第13章 壓力測量技術課件

1、第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 1. 1. 熟悉常用的壓力測量方法及測量用傳感器工熟悉常用的壓力測量方法及測量用傳感器工作原理；作原理； 2. 2. 掌握壓力系統(tǒng)靜動態(tài)特性的標定方法；掌握壓力系統(tǒng)靜動態(tài)特性的標定方法；學學 習習 重重 點點第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 1、壓力的定義壓力的定義 流體或固體垂直作用在單位面積（S）上的力（F）稱為壓力（p），也稱壓強。 工程中常采用的壓力有絕對壓力（pa）、表壓力（pg）、真空（pv）和差壓等幾種。SFp/13.1概述第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 pa、pg、pv與p0之間的關系 第第1313章章 壓力測量

2、技術壓力測量技術 2 2、壓力的計量單位、壓力的計量單位 壓力的單位是力和面積的導出單位，而各種單位制中力和面積的單位不同，則壓力的單位也有多種。1)在SI中，壓力的單位是牛頓/米2（N/m2），為帕斯卡或簡稱帕（Pa），1Pa0.1mmH2O（毫米水柱）；2)在CGS制中，壓力的單位是達因/厘米2（ dyn/cm2）簡稱為巴（bar），1bar=0.1Mpa。3) 壓力的其他單位，如標準大氣壓（atm）、千克力/米2（kgf/m2）、托（Torr）、工程大氣壓（at）等,都不屬于推薦使用單位。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 3 . 壓力的分類 壓力：靜態(tài)壓力和動態(tài)壓力 靜態(tài)壓力：

3、不隨時間變化 或變化非常緩慢的壓力。 動態(tài)壓力：隨時間變化的壓力。 壓力測量方法 靜態(tài)壓力測量：一般采用壓力表、壓力變送器進行測量。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 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)壓力測量方法塑性變形測壓法：利用銅柱或銅球的塑性變形進行測量。彈性變形測壓法：將敏感元件感受壓力而產生的彈性變形量轉換為電量再進行測量。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 13.2.1 13.2.1 概述概述 膛壓是各類兵器設計、研制、生產、驗收中必須測量一重要參數(shù)，兵器技術的發(fā)展給膛壓測量提出了越來越苛刻的要求。 測量方法有兩種：電測法；塑性變形法。 13.2

4、塑性測壓法第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 自19世紀60年代諾貝爾首次使用銅柱測壓器測得膛內火藥燃氣最大壓力后，一百多年來，古老的塑性測壓法在“實用彈道學”領域內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，塑性變形測壓法具有以下幾個特點：（1）使用方便 ；（2）操作簡單 ；（3）不需要破壞武器 。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 我國基本上沿用前蘇聯(lián)20世紀40年代以前的銅柱系列，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

5、范圍： 20MPa-240Mpa； 3.58.75mm柱形銅柱測壓范圍： 250MPa-800Mpa； 4.763mm銅球測壓范圍:80MPa-600Mpa。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 銅球測壓法和銅柱測壓法的主要差別： 測壓試件不同。 銅球測壓法的測壓試件是具有一定直徑的銅球（鋁球或鐵球），使用前不進行預壓，直接用壓后高作為最大膛壓的量度； 壓力標定的方法不同。 銅球壓力表的編制是在能產生模擬膛壓曲線的半正弦壓力波形的動態(tài)壓力發(fā)生器上進行。 第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 銅柱標定方法：靜標體制。測壓器材壓力標定的概念 靜態(tài)標定; 準動態(tài)標定; 對電測傳感器講：

6、靜態(tài)標定; 動態(tài)標定; 準動態(tài)標定;第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 13.2.2 13.2.2 銅柱測壓法銅柱測壓法 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。 銅柱測壓器可分： 旋入式測壓器和放入式測壓器 。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 塑性測壓基本方法為 測量時，將測壓器放入彈膛內某位置， 火藥燃氣壓力通過活塞作用于塑性測壓器件，使其產生塑性永久變形，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，即獲得變形量或壓后高與壓力之間的對應關系(壓力對照表)。 第第1313章章 壓力測量技術壓

7、力測量技術 靜標銅柱動態(tài)誤差產生的原因： 1) 塑性測壓器件的本構關系。 材料的應力應變關系和應變速率有關，這被稱為應變率效應，即塑性變形的抗力不僅是變形量的函數(shù)，還是變形速率的函數(shù)，隨著應變率的增大，材料的屈服極限將提高，即靜態(tài)加載時屈服極限最低，這就導致在相同壓力情況下，測壓元件變形量小于靜標時變形量，從而產生負誤差，銅柱在測定動態(tài)的膛壓時測量值要偏低。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 2)測壓器活塞慣性的影響。 火藥燃氣壓力通過測壓器活塞壓縮測壓器件的同時活塞獲得運動速度，壓力脈沖消失后，由于活塞的慣性，要繼續(xù)壓縮測壓器件，產生過沖，從而產生靜動差，這種誤差的趨勢一般可認為是正

8、誤差，即測量值大于真實的壓力值。 第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 13.2.3 13.2.3 銅球測壓法銅球測壓法第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 銅球測壓器的工作過程： 在火藥氣體推動下，活塞壓縮銅球，使之產生塑性變形。 銅球測壓器分為: 旋入式和放入式 標定體制:準動態(tài)校準體制 。 準動態(tài)校準可有效地減小靜動差，是塑性測量器材校準體制改革的方向。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 準動態(tài)校準 用已知峰值且波形與膛壓曲線接近的壓力脈沖作用于塑性測量元件上，得出峰壓和測壓器材的輸出間的對應關系，再據(jù)此編出動態(tài)壓力對照表。由于標定壓力和待測壓力有相似的動態(tài)特征，得到

9、的響應自然也比較接近，因此，準動態(tài)校準可以減小塑性測壓器材的靜動差。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 準動態(tài)校準裝置:落錘液壓動標裝置 壓力源的工作原理: 沿導向系統(tǒng)自由下落的重錘將重力勢能轉化為動能，隨后與油缸頂端的精密活塞相撞，通過活塞壓縮油缸內的液體在油缸內產生壓力，從而將重錘的動能又轉化為液壓油體積變形的彈性勢能。當動能全部轉化時，重錘與活塞達到最大壓縮行程，其后由于液壓油的彈性恢復作用，把活塞與重錘上推，直到重錘跳離活塞，彈性勢能又轉化為重錘動能。這樣在油缸內形成一個近似于半正弦的壓力脈沖，它和膛壓曲線上升段相似。 第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 第第1313章

10、章 壓力測量技術壓力測量技術 這樣在油缸內形成一個近似于半正弦的壓力脈沖，它和膛壓曲線上升段相似。調節(jié)落錘液壓動標裝置的工作參數(shù)（重錘質量、重錘落高、活塞面積、油缸初始容積等），可以產生不同峰值及脈寬的半正弦脈沖，用作準動態(tài)標定的壓力源。落錘液壓動標裝置組成： 半正弦壓力源和標準動態(tài)壓力測試系統(tǒng)。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 準動態(tài)標定方法 在油缸四周徑向安裝四只標準電測壓力傳感器及四只銅柱（球）測壓器，同時測出四只電測壓力傳感器的壓力峰值及相應測壓器材的輸出值。得到表示峰壓與銅柱變形量（銅球壓后高）間關系的數(shù)據(jù)對。在銅柱（球）測量范圍內大致均勻地設定79個點進行標定，運用多項式

11、回歸技術可求出峰壓與銅柱變形量（銅球壓后高）的回歸方程，據(jù)此可編出塑性測壓器材的動態(tài)壓力對照表。 為了消除銅柱原始高度差異的影響，測壓銅柱采用的是峰壓和變形量編表，而不用峰壓和壓后高編表。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 利用敏感元件感受壓力而產生的彈性變形量轉換為電量進行測量的。彈性測壓法按轉換原理可分為：利用彈性敏感元件的應力應變特性 彈性敏感元件在被測壓力作用下產生應力、應變，利用應力、應變來測量壓力的，如應變式壓力傳感器等；利用彈性敏感元件的壓力集中力特性 彈性敏感元件將被測壓力轉換成集中力，利用測量集中力來測量壓力的，如壓電式壓力傳感器；利用彈性敏感元件的壓力位移特性 將被

12、測壓力轉換為彈性敏感元件的位移來測量的，如電容式壓力傳感器；13.3 13.3 彈性測壓法彈性測壓法第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 利用彈性元件的壓力諧振頻率特性 彈性元件在被測壓力作用下其諧振頻率變化，利用測量諧振頻率來測量壓力的，如振動筒式壓力測量系統(tǒng)。13.3.1 13.3.1 應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器 被測壓力作用在傳感器的彈性元件上，使彈性元件產生彈性變形，并用彈性變形的大小來量度壓力的大小。由于去載時彈性變形可恢復，所以應變式測壓傳感器不僅能測量壓力的上升段，也能測量壓力的下降段，能反映出壓力變化的全過程。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 應變式壓力測

13、量系統(tǒng)組成應變式壓力測量系統(tǒng)組成使用注意事項使用注意事項1)在測量前應對系統(tǒng)進行標定，以獲取測量系統(tǒng)的靈敏度及相關靜態(tài)特性指標。2)使用時要注意電橋調平衡。3)系統(tǒng)抗干擾及絕緣措施。被測壓力應變式壓力傳感器靜態(tài)壓力標定機動態(tài)電阻應變儀測量記錄儀器第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 1. 1.筒式應變測壓傳感器筒式應變測壓傳感器第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 活塞壓縮應變管產生軸向壓縮變形2. 2.活塞式應變測壓傳感器活塞式應變測壓傳感器第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 1.活塞式壓電傳感器活塞式壓電傳感器13.3.2壓電式壓力傳感器第第1313章章 壓力測量技術壓

14、力測量技術 2. 2.膜電式壓電傳感器膜電式壓電傳感器用金屬膜片代替活塞，膜片起著傳遞壓力、實現(xiàn)預壓和密封三個作用 第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 3.3.壓電式壓力測量系統(tǒng)組成壓電式壓力測量系統(tǒng)組成被測壓力壓電式壓力傳感器靜態(tài)壓力標定機電荷放大器測量記錄儀器第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 4. 4.使用注意事項使用注意事項注意傳感器及連接電纜線的輸出阻抗、防潮防濕；傳感器靈敏度的歸一化處理；注意電荷放大器的上、下限頻率選擇； 電荷放大器的 “工作”及“復位”開關的位置； 要注意全系統(tǒng)的共地。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 將選擇好的傳感器安裝在需要進行壓力

15、測量的部位，其間有腔室和管道的情況是很多的，甚至是無法避免的，這會顯著地影響傳感器的頻響特性。管道效應會使壓力測量系統(tǒng)的動態(tài)響應變壞，甚至會造成動態(tài)壓力測量曲線的嚴重失真，在進行動態(tài)壓力測量時必須予以考慮。一般應盡量減小不必要的腔室容積和管道長度。13.4 13.4 動態(tài)壓力測量的管道效應動態(tài)壓力測量的管道效應第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 管道長度應與被測量的最高頻率相匹配。管道的最低縱向共振頻率為lcf2c為給定溫度下氣體中的聲速；l為管道長度。由于一般液體中的聲速要比氣體中的高得多，所以測量時應盡量在管道中充滿液體。 直管道情況直管道情況第第1313章章 壓力測量技術壓力測量

16、技術 在此情況下，系統(tǒng)的頻響特性會受明顯的影響。腔室的容積及管道的內徑和長度將起主要影響作用，其關系式為 式中，d為管道內徑；V為腔室容積。lVcdf14有腔室和管道的情況有腔室和管道的情況第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 靜態(tài)標定和動態(tài)標定 靜態(tài)標定的目的:確定系統(tǒng)靜態(tài)特性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復性等。 動態(tài)標定的目的:確定系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應函數(shù)、時間常數(shù)、固有頻率及阻尼比等。 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)生器及彈簧測力計式壓力發(fā)生器。 13.5 13.5 測壓系統(tǒng)的標定測壓系統(tǒng)的標定13.5.1 13.5.1 測壓系統(tǒng)的靜態(tài)標定測壓系

17、統(tǒng)的靜態(tài)標定第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 被標定的壓力傳感器或壓力儀表安裝在壓力計的接頭上。當轉動手輪時，加壓油缸的活塞往前移動使油缸增壓，并把壓力傳至各部分。當壓力達到一定值時，將精密活塞連同上面所加的標準砝碼頂起，輕輕轉動砝碼盤，使精密活塞與砝碼旋轉，以減小活塞與缸體之間的磨擦力。此時油壓與砝碼（連同活塞）的重力相平衡。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 傳感器或壓力儀表受到的壓力等于砝碼（連同活塞）的重力與活塞的有效面積之比可表示為 p為油缸的壓力（Pa）；m1為標準砝碼的質量（kg）；m2為活塞的質量（kg）；D為活塞的直徑（m）；g為當?shù)氐闹亓铀俣龋╩/s2）

18、。221)(4Dmmgp第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 標定時，以一定的壓力間距逐點加壓，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3-5次。壓力標定過程壓力標定過程: :第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 壓力系統(tǒng)動態(tài)標定要解決兩個問題：要獲得一個令人滿意的周期或階躍的壓力源；要可靠地確定上述壓力源所產生的真實的壓力-時間關系。13.5.2 13.5.2 測壓系統(tǒng)的動態(tài)標定測壓系統(tǒng)的動態(tài)標定第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 動態(tài)壓

19、力源的分類如下： 穩(wěn)態(tài)周期性壓力源：活塞與缸筒、凸輪控制 噴嘴、聲諧振器、驗音盤等； 非穩(wěn)態(tài)壓力源：快速卸荷閥、脈沖膜片、閉式爆炸器、激波管及落錘液壓動標裝置等。 1 1穩(wěn)態(tài)標定法穩(wěn)態(tài)標定法 常見的活塞和缸筒裝置就是一種簡單的穩(wěn)態(tài)周期性校準壓力源?；钊\動源的一種變型是傳動膜片、膜盒或彈簧管，通過連桿與管端連接的偏心輪使彈簧管彎曲，這樣來使用彈簧管，效果很好。 第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 2 2非穩(wěn)態(tài)標定非穩(wěn)態(tài)標定 采用穩(wěn)態(tài)周期性壓力源來確定壓力系統(tǒng)的動態(tài)特性時，往往受到所能產生的壓力幅值和頻率的限制。高壓和穩(wěn)態(tài)頻率很難同時獲得。為此，在較高壓力振幅范圍內，為了確定壓力傳感器的高頻響應特性，必須借助于階躍函數(shù)理論。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 可采用各種方法來產生所需要的脈沖。最簡單的一種方法是在液壓源與傳感器之間使用一個快速卸荷閥，從0上升到90%的全壓力的時間為10ms。 采用脈沖膜片也可獲得階躍壓力。用薄塑料膜片或塑料薄板。把兩個空腔隔開，由撞針或尖刀使膜片產生機械損壞。由此發(fā)現(xiàn)，降壓而不是升壓，可產生一個更接近理想的階躍函數(shù)。降壓時間約為0.25ms。 激波管能產生非常接近的瞬態(tài)“標準”壓力。激波管的結構十分簡單，它是一根兩端封閉的長管，用膜片分成兩個獨立空腔。第第1313章章 壓力測量技術壓力測量技術 13 14 3 4 5 7 6