力学量检测技术

力学量检测技术1压力测量2力的测量3转矩测量在生产、科研等各个领域中，压力、力和转矩是经常需要测量的重要参数。这些参数都是力的现象，因此在测量方法和所用仪器设备上有很多相同的地方。本章介绍压力、力和转矩的测量方法、测量中所用的仪器设备及所用典型传感器的基本原理及结构。Chapter1压力的测量1.1压力的基本概念压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一，正确地测量和控制压力是保证工业生产过程良好地运行，达到高产优质低耗及安全生产的重要环节。1.压力的定义压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常称的压强。工程上，习惯把压强称为压力。由此定义，压力可表示为:(1-1)SFp2.压力的表示方法由于参照点不同，在工程上压力有几种表示方法：(1)绝对压力(2)大气压力(3)表压力(4)真空度(负压)(5)差压(压差)图1-1各种压力之间的关系这几种表示法的关系如图1-1所示。此外，工程上按压力随时间的变化关系还有静态压力(不随时间变化或变化缓慢的压力)和动态压力(随时间作快速变化的压力)之分。3.压力的计量单位压力是力和面积的导出量。在国际单位制中，取力的单位为牛顿，面积单位为米2，则压力单位为牛顿/米2，用符号N/m2表示；压力单位又称为帕斯卡或简称帕，符号为Pa。1Pa＝1N/m2。因帕单位太小，工程上常用kPa(103Pa)（千帕）和MPa(106Pa)（兆帕）表示。我国已规定帕斯卡为压力的法定单位。由于历史发展的原因、单位制的不同以及使用场合的差异，压力还有多种不同的单位。目前工程技术部门仍在使用的压力单位有工程大气压：物理大气压：巴：毫米水柱：毫米汞柱：4.压力检测的基本方法根据不同工作原理，压力检测方法有如下几种：(1)重力平衡方法(2)弹性力平衡方法(3)机械力平衡方法(4)物性测量方法1.2常用压力检测仪表1.液柱式压力计应用液柱测量压力的方法是以流体静力学原理为基础的。一般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行压力测量的，其结构形式如图所示。(1)U形管压力计(2)单管压力计(3)斜管压力计图1-2液柱式压力计2.弹性压力计当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形(即机械位移)。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。弹性压力计的组成环节如图3-3所示:弹性元件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和设计；在弹性元件与指示机构之间是变换放大机构，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；指示机构(如指针与刻度标尺)用于给出压力示值；调整机构用于调整零点和量程。图1-3弹性压力计组成框图(1)弹性元件同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等，如表3-2所示。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压或真空度的测量。表1-2弹性元件的结构和特性类别名称示意图压力测量范围kPa输出特性动态性质最小最大时间常数/s自振频率/Hz薄膜式平薄膜0～100～10510-5～10-210～104波纹膜0～10-30～10310-2～10-110～102挠性膜0～10-50～10210-2～11～102波纹管式波纹管0～10-30～10310-2～10-110～102弹簧管式单圈弹簧管0～10-10～106－102～103多圈弹簧管0～10-20～105－10～102弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适用于不同的测压范围和被测介质。通过各种传动放大机构直接指示被测压力值。这类直读式测压仪表有弹簧管压力计、波纹管差压计、膜盒式压力计等。(2)弹簧管压力计弹簧管式压力计是工业生产上应用很广泛的一种直读式测压仪表，以单圈弹簧管结构应用最多。其一般结构如图1-4所示。被测压力由接口引入，使弹簧管自由端产生位移，通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，并带动啮合的中心齿轮转动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转，并在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。图1-4弹簧管压力计结构1-弹簧管；2-连杆；3-扇形齿轮；4-底座；5-中心齿轮；6-游丝；7-表盘；8-指针；9-接头；10-横断面；11-灵敏度调整槽通过调整螺钉可以改变拉杆与扇形齿轮的接合点位置，从而改变放大比，调整仪表的量程。转动轴上装有游丝，用以消除两个齿轮啮合的间隙，减小仪表的变差。直接改变指针套在转动轴上的角度，就可以调整仪表的机械零点。弹簧管压力计结构简单,使用方便，价格低廉，测压范围宽，应用十分广泛。一般弹簧管压力计的测压范围为-105～109Pa；精确度最高可达±0.1％。(3)弹性压力计信号远传方式弹性压力计可以在现场指示，但是许多情况下要求将信号远传至控制室。一般可以在已有的弹性压力计结构上增加转换部件实现信号的远距离传送。弹性压力计信号多采用电远传方式，即把弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。常见的转换方式有电位计式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式等，图3-5给出两种电远传弹性压力计结构原理。(a)电位器式(b)霍尔元件式图1-5弹性压力计信号电远传方式原理3.力平衡式压力计图1-6力平衡式压力计的基本框图力平衡式压力计采用反馈力平衡的原理，反馈力的平衡方式可以是弹性力平衡或电磁力平衡等。力平衡式压力计的基本构成如图3-6所示，图1-7弹性力平衡式压力测量系统的原理4.压力传感器能够测量压力并提供远传电信号的装置统称为压力传感器。(1)应变式压力传感器(1)应变式压力传感器应变式压力传感器所用弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同而采用各种型式，常见有圆膜片、弹性梁、应变筒等。图1-8弹性力平衡式压力测量系统的原理(2)压阻式压力传感器固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。图1-10压阻式压力传感器压阻式压力传感器的特点:(1)灵敏度高，频率响应高；(2)测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的高压；(3)精度高，工作可靠，其精度可达±0.2％～0.02％；(4)易于微小型化，目前国内生产出直径φ1.8～2mm的压阻式压力传感器。(3)压电式压力传感器某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。图1-11压电式压力传感器压电式压力传感器特点:(1)体积小，结构简单，工作可靠；(2)测量范围宽，可测100MPa以下的压力；(3)测量精度较高；(4)频率响应高，可达30KHz，是动态压力检测中常用的传感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。(4)电容式压力传感器电容式压力传感器采用变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电容的变化，用测量电容的方法测出电容量，便可知道被测压力的大小。根据平行板电容器的电容量表达式(3-9)式中ε为电容极板间介质的介电常数；A为两平行板相对面积；d为两平行板间距。dAC由式(3-9)可知，改变A、d、其中任意一个参数都可以使电容量发生变化。在实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变A或d一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。故有变极距式电容压力传感器和变面积式电容压力传感器。因此，电容量的变化与被测参数的大小成比例。①差动变极距式电容压力传感器改变电容两平行板间距d的测量方式有较高的灵敏度，但当位移较大时非线性严重。采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因ε受温度影响引起的不稳定性。图1-12电容式差压传感器对于差动平板电容器，其电容变化与板间距离变化的关系可表示为：(3-10)式中C0为初始电容值；d0为极板间初始距离；△d为距离变化量。此电容量的变化经过适当的变换器电路，可以转换成反映被测差压的标准电信号输出。这种传感器结构坚实，灵敏度高，过载能力大；精度高，其精确度可达±0.25％～±0.05％；可以测量压力和差压。002ddCC②变面积式电容压力传感器图3-13所示为一种变面积式电容压力传感器。被测压力作用在金属膜片上，通过中心柱和支撑簧片，使可动电极随簧片中心位移而动作。可动电极与固定电极均是金属同心多层圆筒，断面呈梳齿形，其电容量由两电极交错重叠部分的面积所决定。固定电极与外壳之间绝缘，可动电极则与外壳导通。压力引起的极间电容变化由中心柱引至适当的变换器电路，转换成反映被测压力的标准电信号输出。图1-13变面积式电容压力传感器(5)谐振式压力传感器谐振式压力传感器是靠被测压力所形成的应力改变弹性元件的谐振频率，通过测量频率信号的变化来检测压力。这种传感器特别适合与计算机配合使用，组成高精度的测量、控制系统。根据谐振原理可以制成振筒、振弦及振膜式等多种型式的压力传感器。①振筒式压力传感器振筒式压力传感器的感压元件是一个薄壁金属圆筒，圆柱筒本身具有一定的固有频率，当筒壁受压张紧后，其刚度发生变化，固有频率相应改变。在一定的压力作用下，变化后的振筒频率可以近似表示为：(3-11)式中:为受压后的振筒频率；为固有频率；为结构系数；为被测压力。pffp10pf0fp图3-14振筒式压力传感器传感器由振筒组件和激振电路组成，如图3-14所示。振筒用低温度系数的恒弹性材料制成，一端封闭为自由端，开口端固定在基座上，压力由内侧引入。绝缘支架上固定着激振线圈和检测线圈，二者空间位置互相垂直，以减小电磁耦合。激振线圈使振筒按固有的频率振动，受压前后的频率变化可由检测线圈检出。此种仪表体积小，输出频率信号，重复性好，耐振；精确度高，其精确度为±0.1％和±0.01％；适用于气体测量。②振膜式压力传感器振膜式压力传感器结构如图3-15(a)所示。振膜为一个平膜片，且与环形壳体做成整体结构，它和基座构成密封的压力测量室，被测压力p经过导压管进入压力测量室内。参考压力室可以通大气用于测量表压，也可以抽成真空测量绝压。装于基座顶部的电磁线圈作为激振源给膜片提供激振力，当激振频率与膜片固有频率一致时，膜片产生谐振。没有压力时，膜片是平的，其谐振频率为f0；当有压力作用时，膜片受力变形，其张紧力增加，则相应的谐振频率也随之增加，频率随压力变化且为单值函数关系。图3-15振膜式压力传感器在膜片上粘贴有应变片，它可以输出一个与谐振频率相同的信号。此信号经放大器放大后，再反馈给激振线圈以维持膜片的连续振动，构成一个闭环正反馈自激振荡系统。如图3-15(b)所示。3.1.3压力检测仪表的使用与校准1.压力仪表的选择与安装压力仪表的选择应本着经济合理的原则综合考虑仪表类型、测量范围和精度等方面。仪表的类型应根据被测介质情况、现场环境及生产过程对仪表的要求仪表的量程要根据被测压力的大小及其在测量过程中变化的情况来选取。仪表的精度应根据工艺生产的要求在规定的精度等级中选择确定。所选精度等级应小于或至少等于工艺要求的仪表允许最大引用误差。压力测量系统(包括测取压力的取压口、传递压力的引压管路和测量仪表)安装的正确与否直接影响测量结果的准确性。应根据具体被测介质、管路和环境条件，选取适当的取压口位置、正确安装引压管路和测量仪表。一些常用压力仪表的性能和用途见表3-3。仪表型式常用测量范围（Pa）精度等级用途与特点液柱式压力计U形管压力计0～105或压差、负压高基准器、标准器、工程测量仪表单管压力计0～105或压差、负压高基准器、标准器、工程测量仪表斜管压力计0～2×103或压差、负压高基准器、标准器、工程测量仪表弹性压力计弹簧管压力计0～109较高工程测量仪表、精密测量仪表膜片式压力计0～2×106或压差、负压一般工程测量仪表、精密测量仪表膜盒式压力计0～4×104或压差、负压一般工程测量仪表、精密测量仪表波纹管压力计0～4×106或压差、负压一般工程测量仪表、精密测量仪表活塞式压力计0～2.5×108或负压很高基准器、标准器电位计式压力传感器0～6×107一般工程测量仪表电容式压力传感器0～107或压差较高工程测量仪表电感式压力传