液压系统压力测试方法

在液压测试试验中，压力的测量是极为重要的。根据测试试验系统中压力变化的情况，不外乎有稳态压力和瞬态压力两种。液压系统的压力是所有液压执行器的工作动力，也是大部分液压控制元件的控制动力，它存在于液压元件密封的容腔和连接液压元件的管路内，反映液压系统的工作状态，是整个系统的重要信息。

压力和流量是液压系统的基本参数，但流量是一个与流动、流态、介质黏度、时间和体积（或质量）相关的参数。因此，对流量的测试比对压力的测试相对困难一些。加之现有的一些流量测试仪表还受到特殊的安装位置、安装方式和管道直径等诸多因素的限制，由此影响了其在液压系统测试中的使用。而压力测试仪表则一般不受这些因素的制约，因而在液压系统中获得了更广泛的使用。

特别是利用压力作用于敏感部件产生物理效应或应变而制成的各种传感器的出现，更加扩大了压力测试的应用范围。随着传感器向集成化、智能化、小型化、系列化和标准化方面的发展，加上它与现代测控技术、计算机技术和信号分析技术的日益结合，使得压力传感器在液压系统的运行控制、状态监测、故障诊断和科学试验中得到了更为广泛的应用。

1.应用压力表测试系统压力

压力表是一种常用的压力测量仪表，其结构原理如图6-2所示。

压力表主要由三部分组成：感测元件为弹簧管1（或称波登管）；由拉杆3、扇形齿轮2和中心齿轮8组成的传动机构；指示部分为指针9和刻度盘6。弹簧管1是由黄铜、磷青铜、铝青铜、不锈钢或高强度合金钢等材料制成的，为具有椭圆形截面的薄壁管件。其外形成“C”字形，一端与液压油的进油管接头相连，另一端封闭。封闭端B通过传动机构与指针9相连。当有液压油进入弹簧管时，由于压力的作用，有使椭圆形截面变圆的趋势，从而使“C”形圆弧伸张，引起封闭端移动，因而带动指针转动。指针转动的角度与所测压力值成正比。通过标定以后，在测量过程中，指针在刻度盘上所指的位置即代表了所测压力值。压力感测元件的形状是多样的，可以做成螺旋形、螺线形和膜盒式等，它们都是通过传动机构带动指针转动的，故这类压力表是属于机械式的仪表。压力表的信号传递过程如图6-3所示。

图6-2 弹簧管压力表的结构原理

1—弹簧管 2—扇形齿轮 3—拉杆 4—调节螺钉 5—接头 6—刻度盘 7—游丝 8—中心齿轮 9—指针

图6-3 压力表的信号传递过程

1—感测元件（弹簧管） 2—放大元件（传动机构） 3—指示部分

感测元件将压力p转换为封闭端的位移x，通过放大元件，即传动机构，将x转化为指针转动角θ，然后由刻度盘的刻度变成具有所需单位的压力量值。在信号传递过程中，由于存在着运动副之间的摩擦、运动件的惯性等因素，决定了此类仪表对信号的响应速度较慢，因此它只能用于静态测量和指示性测量。

2.液压测试用压力传感器及其应用

基于各种检测原理发展起来的压力传感器是液压测试技术的核心，它将压力信号转换为电信号并利用二次仪表而对液压压力进行测试。可用于液压压力测试的检测原理有许多种，每种检测原理又有不同的检测方法，再加上基于同种检测原理和方法的传感器又可以有结构形式、所用材料和制造工艺等因素的不同，因而构成了压力传感器的多种多样。现在液压系统中广为使用的压力传感器主要有电阻式压力传感器、压阻式压力传感器和压电式压力传感器等。

（1）应变式压力传感器 应变式压力传感器是电阻式压力传感器的一种。应变式压力传感器由应变片作为主要检测元件，应变片粘贴于由金属材料制成的平膜片弹性元件上，由弹性元件将被测压力变换成应变，进而由应变片转换成电阻的变化，从而测试出流体的压力。国外20世纪五六十年代的商品压力传感器就是这种类型的，我国目前广泛使用的BPR-2型压力传感器也属于这种类型。

应变式压力传感器如图6-4所示。

弹性筒圈3的上端与外壳4固定在一起，它的下端与不锈钢双垂线膜片1紧密贴合，电阻应变片2和5分别沿轴向和圆周方向粘贴在弹性筒圈的外壁上，其电阻分别为R₁、R₂。被测压力p_x作用于膜片上，使弹性筒圈轴向受压，其轴向压缩应变ε₁为

式中 S——膜片的有效作用面积；

r₂——弹性筒圈的外半径；

r₁——弹性筒圈的内半径；(www.xing528.com)

E——弹性筒圈的弹性模量。

由式（6-1）可知：应变ε₁直接反映了压力的大小。而此应变ε₁由贴在筒壁上的应变片测量。这里R₁为工作片，R₂为温度补偿片，它们同另外两个固定电阻R₃、R₄组成电桥，这样就将被测压力转换成与其成正比的电压u₁输出。

图6-4 应变式压力传感器

1—双垂线膜片 2、5—电阻应变片 3—弹性筒圈 4—外壳

国产BPR-2型压力传感器采用的就是上述结构。当桥路供电电压为直流10V时，可获得的最大输出电压为直流5mV。这种压力传感器的测量范围可从0～1MPa到0～25MPa，非线性小于额定压力的1%。它的固有频率可达25kHz以上，因此具有良好的动态性能，可用于瞬变压力的测量。

应变式压力传感器具有使用方便、适应性强、价格便宜和动态性能好等优点，但粘贴剂和粘合技术对测试结果影响较大，并且其输出信号小，需专用的动态电阻应变仪配套使用，因而使其使用范围受到限制。但是，随着离子束溅射薄膜沉积技术的采用，我国赛西传感技术有限公司已开发生产出CYB2900系列合金薄膜应变式压力传感器，并已形成年产10万只的生产能力。此系列的压力传感器的合金薄膜电阻器与金属弹性体“溶”为一体，组成金属型敏感元件，无任何粘贴剂和紧固件，从而克服了粘贴剂和粘合技术对测试结果的影响。现在，这种压力传感器已广泛用于包括液压行业在内的众多领域。

（2）压阻式压力传感器 压阻式压力传感器是利用金属导体或半导体材料受到压力作用而产生的压阻效应，将压力变化变换成电阻的变化，进而通过对电阻变化的测试而实现对压力的测试。

随着半导体技术的飞速发展，压阻式压力传感器的敏感元件现多采用半导体材料，其中又以硅为主。这种传感器具有灵敏度高、准确度高、频率响应快、结构简单、体积和自重小等优点，而且还具有功耗低、安全可靠、寿命长和易于实现集成化等特点，因而得到了飞速的发展和广泛的应用。20世纪80年代中期后，在美、日、欧等国的传感器市场上，它已是压力传感器中的主要品种，国内现也有不少厂家生产此种产品。

（3）压电式压力传感器 压电式压力传感器是利用具有压电效应的压电器件作为敏感元件，它将被测压力转换为电荷，产生静电电位差，进而通过测量电路对压力进行测试。可用作压电器件的材料很多，但压电陶瓷因制作方便、成本低廉、压电常数高等突出性能而为绝大多数压电式压力传感器所采用。

压电式压力传感器的工作频带宽，传感器本身具有高达100kHz以上的固有频率，因而具有良好的动态性能，是动态压力测试的理想器件。压电式压力传感器的外形尺寸可做得很小，而且其量程宽，可以从几百帕到几百兆帕。正是因为这种传感器具有体积小、自重小、准确度高、灵敏度高和动态性能好等突出优点，加上配套仪器的技术性能日益提高，使得这种压力传感器的应用越来越广。

除上述三种常用的压力传感器外，基于新的转换原理而研制和开发的压力传感器也不断出现，如电容式压力传感器、电感式压力传感器、霍尔式压力传感器、光电式压力传感器、超声式压力传感器和振频式压力传感器等。美国西特公司生产的适应液压系统压力测试的280E型就是一种电容式压力传感器，此产品采用西特公司独特的设计，具有很低的滞迟和温效影响，测试准确度达0.11%FS，测量范围为0～70MPa。

3.液压系统测试压力时传感器的合理使用

由于各种液压系统中工况的不同，压力变化的多样性，以及压力测试的目的也不尽相同，加之压力传感器品种的繁多，规格和技术性能的不一和价格差别的巨大，因此，要选择合适的压力传感器并非易事。但是，只要遵循正确的方法，用经济的价格购买到满足使用目的、压力量程、准确度等级和工况要求的压力传感器还是可行的。

（1）根据液压测试欲达到的目的选择 液压系统中压力测试有不同的目的，对不同目的的压力测试应选择不同类型的压力传感器。如果测试的是系统稳态压力以实现对系统进行状态监控或故障诊断，而并不需要获知压力的瞬变情况，则选用适应性强、价格便宜的应变式等结构型压力传感器，即可获得满意的效果。

如果需要对系统中某点压力的瞬变进行测试，则应选择压阻式或压电式等物性型压力传感器。因为这类压力传感器频率响应高达数十万赫兹，能够响应压力的高速瞬变，而且准确度也高。

（2）根据液压系统的工况选择 确定压力传感器的类型后，重要的是根据系统的工况选择压力传感器的参数。

1）量程选择。作为压力传感器的一项重要技术指标，每种压力传感器的使用说明书都标明了该种传感器的标准量程和耐压极限。一般情况下，压力传感器的量程选择以系统的工作压力在其标准量程值的60%～100%为宜。系统中可能出现的过载压力和异常情况下出现的冲击压力都不应超过压力传感器的耐压极限。同时，应当注意在使用同一压力传感器时，工作压力越高，准确度越高，并且1MPa以上的压力传感器，其量程越高，价格越贵。因此，过高的耐压余量也没有必要。

2）准确度选择。压力传感器的准确度表示其输出与被测量真值的一致程度，也是压力传感器的一项重要技术指标，对测试结果具有直接影响。压力传感器的准确度越高，其价格越昂贵。因此，对压力传感器的准确度选择也应根据测试欲达到的目的确定，并非越高越好。对于一般的定性比较测试或系统的状态监控和故障诊断，则选择普通准确度（1%～2%FS）的压力传感器即可。而对于一些获得精确量值以做定量分析研究的情况，则应选择高准确度（0.1%～1%FS）或超高准确度（0.01%～0.1%FS）的压力传感器。

3）工作温度选择。工作介质的温度直接影响压力传感器的热零点漂移和热灵敏度漂移，从而影响其准确度。压力传感器适应的工作温度范围越宽，其制造的技术难度越大，价格也就越高。因此，对于室内使用，可选用普通商业级（-1～60℃）的压力传感器；对室外使用，则可选用更高级别的压力传感器。

当然，压力传感器的选用还应考虑内部结构材料与工作介质的相容性，液压设备工作环境对传感器防爆性要求，以及传感器本身的安装方式及密封情况。