热能与动力工程测试技术 第4版 课件 第5、6章 力与压力测量、流速测量

第5章力与压力测量5.1概述5.2常用力与压力传感器5.3动态压力测量

5.1概述力的测量方法直接比较法：将被测力与标准质量的重力进行比较，二者平衡时被测力等于所施加标准质量的重力。常见的有台式称和分析天平等。间接比较法：采用测力传感器将被测力转换为其它物理量，再与标准值比较，从而得到被测力的大小。常用的测力传感器有应变片式、电感式、电容式、压电式等。压力：垂直作用于物体单位面积上的力（压强）绝对压力：完全真空作为零标准的压力表压力：在压力仪表上所指示的压力，也称相对压力，其数值为绝对压力与当地大气压的差值差压力：两个压力之差表示的压力

5.1概述压力的测量方法重力与被测压力的平衡法：通过直接测量单位面积上所承受的垂直方向上力的大小来测量压力，液柱式压力计和活塞式压力计等弹性力与被测压力的平衡法：弹性元件受压后会产生弹性变形，产生弹性力，当弹性力与被测压力平衡时，弹性元件变形的大小即反映了被测压力的大小利用物质某些与压力有关的物理性质进行测压：一些物质受压后，它的某些物理性质会发生变化，测量这些变化就能测量出压力。压阻式传感器、压电式传感器等。精度高、体积小、动态特性好，是当前测压技术的主要发展方向

5.2常用力与压力传感器5.2.1应变式传感器应用最为广泛的测力传感器，测量范围大，测量精度高工作原理基于金属的电阻应变效应，即导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，电阻值也随之产生相应的变化应变片的结构1-基底2-敏感栅3-覆盖层34-引出线4

5.2常用力与压力传感器5.2.1应变式传感器应变片的温度补偿温度变化引起应变片敏感栅的电阻变化及附加变形，或试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变桥路补偿又称补偿片法，将两片具有相同特性的应变片按轴线相互垂直地粘在同一个弹性件表面上，应变片的纵轴方向与受力方向一致的为工作片，另一片为补偿片，因两片位置靠得很近，故可认为两者所处的温度相同。将两应变片接入电桥相邻的两臂，当电桥平衡时，固定电阻R1、R2的阻值相等；当环境温度变化时，两个应变片上引起的电阻增量△Ra

、△Rb不仅符号相同，而且数值也相等，因此仍能保持平衡，消除了温度变化的影响

5.2常用力与压力传感器应变片的温度补偿应变片自补偿采用粘贴在试件表面上的一种特定应变片，当温度变化时，使其电阻增量等于零或相互抵消选择合适的电阻丝栅材料，使：组合式自补偿应变片：利用两种不同电阻丝材料电阻温度系数不同的特点，将两者串连绕制成敏感栅，如果两段敏感栅的电阻值R1和R2由于温度变化而产生的电阻变化ΔR1和ΔR2大小相等，方向相反，则可以实现温度补偿。热敏电阻补偿

热敏电阻Rt处在与应变片相同的温度条件下。当应变片的灵敏度随着温度的升高而下降时，Rt的阻值也下降，使电桥的供桥电压随温度的升高而增加，从而提高了电桥的输出，补偿应变片引起的输出下降，通过选择分流电阻的R5值，就可以得到良好的补偿效果

5.2常用力与压力传感器5.2.2电容式传感器工作原理通过将力作用下位移的变化转换为电容量的变化进行力与压力测量变极板间隙的电容式传感器原理固定εr和A，极板间隙d变化引起电容量变化

5.2常用力与压力传感器5.2.2电容式传感器电容式差压传感器结构简单、耐振动冲击、测量范围宽、可靠性强、精度高，适合高工作压力、低差压的测量。1－电极导线

2－球形或弧形电极3－中心感压膜片4－硅油

5－玻璃绝缘子

6－隔离膜片测量电路

5.2常用力与压力传感器5.2.3压电传感器工作原理压电效应：沿某些结晶物质的某个结晶轴施加力时，内部出现极化现象，从而在表面形成电荷集结，电荷量与作用力的大小成正比石英晶体作为压电材料为了增强输出信号，往往将多片压电晶体组合在一起组成传感器a）石英晶体的结晶形状与切片方向b）压电元件受力简图与等效电路a)、c)并联组合b)串联组合

5.2常用力与压力传感器5.2.3压电传感器典型压电传感器结构水冷式压电传感器与内燃机火花塞一体的压电传感器1.测压时，被测压力压向弹性膜片1，作用于石英片4上。石英片在脉动压力的作用下产生交变的电荷。2.石英压电晶体传感器一般不能用作静态压力测量，多用于测量10~20kHz的脉动压力。3.压电传感器产生的信号很弱而输出阻抗很高，因此必须根据压电传感器的输出要求，将微弱的信号经过电压放大或电荷放大（一般是电荷放大）4.若被测介质温度远高于室温，可采用畅通的冷却水进行冷却，否则高温会改变传感器的灵敏度甚至造成传感器的损坏

5.2常用力与压力传感器5.2.3压电传感器压电传感器的测量电路电荷放大器：电荷放大器是一种与输出电荷量成正比的前置放大器。在采用电荷放大器的情况下，压电传感器可视为一个电荷源。电荷放大器是一个高增益的、具有反馈电容Ｃf的运算放大器输出电压仅与电荷量及反馈电容量有关，增益A及电缆分布电容Cc的变化不影响放大器的输出，此外，当电荷放大器与压电传感器连接使用时，其下限频率（时间常数）仅取决于电荷放大器

5.2常用力与压力传感器5.2.3压电传感器压电传感器的测量电路电压放大器：1.当ω=0时，em=0，电压放大器与压电传感器相配不适于测量静态信号。2.当ω<<1/RC时，即测量低频动态参数时，em=KpFRω，随频率下降，输入电压也随着下降，电压放大器的低频特性差。3.当ω>>1/RC时，即测量高频动态参数时，输入电压em=KpF/C，说明对于高频参数，电压放大器的输入电压不再随着输入参数的频率而变，而是只随作用力的大小而变化，即电压放大器的高频特性好。输入电压

5.2常用力与压力传感器5.2.4液柱式压力计工作原理利用工作液的液柱重力与被测压力平衡，根据液柱高度确定被测压力大小U形管压力计当ρ1≈ρ2，且ρ>>ρ1封液可采用水、水银、苯等5.2.4液柱式压力计单管压力计两侧压力差为若F1>>F2，且ρ>>ρ1

，则贝兹微压计1

5.2常用力与压力传感器1-毛玻璃片；2-目镜；3-宽断面容器；4-浮子；5、8-压力接头；6-升管；7-软管；9-玻璃刻度；10-测量液体；11-投影装置；12-灯泡在大容器的中部插有一根升管，被测压力接到容器的软管上（若测压差，则低压端接到升管上端的压力接头）。当容器的压力高于环境大气压时，升管中的液面上升，在升管中的浮子也随之上升。浮子的下端挂有玻璃刻度板，投影仪将刻度的一段放大约20倍后显示在具有游标的毛玻璃上。相邻两刻线相差为1mm，用游标尺读数的方法可精确读出1Pa的压力

5.2.4液柱式压力计斜管微压计

斜管微压计两侧压力p1、p2和液柱长度l关系表示为

斜管微压计的刻度比U型管压力计的刻度放大了1/sinα倍，更便于测量微压，一般这种斜管压力计适于测量2～2000Pa范围的压力

5.2常用力与压力传感器5.2.4液柱式压力计液柱式压力计的测量误差及修正环境温度变化的影响封液的密度、标尺的长度等都会发生变化环境温度偏离规定温度20℃后，封液密度改变对压力计读数影响的修正公式为重力加速度变化的修正仪器使用地点的重力加速度gφ由下式计算毛细现象的影响

封液在管内由于毛细现象引起表面形成弯月形，使液柱产生附加的升高或降低，并且会引起读数误差通过加大管径的方法减少毛细现象的影响。当封液为酒精时，管子内径d≥3mm；封液为水或水银时，要求管子内径d≥8mm

5.2常用力与压力传感器5.3.1压力测量系统的动态特性容腔效应定义：在动态压力测量系统中，压力传感器固有频率很高，响应也很快，但由于测压元件前的空腔和导压管的存在，必然导致压力信号的幅值衰减和相位滞后，这种效应称为动态压力测量的容腔效应使整个测量系统的响应速度大大低于传感器的响应速度，降低了系统的动态性能测量系统的动态特性主要取决于传感器以外的部分感压元件前空腔和导压管合在一起的固有频率f近似为空腔的容积越大，导压管越长，内径越小，则固有频率越低

5.3动态压力测量5.3.1压力测量系统的动态特性传输管道的数学模型和频率特性压力传输管道从根本上讲是一个阻容系统被测压力为p0，空腔压力为p1

，传递函数方程为是一个惯性环节，时间常数的大小由流阻和气容的大小决定，它反映了动态压力测量时的滞后程度。导压管的长度越大、内径越小时，流阻越大。空腔容积增大时，时间常数增大。测量时压力滞后越大，对动态压力测量的影响越大，所以要从导压管和空腔着手减少滞后。

5.3动态压力测量5.3.2测压仪表的动态标定目的：确定传感器的频率响应特性，以确定它们的适用范围、动态误差等动态标定方法输入标准频率及标准幅值的压力信号与传感器的输出信号进行比较，这种方法称为对比法，例如将测压管装在标定风洞上的标定是通过激波产生一个阶跃的压力并施加于被标定的传感器上，根据其输出曲线求得它们的频率响应特性，这种激波管动态标定是一种最为基本的动态标定方法。

5.3动态压力测量5.3.2测压仪表的动态标定激波管标定系统：通过激波产生一个阶跃的压力并施加于被标定的传感器上，根据其输出曲线求得它们的频率响应特性当激波管开始工作时，直流电源3接通吸动撞针机构4，使撞针捅破膜片，高压气流向低压端，为传感器动态标定提供一个上升时间极快的大幅值的压力阶跃1－气瓶2－控制器3－直流电源4－撞针机构5－高压段6－膜片7－低压段8－被标定的传感器

9－动态应变仪10－示波器11－信号时标

5.3动态压力测量5.3.2测压仪表的动态标定激波管标定系统

5.3动态压力测量激波管内的工作过程传感器输出曲线有了传感器的输出曲线以及激波管阶跃压力，就可以求得被标定传感器的频率响应特性传感器输出曲线5.3.3

动态压力测量的典型应用—内燃机气缸动态压力测量示功图：气缸内工质压力随曲轴转角或气缸容积变化的关系

a）p-V示功图b）p-

示功图

c）燃烧过程中的异常压力波d）低压示功图

5.3动态压力测量5.3.3

动态压力测量的典型应用—内燃机气缸动态压力测量内燃机气缸动态压力测量系统组成1－计算机系统2－曲轴转角信号发生器3－光栅盘4－光源

5－内燃机6－压电传感器7－压力信号转换单元8－采样单元

5.3动态压力测量5.3.3动态压力测量的典型应用—内燃机气缸动态压力测量上止点位置的确定磁电法绕有线圈的永久磁铁固定在机体上某一位置，在飞轮圆周上装一个用导磁材料制成的凸尖。当内燃机工作，飞轮转动时，由于凸尖与磁铁间隙处磁通的变化，线圈a、b两端将输出一个变化的电动势

。若上止点位置对正时，即凸尖正好对准磁铁中心线c-c，电动势曲线中的C点即为上止点。这种方法测得的上止点实际上为静态上止点。

5.3动态压力测量5.3.3动态压力测量的典型应用—内燃机气缸动态压力测量上止点位置的确定气缸压缩线法在倒拖或灭缸的情况下，测得气缸内的压缩压力曲线，作若干条平行于大气压力线的直线，连接这些直线的中点即可得到上止点位置。接近动态上止点。由于在压缩过程与膨胀过程中热交换并不相同，同时缸内工质不可避免地存在少量的泄漏，所以实际上这条压缩压力曲线并不是对称的。获得的上止点线可能与大气压力线不垂直，一般倾斜角△α约为1°曲轴转角。

5.3动态压力测量5.3.3动态压力测量的典型应用—内燃机气缸动态压力测量上止点位置的确定电容法将传感器的电极和活塞别作为电容的两极。电容量出现最大值时，即认为活塞处于上止点位置。由于活塞和连杆受力变形以及温度变化的影响，对于四冲程内燃机而言，在压缩冲程和排气冲程中，分别利用电容法测得的动态上止点相位是有差异的

5.3动态压力测量1－气缸盖2－电极3－绝缘套

4－传感器壳体5－活塞5.3.3动态压力测量的典型应用—内燃机气缸动态压力测量曲轴转角信号的确定绝对式角数字编码器将被测转角转换成相应的代码，指示其绝对位置。根据所使用敏感元件的种类，绝对式编码器可分为接触式、光电式和磁电式三种。

5.3动态压力测量码盘结构示意图输出信号光电式编码器工作原理图5.3.3动态压力测量的典型应用—内燃机气缸动态压力测量示功图采集过程的误差分析测压通道引起的误差－容腔效应改变了发动机原有工作状态：测压通道和空腔的存在，增加了气缸的余隙容积，使压缩比相应减小，气缸内的工作状态发生变化，从而使气缸动态压力本身发生变化。滞后和腔振：气体的弹性和阻尼作用使传递到压力传感器的压力相位滞后，尤其在气缸压力突变时，脉冲压力波在通道中交替传递与反射，形成通道内气体的自振，即“腔振”。为减少“腔振”的影响，应尽量缩短通道的长度并减小空腔的容积，要求通道的自振频率至少要大于被测信号上限频率的两倍以上传感器与燃烧室壁面齐平安装非常困难，所以测压通道客观存在，测量时需要进行修正

5.3动态压力测量5.3.3动态压力测量的典型应用—内燃机气缸动态压力测量示功图采集过程的误差分析上止点位置引起的误差上止点偏差1°曲轴转角，就可能使平均指示压力计算产生约5.5%的误差，放热率峰值计算产生约5％的误差。用对数示功图修正上止点

5.3动态压力测量因膨胀多变指数大于压缩多变指数，假设上止点位置正确，对数坐标的示功图上压缩线高于膨胀线，且在上止点附近两条线呈近似直线分开5.3.3动态压力测量的典型应用—内燃机气缸动态压力测量示功图采集过程的误差分析上止点位置引起的误差上止点偏差1°曲轴转角，就可能使平均指示压力计算产生约5.5%的误差，放热率峰值计算产生约5％的误差。用对数示功图修正上止点温度变化引起误差：压电元件的压电常数因温度变化而改变，使测量系统输出发生漂移，应注意传感器在测试时的冷却条件，也可采用带温度补偿片的压电传感器，以消除气缸内燃气高温带来的影响

5.3动态压力测量因膨胀多变指数大于压缩多变指数，假设上止点位置正确，对数坐标的示功图上压缩线高于膨胀线，且在上止点附近两条线呈近似直线分开第6章流速测量《热能与动力工程测试技术》·第4版6.1皮托管测速技术6.2热线（热膜）测速技术6.3激光多普勒测速技术6.4粒子图像测速技术6.1

皮托管测速技术第6章流速测量

皮托管是以其发明者、法国工程师HenryPitot的名字命名的，它由总压探头和静压探头组成，利用流体总压与静压之差，即动压来测量流速，故也称动压管。由于其主要测量对象为气体，因此又有风速管之称。1.基本构造和测速原理

测速原理

不可压缩流体的伯努利方程，流体参数在同一流线上有着如下关系：

式中，p0、p分别为流体的总压和静压；

为流体密度；v为流体流速。6.1

皮托管测速技术第6章流速测量不同测速公式的比较

式中，

为皮托管的校准系数，Ma为马赫数，

为气体的压缩性修正系数，k为气体的等熵压缩（或膨胀）指数，对于空气，k=1.40。6.1

皮托管测速技术第6章流速测量直角型（L型）皮托管a)带半球形头部的标准皮托管b)带锥形头部的皮托管p0

总压

p

静压

d

皮托管头部直径6.1

皮托管测速技术第6章流速测量

除了使用最广泛的标准皮托管外，在一些特殊的场合还经常用到其它形式的皮托管，下图为两种其他常见皮托管，这些皮托管在使用前都必须经过严格标定。笛形皮托管测量高含尘量气流的皮托管

a)吸气式b)遮板式c)靠背式6.1

皮托管测速技术第6章流速测量2.二维气流速度的测量——球形三孔测速管球形三孔测速管构造1—赤道面2—子午面3—三孔感压球形探头4—接管5—干管6—传压管7—分度盘8—指针9—锁紧螺钉10—键槽11—接嘴上图即为球形三孔测速管构造图，在探头的三个感压孔中，居中的一个为总压孔，两侧的孔用于探测气流方向，故也称方向孔。当两个方向孔的压力相等时，则认为气流方向与总压孔的轴线重合。6.1

皮托管测速技术第6章流速测量a)—球形b)—尖劈形c)—普通圆柱形d)—发散圆柱形e)—聚合圆柱形下图为三孔测速管感压探头的形式：

三孔测速管测量流速大小和方向的工作原理:

6.1

皮托管测速技术第6章流速测量3.皮托管的标定射流式校准风洞测量系统1—稳流段2—总压管3—收敛器4—静压测孔5—被校测速管6，7—微压计6.1

皮托管测速技术第6章流速测量

皮托管标定的基本步骤可以概括为:

6.2

热线（热膜）测速技术第6章流速测量

热线（热膜）测速是一种热电式测速技术，其相应的测量装置通常称为热线风速仪。1.热线风速仪的基本构造

热线风速仪由探头、信号和数据处理系统构成。热线探头a)一元热线探头b)热膜探头c)三元热线探头6.2

热线（热膜）测速技术第6章流速测量2.热线风速仪的工作原理

假定热线在流体中的热量散失主要靠其与流体间的强迫对流换热，而不考虑热线的导热和辐射损失，则有：

对于与流体流动方向垂直放置的热线探头，其单位时间内散失的热量与因电流流过在其上产生的焦耳热量之间的关系可表示为：

式中，a和b为与流体参数及探头结构有关的常数；n为与流速有关的常数。6.2

热线（热膜）测速技术第6章流速测量a.恒流式热线风速仪工作原理图a)恒流式b)恒温（恒电阻）式b.恒温（恒电阻）式6.3

激光多普勒测速技术第6章流速测量

激光多普勒测速技术（LaserDopplerVelocimeter,简称LDV）自60年代初开始应用于测量管内水流以来，相关的研究工作得到了飞速发展。激光多普勒测速技术主要优点有：①对流场无干扰；②输出特性的直线性相当好，不必进行标定；③除流体折射率外，测量精度不受其它物理参数的影响；④空间分辨率高，无惯性因而频响特性好；⑤测速范围广，可以从10-3mm/s级的低速到超音速；⑥测量方向特性稳定；⑦可以测量逆流现象中循环流的湍流速度成分。缺点：多普勒测速装置是一个比较庞大的测量系统，与皮托管相比，它不仅价格昂贵，而且使用操作复杂，同时还必须在流动管壁上设置激光观测窗口，在被测流体中加载能够充分响应流体速度的散射微粒等。第6章流速测量6.3

激光多普勒测速技术1.激光多普勒测速原理

第6章流速测量6.3

激光多普勒测速技术2.测量多普勒频移的基本光路系统基本方法:直接检测&外差检测参考光束系统、单光束系统和双光束系统（基本光路系统）

直接检测法是通过直接测量散射光频率来求取多普勒频移，因受测量仪器频响特性的限制，只能用于有限的场合。目前常用的是外差检测方法，这种方法是将多普勒频移的检测转换为两束光波之间频率差的检测。第6章流速测量6.3

激光多普勒测速技术a.参考光束系统参考光束系统光路示意图LS—激光器S—分光镜M─反射镜L1—透镜P—运动的微粒N—光阑L2—透镜PD—光电检测器

光镜以1:9的分光比将来自同一光源的激光分成一束参考光和另一束信号光，其中参考光以单位矢量Kr的入射方向通过流体直接照射到光电检测器上，信号光则以单位矢量Ki的入射方向照射到流体中微粒P上，以产生散射光，该散射光经小孔光阑及接收透镜也聚焦到光电检测器上。第6章流速测量6.3

激光多普勒测速技术b.单光束系统单光束系统光路示意图LS—激光器P—运动的微粒L—透镜S—分光镜M─反射镜PD—光电检测器单光束系统的测速公式第6章流速测量6.3

激光多普勒测速技术c.双光束系统双光束系统光路示意图LS—激光器S—分光镜M─反射镜L1—透镜P—运动的微粒N—光阑L2—透镜PD—光电检测器双光束系统的测速公式第6章流速测量6.3

激光多普勒测速技术3.流速方向的判断方向模糊性：多普勒测量系统只能测量流体速度分量vn的大小，而不能同时判断其流动方向带有频移装置的双光束光路系统LS—激光器S—分光镜M─反射镜B1，B2—声光器件D—驱动源L—透镜P—运动的微粒PMT—光电倍增管FT—频率跟踪装置

通常利用光混合干涉条纹的移动特性来判断流速方向:第6章流速测量6.3

激光多普勒测速技术存在移动干涉条纹的测量区

fD’=f△时，vn=0；

fD’﹥

f△时，vn的方向与条纹移动方向相反；

fD’﹤

f△时，vn的方向与条纹移动方向相同。第6章流速测量6.3

激光多普勒测速技术4.多维流速的测量二维参考光束系统光路LS—激光器S—分光镜M─反射镜L—透镜P—运动的微粒PD1、PD2—光电检测器

当需要同时测量多维流动在各个方向上的流体流速时，就必须采用二维或三维的多普勒测速系统。第6章流速测量6.3

激光多普勒测速技术5.多普勒测速系统的激光器和散射微粒

无论采用哪一种类型的光路，激光多普勒测速仪器都由以下基本部分组成：激光器、光分束器（分光镜）、光聚焦发射系统（透镜）、光信号收集与检测系统（光阑和光电检测器）、频率信号处理系统以及散射微粒等a.激光器

主要有两种：氦氖激光器（波长6328×10-10m）和氩离子激光器（波长4880×10-10m或5145×10-10m），其中使用最多的是氦氖激光器。氩离子激光器虽然具有输出功率大，波长短的特点，但由于其使用条件比较复杂，价格相对昂贵，一般只用于多维流速测量系统和测量高速气流的后向散射型光路系统。b.散射微粒

对于水或一般的流体，其中自然存在的杂质足以作为散射微粒。但在不少情况下（如燃烧火焰传播速度和高速风洞中的风速测量等），由于被测流体中自然存在的微粒大小或其浓度不能满足测量的需要，或者测量光路的布置型式受到限制而需要增加被测流体的散射强度时，就有必要人为地添加散射微粒。第6章流速测量6.3

激光多普勒测速技术被测流体可添加的散射微粒被测流体可添加的散射微粒水滑石粉，聚苯乙烯，脱脂牛奶空气硅油