè)幾千赫 幾十千赫以上的脈動(dòng)壓力 4 靈敏度高 其靈敏度系數(shù)比金屬絲應(yīng)變式壓力傳感器高50 100倍 分辨力高 可測(cè)僅有1 2mm水柱的微壓 5 輸出電平大 可達(dá)200mV左右 有時(shí)可不加放大器直接測(cè)量其輸出信號(hào) 壓阻式壓力傳感器測(cè)量的主要缺點(diǎn) 壓阻式壓力傳感器在測(cè)量中存在著測(cè)量較大應(yīng)變時(shí) 存在非線性較嚴(yán)重及電阻和靈敏度系數(shù)的溫度穩(wěn)定性差的不足 因此必須找到有效 可靠的溫度補(bǔ)償措施 r 0 r t達(dá)最大值 r 0 58r0 r 0 r r0 r達(dá)負(fù)的最大值 r r0 t 0 壓阻式壓力傳感器輸出 3 5電感式壓力傳感器 單繞組電感變換器 差動(dòng)式電感傳感器 為了克服單繞組電感傳感器的缺陷 設(shè)計(jì)了差動(dòng)式電感傳感器 即用兩只幾何尺寸完全相同 導(dǎo)磁體材料相同 上下線圈的電氣參數(shù)即線圈銅電阻 電感 匝數(shù)完全一致的單繞組電感傳感器組成 長處 靈敏度高 精度高 輸出信號(hào)大 結(jié)構(gòu)簡單 工作可靠 壽命長 不足之處 因溫度影響造成測(cè)量誤差較大 不適合高頻脈動(dòng)壓力的測(cè)量 常用于準(zhǔn)動(dòng)態(tài) 頻率較低的壓力測(cè)量 電動(dòng)差壓變送器 差壓變送器 3 6壓電式壓力傳感器 1 壓電式壓力傳感器壓電效應(yīng)原理 壓電材料受壓時(shí)會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷 其電荷量與所受的壓力成正比 壓電材料 單晶體 多晶體特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 緊湊 小巧輕便 工作可靠 線性度好 頻率響應(yīng)高 量程范圍廣 壓電材料 壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類 壓電晶體 如石英晶體 經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷 高分子壓電材料 壓電效應(yīng) 順壓電效應(yīng) 將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象 加力變形產(chǎn)生電荷 逆壓電效應(yīng) 電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象 施加電場(chǎng)電介質(zhì)產(chǎn)生變形應(yīng)力 當(dāng)壓電晶片確定后 則極板間的電壓Ua和外力Fx成正比 1 石英晶體的壓電效應(yīng) X軸 電軸或1軸 Y軸 機(jī)械軸或2軸 Z軸 光軸或3軸 縱向壓電效應(yīng) 沿電軸 X軸 方向的力作用下產(chǎn)生電荷 橫向壓電效應(yīng) 沿機(jī)械軸 Y軸 方向的力作用下產(chǎn)生電荷在光軸 Z軸 方向時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng) 晶體切片 當(dāng)沿電軸方向加作用力Fx時(shí) 則在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷 d11 壓電系數(shù) C N 作用力是沿著機(jī)械軸方向時(shí) 電荷仍在與X軸垂直的平面 此時(shí) 切片上電荷的符號(hào)與受力方向的關(guān)系 圖 a 是在X軸方向受壓力 圖 b 是在X軸方向受拉力 圖 c 是在Y軸方向受壓力 圖 d 是在Y軸方向受拉力 石英晶體的壓電效應(yīng) a 正負(fù)電荷是互相平衡的 所以外部沒有帶電現(xiàn)象 b 在X軸方向壓縮 表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷 B表面呈現(xiàn)正電荷 c 沿Y軸方向壓縮 在A和B表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷 壓電材料簡介 石英晶體 一種天然晶體 壓電系數(shù)d11 2 31 10 12C N 莫氏硬度為7 熔點(diǎn)為1750 膨脹系數(shù)僅為鋼的1 30 優(yōu)點(diǎn) 轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高 線性范圍寬 重復(fù)性好 固有頻率高 動(dòng)態(tài)特性好 工作溫度高達(dá)550 壓電系數(shù)不隨溫度而改變 工作濕度高達(dá)100 穩(wěn)定性好 2 壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 人工制造的多晶體 壓電機(jī)理與壓電晶體不同 壓電陶瓷的極化 陶瓷片極化 壓電陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖 自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)值相等 它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外的作用 因此陶瓷片對(duì)外不表現(xiàn)極性 壓電陶瓷的正壓電效應(yīng) 壓電陶瓷片上加上一個(gè)與極化反向平行的外力 陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形 原來吸附在極板上的自由電荷 一部分被釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象 當(dāng)壓力撤消后 陶瓷片恢復(fù)原狀 片內(nèi)的正 負(fù)電荷之間的距離變大 極化強(qiáng)度也變大 因此電極上又吸附部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象 放電電荷的多少與外力的大小成比例關(guān)系 Q 電荷量 d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù) F 作用力 常見壓電陶瓷 1 鈦酸鋇 BaTiO3 壓電陶瓷具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù) 機(jī)械強(qiáng)度不如石英 2 鋯鈦酸鉛Pb Zr Ti O3系壓電陶瓷 PZT 壓電系數(shù)較高 各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度 時(shí)間等外界條件的變化小 在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素 可以獲得不同性能的PZT材料 3 鈮鎂酸鉛Pb MgNb O3 PbTiO3 PbZrO3壓電陶瓷 PMN 具有較高的壓電系數(shù) 在壓力大至700kg cm2仍能繼續(xù)工作 可作為高溫下的力傳感器 常用壓電材料 a 等效為一個(gè)電荷源Q與一個(gè)電容Ca并聯(lián)的電路 b 等效成一個(gè)電源U Q Ca和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)電路 壓電式壓力傳感器工作原理 壓電式壓力傳感器測(cè)量原理 壓電式壓力傳感器測(cè)量要求 壓電傳感器的晶體可以看成為一個(gè)產(chǎn)生電荷的高內(nèi)阻發(fā)電元件 它把壓力的作用變換為電荷量 由于壓電元件的內(nèi)阻很高且輸出信號(hào)微弱 一般不能直接記錄和顯示 顯然不能用一般的低輸入阻抗儀表來進(jìn)行測(cè)量 否則 壓電晶片上的電荷就要通過測(cè)量電路的低輸入阻抗泄漏掉 只有當(dāng)測(cè)量電路的輸入阻抗較高 快速測(cè)量被測(cè)參數(shù)的變化 所測(cè)得的結(jié)果才接近電荷的實(shí)際變化 壓電式壓力傳感器的測(cè)量線路 組成 測(cè)量線路的組成包括前置放大器 輸出信號(hào)電纜要求 1 實(shí)現(xiàn)阻抗變換 將壓電晶片的高輸出阻抗變換成低輸出阻抗 2 將微弱的輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)放大 兩個(gè)壓電片的聯(lián)結(jié)方式 1 并聯(lián) Q 2Q U U C 2C并聯(lián)接法輸出電荷大 本身電容大 時(shí)間常數(shù)大 適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的地方 2 串聯(lián) Q Q U 2U C C 2而串聯(lián)接法輸出電壓大 本身電容小 適宜用于以電壓作輸出信號(hào) 且測(cè)量電路輸入阻抗很高的地方 圖左 從電路上看 這是并聯(lián)接法 類似兩個(gè)電容的并聯(lián) 所以 外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍 電容量也增加了1倍 輸出電壓與單片時(shí)相同 圖右 從電路上看是串聯(lián)的 兩壓電片中間粘接處正負(fù)電荷中和 上 下極板的電荷量與單片時(shí)相同 總電容量為單片的一半 輸出電壓增大了1倍 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路 壓電式傳感器要求負(fù)載電阻RL必須有很大的數(shù)值 才能使測(cè)量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi) 因此常先接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器 然后再接一般的放大電路及其它電路 測(cè)量電路關(guān)鍵在高阻抗的前置放大器 前置放大器兩個(gè)作用 把壓電式傳感器的微弱信號(hào)放大 把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出 壓電傳感器在實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中的等效電路 1 電壓放大器 Ca 傳感器的電容Ra 傳感器的漏電阻Cc 連接電纜的等效電容Ri 放大器的輸入電阻Ci 放大器的輸入電容 前置放大器輸入電壓 壓電元件的力F Fmsin t壓電元件的壓電系數(shù)為d11 產(chǎn)生的電荷為Q d11 F 輸入電壓的幅值 當(dāng)作用力是靜態(tài)力 0 時(shí) 前置放大器的輸入電壓為零 原理上決定了壓電式傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量 壓電式傳感器突出優(yōu)點(diǎn) 高頻響應(yīng)相當(dāng)好 壓電式壓力傳感器不能測(cè)靜態(tài)力 壓電式壓力傳感器時(shí)間常數(shù)一定 傳感器的高頻響應(yīng)好 測(cè)量低頻動(dòng)態(tài)壓力 應(yīng)增大壓電式壓力傳感器的時(shí)間常數(shù) 壓電式壓力傳感器的時(shí)間常數(shù) 與壓電式壓力傳感器的靈敏度ku的關(guān)系 C 但ku 傳感器的低頻響應(yīng)范圍 如果被測(cè)物理量是緩慢變化的動(dòng)態(tài)量 而測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)又不大 則造成傳感器靈敏度下降 因此為了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍 就必須盡量提高回路的時(shí)間常數(shù) 但這不能靠增加測(cè)量回路的電容量來提高時(shí)間常數(shù) 因?yàn)閭鞲衅鞯碾妷红`敏度與電容成反比的 切實(shí)可行的辦法是提高測(cè)量回路的電阻 由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大 所以測(cè)量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻 放大器的輸入電阻越大 測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)就越大 傳感器的低頻響應(yīng)也就越好 電壓放大器應(yīng)用限制 壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí) 連接電纜不能太長 電纜長 電纜電容Cc就大 電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低 電壓放大器與電荷放大器相比 電路簡單 元件少 價(jià)格便宜 工作可靠 但是電纜長度對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響較大 在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場(chǎng)合的應(yīng)用 解決電纜問題的辦法 將放大器裝入傳感器中 組成一體化傳感器 2 電荷放大器 壓電式傳感器另一種專用的前置放大器 能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源 而且輸出電壓正比于輸入電荷 因此 電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用 其輸入阻抗高達(dá)1010 1012 輸出阻抗小于100 使用電荷放大器突出的一個(gè)優(yōu)點(diǎn) 在一定條件下 傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān) 壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路 K是放大器的開環(huán)增益 K 表示放大器的輸出與輸入反相 若開環(huán)增益足夠高 則放大器的輸入端的電位接近 地 電位 充電電壓接近等于放大器的輸出電壓 幾點(diǎn)結(jié)論 1 電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān) 而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關(guān)系 2 只要保持反饋電容的數(shù)值不變 就可得到與電荷量Q變化成線形關(guān)系的輸出電壓 3 反饋電容Cf小 輸出就大 4 要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求 就必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙?5 輸出電壓與電纜電容無關(guān)條件 1 K Cf Ca Cc Ci 電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓 Q U轉(zhuǎn)換器 但并無放大電荷的作用 只是一種習(xí)慣叫法 四通道電荷放大器外形 電荷放大器外形 例1 交通監(jiān)測(cè) 將高分子壓電電纜埋在公路上 可以獲取車型分類信息 包括軸數(shù) 軸距 輪距 單雙輪胎 車速監(jiān)測(cè) 收費(fèi)站地磅 闖紅燈拍照 停車區(qū)域監(jiān)控 交通數(shù)據(jù)信息采集 道路監(jiān)控 及機(jī)場(chǎng)滑行道等 例2 汽車安全氣囊系統(tǒng) 事故性碰撞 點(diǎn)火信號(hào) 電點(diǎn)火管 氣體發(fā)生劑 氣體 充氣 彈性體 例3 氣體發(fā)生器輸出特性測(cè)試 密封容器壓力測(cè)試法 例4 壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用 壓電式步態(tài)分析跑臺(tái) 壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置 壓電傳感器測(cè)量雙腿跳的動(dòng)態(tài)力 3 7壓力檢測(cè)儀表的安裝 一 壓力檢測(cè)儀表的選擇1 儀表量程的選擇被測(cè)壓力較穩(wěn)定 最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的3 4被測(cè)壓力波動(dòng)較大或測(cè)脈動(dòng)壓力 最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的2 3為保證測(cè)量準(zhǔn)確度 最小工作壓力不應(yīng)低于滿量程的1 3優(yōu)先滿足最大工作壓力條件 2 儀表精度的選擇壓力檢測(cè)儀表的精度主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定 即要求實(shí)際被測(cè)壓力允許的最大絕對(duì)誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差 3 儀表類型的選擇從被測(cè)介質(zhì)壓力大小來考慮被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)對(duì)儀表輸出信號(hào)的要求使用的環(huán)境 壓力表的安裝 1 取壓口的選擇在管道或煙道上取壓測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的壓力測(cè)量液體介質(zhì)的管道上取壓 2 導(dǎo)壓管的鋪設(shè)導(dǎo)壓管是傳遞壓力 壓差信號(hào)的 3 壓力 壓差計(jì)的安裝 壓力傳感器的安裝 1 管子越細(xì) 頻率越高 則吸收效應(yīng)越顯著 壓力波的衰減也就越明顯 2 隨著傳壓管長的增加 系統(tǒng)的固有頻率就下降 即動(dòng)態(tài)特性變差 直管無腔室管道系統(tǒng) 有空腔的傳壓管系統(tǒng) 增大 n 測(cè)量系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性變好 若使 n增大 則要使傳壓小管直徑d增加 而容腔體積V和傳壓小管長度L要減小d的增加 和V及L的減小 則會(huì)使阻尼比 減小 當(dāng) 減小到一定程度時(shí) 就會(huì)使系統(tǒng)的固有頻率 n和被測(cè)壓力的頻率 接近直至相等 嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生共振 非諧振傳壓管系統(tǒng) 消除共振 改善頻率響應(yīng)特性 擴(kuò)大測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力的頻率范圍 曲線1為容腔環(huán)節(jié)的頻率特性 它表征了壓力測(cè)量系統(tǒng)總的頻率特性 曲線1 是增加了傳壓小管直徑d 減小長度L和V 使環(huán)節(jié)的固有頻率增加 然而此舉使阻尼比 減少虛線1 采用非諧振傳壓管系統(tǒng) 改善了整個(gè)系統(tǒng)的頻率特性 基本參數(shù)指標(biāo) 環(huán)境參數(shù)指標(biāo) 可靠性指標(biāo) 其他指標(biāo) 量程指標(biāo) 量程范圍 過載能力等靈敏度指標(biāo) 靈敏度 分辨力 滿量程輸出等精度有關(guān)指標(biāo) 精度 誤差 線性 滯后 重復(fù)性 靈敏度誤差 穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 固定頻率 阻尼比 時(shí)間常數(shù) 頻率響應(yīng)范圍 頻率特性 臨界頻率 臨界速度 穩(wěn)定時(shí)間等 溫度指標(biāo) 工作溫度范圍 溫度誤差 溫度漂移 溫度系數(shù) 熱滯后等抗沖振指標(biāo) 允許各向抗沖振的頻率 振幅及加速度 沖振所引入的誤差其他環(huán)境參數(shù) 抗潮濕 抗介質(zhì)腐蝕等能力 抗電磁場(chǎng)干擾能力等 工作壽命 平均無故障時(shí)間 保險(xiǎn)期 疲勞性能 絕緣電阻 耐壓及抗飛弧等 使用有關(guān)指標(biāo) 供電方式 直流 交流 頻率及波形等 功率 各項(xiàng)分布參數(shù)值 電壓范圍與穩(wěn)定度等外形尺寸 重量 殼體材質(zhì) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等安裝方式 饋線電纜等 3 8傳感器的標(biāo)定 標(biāo)定 通過試驗(yàn)建立傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系 標(biāo)定曲線 試驗(yàn)求得的傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系曲線 輸出特性曲線 標(biāo)定方法 利用已知的標(biāo)準(zhǔn)值輸入到待標(biāo)定的傳感器中 傳感器得到相應(yīng)的輸出量 將輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量繪制成曲線即得標(biāo)定曲線 按傳感器的種類和使用情況不同 其標(biāo)定方法也不同 荷重 應(yīng)力 壓力傳感器等的靜標(biāo)定方法是利用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行標(biāo)定 它們更精確的標(biāo)定則是在壓力試驗(yàn)機(jī)上用專門的荷載標(biāo)定器標(biāo)定 位移傳感器的標(biāo)定則是采用標(biāo)準(zhǔn)量塊或位移標(biāo)定器 標(biāo)定要求 標(biāo)定應(yīng)該在與其使用條件相似的狀態(tài)下進(jìn)行 增加重復(fù)標(biāo)定的次數(shù) 以提高測(cè)試精度 傳感器需定期標(biāo)定 一般以一年為期 對(duì)重要的試驗(yàn) 需在試驗(yàn)前后的標(biāo)定誤差 在允許的范圍內(nèi) 傳感器的標(biāo)定分為靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定兩種 靜態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器靜態(tài)特性指標(biāo) 如線性度 靈敏度 滯后和重復(fù)性等 傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要是研究傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 而與動(dòng)態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù) 一階傳感器只有一個(gè)時(shí)間常數(shù) 二階傳感器則有固有頻率 n和阻尼比 兩個(gè)參數(shù) 動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù) 如頻率響應(yīng) 時(shí)間常數(shù) 固有頻率和阻尼比等 有時(shí) 根據(jù)需要也要對(duì)橫向靈敏度 溫度響應(yīng) 環(huán)境影響等進(jìn)行標(biāo)定 選用傳感器的基本原則 1 根據(jù)實(shí)際需要 保證主要的參數(shù) 2 不必盲目追求單項(xiàng)指標(biāo)的全面優(yōu)異 主要關(guān)心其穩(wěn)定性和變化規(guī)律性 靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件 沒有加速度 振動(dòng) 沖擊 除非這些參數(shù)本身就是被測(cè)物理量 及環(huán)境溫度一般為室溫 20 5 相對(duì)濕度不大于85 大氣壓力為101 7kPa的情況 標(biāo)定儀器設(shè)備精度等級(jí)的確定 對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定 是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo) 實(shí)際上也是確定傳感器的測(cè)量精度 標(biāo)定傳感器時(shí) 所用的測(cè)量儀器的精度至少要比被標(biāo)定的傳感器的精度高一個(gè)等級(jí) 這樣 通過標(biāo)定確定的傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)才是可靠的 所確定的精度才是可信的 靜態(tài)特性標(biāo)定的方法 標(biāo)定過程步驟 將傳感器全量程 測(cè)量范圍 分成若干等間距點(diǎn) 根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況 由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)的輸入標(biāo)準(zhǔn)量值 并記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值 將輸入值由大到小一點(diǎn)一點(diǎn)的減少 同時(shí)記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值 按 所述過程 對(duì)傳感器進(jìn)行正 反行程往復(fù)循環(huán)多次測(cè)試 將得到的輸出 輸入測(cè)試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線 對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理 根據(jù)處理結(jié)果就可以確定傳感器的線性度 靈敏度 滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo) 壓力發(fā)生部分 測(cè)量部分 活塞壓力計(jì)標(biāo)定過程 標(biāo)定時(shí) 把傳感器裝在聯(lián)接螺帽上 然后 按照活塞壓力計(jì)的操作規(guī)程 轉(zhuǎn)動(dòng)壓力泵的手輪 使托盤上升到規(guī)定的刻線位置 按照所要求的壓力間隔 逐點(diǎn)增加砝碼重量 使壓力計(jì)產(chǎn)生所需的壓力 同時(shí)用數(shù)宇電壓表記下傳感器在相應(yīng)壓力下的輸出值 這樣就可以得出被標(biāo)定傳感器或測(cè)壓系統(tǒng)的輸出特性曲線 即輸出與壓力之間的關(guān)系曲線 根據(jù)這條曲線就可確定出所需要的各個(gè)靜態(tài)特性指標(biāo) 加壓前的準(zhǔn)備關(guān)閉壓力計(jì)上的兩個(gè)閥門 開啟壓力臺(tái)上油杯的進(jìn)油閥 搖退壓力臺(tái)上的活塞螺桿 使壓力臺(tái)油缸中充進(jìn)油 關(guān)閉油杯的進(jìn)油閥 然后開啟壓力計(jì)上的閥門 搖進(jìn)活塞螺桿 直至壓力計(jì)上有壓力讀數(shù)為止 校驗(yàn)在測(cè)量范圍內(nèi)選取從0 5兆帕至5 5兆帕間隔0 5兆帕作為校驗(yàn)點(diǎn) 增壓至校驗(yàn)點(diǎn)后讀數(shù) 輕敲表殼后再讀數(shù) 增壓至5 5兆帕后再緩慢降壓至每一校驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn) 活塞壓力計(jì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)步驟 圖3 52壓力標(biāo)定曲線 上述標(biāo)定方法不適合壓電式壓力測(cè)量系統(tǒng) 因?yàn)榛钊麎毫τ?jì)的加載過程時(shí)間太長 致使傳感器產(chǎn)生的電荷有泄漏 嚴(yán)重影響其標(biāo)定精度 所以 對(duì)壓電式測(cè)壓系統(tǒng)一般采用杠桿式壓力標(biāo)定機(jī)或彈簧測(cè)力計(jì)式壓力標(biāo)定機(jī) 為了保證壓力傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度 需定期檢定 檢定周期最長不超過一年 杠桿式測(cè)力計(jì)標(biāo)定裝置 如圖所示 砝碼重量與壓力的關(guān)系W pSb a 彈簧式測(cè)力計(jì)標(biāo)定裝置 如圖所示 p F S式中 F 測(cè)力計(jì)檢定表所測(cè)得的傳感器所受的力 S 傳感器的受力面積 壓力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定 給傳感器加一個(gè)特性已知的校準(zhǔn)動(dòng)壓信號(hào)作為激勵(lì)源 從而得到傳感器的輸出信號(hào) 經(jīng)計(jì)算分析 數(shù)據(jù)處理 即可確定傳感器的頻率特性 壓力傳感器在標(biāo)定時(shí)廣泛采用激波管法方法 激波管法三大特點(diǎn) 壓力幅度范圍寬 便于改變壓力值 頻率范圍寬 2kHz 2 5MHz 便于分析研究和數(shù)據(jù)處理 1 激波管標(biāo)定裝置工作原理 圖3 54激波管標(biāo)定裝置系統(tǒng)原理框圖 1 高壓室2 低壓室3 膜片4 側(cè)面被標(biāo)定的傳感器5 底面被標(biāo)定的傳感器6 7 測(cè)速壓力傳感器8 測(cè)速前置級(jí)9 數(shù)字頻率計(jì)10 測(cè)壓前置級(jí)11 記錄裝置12 氣源13 氣壓表14 泄氣門 激波管標(biāo)定裝置系統(tǒng) 激波管入射激波測(cè)速系統(tǒng)標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)氣源 激波管中壓力與波動(dòng)情況 膜片爆破前的情況 b 膜片爆破后稀疏波反射前的情況稀疏波反射后的情況 d 反射激波的波動(dòng)情況 激波管標(biāo)定過程 由激波管作為動(dòng)態(tài)壓力源 產(chǎn)生一個(gè)階躍壓力來激勵(lì)被標(biāo)定的壓力傳感器 然后用適當(dāng)?shù)挠涗泝x器記下傳感器被激勵(lì)后的響應(yīng)過程 最后 根據(jù)這一響應(yīng)曲線求出傳感器的傳遞函數(shù)或頻率特性 2 正弦壓力發(fā)生器 當(dāng)振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí) 彈簧活塞塊就受到一個(gè)與振動(dòng)臺(tái)頻率相同的加速度激勵(lì) 腔室內(nèi)的油受活塞塊作用產(chǎn)生壓力變化 從而使標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被標(biāo)傳感器同時(shí)受到正弦變化的壓力作用 通過改變振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率和幅度 就可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的 得到系統(tǒng)的幅頻特性 思考題 電阻應(yīng)變式壓力傳感器與壓阻式壓力傳感器的區(qū)別 什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng) 壓電傳感器能否用于靜態(tài)測(cè)量 電荷放大器和電壓放大器有何特點(diǎn) 非諧振傳壓管路的優(yōu)點(diǎn) 活塞壓力計(jì)的標(biāo)定原理