6动态测试技术_压力测试

动态测试技术 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 吴义鹏yipeng wu 压力测试 机械结构力学及控制国家重点实验室 2 本章主要内容 压力测试及测试方法应变式测压法压电式测压法测压系统的静态标定与动态标定膛压测试 机械结构力学及控制国家重点实验室 3 动态测试技术 压力测试 压力测试 压力是工业生产过程中常见的一个重要参数 在动力机械 冶金 造船 航空航天 化工 石油 纺织 原子能 电子 轻工 食品 医药 农业和气象等工农业部门中是经常用到的 此外 如物位 流量等参数的测量 有时常通过测量压力或压差的方法来达到的 应力的定义 流体或固体垂直作用在单位面积A上的力F称为压力 也称压强 机械结构力学及控制国家重点实验室 4 动态测试技术 压力测试 压力测试 工程中常采用的压力有绝对压力 表压力 大气压力 真空和差压等几种 机械结构力学及控制国家重点实验室 5 动态测试技术 压力测试 压力测试 工程大气压 1kgf cm2 0 9807 105Pa毫米水柱 1mmH2O 0 9807 10Pa毫米汞柱 1mmHg 1 333 102Pa物理大气压 1atm 1 01325 105Pa 机械结构力学及控制国家重点实验室 6 动态测试技术 压力测试 压力测试 压力的分类 压力 静态压力和动态压力 静态压力 不随时间变化或变化非常缓慢的压力 动态压力 随时间变化的压力 如爆炸冲击波压力 机械结构力学及控制国家重点实验室 7 本章主要内容 压力测试及测试方法应变式测压法压电式测压法测压系统的静态标定与动态标定膛压测试 机械结构力学及控制国家重点实验室 8 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 压力测量根据传感器原理可以分为液体式 弹簧式 活塞式 电测式 根据测试系统对信号的处理方式又分为模拟式和数字式 机械结构力学及控制国家重点实验室 9 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 液体式 基于流体静力学原理 利用液柱的高度差来测试压力的仪器 被测的液柱高度差可以直接读出 显示或通过计算的方法来确定 常用的液体式压力仪器 液体式压力仪工作原理 水银气压计 U型 双管 和杯型 单管 压力计 环天平式压力计 钟罩式压力计 补偿式微压计和斜管微压计等 机械结构力学及控制国家重点实验室 10 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 U型管压力计原理图 P P1 P2 g h1 h2 单管压力计原理图 P gh2 机械结构力学及控制国家重点实验室 11 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 弹簧式 利用弹性敏感元件 如弹簧管 在压力作用下产生弹性形变 其形变的大小与作用的压力成一定的线性关系 通过传动放大机构或其他显示装置表示出被测的压力 根据弹性敏感元件不同 弹簧式压力仪表有弹簧管式 膜片式 膜盒式 波纹管式等多种 作用原理 常用的弹簧式压力计 机械结构力学及控制国家重点实验室 12 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 机械结构力学及控制国家重点实验室 13 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 机械结构力学及控制国家重点实验室 14 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 活塞式 利用流体静压原理和帕斯卡原理 由作用于已知活塞有效面积上的专用砝码来进行压力测量 这种压力计有时又称为砝码式压力计 主要用于标准压力量值的传递 活塞式压力计有直接加负荷压力计 双活塞压力真空计 通过传动装置向活塞加负荷的压力计等几种 工作原理 常用的活塞式压力计 机械结构力学及控制国家重点实验室 15 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 机械结构力学及控制国家重点实验室 16 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 电测式 利用某些材料的电气特性在压力的作用下发生一定的变化 将被测的压力转换成与压力成一定关系的电信号来求得压力值的 常用的有应变式 固态压阻式 压电式 电感式 电容式 振频式等多种压力计等几种 工作原理 常用的电测式压力计 机械结构力学及控制国家重点实验室 17 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 高压侧进气口 低压侧进气口 电子线路位置 内部不锈钢膜片的位置 机械结构力学及控制国家重点实验室 18 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 机械结构力学及控制国家重点实验室 19 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 高压进气口 低压进气口 机械结构力学及控制国家重点实验室 20 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 p1进气管 机械结构力学及控制国家重点实验室 21 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 数字式 数字式压力计是可以直接以压力单位用数字显示压力量值的仪器 这类压力计大部分是以压力传感器为感压元件 然后将信号放大 经模 数和数 模转换器转换后显示压力数值的压力计 数字式压力计既可以显示生产工艺流程中的压力参数 又可将压力信号输出供数据分析和处理 因此在自动控制系统中被广泛应用 工作原理 机械结构力学及控制国家重点实验室 22 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 机械结构力学及控制国家重点实验室 23 动态测试技术 压力测试 6 1压力测试方法 电测式测压方法中应用最普遍的是应变测压法和压电测压法 利用这两种方法进行测量时 应尽量满足下列要求 频响要适应被测参数的频率特性 使频率误差具有足够小的数值 测压传感器及其附件夹具等 应具有足够的强度 测压传感器的灵敏度要适中 测压传感器的信号输出应该是线性的 测压传感器的外形尺寸应尽量小 机械结构力学及控制国家重点实验室 24 本章主要内容 压力测试及测试方法应变式测压法压电式测压法测压系统的静态标定与动态标定膛压测试 机械结构力学及控制国家重点实验室 25 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 应变式测压法采用应变式压力传感器作为转换器件 主要用来测量流动介质的动态或静态压力 如动力管道设备的进出口气体或液体的压力 发动机内部的压力 枪管及炮管内部的压力 内燃机管道的压力等 应变式测压传感器是基于弹性变形的原理 被测压力作用在传感器的弹性元件上 使弹性元件产生变形 并用弹性应变的大小来表示压力的大小 由于去载时弹性变形是可以恢复的 所以它不仅能测试压力的上升段 也可测其下降段 从而反映压力变化的全过程 机械结构力学及控制国家重点实验室 26 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 应变式测量系统 应变式压力传感器将压力信号转变成应变信号 再通过应变仪将其转换成电信号并放大输出给记录仪器记录 应变式测压法适合于在压力作用时间较长的条件下使用 机械结构力学及控制国家重点实验室 27 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 膜片式测压传感器弹性薄壁圆筒式测压传感器柱形圆筒式测压传感器 应变式测压传感器 机械结构力学及控制国家重点实验室 28 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 工作原理 膜片式应变测压传感器的弹性敏感元件是周边固定的圆膜片 由贴在膜片上的应变片感受应变的大小 并通过后级的电桥输出信号 膜片式测压传感器 机械结构力学及控制国家重点实验室 29 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 径向应力 切向应力 径向应变 切向应变 平膜片受力情况 机械结构力学及控制国家重点实验室 30 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 在圆板中心 r 0 处 切向应力与径向应力相等 切向应变与径向应变相等 而且具有正的最大值 机械结构力学及控制国家重点实验室 31 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 在圆板的边缘 r a 处 切向应力 径向应力和径向应变都达到负的最大值 而切向应变为零 平膜片的挠度 机械结构力学及控制国家重点实验室 32 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 中心 r 0 处的挠度有最大值 平膜片的固有频率 机械结构力学及控制国家重点实验室 33 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 平膜片的应力分布曲线 径向应变的曲线 在中心附近是正值 在板的边缘则为负值 机械结构力学及控制国家重点实验室 34 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 半桥布置 全桥布置 膜片式用力传感器的应变片布置方式 机械结构力学及控制国家重点实验室 35 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 弹性薄壁圆筒式测压传感器 该传感器主要用来测量液体的压力 弹性元件是 个钻了盲孔的薄壁圆筒 即应变筒 测试时把传感器拧到测试位置的测试孔中 压力作用在油脂上 油脂受压后 把压力传送到应变筒的内壁 使应变筒向外膨胀 发生弹性变形 机械结构力学及控制国家重点实验室 36 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 受力情况 轴向应力 切向应力 当筒壁很薄时 有 机械结构力学及控制国家重点实验室 37 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 应变片的粘贴位置 在盲孔的外端部有一个实心部分 制作传感器时 在筒壁和端部沿环向各贴一片应变片 端部在筒内有压力时不产生变形 只作温度补偿用 为提高传感器的灵敏度 还可利用两片应变片工作 另选两片应变片在端部作温度补偿 机械结构力学及控制国家重点实验室 38 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 由于应变管内需注入油液 油柱体的弹性模量较低 因此 注入的液柱限制了传感器固有频率 当液柱的柱长L0大于柱半径的1 7倍时 应变管的固有频率可由下式替代 环向粘贴应变片时 传感器应变管的固有振荡频率有 应变管的频率范围 在向空腔中灌注油脂时 必须防止混入气泡 因为气泡会严重地降低传感器的固有频率 可以把油脂加热熔化后用医用注射器注入空腔底部 以保证排除空气 机械结构力学及控制国家重点实验室 39 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 柱形圆筒式测压传感器 柱形圆筒式测压传感器的弹性元件是柱形圆筒 如活塞式应变测压传感器 它的弹性元件是应变管 使用时把传感器拧在测压孔内 压力作用在活塞阶一端 活塞把压力转化为集中力作用在应变管上 使应变管产生轴向压缩弹性变形 工作应变片 一片或两片 沿轴向贴在应变管的中部 机械结构力学及控制国家重点实验室 40 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 活塞式应变测压传感器主要是通过活塞杆 而不是通过油脂传递压力的 所以它的固有频率比较高 一般可达10或15kHz 活塞的质量愈轻 活塞杆的刚度愈大 则固有频率愈高 柱形圆筒式测压传感器 机械结构力学及控制国家重点实验室 41 动态测试技术 压力测试 6 2应变式测压法 柱形圆筒式测压传感器 应变片粘贴方式 电桥连接方式 机械结构力学及控制国家重点实验室 42 本章主要内容 压力测试及测试方法应变式测压法压电式测压法测压系统的静态标定与动态标定膛压测试 机械结构力学及控制国家重点实验室 43 动态测试技术 压力测试 6 3压电式测压法 压电测压传感器的结构 膜片压电式压力传感器 膜片常用材料有石英晶体和压电陶瓷 尤其石英晶体稳定性好 这种传感器结构紧凑 具有较高的谐振频率 主要组成部分是弹性敏感器件 膜片 压电转换器件 晶片 和本体 外壳及芯体 组成 机械结构力学及控制国家重点实验室 44 动态测试技术 压力测试 6 3压电式测压法 压电晶体 主要是单晶体 石英 天然晶体 除压电常数不大外 特性优越 可作为标准传感器 压电陶瓷 多晶体 属于人工制造的多晶体 仍以Q dF表示 较大的压电系数 介电常数 机械强度 石英 机械结构力学及控制国家重点实验室 45 动态测试技术 压力测试 6 3压电式测压法 压力p作用在膜片上 通过传力块加到石英晶片上 石英双晶片利用X切割 厚度形变的纵向压电效应 双晶片并联 输出总电荷量为单片的两倍 电容量大 输出电荷量大 时间常数也大 适用于测量缓变信号及电荷量输出信号 电容量小 响应快 输出电压大 适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号 机械结构力学及控制国家重点实验室 46 动态测试技术 压力测试 6 3压电式测压法 优点 具有较高的灵敏度和分辨率 利于小型化 缺点 1 膜片产生的弯曲 会造成线性与动态特性变差 2 各组件间接触刚度的改变 改变传感器固有频率 3 温度变化时 膜片变形量变化 压紧力也变化 为保证在交变力作用下正常工作 消除因接触不良产生的非线性误差 装配时应通过拧紧芯体施加预压紧力 机械结构力学及控制国家重点实验室 47 动态测试技术 压力测试 6 3压电式测压法 为消除预加载时引起膜片变形 采用了预紧筒加载结构 预紧筒是一个薄壁厚底的金属圆筒 通过拉紧预紧筒对石英晶片组施加预压紧力 并在加载状态下用电子束将预紧筒与芯体焊成一体 膜片是后焊接到壳体上去的 机械结构力学及控制国家重点实验室 48 动态测试技术 压力测试 6 3压电式测压法 压电式测压传感器的使用 使用时注意的问题 1 绝缘性 压电效应产生的电荷很少 为保证压电晶体产生的电荷不会泄漏掉 要重视整个传感器的电绝缘性能 2 预压力 消除压电晶体片 活塞 压块之间的间隙 防止压电晶体因撞击而受损坏 并可以提高测压传感器的固有频率 机械结构力学及控制国家重点实验室 49 动态测试技术 压力测试 6 3压电式测压法 影响压电式传感器的固有频率相关因素 1 传感器的活动零件 如活塞等的质量越小 刚度越大 则传感器的固有频率越高 2 传感器壳体的刚度越大 零件的紧因性越好 则固有频率越高 优点 动态测量范围很宽 频响特性好 能测量准静态的压力和高频变化的动态压力 结构坚实 强度高 体积小 质量轻 耐高温 使用寿命长等优点 缺点 低频特性差 由于静电荷泄漏 测量缓慢变化的压力时 却可能会引入较大的误差 机械结构力学及控制国家重点实验室 50 本章主要内容 压力测试及测试方法应变式测压法压电式测压法测压系统的静态标定与动态标定膛压测试 机械结构力学及控制国家重点实验室 51 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 静态标定 测压系统静态标定是在静态标准条件下 采用一定标准等级的标定设备 对仪表重复 不少于3次 进行全量程逐级加载和卸载测试 获得各次校准数据 以确定仪表测压系统的线性度 灵敏度 重复性等静态特性指标 静态标定需要静压发生装置产生压力信号 较常采用的静压发生装置有 活塞式压力发生器 杠杆式压力发生器及弹簧测力计式压力发生器 机械结构力学及控制国家重点实验室 52 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 静态标定的条件 温度20 5 湿度 80 大气压力为760 80mmHg 且无振动冲击的环境 标定的方法 将测压系统与标准系统的示值在相同条件下进行比较 将测压系统的示值与标准压力比较 机械结构力学及控制国家重点实验室 53 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 活塞式压力标定系统 活塞式压力标定系统 机械结构力学及控制国家重点实验室 54 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 活塞压力发生器是应用静压平衡原理的计量仪器 被标定的压力传感器或压力仪表安装在压力计的接头上 当转动手轮时 加压油缸的活塞往前移动使油缸增压 并把压力传至各部分 当压力达到一定值时 将精密活塞连同上面所加的标准砝码顶起 轻轻的转动砝码盘 使精密活塞与砝码旋转 以减小活塞与缸体之间的摩擦力 此时油压与砝码 连同活塞 的重力相平衡 活塞压力计的工作原理 机械结构力学及控制国家重点实验室 55 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 此时传感器所受到的压力等于砝码的重力与活塞的有效面积之比 有时为了操作的方便 可不用砝码加载 而直接用标准压力表直接读取压力值 再与测压系统的输出进行灵敏度等静态参数的确定 机械结构力学及控制国家重点实验室 56 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 压力标定过程 标定时 以一定的压力间距逐点加压 记录下所加的压力值Pi 以及相应的记录器的电压偏移量Vi 标定时所施加的最大压力应略大于待测压力的最大值 然后 再逐次减小压力 记录下测压系统记录仪器的电压偏移量Vi 并重复3 5次 机械结构力学及控制国家重点实验室 57 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 动态标定 动态标定的目的是确定系统的动态特性参数 比如频率响应函数 时间常数 固有频率及阻尼比等等 压力系统动态标定需要解决的问题 要获得一个令人满意的周期或阶跃的压力源 要可靠地确定上述压力源所产生的真实的压力 时间的关系 机械结构力学及控制国家重点实验室 58 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 动态压力源分为 稳态周期性压力源 活塞与缸筒 凸轮控制喷嘴 声谐振器等 非稳态压力源 快速卸荷阀 脉冲膜片 闭式爆炸器 激波管 落锤液压动标装置等 动态压力源 机械结构力学及控制国家重点实验室 59 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 稳态标定法 活塞缸筒静态压力源 常见的活塞和缸筒装置是一种简单的稳态周期性校准压力源 如果活塞行程固定不变 压力振幅可通过调整缸筒体积来改变 可以获得7Mpa的峰值压力 而频率可达到100Hz 活塞运动源的一种变形是传动膜片 膜盒或弹簧管 通过连杆与管端连接的偏心轮使弹簧管弯曲 这样来使用弹簧管 效果很好 机械结构力学及控制国家重点实验室 60 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 这两种方法只提供了可变的压力源 但没有提供确定数值或时间特性的方法 这些方法特别适用于将未知特性的传感器与已知特性的传感器进行比较 凸轮控制喷嘴稳态压力源 左图为凸轮控制喷嘴稳态压力源 是获得稳态周期性压力源的另一种方法 已使用的这种形式的压力源的振幅可达到0 1kg cm2 频率为300Hz 机械结构力学及控制国家重点实验室 61 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 非稳态标定 采用稳态周期性压力源来确定压力系统的动态特性时 往往受到所能产生的压力幅值和频率的限制 高压和稳态频率很难同时获得 因此 在较高压力振幅范围内 为了确定压力传感器的高频响应特性 必须借助于阶跃函数理论 机械结构力学及控制国家重点实验室 62 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 激波管的结构 A1 A2测速压力传感器 Ax Ay被校压力传感器 A3触发传感器 B1 B2 B3电荷放大器 机械结构力学及控制国家重点实验室 63 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 图a激波管结构示意图图b膜片破裂前情况图c膜片破裂后 稀疏波反射前情况图d稀疏波反射后情况图e反射激波波动情况 机械结构力学及控制国家重点实验室 64 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 激波管标定过程 P4和P6都是在标定传感器时要用到的激波 视传感器安装的位置而定 当被标定的传感器安装在侧面时 传感器上的压力将由P1升跃为P4 也就是受到一个幅度为P4 P1的阶跃压力 当装在端面时当激波到达端面并反射时 传感器上的压力由P1升跃为P6 入射激波的阶跃压力为 反射激波的阶跃压力为 机械结构力学及控制国家重点实验室 65 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 各压力P1和MS已知都可求出 P1可事先给定 一般采用当地的大气压 MS为马赫数 激波的传播速度与当地声速比值 测速系统由A1 A2 B1 B2和电子计数器组成 入射激波的速度为 马赫数 T是低压腔的音速 0是0 的音速331 36m s T是试验时低压腔的温度 一般为25 机械结构力学及控制国家重点实验室 66 动态测试技术 压力测试 6 4测压系统的静态标定与动态标定 激波管的阶跃响应曲线 激波管校准传感器的动态特性是通过激波管内的激波激励出传感器的振荡特性 得出传感器的谐振频率 n 由其谐振的衰减段可计算出阻尼系数 从而可以求出二阶系统的特征方程 得到它的响应特性 机械结构力学及控制国家重点实验室 67 本章主要内容 压力测试及测试方法应变式测压法压电式测压法测压系统的静态标定与动态标定膛压测试 机械结构力学及控制国家重点实验室 68 动态测试技术 压力测试 6 5膛压测试 最大压力和弹丸炮口初速是火炮内弹道的两个重要弹道量 它们是火炮性能和弹药检验的主要标志量 膛压的变化直接影响火炮射击的精度 影响设计安全 膛压的异常 甚至会造成灾难性事故的发生 因此 膛压检测是关系火炮弹药有效使用和安全使用的重要监测工作 也是部队弹药化试验室内弹道常规测试主要项目 通过测试手段得到弹丸发射时火炮的膛内平均压力随弹丸运动时间而变化的曲线 机械结构力学及控制国家重点实验室 69 动态测试技术 压力测试 6 5膛压测试 P0表示弹丸的弹带全部挤进膛线开始运动时的膛内压力 称为挤进压力 弹丸从静止开始运动 由于火药容积增长缓慢使膛压迅速上升 弹丸速度不断增大 容积增大后膛压下降 当两种效应平衡时 达到最大膛压值Pm 弹丸在膛压作用下 速度增加 压力减小 不再生成新的火药气体 在出炮口时 瞬间速度最大 此时膛压为炮口压力Pg 弹丸出炮口时 膛压将至0 2MPa 膛压曲线 机械结构力学及控制国家重点实验室 70 动态测试技术 压力测试 6 5膛压测试 膛压测试方法 铜柱或铜球测压法引线电测法基于存储测试技术的电测法 机械结构力学及控制国家重点实验室 71 动态测试技术 压力测试 6 5膛压测试 铜柱测压法 火炮射击时 膛内火药燃气作用在铜柱