測量技術(shù)第三章壓力檢測

輪機(jī)測試技術(shù)主講：陳益瑞2023/1/141輪機(jī)工程測試技術(shù)第三章的問題壓力的檢測方法有哪些？常用液柱式測壓儀表有哪些？常用彈性測壓儀表有哪些？壓力傳感器有哪些？何謂壓電效應(yīng)？壓電晶片是如何連接的？電阻應(yīng)變片的種類有哪些？如何接電橋？氣缸的最高壓力和平均壓力如何測量？壓力表是如何標(biāo)定的？2023/1/142輪機(jī)工程測試技術(shù)第三章壓力檢測工程上習(xí)慣把壓強(qiáng)稱為壓力，通過測量所得的壓力有絕對壓力、表壓力之分。按壓力變化的性質(zhì)不同，通?？蓪⑵浞譃榉€(wěn)定的或緩慢變化的壓力(如潤滑系統(tǒng)的滑油壓力、冷卻系統(tǒng)的冷卻水壓力和大氣壓力等)和迅速變化的壓力(氣缸內(nèi)壓力、進(jìn)排氣壓力和高壓油管中燃油壓力等)。2023/1/143輪機(jī)工程測試技術(shù)壓力檢測方法1.平衡法：通過儀表使液柱高度的重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡的原理測量壓力2.彈性法：利用各種形式的彈性元件，在被測介質(zhì)的表壓力或負(fù)壓力作用下產(chǎn)生的彈性變形來反映被測壓力的大小3.電氣式：用壓力敏感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電感量等電量的變化測量壓力的儀表，按信號原理不同，大致可分為三類：液柱式：根據(jù)流體靜力學(xué)原理，把被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度機(jī)械式：根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移電氣式：將被測壓力轉(zhuǎn)換成各種電量，如電感、電容、電阻、電位差等，依據(jù)電量的大小實(shí)現(xiàn)壓力的間接測量?2023/1/144輪機(jī)工程測試技術(shù)3-1液柱式測壓儀表液柱式壓力計(jì)的測量范圍可由10Pa到200~300KPa,因而主要應(yīng)用于微壓或稍高于大氣壓的測量中。為了滿足不同要求的測量,液柱式壓力計(jì)的工作液體常用水銀、水、酒精、甲苯等,對它們的要求是:物理、化學(xué)性能穩(wěn)定,不易揮發(fā),密度不變,另外最好不與玻璃吸附,以保證準(zhǔn)確地讀數(shù)。液柱式壓力計(jì)還有一些附加誤差,如溫度及當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹榉菢?biāo)準(zhǔn)值時(shí)都要產(chǎn)生附加誤差。液柱式壓力計(jì)在使用中還要注意安裝垂直,因基底傾斜也會產(chǎn)生附加誤差。2023/1/145輪機(jī)工程測試技術(shù)原理：利用液柱對液柱底面產(chǎn)生的靜壓力與被測壓力相平衡的原理，通過液柱高度來反映被測壓力的大小。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1.U形管壓力計(jì)一般用于測量氣體的壓差。一端用軟管與被測氣體相通，另一端通大氣。測量壓差時(shí)，U形管兩端均用軟管通所測部位氣體。讀數(shù)時(shí)，水和酒精應(yīng)從凹面谷算起，水銀應(yīng)從凸面頂峰算起。2023/1/146輪機(jī)工程測試技術(shù)2.水銀大氣壓力計(jì)使用時(shí)應(yīng)調(diào)整螺釘使容器內(nèi)水銀面剛好接觸象牙針尖。移動(dòng)游標(biāo)，讀出水銀液柱的精確高度，即可求得當(dāng)時(shí)的大氣壓力。但環(huán)境溫度、重力加速度等的變化會使標(biāo)尺和工作液密度發(fā)生變化，影響測量精度，故應(yīng)對液柱高度進(jìn)行修正。2023/1/147輪機(jī)工程測試技術(shù)3.斜管微壓計(jì)專供測量微小壓力或壓差的實(shí)驗(yàn)用儀表。測壓范圍:2Pa~2000Pa。測量時(shí)，較高壓力（p1）一端與容器連接，較低壓力（p2）一端與斜管連接。由于容器截面積F1遠(yuǎn)大于斜管截面積F2，被測介質(zhì)的密度ρ遠(yuǎn)小于工作液的密度ρ0時(shí)，上式可簡化為可見：斜管微壓計(jì)的刻度比U形壓力計(jì)的刻度放大了1/sinα。2023/1/148輪機(jī)工程測試技術(shù)4.貝茲微壓計(jì)測量微小壓力的較高測量精度的儀表。測壓范圍可達(dá)4000Pa，讀數(shù)精度為1Pa。可用于測量低壓、真空度和壓力差。測量時(shí)，較高壓力（p1）一端與軟管連接，較低壓力（p2）一端與升管上的壓力接頭連接。浮子下端的玻璃刻度板隨浮子上升，投影儀將刻度的一段放大約20倍后顯示在具有游標(biāo)的毛玻璃片上?？潭壬舷噜弮煽潭染€相差為1mm，用游標(biāo)尺讀數(shù)的方法可精確讀出1Pa的壓力。p1p2?2023/1/149輪機(jī)工程測試技術(shù)一、彈性壓力表利用彈性元件彈性變形產(chǎn)生的彈力與被測壓力產(chǎn)生的力相平衡，通過測量其彈性元件的彈性形變來測量壓力。常用的彈性元件有彈簧管、金屬薄膜和波紋管。

1、彈簧管式壓力表彈簧管式壓力表結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用方便、測量范圍廣、讀數(shù)直接。因而在內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)中得到廣泛使用。3-2彈性測壓儀表2023/1/1410輪機(jī)工程測試技術(shù)根據(jù)彈簧管變形示意圖可知，彈簧管受壓所產(chǎn)生的角位移與壓力成正比,而該角位移經(jīng)機(jī)械放大機(jī)構(gòu)的放大，線性地轉(zhuǎn)換為指針的偏轉(zhuǎn)角。2023/1/1411輪機(jī)工程測試技術(shù)彈簧管式壓力表可用于測量0.03~1000MPa的壓力，精度等級在0.25~2.5之間。彈簧管式壓力表的誤差主要來源于：(1)彈性元件的彈性滯后(2)溫度對金屬材料的彈性模量的影響(3)彈性元件的彈性衰退2、薄膜式壓力表被測壓力作用在金屬膜片上，使膜片向上彎曲，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使指針在刻度盤上偏轉(zhuǎn)。一般測壓范圍在3MPa以下，也可用于真空度測量。2023/1/1412輪機(jī)工程測試技術(shù)下圖是采用雙波紋管測量壓差的雙波紋管差壓計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。1-連接軸；2-保護(hù)閥；3-阻尼環(huán)；4-推板；5-扭力管；6-心軸；7-量程彈簧；8-平衡閥；9-低壓波紋管；10-擺桿；11-阻尼閥；12-中心基座；13-高壓波紋管；14-填充液3.波紋管壓力計(jì)2023/1/1413輪機(jī)工程測試技術(shù)當(dāng)p1>p2時(shí)，高壓波紋管13被壓縮，填充液14經(jīng)阻尼旁路流向低壓波紋管9，使低壓波紋管9拉伸，由于推板4的移動(dòng)，通過擺桿10使指針心軸6轉(zhuǎn)動(dòng)，指示被測壓力差。高壓波紋管13左邊的波紋管起溫度補(bǔ)償用，其中有小孔與高壓波紋管13相通。當(dāng)溫度變化引起高壓波紋管13和低壓波紋管9中的填充液體積變化時(shí)，可使多余或不足部分的填充液通過小孔流進(jìn)或流出，從而保持高壓和低壓波紋管中的填充液體積基本不變。阻尼閥11可控制流動(dòng)阻力，以防遲延過大或系統(tǒng)振蕩。波紋管壓力計(jì)工作原理：?2023/1/1414輪機(jī)工程測試技術(shù)二、機(jī)械電氣式壓力表為了適應(yīng)生產(chǎn)過程中壓力信號遠(yuǎn)距離傳送、顯示和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的需要，還有許多附有遠(yuǎn)傳、顯示和變送裝置的變形產(chǎn)品，即遠(yuǎn)傳式彈簧管壓力表（又稱機(jī)械電氣式壓力表）。這是一類將壓力值轉(zhuǎn)換為電量輸出的儀表。2023/1/1415輪機(jī)工程測試技術(shù)1.霍爾式彈簧管遠(yuǎn)傳壓力表霍爾式彈簧管遠(yuǎn)傳壓力表是利用霍爾效應(yīng)將彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后利用電氣儀表對電壓信號進(jìn)行測量?；魻栯妱菘捎孟率奖硎荆海↘H為霍爾元件靈敏度）

（5-8）霍爾元件線性良好，響應(yīng)快，噪聲系數(shù)小，可遠(yuǎn)距離傳送、控制，改變不同的彈性元件，可使變送器適用于不同的測量范圍，精度可達(dá)1%。因而，霍爾式彈簧管遠(yuǎn)傳壓力表得到廣泛應(yīng)用。2023/1/1416輪機(jī)工程測試技術(shù)當(dāng)彈簧管沒有引入壓力時(shí)，霍爾元件置于線性梯度磁場的中央，霍爾電勢為零；當(dāng)彈簧管引入壓力而發(fā)生變形時(shí)，霍爾元件偏離線性梯度磁場的中央位置，霍爾電勢正比于霍爾元件的位移量，亦即正比于被測壓力。NNSS線性梯度磁場2023/1/1417輪機(jī)工程測試技術(shù)2.電位器式彈簧管遠(yuǎn)傳壓力表在被測壓力作用下，彈簧管變形，一方面帶動(dòng)指針指示壓力，同時(shí)指針上的電刷也在電阻上滑動(dòng)，電位器滑臂電刷兩旁的電阻隨指針的角位移而按比例地變化，此變化與被測壓力相對應(yīng)，并在遠(yuǎn)處用電氣儀表顯示出來。2023/1/1418輪機(jī)工程測試技術(shù)電位器式壓力表常用的儀表是交叉動(dòng)圈式比率計(jì)。當(dāng)壓力表中的壓力增大時(shí)，指針順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，RAC減小，RBC增大，引起I1變大，I2變小，于是出現(xiàn)I1>I2，從而導(dǎo)致M1>M2，使兩線圈與鐵心產(chǎn)生順時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)。由于磁靴是橢圓形的，它與圓柱形鐵心間的空氣隙的寬度不相等，因此中間處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大，兩邊的磁感應(yīng)強(qiáng)度小。兩線圈偏轉(zhuǎn)時(shí)，線圈2轉(zhuǎn)入磁靴中間磁場較強(qiáng)處，電磁力矩M2增大，而線圈1轉(zhuǎn)入磁靴兩邊磁場較弱處，電磁力矩M1減小，即磁場與電流的改變對電磁力矩產(chǎn)生相反的作用，當(dāng)M1與M2重新達(dá)到平衡時(shí)，線圈與鐵心便停在新的平衡位置，指針被其帶動(dòng)偏轉(zhuǎn)一個(gè)與壓力變化相對應(yīng)的角度。?2023/1/1419輪機(jī)工程測試技術(shù)3-3電參量式測壓儀表壓力傳感器：能夠測量壓力并提供遠(yuǎn)傳電信號的裝置壓力變送器：裝置內(nèi)部設(shè)有適當(dāng)處理電路，能將壓力信號轉(zhuǎn)換成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(如4~20mA直流電流)輸出一、壓電式壓力傳感器壓電式傳感器是以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。它可以測量最終能變換為力的各種物理量，例如力、壓力、加速度等。

2023/1/1420輪機(jī)工程測試技術(shù)壓電效應(yīng)：某些晶體，在一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力作用除去時(shí)，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變，壓電材料：石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體石英晶體石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。天然石英晶體為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有三個(gè)晶軸：Z軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致；X軸又稱電軸，它通過六面體相對的兩個(gè)棱線并垂直于光軸；y軸又稱機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對的晶柱棱面。2023/1/1421輪機(jī)工程測試技術(shù)縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為

qxx＝dxxFx

式中，qxx為垂直于X軸平面上的電荷，

dxx為壓電系數(shù)(下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及作用力的軸向)；

Fx為沿晶軸X方向施加的壓力。由上式看出，當(dāng)晶片受到X向的壓力作用時(shí)，qxx

與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)。如果作用力Fx改為拉力時(shí)，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。2023/1/1422輪機(jī)工程測試技術(shù)橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為

式中，qXY為了軸向施加壓力，在垂直于X軸平面上的電荷dXY為壓電系數(shù)，Y軸向施加壓力，在垂直于X軸平面上產(chǎn)生電荷時(shí)的壓電系數(shù)；FY為沿晶軸Y方向施加的壓力。根據(jù)石英晶體的對稱條件dXX=-dXY，所以

由上式可以看出，沿機(jī)械軸方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的，式中的負(fù)號表示沿Y軸的壓力產(chǎn)生的電荷與沿X軸施加壓力所產(chǎn)生的電荷極性是相反的。2023/1/1423輪機(jī)工程測試技術(shù)石英晶體有天然和人工培養(yǎng)兩種類型。人工培養(yǎng)的石英晶體的物理+化學(xué)性質(zhì)幾乎與天然石英晶體無多大區(qū)別，因此目前廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。它在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，壓電系數(shù)不隨溫度而變化。石英晶體的居里點(diǎn)為573℃，即到573℃時(shí)，它將完全喪失壓電性質(zhì)。它有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能，沒有熱釋電效應(yīng)，但靈敏度很低，介電常數(shù)小，因此逐漸被其他壓電材料所代替。鈮酸鋰晶體鈮酸鋰是一種透明單晶，熔點(diǎn)為1250℃，居里點(diǎn)為1210℃。它具有良好的壓電性能和時(shí)間穩(wěn)定性，在耐高溫傳感器上有廣泛的前途。2023/1/1424輪機(jī)工程測試技術(shù)壓電陶瓷這是一種應(yīng)用最普遍的壓電材料，壓電陶瓷具有燒制方便、耐濕、耐高溫、易于成形等特點(diǎn)。1)鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇(BaTiO3)是由BaCO3和TiO2二者在高溫下合成的。具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)。但它的居里點(diǎn)較低，為120℃，此外機(jī)械強(qiáng)度不如石英。2)鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)鋯鈦酸鉛是PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb(Zr·Ti)O2。它具有較高的壓電系數(shù)和居里點(diǎn)(300℃以上)。3)鈮酸鹽系壓電陶瓷姐鈮酸鉛具有很高的居里點(diǎn)和較低的介電常數(shù)。鈮酸鉀的居里點(diǎn)為435C，常用于水聲傳感器中。4)鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN)這是一種由Pb(MgNb)O3、PbTiO3、PbZrO3組成的三元系陶瓷。它具有較高的壓電系數(shù)和居里點(diǎn)，能夠在較高的壓力下工作，適合作為高溫下的力傳感器。2023/1/1425輪機(jī)工程測試技術(shù)壓電半導(dǎo)體

有些晶體既具有半導(dǎo)體特性又同時(shí)具有壓電性能，如ZnS、CaS、GaAs等。因此既可利用它的壓電特性研制傳感器，又可利用半導(dǎo)體特性以微電子技術(shù)制成電子器件。壓電式壓力傳感器在壓電式傳感器中，常用兩片或多片壓電晶片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法也有兩種：并聯(lián)接法：輸出電荷大，本身電容大，因此時(shí)間常數(shù)也大，適用于測量緩變信號，并以電荷量作為輸出的場合。串聯(lián)接法：輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓作為輸出量以及測量電路輸入阻抗很高的場合。2023/1/1426輪機(jī)工程測試技術(shù)由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時(shí)產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系：式中，q—電荷量；d—壓電常數(shù)；A—作用面積；p—壓力。壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號微弱，因此一般不能直接顯示和記錄。壓電傳感器要求測量電路的前級輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測量誤差變大。壓電傳感器的前置放大器有兩個(gè)用處：一是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是把傳感器的微弱信號進(jìn)行放大。2023/1/1427輪機(jī)工程測試技術(shù)由于引入了電容負(fù)反饋，電荷放大器的輸出電壓僅與傳感器產(chǎn)生的電荷量及放大器的反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素對靈敏度的影響可以忽略不計(jì)。電荷放大器的靈敏度為放大器的輸出靈敏度取決于Cf。在實(shí)際電路中，是采用切換運(yùn)算放大器負(fù)反饋電容Cf的辦法來調(diào)節(jié)靈敏度的。Cf越小則放大器的靈敏度越高。2023/1/1428輪機(jī)工程測試技術(shù)特點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，測量范圍寬，測量精度較高，頻率響應(yīng)高。但不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。近年來壓電測試技術(shù)發(fā)展迅速，特別是電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使壓電式傳感器的應(yīng)用越來越廣泛。壓電式傳感器可用于力、壓力、速度、加速度、振動(dòng)等許多非電量的測量，可做成力傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器等等。電荷放大器?2023/1/1429輪機(jī)工程測試技術(shù)二、電阻式壓力傳感器

電阻式壓力傳感器就是將壓力信號轉(zhuǎn)換成電阻值變化的壓力傳感器。有電阻應(yīng)變式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器兩種。2023/1/1430輪機(jī)工程測試技術(shù)1、電阻應(yīng)變式壓力傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器中，將被測量產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化的元件，亦稱電阻應(yīng)變片。目前廣泛應(yīng)用的主要有：金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。1）金屬電阻應(yīng)變片工作原理一根長l、截面積S、電阻率的金屬絲

，其電阻值為（2-1）兩邊取自然對數(shù)且微分,又因：S=D2/4，dD/D=-dl/l，

為泊松比。于是公式變?yōu)椋海?-4）2023/1/1431輪機(jī)工程測試技術(shù)式中，K——應(yīng)變片靈敏系數(shù),K=1+2。大多數(shù)金屬材料泊松比＝0.3~0.5，所以K值在1.6~2.0之間

——應(yīng)變，＝l/l

一般很小，實(shí)用上多用微應(yīng)變表示，

1＝10－6。對于金屬電阻絲，在一定變形范圍內(nèi)無論受拉或受壓應(yīng)力作用，其應(yīng)變片靈敏系數(shù)保持不變，即R/R與是線性關(guān)系。這就是金屬電阻應(yīng)變片作為應(yīng)變測量的理論基礎(chǔ)。對大多數(shù)金屬值極小，可以忽略，因此公式（2-4）可簡化為（2-5）R/R應(yīng)變片2023/1/1432輪機(jī)工程測試技術(shù)金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。它是用直徑0.02mm左右的高電阻金屬絲以絲柵形式粘固于兩絕緣片之間制成的。１.電阻絲;２.覆蓋片;３.引出線;４.基片

應(yīng)變片的基片材料有紙基、膠基和玻璃纖維等幾種，下面分別介紹其優(yōu)缺點(diǎn)：紙基片多用在80oC以下制造簡單，易于粘貼，價(jià)格便宜耐熱和耐潮濕性不好多用于短期的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)特殊紙制造膠基片使用溫度可100~300oC抗?jié)裥院徒^緣性較好，粘貼較難，易翹曲廣泛使用可長期使用酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等有機(jī)聚合物制成玻璃纖維基片能耐400~500oC高溫制造復(fù)雜，價(jià)格較貴多用做高溫應(yīng)變片的基片2023/1/1433輪機(jī)工程測試技術(shù)實(shí)際使用中多是箔式應(yīng)變片，它是將0.001~0.010mm厚的合金電阻箔片固附于膠基膜片上。與金屬絲柵式相比，箔式的尺寸精確、均勻，易于制成任意形狀和尺寸很小的應(yīng)變片。敏感箔柵長度最小可達(dá)０.２mm或更小。敏感箔柵橫向連接面積大，效應(yīng)影響可以忽略。敏感箔柵散熱性、疲勞壽命、防潮、耐熱、絕緣及長期穩(wěn)定性都比絲式應(yīng)變片好。為適應(yīng)不同測量需要，可很方便地制成各種不同尺寸特殊形式的箔式應(yīng)變片。2023/1/1434輪機(jī)工程測試技術(shù)2）半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體（電阻）應(yīng)變片是基于“壓阻效應(yīng)”設(shè)計(jì)的。當(dāng)半導(dǎo)體壓阻元件受到縱向應(yīng)力產(chǎn)生縱向應(yīng)變時(shí)，電阻率的相對變化量可表示為式中，１——半導(dǎo)體材料的縱向壓阻效應(yīng)系數(shù)；

E——半導(dǎo)體材料的彈性模量。（2-6）2023/1/1435輪機(jī)工程測試技術(shù)（2-4）將式（2-6）代入（2-4），且１Ｅ>>(1+2)，得（2-8）式中，kT——半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)，kT＝１Ｅ，一般kT=60~170。半導(dǎo)體應(yīng)變片的特點(diǎn)：靈敏系數(shù)大，機(jī)械滯后小，頻率響應(yīng)快，頻帶寬。但溫度穩(wěn)定性差，靈敏系數(shù)非線性大，需采用溫度和非線性補(bǔ)償。金屬電阻變化率的應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)式(2-4)同樣適用與半導(dǎo)體材料，即2023/1/1436輪機(jī)工程測試技術(shù)3）應(yīng)變片測量的溫度特性粘固在試件上的應(yīng)變片，除了感受機(jī)械應(yīng)變而使電阻變化外,當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),也要引起的電阻的變化，這一現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)。對于半導(dǎo)體應(yīng)變片，其靈敏系數(shù)受溫度影響很大，因此環(huán)境溫度對其測量影響更大。因此，使用應(yīng)變片測量時(shí)均應(yīng)采用溫度補(bǔ)償措施。若環(huán)境溫度變化△t時(shí)，將引起應(yīng)變片電阻R產(chǎn)生下列兩種變化：（１）應(yīng)變片電阻絲材料本身電阻溫度系數(shù)αm引起應(yīng)變片自由狀態(tài)下的電阻變化△Rt1：2023/1/1437輪機(jī)工程測試技術(shù)（２）應(yīng)變片電阻絲材料的線膨脹系數(shù)βm與試件材料的線膨脹系數(shù)βn不同，由試件強(qiáng)迫應(yīng)變片在其自由膨脹伸長之外產(chǎn)生的強(qiáng)迫應(yīng)變,從而引起電阻的附加變化△Rt２

：因此，當(dāng)環(huán)境溫度變化△t引起應(yīng)變片電阻總的變化量為△Rt

：對應(yīng)的虛假應(yīng)變是相當(dāng)大的，有時(shí)甚至超過所測的機(jī)械應(yīng)變。2023/1/1438輪機(jī)工程測試技術(shù)通常采用的溫度補(bǔ)償方法有：橋路補(bǔ)償法和溫度自補(bǔ)償法。（1）橋路補(bǔ)償法如圖所示，R1為工作應(yīng)變片，貼在試件上；R２為補(bǔ)償應(yīng)變片，它是與R1參數(shù)相同的應(yīng)變片（同批生產(chǎn)），貼在與試件材料相同且與試件溫度條件相同的構(gòu)件上，接在與R1相鄰的橋臂上。R3與R4為固定電阻，且R3＝R4。

這種方法簡單、經(jīng)濟(jì)，常溫下有較好的補(bǔ)償效果。但溫度梯度較大時(shí)會引起誤差。R2R1R3R4ABCDERg?2023/1/1439輪機(jī)工程測試技術(shù)（2）溫度自補(bǔ)償法

(A)選擇法電阻應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)αm與其電阻絲的材料成分和熱處理工藝有關(guān)，利用這一特性可制造出不同電阻溫度系數(shù)αm的應(yīng)變片。使用時(shí)只要根據(jù)試件的線膨脹系數(shù)βn，選用相應(yīng)應(yīng)變片電阻絲材料的線膨脹系數(shù)βm與電阻溫度系數(shù)αm的應(yīng)變片，滿足右式即可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。(B)熱電阻自補(bǔ)償應(yīng)變片它由兩種不同電阻絲柵材料構(gòu)成，分別接入電橋相鄰橋臂上。適當(dāng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償片所在橋臂的串聯(lián)可變電阻即可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。2023/1/1440輪機(jī)工程測試技術(shù)4）電阻應(yīng)變的電橋測量原理應(yīng)變片電橋電路被測非電量電阻R電流或電壓直流電橋的開路輸出電壓為設(shè)R1為應(yīng)變片，工作時(shí)電阻值變?yōu)镽1+R1，則電橋的開路電壓為：R2R1R3R4ABCDEΔU2023/1/1441輪機(jī)工程測試技術(shù)若電橋已調(diào)平衡,即R1R4－R2R3=0，并考慮到實(shí)際測量時(shí)R1<<R1+R2，分母中R1可忽略不計(jì)，則上式可化為式中，K1、1——應(yīng)變片靈敏系數(shù)及產(chǎn)生的應(yīng)變。通常取R1=R2=R3=R4=R，稱為全等臂電橋。當(dāng)其中一個(gè)橋臂工作（半橋單臂電橋）時(shí)：ACR2R1R3R4BDEΔU2023/1/1442輪機(jī)工程測試技術(shù)式(2-23)、(2-24)是電橋常用的基本關(guān)系式。它表明電橋的輸出與所測應(yīng)變呈線性關(guān)系?？刹捎迷黾与姌螂娫吹碾妷海呕驕p小橋臂電阻R的方法提高電橋靈敏度。另外可選擇靈敏系數(shù)K較大的應(yīng)變片以提高電橋靈敏度。當(dāng)電橋四臂皆為應(yīng)變片（全橋），且四個(gè)橋臂應(yīng)變片完全相同，則CR2R1R3R4BDEΔU2023/1/1443輪機(jī)工程測試技術(shù)如果只有1、2兩個(gè)橋臂工作（半橋雙臂電橋），且1=2，則這就是前面溫度補(bǔ)償措施里提到的橋路補(bǔ)償原理。如果只有1、2兩個(gè)橋臂工作（半橋雙臂電橋），且2=-1，則CR2R1R3R4BDEΔU上兩式表明：半橋雙臂電橋有溫度補(bǔ)償作用，且比半橋單臂電橋工作時(shí)輸出增加一倍。2023/1/1444輪機(jī)工程測試技術(shù)

電橋的加法特性：相鄰橋臂異號、相對橋臂同號電阻變化時(shí)，電橋能將各橋臂引起的電壓自動(dòng)相加后輸出。電橋的減法特性：相鄰橋臂同號、相對橋臂異號電阻變化時(shí)，電橋能將各橋臂引起的電壓自動(dòng)相減后輸出。

下式表明了以上特性。CR2R1R3R4BDEΔU重要結(jié)論：相鄰橋臂相同變化或相對橋臂相反變化，靈敏度降低；相鄰橋臂相反變化或相對橋臂相同變化，靈敏度增加。2023/1/1445輪機(jī)工程測試技術(shù)5）電阻應(yīng)變式壓力傳感器電阻應(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。2023/1/1446輪機(jī)工程測試技術(shù)當(dāng)應(yīng)變筒內(nèi)腔承受壓力時(shí)，薄壁筒表面的周向應(yīng)力最大，相應(yīng)的周向應(yīng)變ε為：式中，p—被測壓力；E—應(yīng)變筒材料的彈性模量；μ—應(yīng)變筒材料的泊松比；D—應(yīng)變筒外徑；d—應(yīng)變筒內(nèi)徑。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變筒式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，能進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)壓力測量，測量范圍也比較寬。2023/1/1447輪機(jī)工程測試技術(shù)R1R2R3R4R5R6R7R8R2R1R４R３ABCDERgR5R6R８R７柱式測力傳感器及其測量電橋?2023/1/1448輪機(jī)工程測試技術(shù)2、壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成的，它是利用集成電路工藝直接在作為彈性元件的硅平膜片上按一定晶向制成擴(kuò)散電阻，這樣就很容易得到尺寸小、高靈敏度、高自振頻率的壓力傳感器。特點(diǎn)：重復(fù)性、穩(wěn)定性好，工作可靠；靈敏度高，固有頻率高；測量范圍寬；精度高；易于微小型化。特別適合在中、低溫度條件下的中、低壓測量。2023/1/1449輪機(jī)工程測試技術(shù)1、電容式傳感器工作原理設(shè)平板電容器兩極板間距離為δ，有效覆蓋面積為A，極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)ε，真空介電常數(shù)，則電容器的電容量為如果在δ、A、ε三個(gè)參數(shù)中保持其中的兩個(gè)不變，而只改變一個(gè)參數(shù)，則電容器的電容量將隨之發(fā)生變化。所以電容式傳感器可以分成三種類型：極距變化型（變δ）、面積變化型（變A）和介質(zhì)變化型（變ε）。三、電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器采用變電容測量原理，將被測壓力引起的彈性元件的位移變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓?，測出電容量，便可知道被測壓力的大小。2023/1/1450輪機(jī)工程測試技術(shù)1、變極距式電容壓力傳感器對于平板電容，在被測壓力作用下，電容值C會因兩平行板間距發(fā)生的微小變化而變化。特點(diǎn)：有較高的靈敏度，但當(dāng)位移較大時(shí)傳感器非線性嚴(yán)重；可改善非線性、提高靈敏度、并可減小因極板間電介質(zhì)的介電常數(shù)ε受溫度影響而引起的不穩(wěn)定性。2023/1/1451輪機(jī)工程測試技術(shù)2、變面積式電容壓力傳感器特點(diǎn)：靈敏度高，輸出信號大；測量精度高；結(jié)構(gòu)簡單、牢固，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能承受高過載，耐沖擊與振動(dòng)，可在高溫條件下工作；由于可動(dòng)極板質(zhì)量小，故傳感器固有頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。2023/1/1452輪機(jī)工程測試技術(shù)3、電容式壓差傳感器特點(diǎn)：靈敏度提高一倍，輸出信號更大，非線性也大為降低。兩膜片之間充滿低凝固點(diǎn)和體積膨脹系數(shù)小的硅油，硅油的作用是傳遞壓力及產(chǎn)生阻尼防止膜片振動(dòng)的作用。?2023/1/1453輪機(jī)工程測試技術(shù)四、電感式壓力傳感器將被測壓力轉(zhuǎn)換為線圈自感量或互感量變化的裝置。電感式傳感器可分為自感型和互感型兩大類1、自感型（1）可變磁阻式傳感器式中：——空氣磁導(dǎo)率

A——鐵芯截面積

δ——?dú)庀堕L度

N——線圈匝數(shù)2023/1/1454輪機(jī)工程測試技術(shù)可變磁阻位移傳感器變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積A的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度δ式電感傳感器。變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時(shí)是比較精確的。為了減小非線性誤差,實(shí)際測量中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。2023/1/1455輪機(jī)工程測試技術(shù)電感式壓力傳感器

圖示是變隙電感式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成,銜鐵與膜盒的上端連在一起。當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí),膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移。于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng),從而使氣隙發(fā)生變化,流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化,電流表指示值就反映了被測壓力的大小。2023/1/1456輪機(jī)工程測試技術(shù)圖示為變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器。它主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。當(dāng)被測壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí)，彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移，帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng),使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化，即一個(gè)電感量增大，另一個(gè)電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系，所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓，即可得知被測壓力的大小。2023/1/1457輪機(jī)工程測試技術(shù)2、互感型——差動(dòng)變壓器式傳感器把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的,并且次級繞組都用差動(dòng)形式連接,故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多,有變隙式、變面積式和螺線管式等,但其工作原理基本一樣。非電量測量中,應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器,它可以測量1～100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移,并具有測量精度高,靈敏度高,結(jié)構(gòu)簡單,性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。2023/1/1458輪機(jī)工程測試技術(shù)差動(dòng)變壓器式傳感器中兩個(gè)次級線圈反向串聯(lián),并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下,其等效電路如圖所示。當(dāng)初級繞組w1加以激勵(lì)電壓時(shí),根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個(gè)次級繞組w2a和w2b中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢和。如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱,則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí),必然會使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,將有由于變壓器兩次級繞組反向串聯(lián),因而,即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。2023/1/1459輪機(jī)工程測試技術(shù)右圖給出了變壓器輸出電壓與活動(dòng)銜鐵位移x的關(guān)系曲線。實(shí)際上,當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí),差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零,我們把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作,它的存在使傳感器的輸出特性不過零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致?；顒?dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由于磁阻的影響,w2a中磁通將大于w2b,使M1>M2,因而增加,而減小。反之,增加,減小。因?yàn)?所以當(dāng)、隨著銜鐵位移x變化時(shí),也必將隨x變化。2023/1/1460輪機(jī)工程測試技術(shù)零點(diǎn)殘余電壓主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等問題引起的。零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小，否則將會影響傳感器的測量結(jié)果。2023/1/1461輪機(jī)工程測試技術(shù)壓力差傳感器測量液體壓力差的膜片式壓力傳感器由兩部分組成：一部分是通過彈性膜片1將兩旁腔室中的壓力轉(zhuǎn)換為膜片位移；第二部分是通過由線圈3和4及鐵心11組成的差動(dòng)變壓器將膜片傳遞來的位移轉(zhuǎn)換為電信號輸出。2023/1/1462輪機(jī)工程測試技術(shù)膜片周邊緣固定，受壓力差作用時(shí)產(chǎn)生彈性變形。受均勻壓力差作用時(shí)，平膜片及波紋大小相同的波紋膜片的中心位移量s與其所受的壓力差p的關(guān)系為式中，a、b為結(jié)構(gòu)參數(shù)，也有按線性設(shè)計(jì)的波紋膜片。膜片的位移可表示相應(yīng)的壓力差。測量氣體的壓力差傳感器膜片盒如圖6-8所示。兩膜片之間充滿低凝固點(diǎn)和體積膨脹系數(shù)小的硅油，硅油的作用是傳遞壓力及產(chǎn)生阻尼防止膜片振動(dòng)的作用。2023/1/1463輪機(jī)工程測試技術(shù)差動(dòng)變壓器是將位移變換為互感系數(shù)變化的變換器。差動(dòng)變壓器輸出的交流電壓e2的幅值大小反映了鐵心位移量的大小，也就是反映了壓差信號的大小。e2的正負(fù)反映了鐵心的移動(dòng)方向，也就是反映了壓差信號的正負(fù)值。?2023/1/1464輪機(jī)工程測試技術(shù)五、力平衡式壓力變送器工作原理：壓力差作用于膜片，產(chǎn)生作用力Fm，使主杠桿以密封膜片為支點(diǎn)順時(shí)針傳動(dòng)，帶動(dòng)副杠桿以O(shè)2為支點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使位移檢測片與位移檢測線圈的距離變小，位移檢測線圈的輸出隨即發(fā)生變化，經(jīng)檢測放大器放大為4~20mA的直流信號輸出。輸出電流經(jīng)反饋線圈，產(chǎn)生反饋力FR，形成反饋力矩MR，使副杠桿回復(fù)到原來位置，杠桿系統(tǒng)處于一個(gè)新的力平衡狀態(tài)。輸出直流信號與被測壓力差成正比2023/1/1465輪機(jī)工程測試技術(shù)一、最高壓力測量內(nèi)燃機(jī)的汽缸最高壓力是指汽缸內(nèi)脈動(dòng)壓力的最高點(diǎn)。它表征機(jī)件所受到的最大機(jī)械負(fù)荷，是柴油機(jī)機(jī)械強(qiáng)度的主要限制因素，是判斷柴油機(jī)工作情況及各缸負(fù)荷平衡情況的主要依據(jù)。壓力測量最高壓力的儀表通常有機(jī)械式、氣電式和電子式3種。3-4氣缸壓力測量2023/1/1466輪機(jī)工程測試技術(shù)

機(jī)械式最高壓力表主要由指示儀表和止回閥裝置組成。

機(jī)械式最高壓力表測量誤差較大，但由于這種壓力表結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，因此常用來檢查多缸柴油機(jī)各缸工作的均勻性；特別適用于做隨即監(jiān)測儀表，以便隨時(shí)對發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行不拆卸檢查。2023/1/1467輪機(jī)工程測試技術(shù)二、平均壓力測量平均壓力pt是代表一段時(shí)間內(nèi)氣缸中壓力的平均值。測量pt的平均壓力計(jì)是一種用于比較測量的隨機(jī)調(diào)整用儀表，通?？捎脕砼袛喔鞲棕?fù)荷的均勻性。測量平均壓力pt，常用機(jī)械慣性輪式平均壓力表。平均壓力表的量程一般可調(diào)整，以適應(yīng)不同柴油機(jī)平均壓力大小的需要。通常調(diào)整量程的方法是改變彈簧的剛度。因此平均壓力表一般都配有幾種不同剛度的彈簧以備選用。2023/1/1468輪機(jī)工程測試技術(shù)測量時(shí)，柴油機(jī)氣缸中的氣體壓力作用在小活塞上，推動(dòng)活塞桿上移使彈簧被壓縮，同時(shí)通過連接桿杠桿使扇形齒輪帶動(dòng)小齒輪偏轉(zhuǎn)。小齒輪的偏轉(zhuǎn)經(jīng)空心軸傳遞給主慣性輪，使其擺動(dòng)，又經(jīng)過螺旋彈簧傳給輔慣性輪，最后經(jīng)空心軸內(nèi)心軸帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，指針在刻度盤上指示出平均壓力值。2023/1/1469輪機(jī)工程測試技術(shù)平均壓力表使用時(shí)應(yīng)注意：根據(jù)被測柴油機(jī)平均有效壓力及使用情況選擇合適的彈簧，根據(jù)需要適當(dāng)加減墊片，并注意刻度值的對應(yīng)關(guān)系。安裝時(shí)表面應(yīng)保持垂直，使慣性輪運(yùn)動(dòng)自如，減小摩擦誤差。要注意防止儀表過熱。只有測量時(shí)才能打開示功閥，測量時(shí)間一般不應(yīng)超過5min，最好用循環(huán)水冷卻。如測量時(shí)指針不穩(wěn)定，可在主、輔慣性輪之間的表面加一層氣缸油，以增加阻尼。測量時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不應(yīng)低于80r/min，否則不能使用。?2023/1/1470輪機(jī)工程測試技術(shù)三、用機(jī)械示功器測量氣缸壓力。示功器用螺母擰在氣缸蓋上，缸內(nèi)壓力p經(jīng)測壓通道的氣柱作用在活塞7上，使活塞運(yùn)動(dòng)?；钊ㄟ^活塞桿6、杠桿組8帶動(dòng)記錄筆5擺動(dòng)，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得記錄筆尖作直線移動(dòng)，該位移與活塞所受缸內(nèi)壓力成正比。利用與輔助曲柄連桿機(jī)構(gòu)連接的繩3拉動(dòng)轉(zhuǎn)鼓2。轉(zhuǎn)鼓的返轉(zhuǎn)由它內(nèi)部的螺旋彈簧1實(shí)現(xiàn)。2023/1/1471輪機(jī)工程測試技術(shù)輔助曲柄連桿機(jī)構(gòu)由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸驅(qū)動(dòng)，它的連桿長度與曲柄半徑之比必須等于發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿長度與曲柄半徑之比，尺寸縮小到記錄轉(zhuǎn)鼓所需的大小，并且死點(diǎn)也必須與發(fā)動(dòng)機(jī)的死點(diǎn)嚴(yán)格一致。因此，轉(zhuǎn)鼓角位移量就與發(fā)動(dòng)機(jī)活塞位移成正比。于時(shí)，在夾于轉(zhuǎn)鼓表面的記錄紙上可繪出發(fā)動(dòng)機(jī)的p-v圖。通常船用柴油機(jī)并沒設(shè)置輔助曲柄連桿機(jī)構(gòu)，測取示功圖時(shí)由測取者手拉繩子。取下示功圖紙，與示功器配帶的標(biāo)尺進(jìn)行比對，即可得到該缸的壓縮壓力和最高爆發(fā)壓力。?2023/