《压力测试技术》PPT课件.ppt

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1、第三章第三章 压力测试技术压力测试技术3.1 压力的力学测量方法压力的力学测量方法3.2 压力的电学测量方法压力的电学测量方法3.3 电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器3.4 压阻式压力传感器压阻式压力传感器3.5 电感式压力传感器电感式压力传感器3.6 压电式压力传感器压电式压力传感器3.7 压力检测仪表的安装压力检测仪表的安装3.8 传感器的标定传感器的标定 刘 汉 周 动力学院概述概述 垂直作用在垂直作用在单位面位面积上的力称上的力称压力力。在国在国际单位制（位制（SI）和我国法定）和我国法定计量量单位位中，中，压力的力的单位是位是“帕斯卡帕斯卡”，简称称“帕帕”，符号，符号为“P

2、a”。即即1N的力垂直均匀作用在的力垂直均匀作用在1m2的面的面积上所上所形成的形成的压力力值为1Pa。过 去去 采采 用用 的的 压 力力 单 位位“工工 程程 大大 气气 压 力力”（kgf/cm2）、“毫毫米米汞汞柱柱”（mmHg）、“毫毫米米水水柱柱”（mmH2O）、“物物理理大大气气压”（atm）、“巴巴”（bar）、“PSI”等等均均应改改成成法法定定计量量单位帕。位帕。1 kgf/cm2=0.9807105Pa1mmH2O=0.980710Pa1 mmHg=1.332102Pa1atm=1.01325105Pa1bar=105Pa 1PSI=6.89103Pa压力表示方式力表示方

3、式u绝对压力力 PJu大气大气压力力 PDu表表压力力 PB PB=PJ PDu真空度真空度 PZ（负压）PZ PD PJ压力测量方法压力测量方法一、力学测量方法：液体压力平衡、弹性力平衡二、电学测量方法：电位式、应变式、电容式、电感式、电涡流、压电式、压阻式液体液体压力平衡力平衡u利用液柱利用液柱对液柱底面液柱底面产生的静生的静压力与被力与被测压力相平力相平衡的衡的原理原理，通，通过液柱高度来反映被液柱高度来反映被测压力的大小力的大小u优点：点：结构构简单，使用方便，有相当高的准确度，使用方便，有相当高的准确度，在本在本专业中中应用很广泛用很广泛u缺点：缺点：量程受液柱高度的限制，体量程受液

4、柱高度的限制，体积大，玻璃管容大，玻璃管容易易损坏及坏及读数不方便数不方便3.1 压力的力学力的力学测量方法量方法u采用水采用水银或水或水为工作液，用工作液，用U形管或形管或单管管进行行测量，常用于低量，常用于低压、负压或或压力差的力差的检测u被广泛用于被广泛用于实验室室压力力测量或量或现场锅炉烟、炉烟、风道各段道各段压力、通力、通风空空调系系统各段各段压力的力的测量量一、一、U形管形管压力力计P=P1P2 =g(h1+h2)提高工作液密度将提高工作液密度将增加增加压力的力的测量范量范围，但灵敏度要降，但灵敏度要降低。低。静止液体的压力流量孔板的压降皮托管测速测速管压力测量在气固两相流中的应用

5、完整的压力测量系统二、二、单管管压力力计 由于由于U形管形管压力力计需两次需两次读取液面高度，取液面高度，为使用方便，使用方便，设计出出一次一次读取液面高度的取液面高度的单管管压力力计。因因 则 故故 由于由于 Dd，所以，所以 P=gh2 三、斜管微三、斜管微压计 主要用于主要用于测量微小量微小压力、力、负压和和压差，差，它将它将单管液柱管液柱压力力计的的测量管量管倾斜放置，斜放置，这样可以提高灵敏度，减少可以提高灵敏度，减少读数相数相对误差。差。倾斜斜角角度度越越小小，l越越长，测量量灵灵敏敏度度就就越越高高；但但不不可可太太小小，否否则液液柱柱易易冲冲散散，读数数较困困难，误差增大。差增

6、大。这种种倾斜斜管管液液柱柱式式压力力计可可以以测量量到到0.98Pa的的微微压。为了了进一一步步提提高高微微压计的的精精确确度度，应选用密度小的酒精作用密度小的酒精作为工作液体。工作液体。3.1.2 3.1.2 弹性力平衡方法弹性力平衡方法 用用弹性性传感器（又称感器（又称弹性元件）性元件）组成的成的压力力测量量仪表称表称为弹性式性式压力力计。弹性元件受性元件受压后后产生的形生的形变输出（力或位移），可以通出（力或位移），可以通过传动机构直接机构直接带动指指针指示指示压力（或力（或压差），也差），也可以通可以通过某种某种电气元件气元件组成成变送器，送器，实现压力力（或（或压差）信号的差）信号

7、的远传。弹性元件在性元件在弹性限度内受性限度内受压后会后会产生生变形，形，变形大小与被形大小与被测压力成正比关系。力成正比关系。弹簧管簧管截面截面为非非圆形（形（椭圆形或扁形或扁圆形），并弯形），并弯成成圆弧状的空心管子弧状的空心管子一端一端为封封闭（自由端）（自由端），一端，一端为开口（固定开口（固定端）端）弹簧管簧管压力表力表u结构构简单，使使用用方方便便，价价格格低低廉廉，使使用用范范围广，广，测量范量范围宽u可可测负压、微微压、低低压、中、中压和高和高压u精精度度有有0.5、1.0、1.5、2.5等等弹性式性式压力力计的的误差差1迟滞滞误差差 相相同同压力力下下，同同一一弹性性元元件件

8、正正反反行行程程的的变形形量量不一不一样，产生生迟滞滞误差。差。2后后效效误差差 弹性性元元件件的的变形形落落后后于于被被测压力力的的变化化，引引起起弹性后效性后效误差。差。3间隙隙误差差 仪表表的的各各种种活活动部部件件之之间有有间隙隙，示示值与与弹性性元件的元件的变形不可能完全形不可能完全对应，引起，引起间隙隙误差。差。4摩摩擦擦误差差 仪表表的的活活动部部件件运运动时，相相互互间存存在在摩摩擦擦力力，产生摩擦生摩擦误差。差。5温温度度误差差 环境境温温度度的的变化化会会引引起起金金属属材材料料弹性性模模量量的的变化，造成温度化，造成温度误差。差。弹性式性式压力力计误差的改善途径差的改善途

9、径 1用用无无迟滞滞误差差或或迟滞滞误差差极极小小的的“全全弹性性”材材料料和和温度温度误差很小的差很小的“恒恒弹性性”材料制造材料制造弹性元件。性元件。2采采用用新新的的转换技技术，减减少少或或取取消消中中间传动机机构构，以以减少减少间隙隙误差和磨擦差和磨擦误差。差。3限限制制弹性性元元件件的的位位移移量量，采采用用无无干干磨磨擦擦的的弹性性支支承承或磁或磁悬浮支承等。浮支承等。4采采用用合合适适的的制制造造工工艺，使使材材料料的的优良良性性能能得得到到充充分分的的发挥。压力力仪表的校表的校验常用的校常用的校验仪表是活塞式表是活塞式压力力计。校校验就是将被校就是将被校压力表和力表和标准准压力

10、表通以相同力表通以相同压力，比力，比较它它们的指示的指示值，如果被校表，如果被校表对于于标准表的准表的读数数误差不大于被校差不大于被校表的最大允表的最大允许绝对误差差时，则认为被校表合格。被校表合格。1-1-油杯；油杯；2-2-针阀；针阀；3-3-进油阀；进油阀；4-4-油缸；油缸；5-5-活塞；活塞；6-6-砝码；砝码；7-7-托盘；托盘；8-8-联接螺母；联接螺母；9-9-导导管；管；10-10-手摇油泵；手摇油泵；11-11-水平调节螺钉；水平调节螺钉；12-12-底盘底盘3.23.2压力的力的电学学测量方法量方法压力量的电测系统压力量的电测系统1.传感器；传感器；2.测量回路；测量回路

11、；3.记录或显示器记录或显示器3.33.3电阻阻应变式式压力力传感器感器电阻应变测量系统电阻应变测量系统电阻应变计传感元件；电阻应变仪转换部分，它将构件表面的应变转换为电阻值的相对变化，并将应变计电阻的相对变化(以电桥转换的方式)转换成电压或电流信号。记录仪器记录电阻应变仪的输出。电阻应变计测量特点测量方法简单，价格低廉；灵敏度高，测量应变的灵敏度可达l微应变，即等于10-6mmmm，准确度可达12；频率响应好，可测量0500 000 Hz的动态应变，惯性极小；测量应变范围大，量程宽；可在高温(8001000)低温(-100-270)高压液(高达上万个大气压)、高速旋转(几千转几万转分)强磁场

12、、核幅射等特殊条件下进行测量。输出为电信号。可远距离传输信号或用计算机控制，也可用无线电发报方式进行遥测。用电阻应变计作为传感元件可制成各种传感器。用于测量力、压强、扭矩、加速度等物理量，应用广泛，应用于传感器的精度可达0.051。电阻应变式压力传感器就是众多电阻应变计中的一种。应变式式压力力传感器工作原理感器工作原理u应变片片是基于是基于应变效效应工作的一种工作的一种压力敏感元力敏感元件，当件，当应变片受外力作用片受外力作用产生形生形变时，应变片片的的电阻阻值也将也将发生相生相应变化。化。u应变式式压力力传感器感器是由是由弹性元件、性元件、应变片以及片以及相相应的的桥路路组成的。成的。电阻应

13、变式压力传感器（1）结构原理压力使弹性敏感元件变形，导致敏感元件的电阻发生变化。通过电桥记录电信号的变化，达到测压的目的。分为粘贴式与非粘贴式两种；特点：结构简单，灵敏度高，量程宽，应用特殊场合。输出信号小，对环境温度反应灵敏。金属电阻应变片的典型结构箔式应变片箔式应变片 电阻应变效应电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变当金属丝在外力作用下发生机械变形形时时 其电阻值将发生变化其电阻值将发生变化F l、A、R金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应电阻丝应变效应材料的纵向应变，即单位长度上的伸长量。横向应变与纵向应变的比值，称“泊松比”高灵敏度系数电阻丝材料的要求灵敏系数k0尽量大，以使变

14、换器的输出大。灵敏系数k0在尽可能大的应变范围内是常数，即电阻变化与应变成线性关系.具有足够的热稳定性，电阻温度系数要小，以减少温度变化引起电阻变化所产生的误差。电阻率高。当要求应变片具有一定的电阻值时，使得线材的长度短，丝栅的尺寸小。具有优良的加工与焊接性能。电阻应变片的工作特性1.应变片灵敏度系数影响因素：影响因素：电阻丝灵敏度系数、敏感栅尺寸、形状、粘结剂、基底、应变计粘贴位置及方向2.应变片的温度特性 温度变化 电阻丝与试件的线膨胀系数变化电阻应变式压力传感器（2）电阻应变片的温度效应：由温度变化引起的电阻变化；温度补偿方法：自补偿法；桥路补偿法：在电桥中加入补偿片，补偿温度变化引起的

15、电阻偏差。电阻应变式压力传感器结构悬链膜-应变管式张丝式在火电厂的应用称重式给煤机汽车衡桥路补偿法电阻应变式压力传感器汽车衡称重式皮带给煤机容器内液体重量（液位）传感器容器内液体重量（液位）传感器液位传感器液位传感器 式中式中 A1、A2传感器的传输系数；传感器的传输系数；g 重力加速度重力加速度(m/s2)；被测溶液的密度被测溶液的密度(Kg/m3)。溶液重量溶液重量 式中式中 Q容器内感压膜上面溶液的重量容器内感压膜上面溶液的重量(N)；D柱形容器的截面积柱形容器的截面积(m2)。应变式加速度传感器应变式加速度传感器在低频（在低频（1060Hz）振动测量中得到广泛的应用）振动测量中得到广泛

16、的应用,但不适用于频率较高的振动和冲击。但不适用于频率较高的振动和冲击。应变式加速度传感器结构示意图应变式加速度传感器结构示意图1等强度梁等强度梁 2质量块质量块 3壳体壳体 4电阻应变片电阻应变片3.4 压阻式阻式压力力传感器感器u压阻元件阻元件是基于是基于压阻效阻效应工作的一种工作的一种压力敏感力敏感元件，它指在半元件，它指在半导体材料的基片上用基成体材料的基片上用基成电路路工工艺制成的制成的扩散散电阻，当它受外力作用阻，当它受外力作用时，其，其阻阻值由于由于电阻率的阻率的变化而改化而改变。u扩散散电阻正常工作需依附阻正常工作需依附弹性元件，常用的是性元件，常用的是单晶体硅膜片。晶体硅膜片

17、。电阻的灵敏系数电阻的灵敏系数对于半径为r的圆导体，A=r2，A/A=2r/r又由材料力学可知，在弹性范围内，为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；为电阻丝材料的泊松比，为电阻丝材料的泊松比，横向应变与纵向应变的比值，称横向应变与纵向应变的比值，称“泊松比泊松比”一般金属一般金属=0.30.5；为压阻系数，与材质有关；为压阻系数，与材质有关；为应力值；为应力值；E为材料的弹性模量；为材料的弹性模量；金属电阻的灵敏系数金属电阻的灵敏系数材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）金属材料：k0以前者为主，则k01+2=

18、1.73.6半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定压阻式压力传感器的测量特点(1)结构简单，可微型化。有效面积的直径仅有零点几毫米或更小；(2)精度高。实际精度可达0.1-0.05，最高可达0.01。可靠性高，广泛用于宇航和航空工业中；(3)频率响应高。传感器本身的固有频率高，可达5 0-1 500 kHz。因此可以测几千赫几十千赫以上的脉动压力；(4)灵敏度高，其灵敏度系数比金属丝应变式压力传感器高50-1 00倍。分辨力高，可测仅有1-2 mm水柱的微压；(5)输出电平大，可达200 mV左右，有时可不加放大器直接测量其输出信号。压阻式压力传感器测量的主要缺点 压阻式压力传感器在测

19、量中存在着测量较大应变时，存在非线性较严重及电阻和灵敏度系数的温度稳定性差的不足，因此必须找到有效、可靠的温度补偿措施。r0，r、t达达最大最大值r=0.58r0，r=0r=r0，r达达负的最大的最大值r=r0，t=0压阻式压力传感器输出3.53.5电感式感式压力力传感器感器单绕组电感变换器单绕组电感变换器差动式电感传感器为了克服单绕组电感传感器的缺陷，设计了差动式电感传感器。即用两只几何尺寸完全相同、导磁体材料相同、上下线圈的电气参数即线圈铜电阻，电感、匝数完全一致的单绕组电感传感器组成。长处：长处：灵敏度高，精度高；输出信号大，结构简单，工作可靠，寿命长。不足之处：不足之处：因温度影响造成

20、测量误差较大。不适合高频脉动压力的测量，常用于准动态、频率较低的压力测量。电动差压变送器差压变送器3.63.6压电式式压力力传感器感器1.压电式式压力力传感器感器u压电效效应原理原理：压电材料受材料受压时会在其表面会在其表面产生生电荷，其荷，其电荷量与所受的荷量与所受的压力成正比。力成正比。u压电材料材料：单晶体、多晶体晶体、多晶体u特点特点：结构构简单、紧凑，小巧凑，小巧轻便，工作可便，工作可靠，靠，线性度好，性度好，频率响率响应高，量程范高，量程范围广广压电材料压电传感器中的压电元件材料一般有三类：1.压电晶体（如石英晶体）；2.经过极化处理的压电陶瓷；3.高分子压电材料。压电效应顺压电效

21、应将机械能转变为电能的现象(加力 变形 产生电荷)逆压电效应电能转换为机械能的现象。(施加电场 电介质产生变形 应力)压电介质压电介质压电介质压电介质正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应Q(E)Q(E)电电电电能能能能T(S)T(S)机械能机械能机械能机械能逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应当压电晶片确定后，则极板间的电压Ua和外力Fx成正比1.石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应X轴：电轴或轴：电轴或1轴；轴；Y轴：机械轴或轴：机械轴或2轴；轴；Z轴：光轴或轴：光轴或3轴。轴。“纵向压电效应纵向压电效应”：沿电轴（：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷轴）方向的力作用下产生电荷“横

22、向压电效应横向压电效应”：沿机械轴（：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷轴）方向的力作用下产生电荷在光轴（在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。轴）方向时则不产生压电效应。晶体切片 当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷 d11压电系数（压电系数（C/N）作用力是沿着机械轴方向时，作用力是沿着机械轴方向时，电荷仍在与电荷仍在与X轴垂直的平面轴垂直的平面此时，此时，切片上电荷的符号与受力方向的关系 图（图（a）是在）是在X轴方向受压力，轴方向受压力，图（图（b）是在）是在X轴方向受拉力，轴方向受拉力，图（图（c）是在）是在Y轴方向受压力，轴方向受压力，图（图（d）是在）是

23、在Y轴方向受拉力。轴方向受拉力。石英晶体的压电效应（a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。（b）在）在X轴方向压缩，表面轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。表面呈现正电荷。（c）沿）沿Y轴方向压缩，在轴方向压缩，在A和和B表面上分别呈现正电荷和负电荷表面上分别呈现正电荷和负电荷 压电材料简介压电材料简介压电常数压电常数压电常数压电常数弹性常数（刚度）弹性常数（刚度）弹性常数（刚度）弹性常数（刚度）介电常数介电常数介电常数介电常数机电耦合系数机电耦合系数机电耦合系数机电耦合系数电阻电阻电阻电阻居里点居里点居里点居

24、里点压电效应强弱：灵敏度压电效应强弱：灵敏度压电效应强弱：灵敏度压电效应强弱：灵敏度固有频率、动态特性固有频率、动态特性固有频率、动态特性固有频率、动态特性固有电容、频率下限固有电容、频率下限固有电容、频率下限固有电容、频率下限机电转换效率机电转换效率机电转换效率机电转换效率泄漏电荷、改善低频特性泄漏电荷、改善低频特性泄漏电荷、改善低频特性泄漏电荷、改善低频特性丧失压电性的温度丧失压电性的温度丧失压电性的温度丧失压电性的温度石英晶体一种天然晶体，压电系数d112.311012C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频

25、率高、动态特性好、工作温度高达550（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。2.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化陶瓷片极化 压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。因此陶瓷片对外不表现极性。压电陶瓷的正压电效应 压压电电陶陶瓷瓷片片上上加

26、加上上一一个个与与极极化化反反向向平平行行的的外外力力，陶陶瓷瓷片片将将产产生生压压缩缩变变形形，原原来来吸吸附附在在极极板板上上的的自自由由电电荷荷，一部分被释放而出现一部分被释放而出现放电现象放电现象。当当压压力力撤撤消消后后，陶陶瓷瓷片片恢恢复复原原状状，片片内内的的正正、负负电电荷荷之之间间的的距距离离变变大大，极极化化强强度度也也变变大大，因因此此电电极极上上又又吸吸附部分自由电荷而出现附部分自由电荷而出现充电现象充电现象。放电电荷的多少与外力的大小成比例关系放电电荷的多少与外力的大小成比例关系 Q 电荷量；电荷量；d33 压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数；F 作用力。作用力。

27、常见压电陶瓷（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。常用压电材料常用压电材料常用压电材料常用压电材料(a)等效为一个电荷源等效为一个电荷源Q与一个电容与一个电容Ca并联的电路并联的电路(b)等效成一个电

28、源等效成一个电源U=Q/Ca 和一个电容和一个电容Ca的串联电路的串联电路 压电式压力传感器工作原理压电式压力传感器测量原理压电式压力传感器测量要求压电传感器的晶体可以看成为一个产生电荷的高内阻发电元件，它把压力的作用变换为电荷量。由于压电元件的内阻很高且输出信号微弱，一般不能直接记录和显示。显然不能用一般的低输入阻抗仪表来进行测量，否则，压电晶片上的电荷就要通过测量电路的低输入阻抗泄漏掉。只有当测量电路的输入阻抗较高，快速测量被测参数的变化，所测得的结果才接近电荷的实际变化。压电式压力传感器的测量线路组成：组成：测量线路的组成包括前置放大器、输出信号电缆要求：要求：1.实现阻抗变换，将压电晶

29、片的高输出阻抗变换成低输出阻抗；2.将微弱的输出信号实现放大。两个压电片的联结方式（1）“并联并联”，Q=2Q，U=U，C=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，（2）“串联串联”Q=Q，U=2U，C=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。图图左左）从从电电路路上上看看，这这是是并并联联接接法法，类类

30、似似两两个个电电容容的的并并联联。所所以以，外外力力作作用用下下正正负负电电极极上上的的电电荷荷量量增增加加了了1 1倍倍，电电容容量量也也增增加加了了1 1倍倍，输输出出电电压压与与单单片片时时相同相同。图图右右）从从电电路路上上看看是是串串联联的的，两两压压电电片片中中间间粘粘接接处处正正负负电电荷荷中中和和，上上、下下极极板板的的电电荷荷量量与与单单片片时时相相同同，总总电电容容量量为为单单片片的的一一半半，输输出出电电压压增增大了大了1 1倍。倍。压电式传感器的信号调节电路压电式传感器的信号调节电路压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接

31、入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。压电传感器在实际测量压电传感器在实际测量压电传感器在实际测量压电传感器在实际测量系统中的等效电路系统中的等效电路系统中的等效电路系统中的等效电路（1）电压放大器Ca：传感器的电容：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻：放大器的输入电阻Ci：放大器的输入电容：放大器的输入电容前置放大器输入电压前置放大器输入电压 压电元件的力压电元件

32、的力 F=Fmsint压电元件的压电系数为压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为，产生的电荷为Q=d11F。输入电压的幅值输入电压的幅值 当作用力是静态力（当作用力是静态力（=0）时，前置放大器的输入电压为零。时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。压电式压力传感器不能测静态力压电式压力传感器时间常数一定，传感器的高频响应好。测量低频动态压力，应增大压电式压力传感器的时间常数压电式压力传感器的时间常数与压电式压力传感器的灵敏度ku的关系(C

33、 但ku）传感器的低频响应范围 如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。电压放大器应用限制压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降

34、低。电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。解决电缆问题的办法将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。（2）电荷放大器）电荷放大器压电式传感器另一种专用的前置放大器。压电式传感器另一种专用的前置放大器。能能将将高高内内阻阻的的电电荷荷源源转转换换为为低低内内阻阻的的电电压压源源，而而且且输输出出电电压压正正比比于于输输入入电电荷荷，因因此此，电电荷荷放放大大器器同同样样也也起起着着阻阻抗抗变变换换的的作作用用，其其输输入入阻阻抗抗高达高达10101012，输出阻抗小于，输出阻抗小于

35、100。使使用用电电荷荷放放大大器器突突出出的的一一个个优优点点：在在一一定定条条件件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。压电传感器与电荷放大器连接等效电路 K是放大器的开环增益，（是放大器的开环增益，（-K）表示放大器的输出与输入反相，）表示放大器的输出与输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近“地地”电位。电位。充电电压接近等于放大器的输出电压充电电压接近等于放大器的输出电压 几点结论：几点结论：1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，

36、而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成变化成 线形关系的输出电压。线形关系的输出电压。3、反馈电容、反馈电容Cf小，输出就大，小，输出就大，4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。5、输出电压与电缆电容无关条件：、输出电压与电缆电容无关条件：（1+K）Cf（Ca+Cc+Ci）电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一

37、种习惯叫法。四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形电荷放大器外形电荷放大器外形例例例例1 1：交通监测：交通监测：交通监测：交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。例例例例2 2：汽车安全气囊系统：汽车安全气囊系统：汽车安全气囊系统：汽车安全气囊系统事故性碰撞：事故性碰撞：事故性碰撞：事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、点火信号、电点火管、气体发生剂、点火信号、电点火管、气体发生剂、点火信号、电点火管、气体发生剂、气体、充气、弹性体气体、充

38、气、弹性体气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体例例例例3:3:气体发生器输出特性测试气体发生器输出特性测试气体发生器输出特性测试气体发生器输出特性测试密封容器压力测试法密封容器压力测试法密封容器压力测试法密封容器压力测试法例例例例4 4：压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用：压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用：压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用：压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析压电式步态分析跑台跑台压电式纵跳训练分析压电式纵跳训练分析装置装置压电传感器测量双腿压电传感器测量双腿跳的动态力跳的动态力3.73.7压力力检测仪表的安装表的安装一、一、压力力检测仪

39、表的表的选择1.仪表量程的表量程的选择u被被测压力力较稳定：最大工作定：最大工作压力不力不应超超过仪表表满量程的量程的3/4u被被测压力波力波动较大或大或测脉脉动压力：最大力：最大工作工作压力不力不应超超过仪表表满量程的量程的2/3u为保保证测量准确度：最小工作量准确度：最小工作压力不力不应低于低于满量程的量程的1/3u优先先满足最大工作足最大工作压力条件力条件2.仪表精度的表精度的选择 压力力检测仪表的精度主要根据生表的精度主要根据生产允允许的的最大最大误差来确定，即要求差来确定，即要求实际被被测压力允力允许的的最大最大绝对误差差应小于小于仪表的基本表的基本误差。差。3.仪表表类型的型的选择

40、u从被从被测介介质压力大小来考力大小来考虑u被被测介介质的性的性质u对仪表表输出信号的要求出信号的要求u使用的使用的环境境压力表的安装力表的安装1.取取压口的口的选择u在管道或烟道上取在管道或烟道上取压u测量流量流动介介质的的压力力u测量液体介量液体介质的管道上的管道上取取压2.导压管的管的铺设 导压管是管是传递压力、力、压差信号的。差信号的。3.压力、力、压差差计的安装的安装压力传感器的安装1.管子越细、频率越高，则吸收效应越显著，压力波的衰管子越细、频率越高，则吸收效应越显著，压力波的衰减也就越明显。减也就越明显。2.随着传压管长的增加，系统的固有频率就下降，即动态随着传压管长的增加，系统

41、的固有频率就下降，即动态特性变差。特性变差。直管无腔室管道系统直管无腔室管道系统有空腔的传压管系统有空腔的传压管系统增大增大n，测量系统或环节的，测量系统或环节的动态特性变好动态特性变好。若使。若使n增大，增大，则要使传压小管直径则要使传压小管直径d增加，而容腔体积增加，而容腔体积V和传压小管长和传压小管长度度L要减小要减小d的增加，和的增加，和V及及L的减小，则会使阻尼比的减小，则会使阻尼比减小。当减小。当减小减小到一定程度时，就会使系统的固有频率到一定程度时，就会使系统的固有频率n和被测压力的和被测压力的频率频率接近直至相等接近直至相等，严重时产生，严重时产生共振共振。非谐振传压管系统消除

42、共振，改善频率响应特性，扩大测量动态压力的频率范围曲线曲线1为容腔环节的频率特性，它表征了压力测量系统总的频率特性；为容腔环节的频率特性，它表征了压力测量系统总的频率特性；曲线曲线1是增加了传压小管直径是增加了传压小管直径d、减小长度、减小长度L和和V，使环节的固有频率，使环节的固有频率增加，然而此举使阻尼比增加，然而此举使阻尼比减少减少虚线虚线1,采用非谐振传压管系统，改善了整个系统的频率特性采用非谐振传压管系统，改善了整个系统的频率特性基本参数指标基本参数指标环境参数指标环境参数指标可靠性可靠性指标指标其他指标其他指标量程指标量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标灵敏度指标：灵敏度、分辨

43、力、满量程输出等精度有关指标：精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性 动态性能指标：动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等 温度指标：温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等 抗冲振指标：抗冲振指标：允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差 其他环境参数：其他环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀等能力、抗电磁场干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标：使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项分布参数值、电压范围与稳

44、定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等3.83.8传感器的感器的标定定 标定：通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。标定曲线：试验求得的传感器输入量与输出量之间的关系曲线（输出特性曲线）。标定方法：利用已知的标准值输入到待标定的传感器中，传感器得到相应的输出量，将输出量与输入的标准量绘制成曲线即得标定曲线。按传感器的种类和使用情况不同，其标定方法也不同。荷重、应力、压力传感器等的静标定方法是利用压力试验机进行标定；它们更精确的标定则是在压力试验机上用专门的荷载标定器标定；位移传感器的标定则是采用标准量块或位移标定器。标定要求：标定应该在与其使用条件相似的状态下进行

45、；增加重复标定的次数，以提高测试精度；传感器需定期标定，一般以一年为期；对重要的试验，需在试验前后的标定误差，在允许的范围内。传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应。而与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数、二阶传感器则有固有频率n和阻尼比两个参数;动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。有时，根据需要也要对横向灵敏度、温度响应、环境影响等进行标定。选用传感器的基本原则：1）根据实际需要，保证主要的参数。2）不必盲目追求单项

46、指标的全面优异，主要关心其稳定性和变化规律性。静静态标准条件准条件 没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（205）、相对湿度不大于85%，大气压力为1017kPa的情况。标定定仪器器设备精度等精度等级的确定的确定对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。静静态特性特性标定的方法定的方法标定过程步骤标定过程步骤：将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；根据传

47、感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；将输入值由大到小一点一点的减少，同时记录下与各输入值相对应的输出值；按、所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出输入测试数据用表格列出或画成曲线；对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。压力力发生部分生部分测量量部分部分活塞压力计标定过程活塞压力计标定过程标定时，把传感器装在联接螺帽上。然后，按照活塞压力计的操作规程，转动压力泵的手轮，使托盘上升到规定的刻线位置，按照所要求的压力间隔，逐点增加砝码重量，使压力计产生所需的压力，

48、同时用数宇电压表记下传感器在相应压力下的输出值。这样就可以得出被标定传感器或测压系统的输出特性曲线(即输出与压力之间的关系曲线)。根据这条曲线就可确定出所需要的各个静态特性指标。加压前的准备加压前的准备关闭压力计上的两个阀门，开启压力台上油杯的进油阀。摇退压力台上的活塞螺杆，使压力台油缸中充进油。关闭油杯的进油阀，然后开启压力计上的阀门。摇进活塞螺杆，直至压力计上有压力读数为止。校验校验在测量范围内选取从0.5兆帕至5.5兆帕间隔0.5兆帕作为校验点，增压至校验点后读数，轻敲表壳后再读数。增压至5.5兆帕后再缓慢降压至每一校验点进行校验。活塞压力计标定实验步骤活塞压力计标定实验步骤 图 3.5

49、2 压力标定曲线 上述标定方法不适合压电式压力测量系统，因为活塞压力计的加载过程时间太长，致使传感器产生的电荷有泄漏，严重影响其标定精度。所以，对压电式测压系统一般采用杠杆式压力标定机或弹簧测力计式压力标定机。为了保证压力传感器的测量准确度，需定期检定，检定周期最长不超过一年。杠杆式测力计杠杆式测力计标定装置，如图所示，砝码重量与压力的关系 W=pSb/a 弹簧式测力计弹簧式测力计标定装置，如图所示，p=F/S 式中，F测力计检定表所测得的传感器所受的力；S传感器的受力面积。压力传感器的动态标定压力传感器的动态标定给传感器加一个特性已知的校准动压信号作为激励源，从而得到传感器的输出信号，经计算

50、分析、数据处理，即可确定传感器的频率特性。压力传感器在标定时广泛采用激波管法方法。激波管法三大特点：压力幅度范围宽，便于改变压力值；频率范围宽(2kHz 2.5MHz)；便于分析研究和数据处理。1.激波管激波管标定装置工作原理定装置工作原理图 3.54 激波管标定装置系统原理框图1-高压室 2-低压室 3-膜片 4-侧面被标定的传感器 5-底面被标定的传感器 6、7-测速压力传感器8-测速前置级 9-数字频率计 10-测压前置级 11-记录装置 12-气源 13-气压表 14-泄气门 激波管标定装置系统激波管标定装置系统激波管入射激波测速系统标定测量系统气源激激波波管管中中压压力力与与波波动动