《压力测试技术》.ppt课件

1、第三章第三章 压力测试技术压力测试技术3.1 压力的力学丈量方法压力的力学丈量方法3.2 压力的电学丈量方法压力的电学丈量方法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 垂直作用在单位面积上的力称压力。在国际单位制SI和我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯卡，简称“帕，符号为“Pa。 即1N的力垂直均匀作用在1m2的面积上所构成的压力值为1Pa。 2122 2kgm1Pa

2、1N/m11kgm sm s 过 去 采 用 的 压 力 单 位 “ 工 程 大 气 压 力 kgf/cm2、“毫米汞柱mmHg、“毫米水柱mmH2O、“物理大气压atm、“巴bar、“PSI等均应改成法定计量单位帕。1 kgf/cm2 = 0.9807105Pa1mmH2O = 0.980710Pa1 mmHg = 1.332102Pa1atm = 1.01325105Pa1bar=105Pa 1PSI=6.89103Pa压力表示方式压力表示方式u绝对压力绝对压力 PJu大气压力大气压力 PDu表压力表压力 PBu PB= PJ PDu真空度真空度 PZ负压负压u PZ PD PJ压力丈量方

3、法压力丈量方法 一、力学丈量方法：液体压力平衡、弹性力平衡 二、电学丈量方法：电位式、应变式、电容式、电感式、电涡流、压电式、压阻式3.1.1液体压力平衡液体压力平衡利用液柱对液柱底面产生的静压力利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理，经过与被测压力相平衡的原理，经过液柱高度来反映被测压力的大小液柱高度来反映被测压力的大小优点：构造简单，运用方便，有相优点：构造简单，运用方便，有相当高的准确度，在本专业中运用当高的准确度，在本专业中运用很广泛很广泛缺陷：量程受液柱高度的限制，体缺陷：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不积大，玻璃管容易损坏及读数不方便方便3.1 压

4、力的力学丈量方法压力的力学丈量方法u采用水银或水为任务液，用采用水银或水为任务液，用U形管或单管进形管或单管进展丈量，常用于低压、负压或压力差的检测展丈量，常用于低压、负压或压力差的检测u被广泛用于实验室压力丈量或现场锅炉烟、被广泛用于实验室压力丈量或现场锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的丈风道各段压力、通风空调系统各段压力的丈量量一、一、U形管压力计形管压力计P=P1P2 =g(h1+h2)提高任务液密度将提高任务液密度将添加压力的丈量范添加压力的丈量范围，但灵敏度要降围，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丈量在气固两相流中的运用完好的压力丈量系统

5、二、单管压力计二、单管压力计 由于U形管压力计需两次读取液面高度，为运用方便，设计出一次读取液面高度的单管压力计。 因因 那么那么 故故 由于由于 Dd，所以，所以 P =gh2 122244hdhD2212dhhD21222dpg(hh )g(1)hD 三、斜管微压计三、斜管微压计 主要用于丈量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计的丈量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。2111B1222APg (hh )g (shlsiin)lAhlAnA 倾斜角度越小，倾斜角度越小，l越长，丈量灵敏度就越高；越长，丈量灵敏度就越高；但不可太小，否那么液柱易冲散，读数较困但不可太小，否那

6、么液柱易冲散，读数较困难，误差增大。难，误差增大。这种倾斜管液柱式压力计可以丈量到这种倾斜管液柱式压力计可以丈量到0.98Pa的微压。为了进一步提高微压计的准确度，的微压。为了进一步提高微压计的准确度，应选用密度小的酒精作为任务液体。应选用密度小的酒精作为任务液体。 3.1.2 3.1.2 弹性力平衡方法弹性力平衡方法 用弹性传感器又称弹性元件组成的压力丈量仪表称为弹性式压力计。弹性元件受压后产生的形变输出力或位移，可以经过传动机构直接带动指针指示压力或压差，也可以经过某种电气元件组成变送器，实现压力或压差信号的远传。 弹性元件在弹性限制内受压后会产生变形，变形大小与被测压力成正比关系。弹簧管

7、弹簧管截面为非圆形椭圆形截面为非圆形椭圆形或扁圆形，并弯成或扁圆形，并弯成圆弧状的空心管子圆弧状的空心管子一端为封锁自在端，一端为封锁自在端，一端为开口固定端一端为开口固定端2222201RaP(1)Ebhbk弹簧管压力表弹簧管压力表构造简单，运用方便，构造简单，运用方便，价钱低廉，运用范价钱低廉，运用范围广，丈量范围宽围广，丈量范围宽可测负压、微压、低可测负压、微压、低压、中压和高压压、中压和高压精度有精度有0.5、1.0、1.5、2.5等等弹性式压力计的误差弹性式压力计的误差1迟滞误差迟滞误差 一样压力下，同一弹性元件正反行程的变形量一样压力下，同一弹性元件正反行程的变形量不一样，产生迟滞

8、误差。不一样，产生迟滞误差。2后效误差后效误差 弹性元件的变形落后于被测压力的变化，引起弹性元件的变形落后于被测压力的变化，引起弹性后效误差。弹性后效误差。3间隙误差间隙误差 仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性元件的变形不能够完全对应，引起间隙误差。元件的变形不能够完全对应，引起间隙误差。4摩擦误差摩擦误差 仪表的活动部件运动时，相互间存在摩擦力，仪表的活动部件运动时，相互间存在摩擦力，产生摩擦误差。产生摩擦误差。5温度误差温度误差 环境温度的变化会引起金属资料弹性模量的变环境温度的变化会引起金属资料弹性模量的变化，呵斥温度误差。化，呵斥温度误差。

9、弹性式压力计误差的改善途径弹性式压力计误差的改善途径 1用无迟滞误差或迟滞误差极小的用无迟滞误差或迟滞误差极小的“全弹性资料和全弹性资料和温度误差很小的温度误差很小的“恒弹性资料制造弹性元件。恒弹性资料制造弹性元件。2采用新的转换技术，减少或取消中间传动机构，以采用新的转换技术，减少或取消中间传动机构，以减少间隙误差和磨擦误差。减少间隙误差和磨擦误差。3限制弹性元件的位移量，采用无干磨擦的弹性支承限制弹性元件的位移量，采用无干磨擦的弹性支承或磁悬浮支承等。或磁悬浮支承等。4采用适宜的制造工艺，使资料的优良性能得到充分采用适宜的制造工艺，使资料的优良性能得到充分的发扬。的发扬。压力仪表的校验压力

10、仪表的校验常用的校验仪表是活塞式压力计。常用的校验仪表是活塞式压力计。校验就是将被校压力表和规范压力表通以一样压力，比较它校验就是将被校压力表和规范压力表通以一样压力，比较它们的指示值，假设被校表对于规范表的读数误差不大于被校们的指示值，假设被校表对于规范表的读数误差不大于被校表的最大允许绝对误差时，那么以为被校表合格。表的最大允许绝对误差时，那么以为被校表合格。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

11、油泵；手摇油泵； 11-11-程度调理螺钉；程度调理螺钉； 12-12-底盘底盘3.2 3.2 压力的电学丈量方法压力的电学丈量方法 压力量的电测系统压力量的电测系统 1.传感器；传感器；2.丈量回路；丈量回路；3.记录或显示器记录或显示器3.3 3.3 电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器 电阻应变丈量系统电阻应变丈量系统 电阻应变计电阻应变计传感元件；传感元件； 电阻应变仪电阻应变仪转换部分，它将构件外转换部分，它将构件外表的应变转换为电阻值的相对变化，并将表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应变计电阻的相对变化(以电桥转换的方式以电桥转换的方式)转换成电压或电流信

12、号。转换成电压或电流信号。 记录仪器记录仪器记录电阻应变仪的输出。记录电阻应变仪的输出。电阻应变计丈量特点丈量方法简单，价钱低廉；灵敏度高，丈量应变的灵敏度可达l微应变，即等于10-6mmmm，准确度可达12；频率呼应好，可丈量0500 000 Hz的动态应变，惯性极小；丈量应变范围大，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、核幅射等特殊条件下进展丈量。输出为电信号。可远间隔传输信号或用计算机控制，也可用无线电发报方式进展遥测。用电阻应变计作为传感元件可制成各种传感器。用于丈量力、压强、扭矩、加速度等物理量，运用

13、广泛，运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。应变式压力传感器任务原理应变式压力传感器任务原理应变片是基于应变效应任务的一种压力敏应变片是基于应变效应任务的一种压力敏感元件，当应变片受外力作用产生形变感元件，当应变片受外力作用产生形变时，应变片的电阻值也将发生相应变化。时，应变片的电阻值也将发生相应变化。应变式压力传感器是由弹性元件、应变片应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相应的桥路组成的。以及相应的桥路组成的。电阻应变式压力传感器1 构造原理 压力使弹性敏感元件变形，导致敏感元件的电阻发生变化。经过电桥记录电信号的变化，到达测压的目的。 分为粘

14、贴式与非粘贴式两种； 特点： 构造简单，灵敏度高，量程宽，运用特殊场所。 输出信号小，对环境温度反响灵敏。金属电阻应变片的典型构造箔式应变片箔式应变片 电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发活力械变形时电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发活力械变形时 其电阻值将发生变化其电阻值将发生变化AlRF l、A 、 RdAldAAldlAdR2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 资料的纵向应变，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0)21 ()21(KCRR)21 ()21(0Ck高灵敏度系数电阻丝资料的要求 灵敏系数k0尽量大，以使变换器的输出大。 灵敏系数k0

15、在尽能够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。电阻应变片的任务特性 1.应变片灵敏度系数 影响要素：电阻丝灵敏度系数、敏感栅尺寸、外形、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tKRtRRRRsfttt)(021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：在电桥中参与补偿片，

16、补偿温度变化引起的电阻偏向。 电阻应变式压力传感器 构造 悬链膜-应变管式 张丝式 在火电厂的运用 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分量液位传感器容器内液体分量液位传感器hgAAUUU)(21210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)。溶液分量溶液分量 DQAAU)(210式中式中 Q容器内感压膜上面溶液的分量容器内感压膜上面溶液的分量(N) ；D柱描画器的截面积柱描画器的截面积(m2)。 应变式加速度传感器应变式加速

17、度传感器在低频在低频1060Hz振动丈量中得到广泛的运用振动丈量中得到广泛的运用,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构造表示图应变式加速度传感器构造表示图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 压阻式压力传感器压阻式压力传感器压阻元件是基于压阻效应任务的一种压力压阻元件是基于压阻效应任务的一种压力敏感元件，它指在半导体资料的基片上敏感元件，它指在半导体资料的基片上用基成电路工艺制成的分散电阻，当它用基成电路工艺制成的分散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改动。

18、化而改动。分散电阻正常任务需依靠弹性元件，常用分散电阻正常任务需依靠弹性元件，常用的是单晶体硅膜片。的是单晶体硅膜片。电阻的灵敏系数电阻的灵敏系数AAllRR对于半径为r的圆导体，A=r2，A/A=2r/r又由资料力学可知，在弹性范围内， Errll/,/,/)21 (ERR为导体的纵向应变，其数值普通很小，常以微应变度量；为导体的纵向应变，其数值普通很小，常以微应变度量；为电阻丝资料的泊松比，横向应变与纵向应变的比值，称为电阻丝资料的泊松比，横向应变与纵向应变的比值，称“泊松比普通金属泊松比普通金属=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为资料的

19、弹性模量；为资料的弹性模量； 金属电阻的灵敏系数金属电阻的灵敏系数/210RRk21/0k资料的几何尺寸变化引起的资料的电阻率随应变引起的压阻效应金属资料：k0以前者为主，那么k01+2=1.73.6半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决议0kRR压阻式压力传感器的丈量特点 (1)构造简单，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。实践精度可达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)频率呼应高。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

20、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丈量其输出信号。压阻式压力传感器丈量的主要缺陷 压阻式压力传感器在丈量中存在着丈量较大应变时，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缺乏，因此必需找到有效、可靠的温度补偿措施。r0，r、t达达最大值最大值r=0.58r0，r=0r=r0，r达达负的最大值负的最大值r=r0，t=0压阻式压力传感器输出TRRRUUscRIUsc3.5 3.5 电感式压力传感器电感式压力传感器 单绕组电感变换器单绕组电感变换器202SWIWL差动式电感传感器为了抑制单

21、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一样、导磁体资料一样、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。优点：灵敏度高，精度高；输出信号大，构造简单，任务可靠，寿命长。缺乏之处：因温度影响呵斥丈量误差较大。不适宜高频脉动压力的丈量，常用于准动态、频率较低的压力丈量。电动差压变送器差压变送器3.6 3.6 压电式压力传感器压电式压力传感器1. 压电式压力传感器压电式压力传感器压电效应原理：压电资料受压时会在其外压电效应原理：压电资料受压时会在其外表产生电荷，其电荷量与所受的压力表产生电荷，其电荷量与所受的压力成正比。成正比。压电资料：单晶

22、体、多晶体压电资料：单晶体、多晶体特点：构造简单、紧凑，小巧轻便，任务特点：构造简单、紧凑，小巧轻便，任务可靠，线性度好，频率呼应高，量程可靠，线性度好，频率呼应高，量程范围广范围广压电资料 压电传感器中的压电元件资料普通有三类： 压电晶体如石英晶体； 经过极化处置的压电陶瓷； 高分子压电资料。压电效应 顺压电效应将机械能转变为电能的景象( 加力 变形 产生电荷) 逆压电效应电能转换为机械能的景象。(施加电场 电介质产生变形 应力 )当压电晶片确定后，那么极板间的电压Ua和外力Fx成正比xxxxaaFAadaAFdCqU11111. 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

23、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：沿电轴纵向压电效应：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“横向压电效应：沿机械轴横向压电效应：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轴方向时那么不产生压电效应。轴方向时那么不产生压电效应。晶体切片 当沿电轴方向加作用力Fx时，那么在与电轴垂直的平面上产生电荷 xxFdQ11d11压电系数压电系数C/N yyxFbadFbadQ1112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1112dd此时，

24、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正负电荷是相互平衡的，所以外部没有带电景象。正负电荷是相互平衡的，所以外部没有带电景象。b在在X轴方向紧缩，外表轴方向紧缩，外表A上呈现负电荷、上呈现负电荷、B外表呈现正电荷。外表呈现正电荷。c沿沿Y轴方向紧缩，在轴方向紧缩，在A和和B外表上分别呈现正电荷和负电荷外表上分别呈现正电荷和负电荷 石英晶体一种天然晶体，压电系数d112.311012C/N；莫氏硬度

25、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、反复性好、固有频率高、动态特性好、任务温度高达550压电系数不随温度而改动、任务湿度高达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在电荷表示图压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自在电荷表示图 自在电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，自在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

26、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 压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将产生紧缩变形，原来吸附在极板上的自在电荷，片将产生紧缩变形，原来吸附在极板上的自在电荷，一部分被释放而出现放电景象。一部分被释放而出现放电景象。当压力吊销后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负当压力吊销后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的间隔变大，极化强度也变大，因此电极上电荷之间的间隔变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自在电荷而出现充电景象。又吸附部分自在电荷而出现充电景象。 放电电荷的多少与外力的大小成比例

27、关系放电电荷的多少与外力的大小成比例关系 FdQ33Q 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。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PbZrTiO3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资料。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。 类类 别别 材材 料料 成成 分

28、分 特特 性性 石石英英晶晶体体 单单晶晶体体、水水晶晶 （人人造造、 天天然然） SiO2 d11=2.3110-12C/N， 压压电电系系数数稳稳定定，固固有有频频率率稳稳定定 承承受受压压力力700-1000Kg/cm2 压压电电陶陶瓷瓷 人人造造多多晶晶体体 钛钛酸酸钡钡、锆锆钛钛酸酸钡钡、铌铌酸酸盐盐系系 压压电电系系数数高高d33=19010-11C/N 品品种种多多、性性能能各各异异 新新型型压压电电材材料料 压压电电半半导导体体 压压电电特特性性 半半导导体体特特性性 集集成成压压电电传传感感器器 有有机机高高分分子子 压压电电材材料料 质质轻轻柔柔软软、抗抗拉拉强强度度高高、

29、 机机电电耦耦合合系系数数高高 (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 压电式压力传感器任务原理压电式压力传感器丈量原理压电式压力传感器丈量要求 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，普通不能直接记录和显示。显然不能用普通的低输入阻抗仪表来进展丈量，否那么，压电晶片上的电荷就要经过丈量电路的低输入阻抗走漏掉。只需当丈量电路的输入阻抗较高，快速丈量被测参数的变化，所测得

30、的结果才接近电荷的实践变化。压电式压力传感器的丈量线路 组成： 丈量线路的组成包括前置放大器、输出信号电缆 要求： 1.实现阻抗变换，将压电晶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。两个压电片的结合方式 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，适宜用在丈量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，适宜用在丈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，且丈量

31、电路输入阻抗很高的地方。适宜用于以电压作输出信号，且丈量电路输入阻抗很高的地方。图左从电路上看，这是并联接法，图左从电路上看，这是并联接法， 类似两个类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量添加了量添加了1倍，电容量也添加了倍，电容量也添加了1倍，输出电压与单倍，输出电压与单片时一样。片时一样。图右从电路上看是串联的，两压电片中间粘图右从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、接处正负电荷中和，上、 下极板的电荷量与单片时下极板的电荷量与单片时一样，总电容量为单片的一半，输出电压增大了一样，总电容量为单片的一半，输出电压增

32、大了1倍。倍。 压电式传感器的信号调理电路压电式传感器的信号调理电路压电式传感器要求负载电阻RL必需有很大的数值，才干使丈量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接普通的放大电路及其它电路。丈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。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：衔接电缆的等效电容：衔接电缆的等效电容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iaiaRRRRRicaCCCCRC前置放大器输

33、入电压前置放大器输入电压 RCjRiUi1压电元件的力压电元件的力 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。tFddtdQimcos11FdjI11RCjRjFdUi111。2211)()(1icamimCCCRRFdu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。原理上决议了压电式传感器不能丈量静态物理量。原理上决议了压电式传感器不能丈量静态物理量。压电式传感器突出优点：高频呼应相当好。压电式传感器突出优点：高频呼应相当好。 压电式压力传感器不

34、能测静态力 压电式压力传感器时间常数一定，传感器的高频呼应好。 丈量低频动态压力，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 但ku 传感器的低频呼应范围 假设被测物理量是缓慢变化的动态量，而丈量回路的时间常数又不大，那么呵斥传感器灵敏度下降。因此为了扩展传感器的低频呼应范围，就必需尽量提高回路的时间常数。 但这不能靠添加丈量回路的电容量来提高时间常数，由于传感器的电压灵敏度与电容成反比的，真实可行的方法是提高丈量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻普通都很大，所以丈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，丈量

35、回路的时间常数就越大，传感器的低频呼应也就越好。电压放大器运用限制 压电式传感器在与电压放大器配合运用时，衔接电缆不能太长。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低。 电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价钱廉价，任务可靠，但是电缆长度对传感器丈量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场所的运用。处理电缆问题的方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公用的前置放大器。压电式传感器另一种公用的前置放大器。能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输

36、入电荷，因此，电荷放而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达高达10101012，输出阻抗小于，输出阻抗小于100。运用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件运用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，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衔接等效电路 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，假设开环增益足够高，那么放大器的输入端的电位接近假设开环增益足够高，那么放大器的输入端的电位接近“地电位。地电位。

37、 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 fficacfCQCkCCCkQUU)1 (0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响电容有关，、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反响电容有关， 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、只需坚持反响电容的数值不变，就可得到与电荷量、只需坚持反响电容的数值不变，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、反响电容、反响电容Cf小，输出就大，小，输出就大，4、要到达一定的输出灵敏度要求，就必需选择适当的反响电容。

38、、要到达一定的输出灵敏度要求，就必需选择适当的反响电容。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+KCfCa+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 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。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安装安装压电传感器丈量双腿压电传感器丈量双腿

39、跳的动态力跳的动态力3.7 3.7 压力检测仪表的安装压力检测仪表的安装一、压力检测仪表的选择一、压力检测仪表的选择1. 仪表量程的选择仪表量程的选择被测压力较稳定：最大任务压力不应被测压力较稳定：最大任务压力不应超越仪表满量程的超越仪表满量程的3/4被测压力动摇较大或测脉动压力：最被测压力动摇较大或测脉动压力：最大任务压力不应超越仪表满量程的大任务压力不应超越仪表满量程的2/3为保证丈量准确度：最小任务压力不为保证丈量准确度：最小任务压力不应低于满量程的应低于满量程的1/3优先满足最大任务压力条件优先满足最大任务压力条件2. 仪表精度的选择仪表精度的选择 压力检测仪表的精度主要根据消费压力检

40、测仪表的精度主要根据消费允许的最大误差来确定，即要务虚际被允许的最大误差来确定，即要务虚际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的根本误差。的根本误差。3. 仪表类型的选择仪表类型的选择从被测介质压力大小来思索从被测介质压力大小来思索被测介质的性质被测介质的性质对仪表输出信号的要求对仪表输出信号的要求运用的环境运用的环境压力表的安装压力表的安装1. 取压口的选择取压口的选择在管道或烟道上取压在管道或烟道上取压丈量流动介质的压力丈量流动介质的压力丈量液体介质的管道上取压丈量液体介质的管道上取压2. 导压管的铺设导压管的铺设 导压管是传送压力、导压管是传送压力、压差

41、信号的。压差信号的。3. 压力、压差计的安装压力、压差计的安装压力传感器的安装 1.管子越细、频率越高，那么吸收效应越显著，压力波的管子越细、频率越高，那么吸收效应越显著，压力波的衰减也就越明显。衰减也就越明显。 2.随着传压管长的添加，系统的固有频率就下降，即动态随着传压管长的添加，系统的固有频率就下降，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，丈量系统或环节的动态特性变好。假设使，丈量系统或环节的动态特性变好。假设使n增增大，那么要使传压小管直径大，那么要使传压小管直径d添加，而容腔体积添加，而容腔体积V和传压和传压小管

42、长度小管长度L要减小要减小 d的添加，和的添加，和V及及L的减小，那么会使阻尼比的减小，那么会使阻尼比减小。当减小。当减减小到一定程度时，就会使系统的固有频率小到一定程度时，就会使系统的固有频率n和被测压力和被测压力的频率的频率接近直至相等，严重时产生共振。接近直至相等，严重时产生共振。非谐振传压管系统 消除共振，改善频率呼应特性，扩展丈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，它表征了压力丈量系统总的频率特性；为容腔环节的频率特性，它表征了压力丈量系统总的频率特性；曲线曲线1是添加了传压小管直径是添加了传压小管直径d、减小长度、减小长度L和和V，使环节的固有频率，使环节的固有频率添

43、加，然而此举使阻尼比添加，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根本参数目的根本参数目的环境参数目的环境参数目的可靠性可靠性目的目的其他目的其他目的量程目的：量程目的：量程范围、过载才干等量程范围、过载才干等灵敏度目的：灵敏度目的：灵敏度、分辨力、满量程输灵敏度、分辨力、满量程输出等出等精度有关目的：精度有关目的：精度、误差、线性、滞后、精度、误差、线性、滞后、反复性、灵敏度误差、稳定反复性、灵敏度误差、稳定性性 动态性能目的：动态性能目的：固定频率、阻尼比、时间常固定频率、阻尼比、时间常数、频率呼应范围

44、、频率特数、频率呼应范围、频率特性、临界频率、临界速度、性、临界频率、临界速度、稳定时间等稳定时间等 温度目的： 任务温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等 抗冲振目的： 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： 抗潮湿、抗介质腐蚀等才干、抗电磁场干扰才干等任务寿命、平均无缺点时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等运用有关目的：运用有关目的：供电方式直流、供电方式直流、交流、频率及波交流、频率及波形等、功率、形等、功率、各项分布参数值、各项分布参数值、电压范围与稳定电压范围与稳定度等度等外形尺寸、分量、外形尺寸、分量、壳体材质、构造壳体材质、构造

45、特点等特点等安装方式、馈线安装方式、馈线电缆等电缆等3.8 3.8 传感器的标定传感器的标定 标定：经过实验建立传感器输入量与输出量之间的关系。标定曲线：实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： 利用知的规范值输入到待标定的传感器中，传感器得到相应的输出量，将输出量与输入的规范量绘制成曲线即得标定曲线。按传感器的种类和运用情况不同，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实验机进展标定；它们更准确的标定那么是在压力实验机上用专门的荷载标定器标定；位移传感器的标定那么是采用规范量块或位移标定器。标定要求： 标定应该在与其运用条件类似的形状下进展

46、； 添加反复标定的次数，以提高测试精度； 传感器需定期标定，普通以一年为期； 对重要的实验，需在实验前后的标定误差，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目的，如线性度、灵敏度、滞后和反复性等。 传感器的动态标定主要是研讨传感器的动态呼应。而与动态呼应有关的参数，一阶传感器只需一个时间常数、二阶传感器那么有固有频率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，如频率呼应、时间常数、固有频率和阻尼比等。有时，根据需求也要对横向灵敏度、温度呼应、环境影响等进展标定。 选用传感器的根本原那么： 1根据实践需求，保证主要的参数。

47、 2不用盲目追求单项目的的全面优良，主要关怀其稳定性和变化规律性。静态规范条件静态规范条件 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普通为室温205、相对湿度不大于85% ，大气压力为1017kPa的情况。标定仪器设备精度等级确实定标定仪器设备精度等级确实定 对传感器进展标定，是根据实验数据确定传感器的各项性能目的，实践上也是确定传感器的丈量精度。 标定传感器时，所用的丈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，经过标定确定的传感器的静态性能目的才是可靠的，所确定的精度才是可信的。静态特性标定的方法静态特性标定的方法压力发压力发生部分生部分丈量丈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