第10次课第六章压力测量

1、热能与动力机械测试技术天津大学机械学院内燃机燃烧学国家重点实验室State Key Laboratory of Engines, Tianjin University压力测量概述；压力测量概述；常规测压仪表和传感器；常规测压仪表和传感器；气流压力测量；气流压力测量；测压仪表的标定；测压仪表的标定；压力测量系统的动态标定；压力测量系统的动态标定；内燃机气缸动态压力测量。内燃机气缸动态压力测量。本章主要内容学习要求：学习要求： 要求掌握流体稳态压力测量的基本原理、稳态压力传感器的形式及构成，测量误差产生的原因及解决方法。 动态压力测量传感器的原理、基本结构。示功图测量装置以及误差分析。 第六章 压

2、力测量压力测量State Key Laboratory of Engines, Tianjin University上次课内容回顾一、压力测量概述一、压力测量概述基本概念：基本概念：绝对压力、表压力、真空度压力单位：压力单位：pa、Mpa、mmH2O、mmHg、公斤力压力测量方法：压力测量方法：重力、弹性力、物理性质二、常规测压仪表和传感器二、常规测压仪表和传感器液柱式测压仪表：液柱式测压仪表：U型管压力计、单管压力计、斜管微压计弹性测量仪表：弹性测量仪表：弹簧管压力计、膜式压力计、波纹管式差压计最高压力表：最高压力表：机械式最高压力表、气电式最高压力表典型测压传感器：典型测压传感器：石英晶体

3、压电传感器、电容式差压传感器、其他压力传感器State Key Laboratory of Engines, Tianjin University三、气流压力的测量三、气流压力的测量气流总压测量气流总压测量 单点单点L形总压管形总压管 圆柱形总压管圆柱形总压管 带导流套的总压管带导流套的总压管 多点总压管多点总压管：多点梳妆总压管、耙状总压管 边界层总压管边界层总压管气流静压的测量气流静压的测量 壁面静压孔壁面静压孔 静压管静压管: :L形静压管、圆盘形静压管、带导流管的静压管*212ppconstState Key Laboratory of Engines, Tianjin Univers

4、ity今天讲课内容四、内燃机气缸动态压力测量四、内燃机气缸动态压力测量概述概述内燃机气缸动态压力测量方法内燃机气缸动态压力测量方法上止点位置和曲轴转角信号的确定上止点位置和曲轴转角信号的确定示功图采集过程的误差分析示功图采集过程的误差分析五、测压仪表的标定五、测压仪表的标定静态标定静态标定动态标定动态标定六、压力测量系统的动态特性六、压力测量系统的动态特性容腔效应容腔效应传输管道的数学模型和频率特性传输管道的数学模型和频率特性State Key Laboratory of Engines, Tianjin University第四部分第四部分 内燃机气缸动态压力测量内燃机气缸动态压力测量一、概

5、述一、概述内燃机动态压力的测量:是指气缸中随曲轴转角或气缸容积而变化的动态压力的测量,也就是通常所说p-或p-V示功图的测录。 示功图的形状如下图所示。State Key Laboratory of Engines, Tianjin University线段3-4为燃烧过程燃烧过程，此时燃烧极为迅速,容积变化很小但气缸内压力增高很多。线段4-5为高温燃气的膨胀过程膨胀过程，随着气缸容积的增大，气缸内气体压力不断降低。线段5-1为排气过程排气过程,开始排气时气缸内压力较高，燃气自由排入大气，随着气缸容积的减小，活塞把废气排挤出去。线段1-2为进气过程进气过程，随气缸容积增大,不断地把新鲜充量吸入

6、气缸。线段2-3为压缩过程压缩过程，随着气缸容积的减小，气缸内气体受到压缩，压力不断升高。State Key Laboratory of Engines, Tianjin UniversityState Key Laboratory of Engines, Tianjin University二、内燃机气缸动态压力测量方法二、内燃机气缸动态压力测量方法l 机械方法测量（机械方法测量（基本不用基本不用）l 电测方法测量电测方法测量（1）横向集点法：对应某些确定的压力值，采集气横向集点法：对应某些确定的压力值，采集气缸压力与之相对应的曲轴转角。（缸压力与之相对应的曲轴转角。（基本不用基本不用）（2

7、）纵向集点法：确定的曲轴转角下采集相应的缸纵向集点法：确定的曲轴转角下采集相应的缸内气体压力值。内气体压力值。采用角标仪（光电传感器等）获得曲轴转角信号和上采用角标仪（光电传感器等）获得曲轴转角信号和上止点信号，采用石英压电传感器和电荷放大器获得气止点信号，采用石英压电传感器和电荷放大器获得气缸压力信号。缸压力信号。最常用传感器：石英晶体压电传感器最常用传感器：石英晶体压电传感器State Key Laboratory of Engines, Tianjin UniversityState Key Laboratory of Engines, Tianjin University三、上止点位置

8、和曲轴转角信号的确定三、上止点位置和曲轴转角信号的确定（一）上止点位置的确定（一）上止点位置的确定1 1磁电法磁电法当内燃机工作，飞轮转动当内燃机工作，飞轮转动时，由于凸尖与磁铁间隙时，由于凸尖与磁铁间隙l处磁通的处磁通的变化，线圈变化，线圈a、b两端将输出一个变化的电动势。若上止点标记两端将输出一个变化的电动势。若上止点标记对正时，使凸尖正好对准磁铁中心线对正时，使凸尖正好对准磁铁中心线CC，则电动势曲线中，则电动势曲线中的的C点即为上止点。点即为上止点。这 种 方 法 测这 种 方 法 测得 的 上 止 点得 的 上 止 点实 际 上 为 静实 际 上 为 静态上止点。态上止点。活塞位移活

9、塞位移活塞销与曲活塞销与曲轴铜套间隙轴铜套间隙State Key Laboratory of Engines, Tianjin University2.2.气缸压缩线法气缸压缩线法利用压力传感器，在倒拖或灭缸的情况下，测得气缸的压缩压利用压力传感器，在倒拖或灭缸的情况下，测得气缸的压缩压力曲线，如图力曲线，如图6-346-34所示。在压缩曲线的上部，作若干平行于大所示。在压缩曲线的上部，作若干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线。气压力线的直线，连接这些直线的中点即可得到上止点线。由于用这种方法求得的上止点由于用这种方法求得的上止点比较接近工作状态下的动态上比较接近工作状

10、态下的动态上止点，因此被广泛采用。止点，因此被广泛采用。State Key Laboratory of Engines, Tianjin University3.3.电容法（直接动态测定法）电容法（直接动态测定法）利用电容式传感器原理利用电容式传感器原理 ，将最大电容量的信号作为动态上止，将最大电容量的信号作为动态上止点的信号点的信号, ,从而确定上止点。从而确定上止点。由于在试验中难以准确测定实际由于在试验中难以准确测定实际动态上止点位置，因此在进行示动态上止点位置，因此在进行示功图精确分析时，需要进行上止功图精确分析时，需要进行上止点的点的热力学修正热力学修正。由于活塞和连杆受力变形以及温

11、由于活塞和连杆受力变形以及温度变化的影响，对于四冲程发动度变化的影响，对于四冲程发动机，压缩和排气冲程利用电容法机，压缩和排气冲程利用电容法测得的动态上止点相位是有差异测得的动态上止点相位是有差异的，一般压缩冲程比排气冲程终的，一般压缩冲程比排气冲程终了时所测得的上止点相位领先。了时所测得的上止点相位领先。State Key Laboratory of Engines, Tianjin University（二）曲轴转角信号的确定（二）曲轴转角信号的确定1.1.光电法光电法利用光电式传感器的原理，在光栅盘的外圈按所要求的角分辨利用光电式传感器的原理，在光栅盘的外圈按所要求的角分辨率加工一定数目

12、的转角光栅，在光栅盘的内圈只加工一条光栅率加工一定数目的转角光栅，在光栅盘的内圈只加工一条光栅作上止点信号用。当光源通过光栅到达另一侧由两个光电元件作上止点信号用。当光源通过光栅到达另一侧由两个光电元件制成的接受器时，分别产生转角和上止点两组信号。制成的接受器时，分别产生转角和上止点两组信号。2.2.磁电法磁电法利用磁电式传感器原理，在曲轴上安装一个齿盘，磁电式传感利用磁电式传感器原理，在曲轴上安装一个齿盘，磁电式传感器固定不动，当曲轴旋转、齿盘上的每一个齿经过传感器时，器固定不动，当曲轴旋转、齿盘上的每一个齿经过传感器时，都会产生一个感应电动势脉冲，齿盘的齿数就决定产生的脉冲都会产生一个感应

13、电动势脉冲，齿盘的齿数就决定产生的脉冲数，以此来确定曲轴转角的度数。数，以此来确定曲轴转角的度数。State Key Laboratory of Engines, Tianjin University3.3.上止点基准法上止点基准法由于两个上止点信号之间的曲轴转角为由于两个上止点信号之间的曲轴转角为360，因此当内燃机，因此当内燃机运转时，可以根据不断产生的上止点信号，利用计算机数据处运转时，可以根据不断产生的上止点信号，利用计算机数据处理系统来求得曲轴转角信号。理系统来求得曲轴转角信号。State Key Laboratory of Engines, Tianjin University四、

14、示功图采集过程的误差分析四、示功图采集过程的误差分析（一）测压通道引起的误差（一）测压通道引起的误差在示功图测录过程中，压力传感器一般均安装在气缸盖上，传在示功图测录过程中，压力传感器一般均安装在气缸盖上，传感器端部与气缸盖底面，即与燃烧室之间有一段通道，气缸内感器端部与气缸盖底面，即与燃烧室之间有一段通道，气缸内压力经此通道传到传感器膜片上，因此压力经此通道传到传感器膜片上，因此由于加工工艺上的原因由于加工工艺上的原因，必然存在空腔，必然存在空腔，由此会产生误差。，由此会产生误差。因此在压力传感器安装时，尽量因此在压力传感器安装时，尽量使其端面与气缸盖底面平齐，以使其端面与气缸盖底面平齐，以

15、便减小测压通道的影响。便减小测压通道的影响。State Key Laboratory of Engines, Tianjin University测压通道引起的误差分析1.1.改变了发动机原有的工作状态改变了发动机原有的工作状态测压通道和空腔的存在，增加了内燃机气缸的余隙容积，内燃测压通道和空腔的存在，增加了内燃机气缸的余隙容积，内燃机压缩比减小，压缩终点压力下降，工作状态发生变化。机压缩比减小，压缩终点压力下降，工作状态发生变化。2.2.滞后和腔振滞后和腔振气缸内的动态压力通过测压通道内的弹性气体传递给压力传感气缸内的动态压力通过测压通道内的弹性气体传递给压力传感器，气体的弹性和阻尼作用使传

16、递到压力传感器的压力相位滞器，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，其脉冲压力波在通道中交替传递后，尤其在气缸压力突变时，其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（腔振）。与反射，形成通道内气体的自振（腔振）。State Key Laboratory of Engines, Tianjin UniversityState Key Laboratory of Engines, Tianjin UniversityState Key Laboratory of Engines, Tianjin University（二）上止点位置引起的误差（二

17、）上止点位置引起的误差决定上止点的相位，对示功图的精度有很大的影响，上止点位决定上止点的相位，对示功图的精度有很大的影响，上止点位置是根据示功图进行放热率、平均指示压力等计算的依据。若置是根据示功图进行放热率、平均指示压力等计算的依据。若上止点相位偏差上止点相位偏差1o曲轴转角，就可能使平均指示压力产生约曲轴转角，就可能使平均指示压力产生约5.5的误差，使平均转矩产生约的误差，使平均转矩产生约5的误差。反之，若要保证平的误差。反之，若要保证平均指示压力的误差小于均指示压力的误差小于l，则要求上止点的相位偏差不超过，则要求上止点的相位偏差不超过0.2o曲轴转角。曲轴转角。为提高上止点相位精度，可

18、对其进行热力学修正。在为提高上止点相位精度，可对其进行热力学修正。在气缸压缩气缸压缩线法线法确定上止点位置时所采用的倒拖压缩示功图上，上止点附确定上止点位置时所采用的倒拖压缩示功图上，上止点附件较小区段内多变指数件较小区段内多变指数n接近常数，而膨胀多变指数大于压缩接近常数，而膨胀多变指数大于压缩多变指数。多变指数。State Key Laboratory of Engines, Tianjin University对数示功图修正上止点上止点位置上止点位置正确正确：对数坐标示功图上，压缩线高于膨胀线，且：对数坐标示功图上，压缩线高于膨胀线，且在上止点附件两条线呈近似直线分开。在上止点附件两条线

19、呈近似直线分开。上止点位置上止点位置不正确不正确：对数坐标示功图上，压缩过程和膨胀过程：对数坐标示功图上，压缩过程和膨胀过程不可能呈直线，有时甚至会出现膨胀过程线高于压缩过程线的不可能呈直线，有时甚至会出现膨胀过程线高于压缩过程线的情况。情况。State Key Laboratory of Engines, Tianjin University热力损失角热力损失角由于柴油机在拖动过程中存在漏气和散热损失，所以拖动p- 图在压缩线峰值不在真正的压缩上止点，而在真正的压缩上止点前一个角度，即热力损失相位差State Key Laboratory of Engines, Tianjin Univer

20、sity（三）温度变化引起的误差（三）温度变化引起的误差压力传感器对温度的变化很敏感，尤其是压电元件的压电常数压力传感器对温度的变化很敏感，尤其是压电元件的压电常数因温度的变化而改变，使测量系统的输出发生漂移。因温度的变化而改变，使测量系统的输出发生漂移。为减小温度变化对传感器的影响，应十分注意传感器在测试时为减小温度变化对传感器的影响，应十分注意传感器在测试时的的冷却条件冷却条件，此外，亦可采用带温度补偿片的压电传感器，以，此外，亦可采用带温度补偿片的压电传感器，以消除气缸高温燃气带来的影响。消除气缸高温燃气带来的影响。State Key Laboratory of Engines, Tia

21、njin University采样定理采样定理采样是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘，取离散点x(nt)的值的过程。State Key Laboratory of Engines, Tianjin UniversityX(0), X(1), X(2), , X(n) State Key Laboratory of Engines, Tianjin University每周期应该有多少采样点？最少2点:State Key Laboratory of Engines, Tianjin UniversityState Key Laboratory of Engines, Tianjin Un

22、iversityState Key Laboratory of Engines, Tianjin University频域解释 0t0f0t0ft00fState Key Laboratory of Engines, Tianjin University采样定理 为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。Fs 2 Fmax State Key Laboratory of Engines, Tianjin University在设计离散系统时，采样定理是必须严在设计离散系统时，采样定理是必须严格遵循的一条准则

23、，因为它指明了从采格遵循的一条准则，因为它指明了从采样信号中不失真地复现原连续信号所必样信号中不失真地复现原连续信号所必须的理论上的最小采样周期须的理论上的最小采样周期T T。相邻两频谱互不重叠的条件是：相邻两频谱互不重叠的条件是：ms2如果如果ms2就会出现相邻部分频谱重叠的现象就会出现相邻部分频谱重叠的现象。这时就难以准确地恢复原来的连。这时就难以准确地恢复原来的连续信号了。续信号了。 State Key Laboratory of Engines, Tianjin University1 1、信号抽样的理论分析、信号抽样的理论分析(1/3)(1/3)抽样信号抽样信号fs(t)频谱与抽样间

24、隔频谱与抽样间隔T关系：关系：)j (Fmm10T1)j (F)( j sF)( j sF)j (sFmssms /20.ms2m0抽样信号抽样信号fs(t)频谱包含有频谱包含有F(jw)的完整信息的完整信息State Key Laboratory of Engines, Tianjin University1 1、信号抽样的理论分析、信号抽样的理论分析(2/3)(2/3)抽样信号抽样信号fs(t)频谱与抽样间隔频谱与抽样间隔T关系：关系：)j (Fmm10)j (sFT1)( j sF)( j sF)j (Fmssm0.ms2m抽样信号抽样信号fs(t)频谱包含有频谱包含有F(jw)的完整信

25、息的完整信息State Key Laboratory of Engines, Tianjin Universityms2)j (sFT1)j (Fmssmss0.)( j sF)( j sF1 1、信号抽样的理论分析、信号抽样的理论分析(3/3)(3/3)抽样信号抽样信号fs(t)频谱与抽样间隔频谱与抽样间隔T关系：关系：)j (Fmm10 混叠混叠(aliasing)m抽样信号抽样信号fs(t)频谱频谱不包含有不包含有F(jw)的完整信息的完整信息State Key Laboratory of Engines, Tianjin University2 2、时域取样定理、时域取样定理 若带限信

26、号若带限信号f(t)的最高角频率为的最高角频率为m，则信号，则信号f(t)可以用等间隔的抽样值唯一地表示。而抽样间隔可以用等间隔的抽样值唯一地表示。而抽样间隔T需不大于需不大于1/2fm，或最低抽样频率，或最低抽样频率fs不小于不小于2fm。若从抽样信号若从抽样信号fs(t)中恢复原信号中恢复原信号f(t)，需满足两个条件：，需满足两个条件：fs = 2fm 为最小取样频率，称为为最小取样频率，称为Nyquist Rate. f(t)是带限信号，即其频谱函数在是带限信号，即其频谱函数在| | m各处为零；各处为零； 抽样间隔抽样间隔T需满足需满足 ， )2/(1/mmfT或抽样频率或抽样频率f

27、s需满足需满足 fs 2fm （或（或s 2 m） 。 )j (Fmm10State Key Laboratory of Engines, Tianjin University冲激串抽样冲激串抽样)(tft0)(tfst0STST2STST3t)(tST0)1(STST2STST2 =)(jF0mm)(jFS0mmSSST1)(ss0SSS)(jFS0mSST1mS2当当时时=当当时时mS2从频谱图可以看出：要使各频移不重叠，抽样从频谱图可以看出：要使各频移不重叠，抽样频率频率 s 2 m， m为为f (t)的频谱的频谱F(j )的最高频率。的最高频率。否则，否则， s2 m ，抽样信号的频谱

28、会出现混叠。，抽样信号的频谱会出现混叠。根据频域卷积定理：根据频域卷积定理：)()(1)()(21)()()()(SSSjFTjFjFttftfsssTs最高频率最高频率 S=2 /TS* *State Key Laboratory of Engines, Tianjin University3 3、抽样定理的工程应用、抽样定理的工程应用 )j (F10许多实际工程信号不满足带限条件许多实际工程信号不满足带限条件)j (Hmm10 抗抗 混混 低通滤波器低通滤波器)(tf)(1tf)(th)j (1Fmm10在动态信号的数据采集过程中，为了防止高于采祥频率一半的信在动态信号的数据采集过程中，为

29、了防止高于采祥频率一半的信号产生混叠而造成的误差，抗混叠滤波器是不可少的一般情况下号产生混叠而造成的误差，抗混叠滤波器是不可少的一般情况下，抗混叠滤波器是低通滤波器。，抗混叠滤波器是低通滤波器。State Key Laboratory of Engines, Tianjin University抽样前抽样前 抗混叠滤波抗混叠滤波与与未抗混叠滤波未抗混叠滤波的的 区别区别 原信号xWAV格式,fm=11025HZ1.12M未抗混叠滤波未抗混叠滤波fs=4410Hz大小大小230Kfs=4410Hz230K 原信号x抗混叠滤波，fm=2205Hz1.12MState Key Laboratory

30、of Engines, Tianjin University0)(jF1m实际滤波实际滤波取较大的取较大的T，从抽样信号频谱可发现有混叠，逐渐减小，从抽样信号频谱可发现有混叠，逐渐减小T，当前后，当前后2次抽样信号频谱次抽样信号频谱之间没有变化时，即可确定之间没有变化时，即可确定T0)(jF10)(jF1理想理想滤波滤波mState Key Laboratory of Engines, Tianjin University 需注意，满足采样定理，只保证不发生频率混叠，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。State Key

31、Laboratory of Engines, Tianjin University频混计算： FsFsFsFs频混正常Fs/2工程处理：混迭频率=Fs-信号频率State Key Laboratory of Engines, Tianjin UniversityA/D采样前的抗混迭滤波： 物理信号对象传感器电信号放大调制电信号A/D转换数字信号展开低通滤波(0-Fs/2)放大State Key Laboratory of Engines, Tianjin University发动机性能多参数测量系统,测量参数包括发动机气缸压力、燃烧室壁面瞬态温度、光电编码器的转角信号和上止点信号、进气压力、排

32、气压力。 （1）缸内压力等信号的频率上限为5kHz，确定系统采用频率？ （2）发动机额定转速为3000r/min，确保缸内压力信号最小曲轴转角分度为0.5A，采样频率最低为多少？ （3）假如在（2）的基础上，要同时测量噪声，噪声分析频率为22kHz，系统采用频率确定为多少合适？思考题思考题State Key Laboratory of Engines, Tianjin University第五部分第五部分 测压仪表的标定测压仪表的标定一、静态标定静态标定是根据静压平衡原理，利用活塞式压力计、标准弹簧压力计或液柱式压力计进行的。活塞式压力计常用于量程为1105Pa以上的测压仪表的标定。为了消除摩

33、擦力的影响，测量时活塞与液压缸之间应保持旋转，转速（12010）r/min。State Key Laboratory of Engines, Tianjin University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，轻轻转动砝码盘，使精密轻轻转动砝码盘，使精密活塞与砝码旋转，以减小活塞与砝码旋转，以减小活塞与缸体之间的磨擦力活塞与缸体之间的磨擦力。此时油压与砝码（连同活塞）的重力相平衡。传感器或压力仪表受到的压力等于砝码（连同活塞）的重力与活塞的有效面积之比，可表示为式中，p为油缸的压力（Pa）；m1为标准砝码的质量（kg）；m2为活塞的质量（kg）；D为活塞的直径（m）；g为当地的重力加速度（m/s2）。State Key Laboratory of Engines,