第3章 机械量测量技术

现代检测技术2第三章导言

在工业生产、科学研究等各个领域中，力学量和运动量是经常需要测量的重要参数。本章介绍压力、力、位移、速度的测量方法、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。3第三章力学量检测技术3.1压力测量3.4速度测量3.3位移测量3.2力测量3.1.1压力的基本概念定义：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，表示为：3.1压力的测量p—压力；F—垂直作用力；S—受力面积单位：国际单位牛顿/米2，用符号N/m2，也称Pa。常用KPa，MPa，也有工程大气压、物理大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等表示方法。4由于参照点不同，在工程上压力有几种不同表示方法：绝对压力：以绝对压力零位为参考点的压力称为绝对压力，用符号Pi表示。大气压力：由地球表面空气质量所形成的压力，称为大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而变化，用符号P0表示。表压力：绝对压力与当地大气压之差称为表压力，用符号Pg表示。通常压力测量仪表总是处于大气之中，其测得的压力值均是表压力。真空度(负压)：绝对压力小于大气压力时，表压力为负值(负压力)，其绝对值称为真空度，用符号Pv表示，Pv=|Pg|。差压(压差)：任意两个压力P1、P2之差称为差压ΔP，ΔP=P1-P2。3.1压力的测量53.1压力的测量6压力检测的基本方法：重力平衡方法：利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡。弹性力平衡方法：利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡。机械力平衡方法：将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡。物性测量方法：利用敏感元件将被测压力直接转换为各种电量。3.1压力的测量73.1.2常用压力检测仪表液柱式压力计弹性压力计力平衡式压力计压力传感器3.1压力的测量1、液柱式压力计基本原理：流体静力学原理

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。3.1压力的测量9U形管压力计3.1压力的测量10在U形管两端接入不同压力p1和p2时，根据流体静力平衡原理可知，U形管两边管内液柱差h与被测压力p1和p2的关系为:可见U形管内的液柱差h与被测差压或压力成正比，因此被测压差或压力可以用工作液高度h的大小来表示3.1压力的测量11单管压力计

U形管压力计中的h需要两次读数，读数误差较大。为了减小读数误差，可以将U型管的一端换成一个大直径的容器，即形成单管压力计。3.1压力的测量12由于D>>d，故d2/D2可以忽略不计被测压差或压力可用管内工作液面上升高度h来表示3.1压力的测量13斜管压力计

用U形管或单管压力计来测量微小的压力时，因为液柱高度变化很小，读数困难，为了提高灵敏度，减小误差，可将单管压力计的玻璃管制成斜管。3.1压力的测量14由于L>h，所以斜管压力计比单管压力计更灵敏，可以提高测量精度L—斜管内液柱的长度；α—斜管倾斜角3.1压力的测量152、弹性压力计基本原理：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。3.1压力的测量16弹性压力计组成框图（1）弹性元件

常用的有弹簧管、波纹管、薄膜等。同样压力下，不同结构、不同材料的弹性元件产生不同的弹性变形。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测量。3.1压力的测量17波纹管

是一种表面有许多同心环状波纹的薄壁圆筒。开口端焊接于固定基座上,并将流体通入管内，在流体压力作用下，密封的自由端会产生一定的位移。在弹性范围内，自由端的位移与作用压力成线性关系。3.1压力的测量18波登管

是横截面为空心椭圆形或扁圆形的金属管。当管的固定端通入有一定压力的流体时，管内外的压力差(管外一般为大气压力)迫使管截面趋于圆形，这种变形导致波登管封闭的自由端产生线位移或角位移。3.1压力的测量19（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。其一般结构如右图所示。

被测压力弹簧管位移通过拉杆使扇形齿轮偏转啮合的中心齿轮转动指针同时偏转指示出被测压力。3.1压力的测量20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-灵敏度调整槽调放大比、量程调隙直接调零3、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。3.1压力的测量214、压力传感器

定义：能够测量压力并提供远传电信号的装置，可以直接将被测压力变换成各种形式的电信号。应变式压阻式电容式压电式振频式光电式光线式超声式等3.1压力的测量22由于能够和CPU等共同构成一个数字采集控制系统，因此满足自动化系统集中检测与控制的要求，在工业生产中得到广泛应用。（1）应变式压力传感器

基本原理：通过测量各种弹性元件应变来间接测量压力

应变元件的工作原理是基于导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化。

测量方式：在弹性元件受压变形的同时应变片亦发生应变，电阻值将有相应的改变。粘贴式应变压力计可采用1、2或4个特性相同的应变元件，粘贴在弹性元件的适当位置，并分别接入电桥的桥臂，则电桥输出信号可以反映被测压力的大小。3.1压力的测量23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。3.1压力的测量243.1压力的测量25（2）压阻式压力传感器

基本原理：压阻效应--固体受力后电阻率发生变化。测量方式：利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。3.1压力的测量26

右图为一种压阻式压力传感器的结构示意图，硅平膜片在圆形硅杯的底部，其两边有两个压力腔，分别输入被测差压或被测压力与参考压力。髙压腔接被测压力，低压腔与大气连通或接参考压力。当压力差使膜片变形，膜片上的两对电阻阻值发变化，使电桥输出相应于压力变化的信号。3.1压力的测量27压阻式压力传感器

被测压力参考压力3.1压力的测量28压阻式压力传感器的特点是灵敏度高，频率响应高；测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60Mpa的高压；精度高，工作可靠，其精度可达±0.2％～0.02％；易于微小型化，（3）压电式压力传感器

基本原理：压电效应—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，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。测量方式：压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间存在一定关系，通过测量电荷量即可获得被测压力大小。3.1压力的测量29压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号大小与被测压力值相对应。3.1压力的测量30压电式压力传感器结构示意图3.1压力的测量31测量精度较高；频率响应高。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

基本原理：变电容测量原理。

测量方式：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：3.1压力的测量32可知，电容量的变化与被测参数的大小成比例。33第三章力学量检测技术3.1压力测量3.4速度测量3.3位移测量3.2力测量3.2.1力的基本概念力的单位：牛顿（N），1N=1kg·m/s2

力的分类：重力、弹性力、惯性力、膨胀力、摩擦力、浮力和电磁力等。3.2力的测量343.2.2力的测量方法

力的本质是物体之间的相互作用，不能直接得到其值的大小，必须通过其它物理量来表示力的大小。动力效应：力施加于某一物体后，将使物体的运动状态或动量改变，使物体产生加速度； 静力效应：力施加于某一物体后，可以使物体产生应力，发生变形。因此，可以利用这些变化来实现对力的检测。

力的测量方法可归纳为力平衡法，测位移法和利用某些物理效应测力等。3.2力的测量351、力平衡法力平衡式测量法是基于比较测量的原理，用一个已知力来平衡待测的未知力，从而得出待测力的值。平衡力可以是已知质量的重力、电磁力或气动力等。

3.2力的测量36（1）机械式力平衡装置（2）磁电式力平衡装置（1）机械式力平衡装置（秤）

基本原理：物体处于静态平衡时，绕某一轴线的顺时针方向力矩等于逆时针方向的力矩。3.2力的测量37仅适合做静态测量（2）磁电式力平衡装置

它由光源、光电式零位检测器、放大器和一个力矩线圈组成一个伺服式测力系统。3.2力的测量38使用方便，受环境条件影响较小，体积小、响应快。输出的电信号易于记录且便于远距离测量和控制。2、测位移法

基本原理：在力作用下，弹性元件产生变形，测位移法通过测量未知力所引起的位移，从而间接地测得未知力。

3.2力的测量39（1）电容式测力装置（2）差动变压器式测力装置（1）电容式测力装置扁环形弹性元件内腔上下平面上分别固连电容传感器的两个极板。在力作用下，弹性元件受力变形，使极板间距改变，导致传感器电容量变化。用测量电路将此电容量变化转换成电信号，即可得到被测力值。3.2力的测量40这种测力装置可用于大型电子吊秤

电容传感器和弹性元件组成的测力装置（2）差动变压器式测力装置3.2力的测量41弹性元件受力产生位移，带动差动变压器的铁芯运动，使两线圈互感发生变化，最后使差动变压器的输出电压产生和弹性元件受力大小成比例的变化。差动变压器与弹簧组合构成的测力装置差动变压器与筒形弹性元件构成的测力装置3.2.3测力传感器测力传感器通常将力转换为正比于作用力大小的电信号，使用十分方便，因而在工程领域及其他各种场合应用最为广泛。测力传感器种类繁多，依据不同的物理效应和检测原理可分为电阻应变式、压磁式、压电式等等。3.2力的测量4243第三章力学量检测技术3.1压力测量3.4速度测量3.3位移测量3.2力测量常用测量的方法：积分法：速度积分、加速度二次积分回波法：超声波、激光等往返时间转换法：线位移、角位移相互转换位移传感器：转换为电量等3.3位移测量工业上常采用位移传感器测量的方法44常用位移传感器测量方法根据传感器的变换原理，常用的位移测量传感器类型有：电阻应变式、电感式、电容式、霍尔元件、感应同步器、光栅、磁栅和角度编码器等位移计以及电动千分表等。453.3位移测量461、差动变压器式位移测量方法１-活动衔铁；２-导磁外壳；３-骨架；４-匝数为W1初级绕组；５-匝数为W2a的次级绕组；６-匝数为W2b的次级绕组。在传感器的是量程内，衔动移越大，差动输出电动势就越大。3.3位移测量3.3位移测量47电阻应变式位移传感器2、电阻应变式位移测量方法当被测物体产生位移时，悬臂梁随之产生于位移相等的挠度，因而应变片产生相应的应变。在小挠度情况下，挠度与应变情况成正比。将应变片接入桥路，输出与位移成正比的电压信号。3、电涡流式位移测量方法3.3位移测量48

高频（数MHz以上）激励电流I施加于邻近金属板一侧的线圈，由线圈产生的高频电磁场作用于金属板的表面。在金属板表面薄层内产生涡流Is，涡流Is又产生反向的磁场，反作用于线圈上，由此引起线圈自感L或线圈阻抗ZL的变化。

ZL的变化程度取决于线圈至金属板之间的距离d、金属板的电阻率p、磁导率u以及激励电流i的幅值与角频率w等。

当被测位移量发生变化时，使线圈与金属板的距离发生变化，从而导致线圈阻抗ZL的变化，通过测量电路转化为电压输出。高频涡流传感器用于测定位移量Is在两光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹在刻线方向移动,即莫尔条纹本身产生一次明暗的光强变化。两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹也同步移动一个间距BH，固定点上的光强则变化一周。当光栅尺与指示光栅发生连续的相对移动时，莫尔条纹的光强会产生近似正弦波的周期性变化。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的关系为：3.3位移测量494、光栅式位移测量方法50第三章力学量检测技术3.1压力测量3.4速度测量3.3