力学量检测技术-压力.ppt
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1、力学量检测技术力学量检测技术力学量检测技术力学量检测技术 -压力测量压力测量在生产、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。压力的基本概念压力的基本概念 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.压力的定义压力的定义 压力是垂直而均匀地作用在单位面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。积上的力,即物理学中常称的压强。工工
2、程上,习惯把压强称为压力。程上,习惯把压强称为压力。由此定义,压力可表示为:(1-1)2.压力的表示方法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)绝对压力绝对压力 (2)大气压力大气压力(3)表压力表压力 (4)真空度真空度(负压负压)(5)差压差压(压差压差)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的计量单位 压力是力和面积的导出量。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,
3、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。1Pa1N/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)(1)重力平衡方法重力平衡方法 (2)(2)弹性力平衡方法弹性力平衡方法 (3)(3)机械力平衡方法机械力平衡方法 (4)(
4、4)物性测量方法物性测量方法1.2常用压力检测仪表常用压力检测仪表1.液柱式压力计液柱式压力计 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)U1)U形管压力计形管压力计(2)(2)单管压力计单管压力计(3)(3)斜管压力计斜管压力计图1-2液柱式压力计2.弹性压力计弹性压力计当当被被测测压压力力作作用用于于弹弹性性元元件件时时,弹弹性性元元件件便便产产生生相相应应的的弹弹性性变变形形(即即机机械械位位移移)。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:弹弹性性元
5、元件件是核心部分,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变换换放放大大机机构构,其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大;指指示示机机构构(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)(1)弹性元件弹性元件 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
6、 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010010510-510-210104波纹膜010-3010310-210-110102挠性膜010-5010210-211102波纹管式波纹管010-3010310-210-110102弹簧管式单圈弹簧管010-10106102103多圈弹簧管010-2010510102 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弹簧管压力计、波纹管波纹管差压计差压计、膜盒式压力计膜盒式压力计等。(2)(2)弹簧管压力计弹簧管
7、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
8、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-105109Pa;精确度最高可达0.1。(3)(3)弹性压力计信号远传方式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。弹弹性性压压力力计计信信号号多多采采用用电电远远传传方方式式,即即把把弹弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。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
9、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弹性力平衡或电磁电磁力平衡力平衡等。力平衡式压力计的基本构成如图1-6所示图1-7 弹性力平衡式压力测量系统的原理4.压力传感器压力传感器 能能够够测测量量压压力力并并提提供供远远传传电电信信号号的的装装置置统统称称为为压压力传感器力传感器。(1)应变式压力传感器应变式压力传感器(1)应变式压力传感器应变式压力传感器 应变式压力传感器所用弹性元件可根据被测介质
10、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)(2)压阻式压力传感器压阻式压力传感器 固体受力后电阻率固体受力后电阻率发生变化的现象称为发生变化的现象称为压阻效应。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0.20.02;(4)易于微小型化,目前国内生产出直径1.82mm的压阻式压力传感器。(3)(3)压电式压力传感器压电式压力传感器 某些电介质沿着某一某些电介质沿着某一个方向受力而
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