第六章壓力(力)的測試

1、6161概述概述 流體、氣體壓力測試工作較頻繁，流流體、氣體壓力測試工作較頻繁，流體、氣體壓力大部分是瞬態(tài)或沖擊的壓力。體、氣體壓力大部分是瞬態(tài)或沖擊的壓力。其延續(xù)時間在幾分之一秒至萬分之幾秒，其其延續(xù)時間在幾分之一秒至萬分之幾秒，其變化頻率約為幾十赫至幾千赫不等。最大壓變化頻率約為幾十赫至幾千赫不等。最大壓力可達數(shù)千兆帕。為此必須根據(jù)具體測試對力可達數(shù)千兆帕。為此必須根據(jù)具體測試對象采用適當?shù)姆椒?。象采用適當?shù)姆椒ā５诹碌诹?壓力壓力(力力)的測試的測試壓力（力）測試在選擇測試方法盡量滿足下列要求：壓力（力）測試在選擇測試方法盡量滿足下列要求：1)1)測壓測試系統(tǒng)的頻響要適應被測參數(shù)的頻

2、率特性，測壓測試系統(tǒng)的頻響要適應被測參數(shù)的頻率特性，使頻率誤差具有足夠小的數(shù)值。使頻率誤差具有足夠小的數(shù)值。2)2)由于被測壓力值一般較高，所以測壓傳感器及其附由于被測壓力值一般較高，所以測壓傳感器及其附件夾具等，應具有足夠的強度，否則會引起傳感器件夾具等，應具有足夠的強度，否則會引起傳感器破壞。但要求傳感器體積不能過大，不然會給使用破壞。但要求傳感器體積不能過大，不然會給使用和安裝帶來困難。和安裝帶來困難。3)3)測壓傳感器的靈敏度要適中，若靈敏度太高，會影測壓傳感器的靈敏度要適中，若靈敏度太高，會影響整個測試設備的復雜程度和增響整個測試設備的復雜程度和增 加消除干擾的困加消除干擾的困難。難

3、。4)4)測壓傳感器的信號輸出應該是線性的，這對一些測測壓傳感器的信號輸出應該是線性的，這對一些測壓傳感器來說是可以滿足要求的。但必須指出，在壓傳感器來說是可以滿足要求的。但必須指出，在設計傳感器夾具、外殼及夾持方式時，常因沒有考設計傳感器夾具、外殼及夾持方式時，常因沒有考慮這些問題而使線性破壞，從而使壓力的標定和處慮這些問題而使線性破壞，從而使壓力的標定和處理工作復雜化，同時還會引起誤差的增加。理工作復雜化，同時還會引起誤差的增加。5)5)測壓傳感器的外形尺寸應盡量小，使傳感器在被測測壓傳感器的外形尺寸應盡量小，使傳感器在被測體上安裝不致引起干涉。體上安裝不致引起干涉。壓力可分為壓力可分為:

4、 靜態(tài)壓力靜態(tài)壓力和和動態(tài)壓力動態(tài)壓力靜態(tài)壓力：靜態(tài)壓力：不隨時間變化或變化非常緩慢的壓力。不隨時間變化或變化非常緩慢的壓力。動態(tài)壓力：動態(tài)壓力：隨時間變化的壓力（如脈動壓力、爆炸沖隨時間變化的壓力（如脈動壓力、爆炸沖 擊波壓力等）。擊波壓力等）。 壓力測量方法壓力測量方法靜態(tài)壓力測量：靜態(tài)壓力測量： 一般采用壓力表、壓力變送器進行測量。一般采用壓力表、壓力變送器進行測量。壓力的分類壓力的分類動態(tài)壓力測量：動態(tài)壓力測量： 動態(tài)壓力測量與靜態(tài)壓力測量不同。動態(tài)壓力測量與靜態(tài)壓力測量不同。動態(tài)壓力測量方法包括：動態(tài)壓力測量方法包括：塑性變形測壓法：塑性變形測壓法：利用銅柱或銅球的塑性變形利用銅柱或

5、銅球的塑性變形 進行測量。進行測量。彈性變形測壓法：彈性變形測壓法：將敏感元件感受壓力而產(chǎn)生將敏感元件感受壓力而產(chǎn)生 的彈性變形量轉換為電量再的彈性變形量轉換為電量再 進行測量。進行測量。 常用壓力檢測儀表常用壓力檢測儀表液液柱柱式式壓壓力力計計彈彈性性壓壓力力計計類別名稱示 意 圖壓力測量范圍 kPa輸出特性動態(tài)性質最小最大時間常數(shù)/s自振頻率/Hz薄膜式平薄膜010010510-510-210104波紋210-110102撓性211102波紋管式波紋210-110102彈簧管式單圈彈簧管010-101061001

6、03多圈彈簧管010-2010510102 壓力壓力( (力力) )的測試方法很多，但比較成熟的的測試方法很多，但比較成熟的方法大致有以下幾種：方法大致有以下幾種： 1)1)塑性測壓法；塑性測壓法； 2)2)應變測壓法；應變測壓法； 3)3)壓電測壓法；壓電測壓法； 4)4)壓阻測壓法；壓阻測壓法； 5)5)電容測壓法；電容測壓法； 6)6)電感測壓法。電感測壓法。 上述測試方法，應用最普遍的是上述測試方法，應用最普遍的是應變應變測壓法測壓法壓電壓電測壓法、及壓阻測壓法。測壓法、及壓阻測壓法。6262應變式測壓法應變式測壓法 應變測壓法，是利用應變式壓力傳感器將壓力信號轉變成應變信號，再通過應

7、變僅將其轉換成電信號并放大輸出給記錄儀器記錄。應變式測壓法適合于在壓力作用時間校長的條件下使用。 應變式測壓傳感器以彈性變形為基礎。被測壓力作用在傳感器的彈性元件上，使彈性元件產(chǎn)生變形，并用彈性應變的大小來表示壓力的大小。由于去載時彈性變形是可以恢復的，所以它不僅能測試壓力的上升段，也可測其下降段，從而反映壓力變化的全過程。彈性測壓法是基于虎克定律，即E應變式測壓傳感器，按其結構可分為：應變式測壓傳感器，按其結構可分為： 膜片式膜片式 薄壁圓筒薄壁圓筒活塞式（柱形圓筒）活塞式（柱形圓筒）被測壓力被測壓力應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器壓力標定機壓力標定機電阻應變儀電阻應變儀測量記錄儀器測量記錄

8、儀器應變式壓力測量系統(tǒng)組成應變式壓力測量系統(tǒng)組成1)測壓彈性元件是膜片式的，受壓后膜片變形，測壓彈性元件是膜片式的，受壓后膜片變形，使膜片上的應變片阻值發(fā)生與壓力成正比的變使膜片上的應變片阻值發(fā)生與壓力成正比的變化?；?當流體的壓力作用在當流體的壓力作用在薄板上，薄板就會產(chǎn)薄板上，薄板就會產(chǎn)生形變生形變(應變應變)，貼在，貼在另一側的應變片隨之另一側的應變片隨之形變形變(應變應變)，通過橋，通過橋式等測量電路，可以式等測量電路，可以測出與應變相對應的測出與應變相對應的輸出電壓，從而得到輸出電壓，從而得到壓力的大小。壓力的大小。這種傳感器的最大固有頻率可達這種傳感器的最大固有頻率可達30kHz

9、的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。 h0rrtrop薄圓板受均勻壓力后的應變分布薄圓板受均勻壓力后的應變分布切向應變:t徑向應變:rtrr0r薄圓板受均勻壓力后的應變方向薄圓板受均勻壓力后的應變方向u 應變分析應變分析 對于半徑為對于半徑為r0沿圓周固定的模片，沿圓周固定的模片，片內(nèi)任意半徑片內(nèi)任意半徑 r 處在壓強處在壓強 P 的作用的作用下的應變下的應變( (膜厚為膜厚為h ) )為為:prrEht)(1 (8322022切向應變切向應變( (與半徑垂直與半徑垂直) )只有拉伸只有拉伸prrEhr)(220223183徑向應變徑向應變( (指向圓心指向圓心) )可拉可壓可拉可壓( (可正可負可正可負)

10、)h0rrtrop薄圓板受均勻壓力后的應變分布薄圓板受均勻壓力后的應變分布u特點特點0143122200rtpEhrrrc,)(，處pEhrrart22201830，處)(正應變最大正應變最大pEhrrrbrt222001430,)(，處徑向負應變最大徑向負應變最大徑向應變片貼片必須避開徑向應變片貼片必須避開u貼片位置貼片位置 在在t =r的的兩個半徑處分別粘兩個半徑處分別粘貼個于檢測徑向貼個于檢測徑向應變和切向應變的應變和切向應變的應變片，構成全差應變片，構成全差動電橋。動電橋。R1R2R3R400707021rrr.r0r等半徑貼片等半徑貼片R1R2R3R4rr0r222032trrrrt

11、r不等半不等半徑貼片徑貼片同等條同等條件應變件應變較大。較大。亦可選擇亦可選擇r 1 =r 21溫度補償電阻；2接線板；3組合應變片平平膜膜式式壓壓力力傳傳感感器器4膜片；5連接管2)測壓彈性元件是一彈性薄壁測壓彈性元件是一彈性薄壁圓筒，受壓后膨脹，則貼在彈圓筒，受壓后膨脹，則貼在彈性筒上的應變片的阻值產(chǎn)生與性筒上的應變片的阻值產(chǎn)生與壓力值成正比的變化。壓力值成正比的變化?？涨皇綉儨y壓傳感器的固有頻率要受填充在應變空腔式應變測壓傳感器的固有頻率要受填充在應變筒空腔中的油柱的限制。這種傳感器的固有頻率在筒空腔中的油柱的限制。這種傳感器的固有頻率在5至至7kHz在的范圍內(nèi)。在的范圍內(nèi)。 DD0P

12、筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器零應變用于零應變用于溫度補償溫度補償環(huán)向應變環(huán)向應變p0212DDnpnEp;)(3)測壓彈性元件是柱形圓筒，受軸向壓力后，產(chǎn)生測壓彈性元件是柱形圓筒，受軸向壓力后，產(chǎn)生軸向變形。軸向變形。 活塞式應變測壓傳感器主要是通過活塞桿，而活塞式應變測壓傳感器主要是通過活塞桿，而不是通過油脂傳遞壓力的，所以它的固有頻率比較不是通過油脂傳遞壓力的，所以它的固有頻率比較高，一般可達高，一般可達10、15kHz?；钊馁|量愈輕，活塞。活塞的質量愈輕，活塞桿的剛度愈大，則固有頻率愈高。桿的剛度愈大，則固有頻率愈高。 工作應變片（一片或兩片）沿軸向貼在應變管的中部。溫度補償片可沿應變

13、管周向粘貼。電橋連接方式6363壓電式測壓法壓電式測壓法 壓電式測壓法適合于壓力作用時間短的情況下使用，除了用其測試火藥氣體壓力以外，也可用來測試液體和氣體的壓力。 壓電效應：有一些電介質的晶體，當它們受到機械力的作用而發(fā)生變形時，會發(fā)生極化，導致晶體表面上出現(xiàn)束縛電荷，所產(chǎn)生的電荷和外力成正比。 可以利用壓電效應把機械量力(壓力)變換為電量電荷(電壓)，這就是壓電測壓傳感器的基本原理。壓電晶體是一種力敏感元件，它可以把力、應力、加速度等機械量轉化為電量以進行非電量的電測。壓電式壓力測量系統(tǒng)組成被測壓力被測壓力壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器壓力標定機壓力標定機電荷放大器電荷放大器電壓放大器電

14、壓放大器測量記錄儀器測量記錄儀器提高靈敏度的方法 在壓電式傳感器中，壓電元件常用兩片或兩片以上組合在一起。由于存在極性，因此有兩種連接方法。1）并聯(lián)法 兩壓電片的負極都集中在中間電極上，正電極在兩邊的電極上，這種連接方法稱為并聯(lián)。輸出電容C為單片電容的n倍；輸出電壓U等于單片電壓Ua； 極板上電荷量Q為單片電荷量Q的n倍，即 Q=nQ U=Ua C= n Ca 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器2)串聯(lián)法 正電荷集中在上極板，負電荷集中在下極板，而中間的極板上片產(chǎn)生的負電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消，這種接法稱為串聯(lián)。 Q=Q U=nUa C= 3）比較： 并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大（因而接

15、上負載后時間常數(shù)大），宜用于以電荷作為輸出量的場合，相對來說允許被測對象變化頻率稍低。 串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，宜用于以電壓作為輸出量的場合，要求后續(xù)電路有較大的輸入阻抗。 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路 1）測量系統(tǒng)框圖2）等效電路Ra為傳感器的漏電阻；Cc為連接電纜的分布電容；Ri為相連放大器的輸入電阻；Ci為相連放大器的輸入電路。3）壓電傳感器的靈敏度 壓電式傳感器的靈敏度有兩種表示方式：電荷靈敏度Kq、電壓靈敏度Ku。 電壓靈敏度：單位機械量（力）作用時的傳感器輸出電壓值； 電荷靈敏度：單位機械量（力）作用時的傳感器輸出電荷量。 兩者之間關系： 可通過壓電元件（或傳感

16、器）的電容Ca聯(lián)系起來，有：aCKKQU 壓電測壓傳感器是發(fā)電型的變換器。壓電效應產(chǎn)生的電荷很少，為保證壓電晶體產(chǎn)生的電荷不會泄漏掉，要重視整個傳感器的電絕緣性能。絕緣零件應當用聚四氟乙烯、聚苯或有機玻璃等高絕緣性能的材料制作。為防止沿表面漏電，零件表面要光潔，在裝配前用汽油、酒精或丙酮、四氯化碳清洗2、3次，并把清洗好的零件在6080的溫度下烘烤一小時。裝配后的絕緣電阻應大于1011歐。 裝配時應當給壓電晶體一定的預壓力，預壓力的大小約25MPa左右。預壓力的作用是消除壓電晶體片、活塞、壓塊之間的間隙，防止壓電晶體因撞擊而受損壞，并可以提高測壓傳感器的固有頻率。（壓電傳感器安裝時要用扭力扳手

17、）壓電測壓傳感器的固有頻率和以下的因素有關：壓電測壓傳感器的固有頻率和以下的因素有關： 1 1傳感器的活動零件，如活塞等的質量越小，剛度越傳感器的活動零件，如活塞等的質量越小，剛度越大，則傳感器的固有頻率越高。大，則傳感器的固有頻率越高。 2 2傳感器殼體的剛度越大，零件的緊因性越好，則固傳感器殼體的剛度越大，零件的緊因性越好，則固有頻率越高。有頻率越高。 壓電傳感器的固有頻率壓電傳感器的固有頻率般可達般可達2525100kHz100kHz。 壓電測壓傳感器時高頻特性是較好的，可以滿足測試火藥壓電測壓傳感器時高頻特性是較好的，可以滿足測試火藥氣體壓力的要求。但是，壓電測壓傳感器在測試緩慢的氣體

18、壓力的要求。但是，壓電測壓傳感器在測試緩慢的壓力變化時，卻可能會引入較大的誤差，壓電測壓傳感壓力變化時，卻可能會引入較大的誤差，壓電測壓傳感器的低頻特性不好，這是壓電傳感器的一個缺點。產(chǎn)生器的低頻特性不好，這是壓電傳感器的一個缺點。產(chǎn)生這個缺點的原因在于靜電荷泄漏。很明顯，壓電傳感器這個缺點的原因在于靜電荷泄漏。很明顯，壓電傳感器的絕緣電阻也不可能是無限大的；測試電路輸入的阻抗的絕緣電阻也不可能是無限大的；測試電路輸入的阻抗也不可能是無限大的，這樣就不可避免的要發(fā)生靜電荷也不可能是無限大的，這樣就不可避免的要發(fā)生靜電荷的泄漏，破壞了壓力和電量的泄漏，破壞了壓力和電量( (電壓電壓) )之間的正

19、比關系。在之間的正比關系。在測試快速變化過程時，由于持續(xù)時間短，漏電的影響不測試快速變化過程時，由于持續(xù)時間短，漏電的影響不大；但是對于緩慢變化的過程，漏電可能產(chǎn)生較大的誤大；但是對于緩慢變化的過程，漏電可能產(chǎn)生較大的誤差。差。 1）由于壓電傳感器的輸出信號非常微弱，需將其輸出電信號進行放大才能測量出來； 2）壓電傳感器的內(nèi)阻抗相當高，不是普通放大器能放大的，需進行阻抗匹配； 3）連接電纜的長度、噪聲對系統(tǒng)輸出有明顯影響。 測量電路測量電路 壓電式傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號。當采用電壓輸出信號時，這時把傳感器看作電壓發(fā)生器；當采用電荷輸出信號時，這時把傳感器看作電荷發(fā)生器。

20、放大器有兩種形式：放大器有兩種形式： 電壓放大器，電壓放大器， 電荷放大器電荷放大器 兩種放大器的主要區(qū)別：兩種放大器的主要區(qū)別： 使用電壓放大器時，整個測量系統(tǒng)對電纜使用電壓放大器時，整個測量系統(tǒng)對電纜電容的變化非常敏感，尤其是連續(xù)電纜長度變電容的變化非常敏感，尤其是連續(xù)電纜長度變化更為明顯；化更為明顯； 使用電荷放大器時，電纜長度變化的影響使用電荷放大器時，電纜長度變化的影響差不多可以忽略不計。差不多可以忽略不計。 電荷放大器的作用是將壓電傳感器輸出的電荷量進行電荷-電壓轉換、放大和歸一后以電壓量輸出，供采集和分析儀器輸入。 1）注意傳感器及連接電纜線的輸出阻抗、防潮防濕；2）傳感器靈敏度

21、的歸一化處理；3）注意電荷放大器的上、下限頻率選擇；4）電荷放大器的 “工作”及“復位”開關的位置；5）要注意全系統(tǒng)的共地。使用注意事項：使用注意事項：由于壓電加速度計是高由于壓電加速度計是高阻抗輸出產(chǎn)品，配套的阻抗輸出產(chǎn)品，配套的電荷放大器也必須與之電荷放大器也必須與之匹配，輸入阻抗一般均匹配，輸入阻抗一般均大于大于109，如要得到良好，如要得到良好的低頻測量效果和低噪的低頻測量效果和低噪聲，甚至要大于聲，甚至要大于1012以上。以上。 需要注意的是電荷放大器的靈敏度設置問題需要注意的是電荷放大器的靈敏度設置問題歸一歸一化化 。將電荷放大器上的傳感器靈敏度選擇旋鈕設置為將電荷放大器上的傳感器

22、靈敏度選擇旋鈕設置為所使用的傳感器靈敏度系數(shù)的值，即傳感器靈敏度歸所使用的傳感器靈敏度系數(shù)的值，即傳感器靈敏度歸一化。一化。 （前面板上端的三個波段開關（前面板上端的三個波段開關 設置）設置）中間的一個波段開關是用來選擇被測中間的一個波段開關是用來選擇被測的振動加速度和電荷放大器的輸出電的振動加速度和電荷放大器的輸出電壓的比例系數(shù)（即工程單位）而設定壓的比例系數(shù)（即工程單位）而設定的選擇旋鈕。歸一化后，工程單位旋的選擇旋鈕。歸一化后，工程單位旋鈕所對應的擋位值，即為被測量值和鈕所對應的擋位值，即為被測量值和電荷放大器輸出電壓的比例系數(shù)，如電荷放大器輸出電壓的比例系數(shù)，如測得電荷放大器輸出電壓的

23、大小，可測得電荷放大器輸出電壓的大小，可用此系數(shù)直接計算得到所測量參量的用此系數(shù)直接計算得到所測量參量的大小。大小。 例如： 某壓電式壓力傳感器的靈敏度為：20pC/MPa。 按照壓電加速度傳感器的靈敏度調節(jié)電荷放大器的輸入靈敏度，這個工作叫歸一化。 調節(jié)輸出增益為100mv，則每MPa輸出100mv，調節(jié)為10mv則每MPa輸出10mv。 6-4 壓阻式測壓法壓阻式測壓法固體受力后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)固體受力后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應。象稱為壓阻效應。壓阻式壓力傳壓阻式壓力傳感器是基于半導體材料感器是基于半導體材料(單晶硅單晶硅)的的壓阻效應原理制成的傳感器，就壓阻效應原理制成的傳感器

24、，就是利用集成電路工藝直接在硅平是利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成擴散壓敏膜片上按一定晶向制成擴散壓敏電阻，當硅膜片受壓時，膜片的電阻，當硅膜片受壓時，膜片的變形將使擴散電阻的阻值發(fā)生變變形將使擴散電阻的阻值發(fā)生變化。硅平膜片上的擴散電阻通?；?。硅平膜片上的擴散電阻通常構成橋式測量電路，相對的橋臂構成橋式測量電路，相對的橋臂電阻是對稱布置的，電阻變化時，電阻是對稱布置的，電阻變化時，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對應關系。對應關系。硅平膜片在圓形硅杯的底部，其硅平膜片在圓形硅杯的底部，其兩邊有兩個壓力腔，分別輸入被兩邊有兩個壓力腔，分別輸入被測差壓或被測

25、壓力與參考壓力。測差壓或被測壓力與參考壓力。髙壓腔接被測壓力，低壓腔與大髙壓腔接被測壓力，低壓腔與大氣連通或接參考壓力。膜片上的氣連通或接參考壓力。膜片上的兩對電阻中，一對位于受壓應力兩對電阻中，一對位于受壓應力區(qū)，另一對位于受拉應力區(qū)。區(qū)，另一對位于受拉應力區(qū)。 壓阻式壓力測量系統(tǒng)組成被測壓力被測壓力壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器壓力標定機壓力標定機電壓放大器電壓放大器測量記錄儀器測量記錄儀器被測壓力被測壓力壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器壓力標定機壓力標定機電阻應變儀電阻應變儀測量記錄儀器測量記錄儀器電容式測壓方法同上電感式測壓方法同上 電容式壓力測量系統(tǒng)組成微小壓力（力）被測壓力被測壓

26、力電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器壓力標定機壓力標定機放大器放大器測量記錄儀器測量記錄儀器放大器：交流橋路調制放大器（頻率調制、脈寬調制）補充：電容測量系統(tǒng)的主要性能、特點補充：電容測量系統(tǒng)的主要性能、特點（一）（一） 主要性能主要性能1 1、 靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度是被測量緩慢變化時傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比。對于變極距型其靜態(tài)靈敏度kg為 可見其靈敏度是初始極板間距的函數(shù)，同時還隨被測量而變化。減小可以提高靈敏度。但過小易導致電容器擊穿（空氣的擊穿電壓為3kVmm）?？稍跇O間加一層云母片（其擊穿電壓大于 103kV/mm）或塑料膜來改善電容器耐壓性能。一般一般0.11mm左

27、右，左右， /0.010.1。/110CCKg 43201CKg實際應用中，為了提高傳感器實際應用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件（如電源電壓、和克服外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對測量精環(huán)境溫度等）的變化對測量精度的影響，常常采用差動型電度的影響，常常采用差動型電容式傳感器。容式傳感器。此類電容傳感器僅適此類電容傳感器僅適于微小位移的測量于微小位移的測量（0.01m數(shù)百微數(shù)百微米）；非接觸測量。米）；非接觸測量。對于變面積型其靜態(tài)靈敏度為對于變面積型其靜態(tài)靈敏度為常用于測量電介質的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介常用于測量電介質

28、的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、質的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。濕度、容量等。 顯然，輸出電容C與被測量之間是非線性關系。 只有當(/1時，略去各非線性項后才能得到近似線性關系為CC0(/)。由于取值不能大，否則將降低靈敏度，因此變極距型電容式傳感器常工作在一個較小的范圍內(nèi)（1cm至零點幾mm），而且最大應小于極板間距的1/51/10。/1100CCC 2 2、非線性、非線性 對變極距型電容式傳感器，當極板間距變化時，其電容量的變化：3201CC可見，差動式的非線性得到很大改善，靈敏度也提高了一倍。如果電

29、容式傳感器輸出量采用容抗容抗XC=1/(C) ，那么被測量就與XC成線性關系，不需要滿足 這一要求了。在忽略邊緣效應時，變面積型和變介電常數(shù)型（測厚除外）電容式傳感器具有很好的線性，但實際上由于邊緣效應引起極板或極筒間電場分布電場分布不均勻，導致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。 采用差動形式，并取兩電容之差為輸出量C42012CC（二）（二） 特點特點1 1溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好傳感器的電容值一般與電極材料無關，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質損耗很小，因此只要從強度、溫度系數(shù)等機械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素(因本身發(fā)熱極小) 影響甚微。而電阻式

30、傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電感式傳感器存在銅損、渦流損耗等，引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂。2 2結構簡單，適應性強結構簡單，適應性強 電容式傳感器結構簡單，易于制造。能在高低溫、強輻射及強磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應能力強，尤其可以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過載等情況下都能正常工作，能測超高壓和低壓差，也能對帶磁帶磁工件進行測量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實現(xiàn)某些特殊要求的測量。3 3動態(tài)響應好動態(tài)響應好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約幾個10-5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在

31、幾MHz的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。又由于其介質損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等。4 4可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應當被測件不能允許采用接觸測量的情況下,電容傳感器可以完成測量任務。當采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應,可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。 電容式傳感器除上述優(yōu)點之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測量，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位

32、移。 不足：不足：1 1輸出阻抗高，負載能力差輸出阻抗高，負載能力差 直流電阻趨于無窮大，交流直流電阻趨于無窮大，交流阻抗阻抗1/( jC)由于由于C一般較小，一般較小，當頻率當頻率不太高時交流阻也不太高時交流阻也很大。很大。電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百為幾十到幾百pF，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當采用低頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達采用低頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達106108。因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響而。因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象

33、，嚴重時甚至無法工作，必須采取屏產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設計和使用帶來不便。容抗大還要求蔽措施，從而給設計和使用帶來不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十M以上），否以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能（如則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍環(huán)境如溫濕度、靈敏度降低），為此還要特別注意周圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等對絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳清潔度等對絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠比低頻時復雜，且寄感器輸出阻抗，但放

34、大、傳輸遠比低頻時復雜，且寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。2 2寄生電容影響大寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容電纜電容(l2m導線可達800pF)、測量電路的雜散電容雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構傳感器極板與其周圍導體構成的電容成的電容等“寄生電容寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度；這些電容(如電纜電容)常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對電纜選擇、安裝、接法有要求。3 3、輸出特性非線性、輸出特性非線性 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線

35、性的，雖可采用差動結構來改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。 隨著材料、工藝、電子技術，特別是集成電路的高速發(fā)展，使電容式傳感器的優(yōu)點得到發(fā)揚而缺點不斷得到克服。電容傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動態(tài)、低壓及一些特殊測量方面大有發(fā)展前途的傳感器。 電感式壓力測量系統(tǒng)組成有位移存在被測壓力被測壓力電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器壓力標定機壓力標定機放大器放大器測量記錄儀器測量記錄儀器放大器：交流橋路調制放大器（頻率調制）放大器優(yōu)點優(yōu)點：結構簡單、可靠，測量力小

36、結構簡單、可靠，測量力小銜鐵為0.520010-5N時，磁吸力為(110)10-5N。分辨力高分辨力高機械位移：0.1m，甚至更?。唤俏灰疲?.1角秒。輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百mV/mm 。重復性好，線性度優(yōu)良重復性好，線性度優(yōu)良在幾十m到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。不足不足：存在交流零位信號（零點殘余電壓零點殘余電壓），不宜于高頻動態(tài)測量。 補充：電感類測量系統(tǒng)的特點補充：電感類測量系統(tǒng)的特點6-5 6-5 塑性塑性測壓法測壓法 自自19世紀世紀60年代諾貝爾首次使用銅柱測年代諾貝爾首次使用銅柱測壓器測得膛內(nèi)火藥燃氣最大壓力后，一百多壓器測得膛內(nèi)火藥燃氣最大

37、壓力后，一百多年來，古老的塑性測壓法在年來，古老的塑性測壓法在“實用彈道學實用彈道學”領域內(nèi)一直是膛壓測量的主要的技術手段，領域內(nèi)一直是膛壓測量的主要的技術手段，至今仍為世界各國采用，究其原因主要是塑至今仍為世界各國采用，究其原因主要是塑性變形測壓法具有以下幾個特點：性變形測壓法具有以下幾個特點：（1）使用方便）使用方便 ；（2）操作簡單）操作簡單 ；（3）不需要破壞武器）不需要破壞武器 。 塑性測壓法具有明顯的經(jīng)濟性和可靠性優(yōu)點，因此，在膛壓測量尤其是重武器膛壓測量領域，塑性變形測壓法應還有相當長的技術壽命。 目前常見的塑性測壓器件有測壓銅柱、銅球等。我國過去基本上沿用前蘇聯(lián)20世紀40年代

38、以前的銅柱系列，技術落后且測壓范圍很小。在過去的幾個五年計劃中，我國已自行研制了具有中國特色的銅柱、銅球測壓系列，改革了我國引進了多批次、多型號進口測壓器件的混亂狀況。 3.58.75mm錐形銅柱測壓范圍：20MPa240Mpa； 3.58.75mm柱形銅柱測壓范圍：250MPa800Mpa； 4.763mm銅球測壓范圍80MPa600Mpa。銅柱測壓法銅柱測壓法 銅柱測壓法所用的測壓試件是銅柱。銅柱用含銅量不小于99.97%、含氧量不大于0.02%的純凈電解銅制成。它具有良好的塑性，同一批銅柱的硬度應相同。 銅柱測壓器按銅柱測壓器按其結構和使用其結構和使用方法不同，可方法不同，可分為旋入式測

39、分為旋入式測壓器和放入式壓器和放入式測壓器兩種測壓器兩種 。 塑性測壓器測壓基本方法為：測量塑性測壓器測壓基本方法為：測量時，將測壓器放入彈膛內(nèi)某位置，火藥時，將測壓器放入彈膛內(nèi)某位置，火藥燃氣壓力通過活塞作用于塑性測壓器件燃氣壓力通過活塞作用于塑性測壓器件（測壓銅柱、銅球等），使其產(chǎn)生塑性（測壓銅柱、銅球等），使其產(chǎn)生塑性永久變形，為獲得膛壓峰值，需要對銅永久變形，為獲得膛壓峰值，需要對銅柱變形量或銅球壓后高進行定度，即獲柱變形量或銅球壓后高進行定度，即獲得變形量或壓后高與壓力之間的對應關得變形量或壓后高與壓力之間的對應關系，該關系通常表示成數(shù)表的形式，稱系，該關系通常表示成數(shù)表的形式，稱為

40、壓力對照表。為壓力對照表。 66測壓系統(tǒng)的靜態(tài)標定與動測壓系統(tǒng)的靜態(tài)標定與動態(tài)標定態(tài)標定 測壓系統(tǒng)的標定分為靜態(tài)標定和動態(tài)標定兩測壓系統(tǒng)的標定分為靜態(tài)標定和動態(tài)標定兩種，靜態(tài)標定的目的是確定測壓系統(tǒng)靜態(tài)特種，靜態(tài)標定的目的是確定測壓系統(tǒng)靜態(tài)特性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復性性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復性等。動態(tài)標定的目的是確定測壓系統(tǒng)的動態(tài)等。動態(tài)標定的目的是確定測壓系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應函數(shù)、時間常數(shù)、固特性參數(shù)，如頻率響應函數(shù)、時間常數(shù)、固有頻率及阻尼比等。有頻率及阻尼比等。靜態(tài)校準靜態(tài)校準壓力檢測儀表的靜態(tài)校準是在靜態(tài)標準條件下壓力檢測儀表的靜態(tài)校準是在靜態(tài)標準條件

41、下(溫度溫度205，濕度濕度80，大氣壓力為，大氣壓力為76080mmHg，且無振動沖擊的環(huán)境，且無振動沖擊的環(huán)境)，采用一定標準等級采用一定標準等級(其精度需為被校儀表的其精度需為被校儀表的35倍倍)的校準設備，的校準設備，對儀表重復對儀表重復(不少于不少于3次次)進行全量程逐級加載和卸載測試，獲得進行全量程逐級加載和卸載測試，獲得各次校準數(shù)據(jù)，以確定儀表的靜態(tài)基本性能指標和精度的過程。各次校準數(shù)據(jù)，以確定儀表的靜態(tài)基本性能指標和精度的過程。校準方法校準方法校準方法通常有校準方法通常有兩種兩種： 1.將被校表與標準表的示值在相同條件下進行比較；將被校表與標準表的示值在相同條件下進行比較； 2

42、.將被校表的示值與標準壓力比較。將被校表的示值與標準壓力比較。無論是壓力表還是壓力傳感器、變送器，均可采用上述兩種方無論是壓力表還是壓力傳感器、變送器，均可采用上述兩種方法。一般在被校表的測量范圍內(nèi)，均勻地選擇至少法。一般在被校表的測量范圍內(nèi)，均勻地選擇至少5個以上的個以上的校驗點，其中應包括起始點和終點。校驗點，其中應包括起始點和終點。a、b、c截止閥；截止閥；d進油閥；進油閥；1測量活塞；測量活塞；2砝碼；砝碼；3活塞筒；活塞筒；4螺旋壓力發(fā)器；螺旋壓力發(fā)器；5工作液；工作液；6壓力表或傳感器；壓力表或傳感器；7手輪；手輪；8絲杠；絲杠；9工作活塞；工作活塞；10油杯；油杯；11進油閥進油

43、閥 活塞式壓力校準系統(tǒng)的結構原理活塞式壓力校準系統(tǒng)的結構原理 標定時，以一定的壓力間距逐次增加壓力，記錄下所加的壓力值Pi，以及相應的記錄儀器的電壓偏移量Vi，標定時所施加的最大壓力應略大于待測壓力的最大值。然后，再逐次減小壓力，記錄下測壓系統(tǒng)記錄儀器的電壓偏移量Vi，并重復35次。 測壓系統(tǒng)常用的靜壓發(fā)生裝置有：測壓系統(tǒng)常用的靜壓發(fā)生裝置有： 活塞式壓力發(fā)生器、杠桿式壓力發(fā)生器活塞式壓力發(fā)生器、杠桿式壓力發(fā)生器及彈簧測力計式壓力發(fā)生器。及彈簧測力計式壓力發(fā)生器。 測壓系統(tǒng)的動態(tài)標定測壓系統(tǒng)的動態(tài)標定壓力系統(tǒng)動態(tài)標定要解決兩個問題：u要獲得一個令人滿意的周期或階躍的壓力源；u要可靠地確定上述壓

44、力源所產(chǎn)生的真實的壓力-時間關系。動態(tài)壓力源的分類如下：動態(tài)壓力源的分類如下：穩(wěn)態(tài)周期性壓力源，穩(wěn)態(tài)周期性壓力源，如活塞與缸筒、凸輪控制如活塞與缸筒、凸輪控制噴嘴、聲諧振器；噴嘴、聲諧振器；非穩(wěn)態(tài)壓力源，非穩(wěn)態(tài)壓力源，如快速卸荷閥、閉式爆炸器、如快速卸荷閥、閉式爆炸器、激波管及落錘液壓動標裝置等。激波管及落錘液壓動標裝置等。電電磁磁式式正正弦弦壓壓力力發(fā)發(fā)生生器器機機械械式式正正弦弦壓壓力力發(fā)發(fā)生生器器穩(wěn)態(tài)校準穩(wěn)態(tài)校準穩(wěn)態(tài)校準穩(wěn)態(tài)校準A1，A2，A3為為壓電式壓力傳感壓電式壓力傳感器，裝在激波管器，裝在激波管的側面，其中的側面，其中A1和和A2特性相同，特性相同，用于測量激波速用于測量激波速度

45、；度； A3是觸發(fā)傳是觸發(fā)傳感器，感器，Ax和和Ay為為被校壓力傳感器被校壓力傳感器（激波管掠過側激波管掠過側面的入射激波階面的入射激波階躍壓力和底端面躍壓力和底端面的反射激波階躍的反射激波階躍壓力壓力）；）；B1，B2，B3為電荷放大器。為電荷放大器。 高壓室低壓室 p4 p1 p4 p3 p2 p1 p1 p2 p3 p6 p3 p50 x稀疏波 激波 接觸面 接觸面 接觸面激波 反射激波反射稀疏波反射稀疏波（a）（b）（c）（d）（a）膜片爆破前情況；（b）膜片爆破后稀疏波反射前情況；（c）稀疏波反射后情況；（d）反射激波波動情況動態(tài)校準動態(tài)校準非穩(wěn)態(tài)校準非穩(wěn)態(tài)校準非穩(wěn)態(tài)校準非穩(wěn)態(tài)校準6

46、-7 6-7 壓力傳感器的安裝問題壓力傳感器的安裝問題 在很多場合，壓力傳感器還不能直接、準確地安裝在需在很多場合，壓力傳感器還不能直接、準確地安裝在需測試的部位，往往需要用連接管道將被測壓力引向壓力測試的部位，往往需要用連接管道將被測壓力引向壓力傳感器。例如，在測量火箭燃燒室的壓力時，要把壓力傳感器。例如，在測量火箭燃燒室的壓力時，要把壓力傳感器齊平地安裝在燃燒室的內(nèi)壁上是有困難的，因為傳感器齊平地安裝在燃燒室的內(nèi)壁上是有困難的，因為高溫氣流會使傳感器無法正常工作。通常是用一個直徑高溫氣流會使傳感器無法正常工作。通常是用一個直徑為為6 635mm35mm或更小一些的孔道把被測壓力引向壓力傳感

47、器?；蚋∫恍┑目椎腊驯粶y壓力引向壓力傳感器。在測量火箭燃氣流場的壓力時，由于還沒有能承受高速、在測量火箭燃氣流場的壓力時，由于還沒有能承受高速、高溫燃氣流的壓力傳感器可供使用，因此就得把壓力傳高溫燃氣流的壓力傳感器可供使用，因此就得把壓力傳感器置于燃氣流場之外，用傳壓管把置于流場中的壓力感器置于燃氣流場之外，用傳壓管把置于流場中的壓力探頭和傳感器連接起來。測量靜態(tài)壓力時，傳壓管對測探頭和傳感器連接起來。測量靜態(tài)壓力時，傳壓管對測量精度沒有多大影響。然而，管道會使壓力測量系統(tǒng)的量精度沒有多大影響。然而，管道會使壓力測量系統(tǒng)的動態(tài)響應變壞，造成動態(tài)壓力測量誤差。如果管道長度動態(tài)響應變壞，造成動態(tài)

48、壓力測量誤差。如果管道長度比較短，壓力波在管道中的一階共振頻率遠遠高于被測比較短，壓力波在管道中的一階共振頻率遠遠高于被測壓力的頻率，則尚能維持足夠的精度。但是，若連接管壓力的頻率，則尚能維持足夠的精度。但是，若連接管道較長，管道的共振頻率接近甚至低于被測壓力的頻率，道較長，管道的共振頻率接近甚至低于被測壓力的頻率，則測量結果就難以致信了。下面分別討論三種測壓管道則測量結果就難以致信了。下面分別討論三種測壓管道系統(tǒng)。系統(tǒng)。 這種形式的傳壓管系統(tǒng)如圖所示，在動態(tài)這種形式的傳壓管系統(tǒng)如圖所示，在動態(tài)壓力測量中是常見的。它是一個諧振壓力測量中是常見的。它是一個諧振 系系統(tǒng)，其固有頻率可按下式計算：統(tǒng)

49、，其固有頻率可按下式計算：式中式中 C聲速聲速(m/s)； l傳壓管長傳壓管長(m)。lCf40一、直管無腔室管道系統(tǒng)一、直管無腔室管道系統(tǒng)直管無腔室管道系統(tǒng)從上式可以看出，傳壓管徑對固有頻率是沒有影響的。從上式可以看出，傳壓管徑對固有頻率是沒有影響的。但是，實際上，隨著傳壓管徑的增加，固有頻率也有但是，實際上，隨著傳壓管徑的增加，固有頻率也有所增大。另外，還應該指出的是，如果管子太細，那所增大。另外，還應該指出的是，如果管子太細，那么由于管壁對空氣質點相對運動造成的粘滯及由粘滯么由于管壁對空氣質點相對運動造成的粘滯及由粘滯產(chǎn)生的吸收效應就增大了。管子越細、頻率越高，則產(chǎn)生的吸收效應就增大了。管子越細、頻率越高，則吸收效應越顯著，壓力波的衰減也就越明顯。根據(jù)聲吸收效應越顯著，壓力波的衰減也就越明顯。根據(jù)聲波在細管中傳播的特性，為了減少壓力波在傳壓管中波在細管中傳播的特性，為了減少壓力波在傳壓管中的衰減，傳壓管內(nèi)半徑的衰減，傳壓