参数的测量
出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册下册》第2108页（30869字）
(1)压力(p)
A．压力的测量仪表
在液压试验中需要测量的压力不外乎有两种：稳态压力(静压力)和瞬态压力。它们对测压仪表有着不同的要求，并且测量方法也不同。下面简单介绍各种压力测量仪表的工作原理：
(A)弹簧管式压力表
它是最常用的测压仪表。图35．2－1所示为其结构原理图。主要由三部分组成：感测元件为弹簧管1；由杠杆机构3、齿弧2和齿轮8组成的传动机构；指示部分为指针9和刻度盘6。弹簧管是由黄铜、磷青铜、铍青铜、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。其信号传递过程如图35．2－2所示。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转换为指针转动角θ；然后由刻度盘的刻度读出具有一定单位的压力值。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是不高的，因此它只能用于静态测量和指示性测量。
图35．2－1 弹簧管式压力表结构图
1－弹簧管；2－齿弧；3－杠杆；4－调节槽；5－进油接头；6－刻度盘；7－游丝；8－齿轮；9－指针
图35．2－2 压力信号传递过程框图
1－感测元件(弹簧管)；2－放大元件(传动机构)；3一显示刻度盘
(B)霍尔式压力传感器
它是根据半导体的霍尔效应原理制成的，如图35．2－3所示。若将半导体薄片置于磁场B中，当片上通有电流I，且电流方向与磁场方向互相垂直时。结果半导体中运动的电子在磁场中要受到洛仑兹力的作用，将电子推向半导体一侧形成电子积累。因此在与磁场方向和电流方向构成的平面平行的两侧面上形成静电场，将此电场称为霍尔电场(或霍尔电势)。这种现象称为霍尔效应。
图35．2－3 霍尔效应原理图
霍尔电势EH的大小为：
EH=KHIB
式中：EH为霍尔电势(mV)；I为通过半导体片的电流(mA)；B为磁感应强度(T)；KH为霍尔元件灵敏度系数［mV／(mA·T)］，它不仅与材质有关还与几何尺寸有关。
在实际应用中，将I和B两个量中之一保持为常量，另一个作为输入变量，此时产生的输出霍尔电势EH则与输入量成比例。由于建立霍尔电势所需时间极短，约为10－12～10－4s，因此其响应频率是很高的，可达109Hz以上。
若将霍尔元件的两端放置在两个方向相反的磁场中，如图35．2－4所示。右侧磁场磁力线方向向下，左侧磁场磁力线方向向上，且这些磁场都是具有均匀梯度的磁场。只要保持霍尔元件上的电流I为常量时，当霍尔片在此磁场中移动，则其输出电压UH只取决于它在磁场中的位移量x。因为两磁场是方向相反配置的，因而同时在霍尔片上要产生两极性相反的霍尔电势，故其输出电压UH为此两电势之差。当霍尔片处于中立位置时，则表现输出电压为零。当霍尔片移动，偏离中立位置，其上呈现的电压大小与位移量成比例，极性与位移的方向对应。输出电压UH与位移量x之间的关系曲线如图35．2－5所示。如果磁场变化梯度dB／dx越大，则灵敏度越高；梯度变化越均匀，则UH与x之间关系就越接近线性。
图35．2－4 霍尔式压力传感器原理图
图35．2－5 UH－x特性曲线
综上所述可利用此原理来测量位移量。若将霍尔元件固定在压力表中弹簧管封闭的自由端上时。当有压力油进入弹簧管，自由端产生正比于压力值的位移量，也就带动霍尔片在磁场中移动，因而产生的输出电压大小就代表着所测压力值。这样就将非电量的压力信号转变成一个与之对应的电量(电压)信号了。
为了使所产生的霍尔电势与位移量或压力成单一的线性关系，必须保证给霍尔元件提供恒定的直流电流I，故要求配备高质量的恒流源。当然也要求有性能稳定、梯度变化均匀的永久磁场。因为半导体元件对温度变化较敏感，其性能随温度变化较大，故要求对温度变化进行补偿，以尽量减小其影响。
虽然此传感器中运动部分没有摩擦，尽管霍尔电势的响应极快，但在压力油作用下，弹簧管自由端要产生约±1．5mm左右的位移，还要带动具有一定质量的霍尔元件运动，必然具有一定的惯量和材料变形时的滞后阻尼等，这样也就限制了它的响应速度。故霍尔式压力传感器只能作为非动态的压力测量用。由于其输出为电压信号，故可以用于远距离测量和显示。
(C)应变电阻式压力传感器
应变电阻式压力传感器就是用于动态压力测量的传感器之一。它是根据电阻丝的阻值随其几何尺寸变化而变化的原理制成的应变片，由应变片来感测压力的作用而引起的变形量。应变片的特性以它的灵敏度系数S表示
式中：ε为由应变片感测的应变量；△r为由于应变量ε引起的应变片阻值的变化量；R为应变片的原电阻值。
若将应变片贴在一金属薄壁圆筒的外壁上，当简内通入压力油时，圆筒变形，因而引起贴在外壁上的应变片的几何尺寸发生变化，导致其阻值变化，如图35．2－6所示。圆筒壁变形量与筒内所受压力值成正比；应变片阻值的变化又与变应量成正比。所以只要测量此阻值的变化就反映了被测压力值的变化。也就达到了将压力值转成电量(电阻值)的目的。测量电阻值的变化一般采用电桥线路，如图35．2－7所示。贴在圆筒薄壁处外侧的应变片R1作为电桥的测量臂，其余均为固定电阻R2、R3、R4。当筒内无压力时，电桥平衡，无信号输出。当筒内有压力时，筒壁变形，R1阻值发生变化，电桥原始平衡破坏，在输出端有正比于R1阻值变化的输出信号。经应变仪放大和处理后就可由显示或记录仪进行测量和记录。
图35．2－6 应变式压力传感器结构示意图
1－补偿片；2－应变片；3－应变管；4－感压膜片
图35．2－7 桥式电路图
由于应变片的阻值不仅随其几何尺寸变化而变化，而且还受试验时油温和周围温度变化的影响，因此需要考虑温度补偿问题。最简单的温度补偿办法是除了在测压圆筒的薄壁外侧贴一片测量用应变片外，在圆筒的厚壁处，此处与薄壁变形处具有相同的温度变化，而在测压时并不变形。在此处外侧也贴一片应变片，作为温度补偿用。此两片分别为电桥的两个臂，当温度变化时，两臂阻值同样变化，以抵消温度的影响。
因为这种传感器中无运动部件，所以无惯性、无摩擦、无间隙，故其响应速度是很高的，可达35kHz，可以用于压力的动态测量。它虽具有灵敏度高、线性好、结构简单等优点；但它抗干扰能力差，还必须与应变仪配套使用才能进行测量，使用时不大方便。
(D)扩散型应变电阻式压力传感器
这种传感器是以单晶硅材料制成感测膜片。通过印刷和刻蚀方法加工成要求的形状，图35．2－8所示为成形后的膜片。然后直接向沟槽中渗入某种杂质而形成应变片。直接作出四片组成测量电桥，使基膜片与应变片合为一体。当膜片受到压力作用时，沟槽处产生弯曲变形，使桥臂阻值发生变化，其输出信号电压幅值与压力值成比例。
图35．2－8 测压膜片结构示意图
A、B、C－沟槽
由于硅晶体是一种极好的弹性材料，受力后没有塑性区，基本没有蠕变现象，且材料强度很高。所以这种传感器的特点是线性好、灵敏度高、固有频率高(55kHz～1MHz)、滞后现象很小，通常小于0．05%、重复性好、过载能力强等。由于其输出信号大(满量程达300mV)，可以不要应变仪，直接配放大器即可。
(E)特殊用途的压力仪表
真空表是为了测量试验系统中某处的真空度(或负压)的仪表。如液压泵自吸能力试验中要求测量泵的入口压力。图35．2－9(b)所示为其国标图形符号。
图35．2－9 压力表符号图
(a)普通压力表；(b)真空表；(c)电接点压力表
电接点压力表是一种由压力值来控制触点开闭的压力表。它的指针带动一个“动”触点，该触点随着指针移动。另外还有两个“静”触点，它们的位置由人工调定，一个作为上限触点，一个作为下限触点。上、下限触点之间就是压力的控制范围。当压力在下限值以下时，动触点始终与下限触点相接触，使外电路接通；一旦压力值进入控制范围内时，动触点与下限触点断开而处于“浮动”状态。当压力值升高到上限值或超出控制范围时，动触点就始终与上限触点接触，使另一外电路接通。图35．2－9(c)所示为其国标图形符号及工作原理图。这种压力表通常用在由压力控制的电气线路如超压保护系统中作为敏感元件。其作用与压力继电器的作用类似。而电接点压力表因为有指针和刻度盘，可以更方便地了解压力的控制情况。
B压力测量仪表的选择和使用
(A)根据试验大纲规定的测试方法和精度要求来选择合适的测压仪表。若为一般性的静态测量和指示性测量，采用弹簧管式压力表。
(B)仪表测量范围的选择原则是：若采用弹簧管式压力表进行静态压力测量或压力波动较小时，测量范围可为压力表满量程的1／3～2／3。不要超量程使用。
(C)若要求测量动态压力，则要预先估计压力信号的波形和最高变化频率，以便选择具有比此频率大5～10倍以上固有频率的压力传感器或测量系统。此外，还应照顾到与之配套使用的测试仪器的最高工作频率范围。另外，压力传感器的正确安装和使用也是准确、可靠测量的一个极为重要的保证。因为测压或传压管道和容腔本身就是一个谐振系统，且具有较低的固有频率。当被测压力的变化频率接近或等于管道系统的固有频率时就会发生谐振现象，导致传感器输出的测量结果附加上较大的误差，达到难以置信的程度。虽然所选压力传感器本身固有频率很高，而它所测出的却是管道系统谐振时的压力值。可见由于安装和管道的影响，使它测不到真正的该测的压力值，此种现象称之为“容腔效应”。
一般常见的压力传感器安装时的结构都是带有小容腔的测压管道，如图35．2－10所示。这种管道系统的固有频率可按下式计算：
图35．2－10 “容腔效应”原理图
式中 c为声速，Vt为管道内部容积
d为管道内径；L为管道长度；V为容腔体积。可导出
由此式可见，管道内径d、长度L和容积V是对管道系统固有频率fn有直接影响的三个结构参数。为了提高固有频率以减小它对动态压力测量的影响，可采取的相应措施有：
·尽量缩短测压管道的长度L。在安装压力传感器时，力求作到使其前端测压平面与管道内壁齐平，使它直接靠近测压点处，L达到最短程度。国标有特殊规定者除外。
·尽量缩小压力传感器前的小容腔体积V。上述齐平安装也是减小V的有效措施。
·在不影响测量的前提下，可适当增加测压管道内径。
若压力传感器按如图35．2－11所示的直管式安装，则管道系统的固有频率可按下式计算：
图35．2－11 直管式安装图
1－测压管；2－接头；3－压力传感器
可见管道内径d在公式中并不出现。实际上测压管道太细，由于液体的粘滞性会使吸收效应增大，使压力波的衰减就越显着，这对测量的真实性也是不利的。
图35．2－12所示为常见的压力传感器的两种安装方式。
图35．2－12 压力传感器安装示意图
(D)压力波动往往会造成直读式压力表指针的振动。一方面会使读数困难；另方面由于传动机构来回振摆易造成压力表中机件的损坏。为此常在压力表前安装阻尼装置，图35．2－13所示为几种常见的阻尼器的示意图。
图35．2－13 压力表的阻尼方式原理图
在压力表的外壳中充满阻尼油液，也可使指针得到阻尼。
(E)压力仪表的标定和校准。对压力传感器的静态标定工作就是借助于标准压力发生器，人为地对被标定的传感器施加一个已知的标准压力，测出其相应的输出量，然后找出它们之间的对应关系来。静态标定时要求的标准压力发生器(压力表检验泵或称活塞式压力计)如图35．2－14所示。
图35．2－14 压力表静态标定原理图
1－被校表；2－标准表；3－砝码；4－贮油杯；5－压力泵
对于一般具有指针、刻度盘和精度等级的压力仪表，进行这样一整套的标定工作叫校准。精度较低档的压力表可用高档级的压力表(标准表)或检验泵来校验它。如果其示值与标准值比较，误差处在规定的精度范围内，就认为被校表是合格的。
压力表检验泵的精度等级一般分为三级：一级为±0．02%；二级为±0．05%；三级为±0．2%。它们都要求在周围环境温度为20°±3℃、相对湿度不大于80%的条件下工作。
为了测量动态压力，必须进行动态标定，目的在于找出被标传感器的频率响应特性(或固有频率)，或阶跃响应特性。为此就要求采用动态压力信号发生器。目前使用的有正弦压力信号发生器、快速开放装置、落球法和激波管法等动态标定方法。
(2)转速(n)
转速指的是在试验中要求测量的，具有旋转运动的试验对象(如液压泵轴、液压马达轴或壳体等)，在单位时间内旋转的圈数。转速又称为旋转频率。有平均转速和瞬时转速之分。在法定计量单位制中转速的单位规定为s－1和r／min。
1r／min=(1／60)s－1
转速的测量仪表及方法：
A．测速发电机
常用的多为直流测速发电机，它又分为永磁式和他激式；还有高速、低速之分。它是根据在激磁条件一定的情况下，其输出电压与它的轴转速成比例关系的原理来测速的。对于直流测速发电机而言，在测量的每一瞬间，其输出电压UT都与轴的瞬时角速度ω或转速n成比例，极性与轴的旋转方向对应。
式中：θ为轴转角(rad)；ω为轴的角速度(rad／s)；n为轴转速(r／min)；KT、Kr为比例系数。
此关系式只有当测速发电机输出端开路(即负载电阻R=∞)时才成立
UT=KTω=ET
式中ET是它的电势。当有负载时，必然有电枢电流产生，因而在电枢电阻Rs上要产生电压降，此时电枢电势ET=UT+LRs，故
UT=ET－IRs
可见随着负载电阻的减小，UT与轴转速之间非线性关系将愈严重。所以使用时，必须使负载电阻尽可能大些。图35．2－15所示为测速发电机在各种负载下的输出特性曲线
图35．2－15 测速发电机特性曲线
当转速小于300r／min以下的测量，应选用测低速的直流高灵敏度测速机。
国产高速测速发电机有博山电机厂生产的ZCF系列他激式直流测速机；低速测速机有北京微电机厂生产的CYD系列直流高灵敏度测速发电机。
B．磁电感应式转速传感器
图35．2－16所示为此传感器的结构示意图。它主要由永久磁铁、极靴和线圈所组成。其测速原理如图35．2－17所示。在被测轴上安装一个带齿的圆盘或小模数齿轮，它们均由强导磁材料制成。一般齿数为60或6的倍数。将传感器极靴对准齿顶安装，中间留有小于2mm的间隙。因为间隙小、磁阻小，则磁通强；当被测轴带动圆盘旋转时，每转过一个齿，磁通变化一次，在线圈中就要产生感应电势，输出端就呈现出电压幅值的变化，而变化的频率是与被测转速成比例的。这样就将非电量的转速n转换成为电信号的频率f了。然后通过频率计进行转速测量。
图35．2－16 转速传感器结构示意图
1－极靴；2－骨架；3－线圈；4－永久磁铁；5－浇注填充材料；6－接线插头
图35．2－17 转速测量原理图
1－转速传感器；2－齿盘；3－频率计
传感器的输出信号由于波形不规范，在进行测频之前需要经过整形线路处理后变成规矩的方波，再经过微分和削波线路变成脉冲电压信号，此信号频率与原信号频率是一致的。若能测出信号频率f，就相当于测出转速n了。
式中：t为测量时间(s)；z为圆盘齿数；N为在测量时间t内传感器输出的电压脉冲数。
在选择的测量时间t内，计数信号脉冲数的工作是由数字式频率计来完成的。图35．2－18所示为其工作原理框图。
图35．2－18 频率计工作原理框图
1－整形放大器；2－主门电路；3－十进制计数译码、显示器；4－石英晶体振荡器；5－时基分频器；6－门控电路
根据转速测量的工作原理可知，只要使选择的测量时间t和齿盘齿数z满足tz=60时，此时数码管显示的数字即为所测转速，单位为r／min。测速齿盘齿数z=30，60，120。那么相应的测量时间t=2，1，0．5(s)。图35．2－19所示为采用频率计测转速时的波形变化图。
图35．2－19 频率计测速时的波形变化图
1－输入信号；2－整形后信号；3－削波后信号；4－时基输出；5－门控信号；6－计数脉冲
此种测转速的方法只能分辨一个脉冲。即一个脉冲代表的转速为分辨力。可见在测量时间里通过的脉冲数N越大，它的分辨力越强。故可以通过增加齿数z来提高分辨力。当然齿数增加是要受到结构限制的。另外其输出电压幅值与磁通变化速率有关，故此法只适宜于测量较高的转速。
此测量方法的误差主要由两部分组成：一是石英晶体振荡器产生的标准频率信号的稳定度和误差。其稳定度是很高的，约为10－5～10－4／日。另一是数字仪表的计数误差。这是由于输入脉冲与门控信号在开始计数与终止计数时不同步而出现的其值±1个数字。它与计数容量无关。
C．光电反射式转速传感器
图35．2－20所示为其测转速的工作原理图。
图35．2－20 光电反射式转速传感器原理图
1，2，3－透镜；4－光源；5－被测对象；6－光敏管；7－半透明膜
被测轴上带一个圆盘，圆盘外侧面上分布有等宽度、黑白相间的条纹。传感器中点光源的光通过透镜1变成平行光，经半透明膜的反射，再经过透镜2聚焦到圆盘外侧面上。若光点照射到白条上，就反射回来，通过透镜2变为平行光，再穿过半透明膜，经透镜3聚焦到光敏管上，产生一个电压信号。因此当每转过一根白条，则照射到光敏管上的光增强一次。当圆盘连续旋转时，光敏管则输出近似于正弦的电压信号。将此信号输往数字式频率计就可测量和显示转速值了。
综上所述，磁电式和光电式转速传感器与频率计配合测转速的最大优点是可以进行无接触测量，并可以直接数字显示和打印输出测量结果，自动化适应性强、精度高。
D．霍尔式转速传感器
由于磁电式传感器在测较低转速时，磁通变化速率慢，因而线圈中产生的感应电压较低，可能出现“丢转速”的现象，测量值不可靠。而霍尔式转速传感器是一种磁型传感器。它由霍尔元件、永久磁铁和直流恒流源组成。霍尔元件为敏感元件。根据前面压力测量中叙述过的霍尔效应，可知：
EH=KIB
只要使通过霍尔片的电流I保持常量，改变磁感应强度B，则输出的霍尔电势将随之呈线性变化。图35．2－21所示为其工作原理图。
图35．2－21 霍尔式转速传感器测速原理图
1－传感器；2－测速齿盘
将霍尔片对准测速齿盘安装，当对准齿顶时，磁阻小，磁通强；对准齿间时，磁阻大，磁通弱。磁通变化即B值改变，若由恒流源给霍尔片供电，I为常量，则此时输出霍尔电势EH将随B值而变。由于磁阻改变只随气隙变化而变化，与被测转速无关。即霍尔电势的变化频率与被测转速成正比，而其幅值与转速高低无关。所以这种传感器可以测量由极低到极高的转速范围。当然测速齿盘还应由强导磁材料制成。
当测转速时，被测轴带齿盘连续旋转，由霍尔元件上取出的霍尔电势，经整形、放大、微分和削波等处理后，由频率计即可显示测量结果。此种传感器体积小、重量轻、测量范围大。但对温度变化较敏感。
常用的MP一981型霍尔式转速传感器技术数据为：
表35．2－1
(3)流量(q)
油液的流量是指在单位时间内流过某处(如管道中某截面处、滑阀的节流口处等)的油液的体积、重量、质量。它们分别称为体积流量qv(容积流量)、重量流量qω、质量流量qm。
流量的测量仪表及方法：
A．重量流量的测量方法
如图35．2～22所示，将量筒置于具有一定精度的磅秤上，先挂上一定重量的砝码。当往量筒中放油时开始计时，秤杆平衡时停止计时，这样所测得的是在一定时间t内流入量筒中油液的重量ω，故
qω=ω／t
可见此为一平均值，不能反映流量的瞬间变化。此方法的测量误差主要取决于秤的精度和计时器的精度。可以通过电磁阀来控制通油时间，然后称出油的重量，求平均的重量流量；也可以采用光电转换原理，利用秤杆的抬起切断光源来产生脉冲信号，以启动或停止电子计时器。总的来说，此方法操作简单、容易，并具有一定的精度。但不能测流量的瞬时值，所以此方法适宜于测量静态稳定流量值。通过精确标定后，可用于校准其它流量计。
图35．2－22 重量流量测量原理图
B．体积流量的测量仪表及方法
(A)量筒－秒表法
只要将量筒的刻度经过精确标定之后，用秒表重复测量，然后取平均值，得到对应流满一定体积的油液所需的时间，计算后求出平均体积流量值。测量过程中油液中若悬浮有气泡，将影响体积流量的测量精度，因此应避免产生气泡。而在测重量流量时，气泡产生的影响可忽略不计。量筒－秒表法简单易行，所得结果还是具有一定精度的。特别在测量小流量时，取较长一点的时间间隔，可以得到误差较小的结果。也可以利用液面的升降与光电转换系统配合来控制电秒表的通断计时来实现流量测量。
(B)浮子式流量计
图35．2－23所示为其工作原理图。它主要是由一根垂直放置的锥形管与放在管内的浮子所构成。锥形管是大端朝上，小端朝下安装。浮子的最大外径小于锥形管的内径，因此浮子可在管内沿轴线方向自由移动。其工作原理是根据节流公式：
图35．2－23 浮子流量计工作原理图
当有油液自下而上通过由于锥管内径与浮子最大外径之间所形成的缝隙时，浮子的重力和管道缝隙的节流阻力，造成浮子上、下的压力差△p=p2－p1。此压差乘以浮子的最大截面积Af，即为作用于浮子下面，使它上升的浮力。在此力作用下，浮子上升；同时它与锥管之间的缝隙面积增大，阻力减小，直到当浮力等于浮子浸在油液中的重力时停止上升，达到平衡位置。
此种流量计由其工作原理可知，是属于变截面、等压差流量计。由于其结构简单、工作可靠，压力损失恒定，在工厂和一般要求的试验中得到较为广泛的应用。它的缺点是对污染较敏感、性能参数受油液种类、粘度、温度等因素影响较大，并且不能应用于高压下和动态流量测量。另外每台流量计必须单独标定，精度一般为1．5～2．5级。
(C)涡轮流量传感器
图35．2－24所示为其结构装配原理图。它的主要零件有涡轮组件、导流架(或称支撑架)、壳体和磁电式传感器等。涡轮由导磁材料制成，其表面有几片涡轮叶片，它由轴承支承在导流架上，且处于通油管的中央，使它的轴线与管道轴线一致。当有油液流过时，由于具有一定的流速和动能，就要推动涡轮旋转。其旋转的速度和方向取决于流速和叶片的倾角方向。所以一般的涡轮流量传感器只能接受单方向流动的油液。因为流速是与通过它的流量成正比的。只要能测出涡轮的转速就可知流量的大小。传感器的壳体是由非导磁的或导磁率较低的材料制成，如铝合金、不锈钢等材料。其上安装有磁电式转速传感器，它是对准涡轮叶片的，可将涡轮的转速变成近似正弦的电压信号的频率f：
式中：f为传感器输出信号的频率(Hz或c／s)；ζ为仪表常数。
图35．2－24 涡轮流量传感器结构原理图
1－壳体；2－涡轮；3－转速传感器；4一导流架
所谓仪表常数就是当通过传感器一升油液时，对应输出多少个电压脉冲数。每只传感器出厂前，都要在常温下用水单独进行标定；并将测出的仪表常数附在说明书上。当被测流量的油液粘度在5×10－6m2／s(5cSt)以下，并在常温下使用时，ζ值可不必重新标定。而在大多数的液压试验中，既不是低粘度油液，又不是在常温下，为了准确测量流量，不能援引生产厂提供的仪表常数，而是要在试验现场进行标定或在标定装置上根据具体的使用条件重新标定出仪表常数。
由它的工作原理可知，利用这种传感器还可以测量流过传感器油液的总体积V
V=N／ζ (L)
式中：N为传感器输出的脉冲数。
因为ζ=N／V=60f／qv，从使用角度看，要求在使用过程中ζ始终应保持常数，实际上并不能作到这点，必须充分考虑如油温、粘度、安装方式等对ζ的影响，从而减小测量误差。只有当涡轮上的阻力矩为零时，才是ζ值保持常数的理想条件。图35．2－25所示特性1为水平线，是理想特性。而实际特性2，当通过的流量小时，与理想特性差距较大。因为涡轮上的阻力矩是客观存在的，它来自轴承的摩擦，涡轮在粘性液体中运动时要受到粘性阻力等。实际的阻力矩导致流量增长速率与涡轮转速增长的速率不一致。特别是在小流量通过的情况下，ζ值很小。由于流速小、动能小，驱动涡轮旋转的主动力矩小，相对来说涡轮上的阻力矩就不可忽略了；另外对于高粘度的液体，涡轮旋转需要克服的粘性阻力矩就大了。图中特性曲线2是对于某一种工作油液、在一定的温度和安装方式下获得的。由曲线可见，只有当通过的流量较大时，流速大、动能大，这时驱动涡轮旋转的主动力矩比阻力矩大得多时，ζ值才趋于不变。一般在雷诺数Re小于临界值的区域内，ζ值变化大，传感器不能正常工作。所以要确定一种涡轮流量传感器的工作范围，一定要在ζ值不变的区域。因此在实际使用时，为了保证测量的准确性，应尽量在靠近量程上限范围内使用。另外还需注意传感器进、出口管道的安装，要求前后均有一段平直管道。上游管道平直段的长度为10～20d；下游为5d，d为管道内径。在出口管中要求有一定的背压，以防止气穴的产生。
图35．2－25 仪表常数ζ－流量q关系曲线
此种流量传感器具有体积小、重量轻、使用方便等优点；在测量低粘度、大流量油液时精度好，也具有一定的动态响应。但它一般只用于测量稳定流量。它的缺点是仪表常数标定不方便，且随介质种类和油温而变。其量程范围较窄，一般为10∶1，所以当流量变化范围较宽时，需要转换不同规格的多个传感器，使用就比较麻烦了。
(D)椭圆齿轮式流量计
图35．2－26所示为其工作原理图。它主要由一对密封在壳体内的椭圆齿轮组成。在进、出油口之间的压力差的作用下，推动椭圆齿轮旋转。(a)图所示的状态时，齿轮1由于油压产生的作用力对其轴而言是平衡的，即推动它的外力矩为零；而在齿轮2上，由于p1所产生的力对其轴的力矩比p2所产生的反方向力矩要大，因此在这差值力矩作用下，推动齿轮2按顺时针方向旋转，从而也就带动齿轮1按反时针方向旋转，此时齿轮2为主动轮。然后随着齿轮的转动变为(b)图状态，在旋转过程中作用在齿轮2上的外力矩逐渐减小，而齿轮1上的外力矩逐渐增加，直到(c)图状态为止。此时齿轮1上的外力矩增到最大，而齿轮2上由于油压的平衡而导致外力矩为零，这样就形成与(a)图完全相反的状态，齿轮1变为主动轮了。因此只要有压力差存在，这种状态就会交替发生，这对齿轮也就一直不停地旋转。由图可见，随着主动轮的旋转，就会将它与壳体之间形成的月牙形封闭腔(Ⅰ、Ⅱ)内的油液由进口输送到出口排出。齿轮每转一圈，它与壳体之间形成两次月牙腔。故这对齿轮啮合转一圈排出的油液体积等于四倍的月牙腔体积，这就是它的排量。所以只要直接测量齿轮轴的转数和转速就可知通过它的油液体积和流量了。
图35．2－26 椭圆齿轮流量计工作原理图
通常椭圆齿轮式流量计是由其轮轴通过减速器而带动指针和机械记数器，以显示流过它的油液总体积。也可使其轮轴带动测速发电机，以获得与转速成正比的电压信号；还可以带动轻质齿盘等，与光电式或磁电式转速传感器配合获得与转速成正比的脉冲频率信号。由于椭圆齿轮啮合转动时具有的摩擦、惯性、间隙等因素，决定了它只适合于测量稳定的流量。另外它是依靠进、出口之间压差来工作的，必然在齿轮与壳体之间的间隙处有油液泄漏，这部分油液并未通过计量月牙腔而输出，引起测量误差。当测量低粘度、小流量油液时，或测量大流量且压差大时，泄漏都比较严重。为了消除此误差，只有在试验的具体条件下进行精确标定。国产的SLC型伺服流量计，解决了用椭圆齿轮式流量计测低粘度和小流量油液的问题。其原理是通过检测进、出口压力差，在齿轮轴上施加相应的补偿力矩，使压力差保持为最小值。
(E)齿轮式流量传感器
这种传感器的主要部分就是一台齿轮式液压马达，只不过它把两齿轮封闭在壳体中，没有轮轴外伸。在油液的压力作用下推动两齿轮啮合旋转，而每转一圈所需要供给它的油液的体积VM即是它的排量。VM是可以通过精确标定而获得的。因此只要能测出齿轮的转速就可知通过它的流量值了。
qv=VMn
如果在壳体一侧对准一个齿轮的轮齿部分安装一只磁电式转速传感器或压力传感器，就可将齿轮的转速转变成输出信号的频率了。最后通过二次仪表的处理可由液晶显示屏显示出具有所需单位的流量值；还可以输出模拟量的电压信号和数字量的BCD信号。图35．2－27所示为其结构原理图。由于它的所有零件是通过精密加工和装配的。故这种传感器在工作过程中压力损失较小；可以测量正、反向流量，且具有一定的动态响应能力。
35．2－27 齿轮式流量传感器工作原理图
1－壳体；2－传感器
(F)用液压缸测量静态和动态流量
因为液压缸本身的特性决定了它的输出速度v是与外部输给它的流量qv成正比的
qv=Av
式中：A为油缸活塞的有效面积。一般作为测流量用的液压缸是双作用式双杆液压缸。对它的要求是：启动压力要小。这意味着运动副的摩擦要小，运动要灵活、轻便、平稳；容积效率要高，即内部漏损要小；运动部分的惯性要小、固有频率要高等。所以应根据具体情况，使用场合，侧重保证上述要求中对测试结果影响较大的要求。对于无载条件下静态流量用的液压缸，主要是保证启动压力小的要求。为了使运动副之间的摩擦减至最小，在活塞与缸体之间、活塞杆与端盖之间不放密封圈，靠提高加工精度和装配精度来达到“间隙密封”。另外为了既保证摩擦小，又能使漏损小这两条要求，可采用“包氟O型”橡胶密封圈，其密封作用仍是靠橡胶的弹性，而减摩性却是靠氟塑料膜层。对于在高压下静态流量测量而言，主要考虑的是容积效率要高、内部漏损小；启动压力的要求就属于次要的了。
若采用液压缸来测量动态流量时，除了要保证上述无载措施外，对活塞的有效面积、两腔的容积、与液压缸相连的管道直径和长度、运动部分的质量等因素都需要仔细慎重考虑和匹配，因为它们将直接影响液压缸的固有频率和使用范围。这种“无载液压缸”常用在电液伺服阀的频率特性试验中。
根据上述测流量原理，当然旋转式液压马达同样也可用于流量测量。
式中：qv为被测流量；VM为液压马达排量。
只要能测出液压马达轴的转速n；并精确标定出排量VM就可知流量了。液压马达作为流量计时只能测量静态流量。但它可作到正反向测量，测量范围宽、使用方便。若使其轴带动测速发电机就可得到转速的模拟量输出信号。这种测体积流量的方法已经在国内很多研究单位和工厂使用。实践证明，只要液压马达本身质量满足要求，配合采用较先进的测速装置，可以达到较高精度的自动记录数据和数字显示的测量结果。
C．流量计的标定
因为流量测量仪表的精度和量程直接受到工作油液的种类、油温、粘度等因素的影响。而一般流量计生产厂只提供流量计在常温下用水作介质时标定的特性曲线或仪表常数。这些数据在实际液压试验中使用价值不大，因而要求按实际使用条件重新进行标定，或在使用现场标定。下面介绍几种简易的静态标定方法：
(A)静态重量标定系统
图35．2－28所示为此种标定系统的工作原理图。要求它能精确测量出通过被标流量计的重量流量，然后换算成体积流量，再与被标流量计的显示值进行比较，以确定被标定流量计的精度或仪表常数。
图35．2－28 静态重量标定系统原理图
1－称重油箱；2－台秤；3－分配器；4－放油阀；5－油池；6－电磁铁；7－温度计；8－流量控制阀；9－压力表；10－被标流量计二次仪表；11－被标流量计；12－液流校直器；13－电子计时器；14－光电开关
将物理性能已知，且温度一定的干净油液先经过液流校直器12，变成稳定的流束进入被标定的流量计11。流量大小的选择由油源或流量控制阀8控制。当不标定时，分配器3使油液直接流回油池。预先在秤杆上挂一定重量的砝码，它等于称重油箱1，放油阀4及管道、油箱底部规定的预置容积的油液重量之和。由于挂上了砝码，秤杆靠在下限位块上。一旦给电磁铁6通电时，分配器转至对准油箱1的进口，当油液达到预置的重量时，秤杆抬起，切断光电开关的光源，光电开关发出信号，启动电子计时器计时。然后立即在砝码盘上再加上与要求测定的容积油液的重量相应的砝码，秤杆仍落下靠于下限位块上。当流入的油液重量达到所加砝码重量时，秤杆再次抬起，第二次切断光源，光电开关发出信号停止计时；同时也使电磁铁6断电，分配器恢复原位。这样就测出了流入一定重量的油液所需的时间间隔，就可计算出此段时间内的平均重量流量。将它与标定温度下油液的重度γ相除所得的商就是对应的体积流量。
(B)体积－时间标定系统
图35．2－29所示为此系统工作原理图。供油油箱内有一活塞、活塞下充满已知物理性能，一定温度的油液；活塞上为压力恒定的气体。在往外供油的过程中，油箱上腔压力p始终保持常值。S1和S2是两只液位信号发生器，它们位置之间的油箱容积是事先经过精确标定的。在标定流量计时，从油箱中流出的油液经液流校直器3、被标定流量计4和流量控制阀6后回油池。流量大小由阀6调节。当油箱中液面下降到S1时，它发出信号使计时器8启动开始计时；液面下降到S2时，发出信号停止计时。这样就测得了流出已知体积油液所需的时间间隔，也就得出了对应的平均体积流量。将它与被标定流量计的二次仪表显示值比较，以确定被标定流量计的精度和仪表常数。
图35．2－29 体积－时间标定系统原理图
1－供油油箱；2－温度计；3－液流校直器；4－被标流量计；5－压力表；6－流量控制阀；7－二次仪表；8－电子计时器
(C)流量计的现场标定和校准系统
图35．2－30所示为此系统工作原理图。
图35．2－30 现场标定系统原理图
1－被标定流量计；2－二次仪表；3－标定器；4－电子计时器；5－A、B、C、D、E为截止阀
它也是根据容积法测流量的原理工作的。标定器3是由一段直管和管内活塞所组成。活塞由通过被标定流量计1的油液所驱动。在S1和S2两位置信号发生器之间的直管内容积是经过精确标定的，只要活塞经过此位置时就发出一个电信号，利用此电信号去控制电子计时器4的启动和停止，以获得活塞通过这段管道的平均速度，也就对应着平均体积流量。将它与被标定流量计二次仪表显示值进行比较，就可确定在使用现场条件下流量计的精度和仪表常数。
根据油路图可知，它是双向都可进行标定的，只不过要取决于A、B、C、D、E五个截止阀的开闭状态。各阀的开闭状态和活塞运动方向见表35．2－2。E阀开启将标定系统“短路”，油液从被标定流量计流出后，不进入标定系统而直接经E阀去工作系统。当各阀门调整好以后，再关闭E阀，使系统投入工作。当活塞左行或右行结束时，一定要自动将E阀打开，否则油路堵死，系统压力升高。
表35．2－2 阀的开闭状态和活塞运动方向
这种标定系统可以直接并联安装在有流量计的工作系统管路中，以便进行现场标定，不需要将被标定流量计从安装处卸下来。这对于流量计的合理使用提供了有利的条件。
(4)转矩(T)
转矩是指作用在轴上的力与其作用线到轴中心的距离的矢量积的总和，如图35．2－31所示。若以顺时针为矢量的正方向，则转矩的表达式为：
T=F1r1－F2r2－F3r3
图35．2－31 转矩形成图
转矩的单位由力和长度单位的积来表示。法定单位制规定为N·m。
在液压试验中，一些动力轴上功率的传递是在一定转速下，通过所受的转矩来传递的。一般是将传递的转矩和转速同时测量，此两参数可作为功率测量的直接测量参数；所测出的转矩值也可用于计算液压机械的机械效率等。
转矩的测量仪表及测量方法：
转矩测量仪表按其工作原理可分为两大类：一类是根据牛顿第三定律，作用力与反作用力相等的原理设计的；另一类是利用扭力轴受扭后要产生一个变形扭转角的原理设计的，直接测量此扭转角的大小来衡量所传递的转矩大小。
A．反作用转矩测量法
此法是根据作用转矩与反作用转矩相等的原理工作的。利用测量已知长度的力臂端部上的力来实现的。如摩擦测功器、平衡电机、磁粉加载器等都是通过外壳上的杠杆将转矩转换成杆端的力来测量的。
B．数字相位差式转矩仪
它是属于通过测量扭力轴的变形扭转角来测量转矩的方法。扭力轴的设计原理如图35．2－32所示。
图35．2－32 扭力轴结构示意图
当扭力轴受扭后，一端相对于另一端就会产生一个扭转变形角θ。根据工程力学原理可知
式中L为扭力轴长度(m)；D为扭力轴直径(m)；T为外加转矩(N·m)；G为轴材料的剪切弹性模数。
由此式可见，只要轴受扭在材料的弹性极限以内，扭转角θ与外加转矩T是成正比的。所以θ的大小就可以直接代表扭转的大小。若能通过采用各种传感器将此扭转角θ转换成其它的物理量，如相位差、位移、电感、电容、光点位移等并加以测量和显示，就是一套完整的转矩测量仪。
数字相位差式转矩仪由磁电式转矩传感器和数字式相位差计(二次仪表)两部分组成。图35．2－33所示为其工作原理简图。在扭力轴两端各安装有一个测速齿轮，它们之间的安装位置保证两齿轮相互对准。每个齿轮外侧都安装有一只磁电式转速传感器。扭力轴在动力源带动下旋转；在两转速传感器中分别产生近似正弦的电压信号S1和S2。当扭力轴不受扭时，两信号是同相位的，它们之间无相位差角。若扭力轴受扭以后，产生扭转变形角θ，即引起两齿轮之间相对位置错移，因而使两输出信号S1和S2之间形成一个相位差△α。此相位差△α与扭转角θ成比例，而θ又与扭力轴所受转矩T成比例。这样就把被测量转矩转换成两信号的相位差了。故与此转矩传感器相配的二次仪表就是相位差计。
图35．2－33 数字相位差式转矩仪原理简图
1－动力源；2－扭力轴；3－负载装置；4－数字式相位差计
图35．2－34 所示为磁电式转矩传感器的结构原理图，在扭力轴9两端各装一外齿轮7，而与之相对的两个内齿轮6与永久磁铁5安装在转子2上。转子可由固定在壳体1上的驱动电动机3通过皮带带动旋转。不论是轴旋转、转子旋转，还是两者同时反向旋转均可使轴与转子之间产生相对的旋转运动。这样就使内、外齿轮的齿之间的相对位置发生变化，时而齿顶相对，时而齿顶与齿间相对。由于内、外齿轮之间的间隙正是磁路的气隙部分，齿顶相对时气隙小、磁阻小、磁通强；齿顶对齿间时气隙大、磁阻大、磁通弱。当内、外齿轮有相对运动时，磁通周期变化，在感测线圈8中就要感应出近似正弦的电压信号。此原理与前面叙述过的转速测量原理是一样的。可见为了测量转矩值，只要将此两信号输往相位差计，测出相应的相位差值即可。为了在测扭矩的同时测出轴的转速值，就只要将此两信号之一输往频率计即可。
图35．2－34 磁电式转矩传感器结构原理图
1－外壳；2－转子；3－驱动电动机；4－皮带轮；5－永久磁铁；6－内齿轮；7－外齿轮；8－线圈；9－扭力轴
这种传感器的工作原理决定了内、外齿轮之间必须存在相对运动，才可能有信号输出。若用于测量静转矩时，扭力轴是不旋转的。为了获得内、外齿轮之间的相对运动，所以使内齿轮所在的转子由一专门设置的附加电动机驱动。其转向应与扭力轴受扭方向相反。另外，前面已叙述过，按上述原理检测到的输出信号的幅值是与磁通变化的速率有关。也就是说在测量低转速下的转矩时，由于输出信号幅值低会带来较大的测量误差。所以在测量低速大转矩马达的特性时就应注意此问题。为此也希望增加内、外齿轮间的相对运动速度。在附加电动机运转的情况下，若仍以输出信号之一为转速信号时，则所测出的转速值为扭力轴转速与附加电动机驱动转子的转速之和。
这种传感器测量准确、使用方便、设计保证在正、反方向受扭都有一倍左右的超载能力。
数字式转矩仪是上述传感器的二次仪表。由传感器将被测转矩转换成两同频率正弦电压信号之间的相位差角△α，所以二次仪表的功能之一就是要测出此相位差角△α的大小，并通过数字显示直接表示出具有规定的单位(如N·m、kgf·m)的转矩值；实际上它起着相位差计的作用。它的另一个功能就是在显示转矩的同时还要测量和显示被测轴的转速，这样它又起着转速计(或频率计)的作用。
图35．2－35所示为它的方块图和信号波形变化图。波形1，2是转矩传感器输出的近似正弦的信号S1和S2。它们之间在扭力轴不受扭时就具有一个固定的原始相位差角α0(180°)；虚线波形表示受扭后具有相位差角为α0+△α的波形。S1和S2信号经过整形、放大、微分、削波等处理后变为脉冲信号，如波形3，4所示，其周期与原信号相同。波形5为门控电路Ⅰ综合后输出的门控信号，其波谷宽度代表着两信号的相位差角α0+△α，也就是把扭力轴受扭后的扭转角变成了波谷宽度，也就是对应着在全周期角2π中的占空比(α0+△α)／2π。此占空比与外加转矩成比例。在门控信号控制下，门电路1开通，让时基脉冲通过。时基脉冲是由标准的时基振荡器产生的，频率为1MHz。波形6为门电路1的输出信号。可见在对应的门控信号的波谷处由时基脉冲所填充，脉冲数与标准时基周期T0(T0=1／1MHz)的积就是门电路开通时间。门电路1的输出信号输往门电路2。而门电路2又受门控电路Ⅱ控制，波形7为门控电路Ⅱ输出的门控信号。所控制的开通时间τ就是测量时间。τ的长短是由转矩仪静态标定来确定的。在τ时间间隔里显示计数窗1的显示值为具有所要求的工程单位的转矩值。为了消除原始相位差α0的影响，设置了门电路3与零点调节修正电路。而门控电路Ⅱ是由“时间系数”调节电路控制的，控制着τ的长短。而τ的确定是要通过静态标定来确定的。波形9即为最后显示的转矩值对应的脉冲数。
图35．2－35 转矩测量仪的原理框图和波形变化图
为了在测量转矩的同时，由显示计数窗口显示轴的转速值，将S2信号经整形放大后的信号由“内接”方式输往转速测量电路。也可由外接转速传感器的信号来测量转速。
这种测转矩方法比较先进，采用数字显示，使用方便；同时可获得数字量(BCD)和模拟量的电压输出信号；自动化适应性强；精度高。
常用的DSTP－5型磁电式转矩传感器的技术数据见表35．2－3。
表35．2－3
DSTP型系列转矩传感器的测量范围由0．49～2942N·m之间分为12级。与此系列传感器配套使用的数字式转矩仪有DTM－407，408型和TS－200型。其中DTM－407型技术数据见表35．2－4。
表35．2－4
C．转矩仪的标定
为了使测量结果准确、可靠，最好定期对转矩传感器及其二次仪表同时进行标定。
(A)单臂杆静态转矩标定器
它是最简单的静态标定器。由一单向悬臂杆和砝码组成。标定时把悬臂杆安装在被标定传感器轴一端上，轴的另一端夹紧不动。在杆端加上标准砝码，即对传感器施加了标准转矩，将此值与显示值进行比较。此方法简单易行。但其标定精度取决于悬臂杆长的测量精度和砝码的精度。其严重的缺点是在给传感器施加静转矩的同时，还给轴端附加一个弯矩。为了消除弯矩的影响，轴必须被很好地支承。
(B)双臂梁静态转矩标定器
图35．2－36所示为双臂梁标定器的结构原理图。双臂梁4的轴支承在两个精密轴承上；砝码3加在梁两端的砝码盘上，砝码盘挂在特设的刀口上。梁的水平度由顶部的水平仪5来衡量。由于砝码所加的力是不能连续调节的，所以增设了一个微调加力器2。砝码到中心的距离为L，微调加力器到中心的距离为l，故施于轴上的转矩T为
T=WL±Fl
式中W为砝码重力；F为微调加力器施加的力。
图35．2－36 双臂梁式静态转矩标定器
此方法也比较简单，其精度除砝码及微调加力器的精度外，主要取决于与双臂梁有关的一些因素：梁臂长度的影响。对于一定量值的转矩而言，可采用短臂和重砝码；也可采用长臂和轻砝码，这与标定器安装位置等有关。而具体臂长的确定，却要根据当地的重力加速度来决定。目的是为了当加上一定整数质量的砝码时，使它的重力与臂长L相乘得到整数的标准转矩值。例如：标准重力加速度为9．8067m／s2，若取L=1．5296m，则当加上25kg质量的砝码时，所加转矩T为
T=25kg×9．8067m／s2×1．5296m=375N·m
若当地重力加速度为9．8155m／s2时，取L=2．547m，则加25kg质量的砝码，所加转矩值T为
T=25kg×9．8155m／s2×2．547m=625N·m
另外还要考虑双臂梁的刚度和抗弯能力。为了提高精度，必须减小支承梁的轴承的摩擦。可采用高精度的滚珠轴承、气浮轴承和液体静压轴承等。
(5)位移(S)
在液压试验中需要测量的位移有直线位移和角位移(即角度)。测量范围很宽，一般直线位移由几微米(μm)直到几米(m)；角度由几秒(″)到360°。它们的单位是：法定计量单位制规定为m(米)、cm(厘米)、mm(毫米)、μm(微米)；rad(弧度)。
1°=(π／180°)rad=60′=3600″
位移的测量仪表及方法：
A．直线位移的测量
(A)光学测量仪测量
采用工具显微镜、带分划板的光学读数管等都可测直线位移和角位移，精度可达0．01mm以上。用入射式光学读数管测位移，精度可达0．001mm。这些都可以作到无接触测量，但只能进行静态测量。
(B)电位计式位移传感器
图35．2－37所示为由两只电位计组成的桥式测量电路。其中一电位计的滑臂由被测对象带动。两滑臂之间的电压大小与位移量成比例，输出电压的极性与运动方向对应。此方法简单易行，还可用于频率不太高的动态测量场合。
图35．2－37 电位计式位移传感器
(C)差动变压器式位移传感器
它是根据电磁感应原理工作的。其结构原理及线路如图35．2－38所示。它由初级线圈、两份差接的次级线圈以及处于线圈中的铁芯组成。铁芯由导磁材料制成，在线圈里可作轴向自由移动。当给初级线圈输入高频的激磁电压时，由于电磁互感作用，在次级线圈中产生同频率的感应电动势。当铁芯处于中立位置(或称零位)时，则在两次级线圈中产生的感应电动势大小相等、相位相反，所以其综合输出电压为零(V0=0)。当铁芯偏离中立位置时，两次级线圈中的感应效果不同，故产生大小不相等的电压，因而在输出端上的综合电压不为零(V0≠0)。其幅值大小与铁芯偏离中立位置的位移量S成比例，相位则取决于移动的方向。图35．2－39所示为其输出电压幅值与位移量的关系。
图35．2－38 差动变压器式位移传感器原理图
1－初级线圈；2－铁芯；3－次线圈
图35．2－39 差动变压器式位移传感器输出特性曲线
根据工业电子学中的调制和解调的概念可知，此为调幅(AM)过程。输入到初级线圈中的高频(如1000Hz)信号为载波信号；由铁芯输入的位移量缓慢变化信号为调制信号；而由此传感器输出的、幅值由位移量控制的高频信号即为调制波，属于调幅波。由于传感器输出的调制波幅值较小，而且还是高频信号，并不是要求的测量结果形式，还必须经过交流放大、相敏整流和滤波等，最后得到放大了的直流缓变信号。这样此传感器就把非电量的位移变化转换成电压变化了，极性代表位移的方向。此过程也就是解调过程。图35．2－40所示为位移测量过程的方块图。
图35．2－40 位移测量的原理框图
1－差动变压器式位移传感器；2－交流放大器；3－解调器
由于这种传感器具有结构简单、灵敏度高、线性好、测量范围宽等优点，故在液压试验中广泛用来作为静、动态直线位移测量用。
常用的位移传感器有CWZ型系列差动变压器式位移传感器。CWZ－0．3型传感器的技术数据见表35．2－5。
表35．2－5
B．角位移的测量
(A)磁电式小角度传感器
它的结构工作原理如图35．2－41所示。在一个由电动机M带动的感测齿轮G的旁边，安装了两个磁电式转速传感器。传感器1固定在外壳上；传感器2则与被测转轴相连。测量时由电动机以一定的转速带着齿轮G旋转。由于两传感器相对于齿轮的位置决定了两输出信号具有一定的初始相位差α0。当由转轴S输入一个小的角位移时，则传感器2也要移动一个同等的角位移，因而导致两信号的相位差增加△α，△α与被测角位移成比例。与前述测转矩的原理一样，将此两输出信号输往相位差计，就可测量和显示角位移的大小。这种传感器的测量范围受到感测齿轮齿数的限制。其最小感测角度可达1／4000度；测量精度为±0．05%。
图35．2－41 磁电式小角度传感器结构原理图
AP型小角度传感器技术数据见表35．2－6。
表35．2－6
(B)旋转变压器(微动同步器)
它也是根据电磁感应原理工作的。图35．2－42所示为其结构原理图及感应线圈中电压波形图。定子上有四个磁极，每个磁极上都绕有一份激磁绕组和一份感应绕组。1、2磁极上激磁绕组绕向相同；3、4磁极上的却与1、2上绕向相反；它们之间是串联的。同样，感应绕组也是这样安排的，只不过与激磁绕组的绕向正好相反。当给激磁绕组供给固定的高频电压U(如1kHz)。若转子(由被测轴带动)处于零位，即对称位置时，它与各极靴之间所形成的气隙都是一样的，因而磁通Φ1、Φ2、Φ3、Φ4全相等，感应绕组中的感应电压E1=E2=E3=E4，而E1、E3与E2、E4相位差180°。由于它们也是串联的，所以总的合成输出电压U0=0，如图中虚线所示。若转子按顺时钟方向转动α角，此时1、3极靴前气隙加大，2、4极靴前气隙减小，因而导致Φ2=Φ4＞Φ1=Φ3，故E1=E3＜E2=E4，此时U0为
U0=E2+E4－(E1+E3)
其频率与激磁电压频率相同，相位与E2、E4相同；其幅值大小与转角α成比例。若转子按逆时针方向转动，则输出电压相位与E1、E3相同。
图35．2－42 旋转变压器原理图
综上所述，与前述差动变压器式位移传感器工作原理一样，旋转变压器式角度传感器的输出电压也是频率与激磁电压(载波信号)的频率相同，幅值(即包络线)是根据转子的转角(被测角度)来控制的，所以也是调幅波。然后经过解调处理就可得到与转角成比例的缓变直流电压信号，极性与转向对应。这种传感器使用方便、反应灵敏，可用于静、动态角位移测量。
(6)直线速度(v)
直线速度指的是单位时间里被测对象沿直线方向运动的距离，其单位为m／s。
直线速度的测量仪表与测量方法：
A．平均速度测量法
测量被测对象通过已知距离L的时间间隔τ，即
v=Lfτ
这是最简单的方法。当然测出来的是平均速度。主要测量的参数为时间间隔τ。τ的测量将在后面的时间间隔的测量中介绍。
B．用低速直流测速发电机测直线速度
用高灵敏度低速直流测速发电机测直线速度的工作原理如图35．2－43所示。若要求测量的是双作用双杆式油缸1活塞左右运动的速度v。通过与油缸杆端连接的细钢丝和滑轮带动低速直流测速发电机2的轴转动。因为测速机的输出电压UT正比于其轴的转速n；而n又正比于油缸活塞的运动速度v，故电压UT就可代表运动速度v，在液压试验中，这套装置是用于测量进入油缸的静态流量的，所以输出电压大小代表着流量的大小；其极性代表着流动的方向。
图35．2－43 用测速发电机测直线速度原理图
1－油缸；2－测速发电机
由于一般直线速度传感器的工作行程都比较短，所以这还是一种测量较长距离范围内运动速度的办法。电压UT的变化还能反映速度的瞬时变化值。但使用此法时必须注意的是：测速机本身质量的优劣；细钢丝传动时由于伸长变形等造成的滑移引起的误差。
C．动圈式直线速度传感器
图35．2－44所示为其结构原理图。被测对象带着可动线圈运动；线圈安放在磁场中，由于它在磁场中作切割磁力线运动，线圈中就要产生感应电动势。电动势Ue的大小与线圈在磁场中运动的速度成正比；其极性与运动方向对应。
Ue=kBNLv
式中：k为比例系数；B为磁感应强度；N为线圈匝数；L为一匝线圈的有效长度。当传感器结构确定以后，上述这些参数均为常数，可见传感器输出电压完全与直线运动速度v成正比关系。
图35．2－44 动圈式速度传感器工作原理图
这种速度传感器由于其结构简单，使用方便，且可用于动态测量，所以得到广泛应用。例如在电液伺服阀的动态试验中，无载油缸的速度就是用它来感测的。
常用的SZQ－2型速度传感器的技术数据见表35．2－7。
表35．2－7
(7)时间间隔(τ)
在液压试验中所需要进行的时间测量一般是指一段时间间隔τ，如转速n和流量q都是通过测量τ时间间隔里的脉冲数来衡量的。动态试验中要求测量的过渡过程时间、时间常数、响应时间等也都是一段时间间隔。τ的测量范围较宽，从小到几微秒(μs)大到数小时。时间的法定计量单位制为s、min、h、d。它们之间的关系为
1d=24h=86400s；
1h=60min=3600s；1s=103ms=106μs
时间间隔τ的测量仪表及测量方法：
A．秒表
秒表的最小刻度为0．1s或0．01s。由于是由人工来启动和停止，其测量误差与人的习惯和熟练程度有关。
B．电秒表
由于它可以通过外部控制线路来实现启动和停止，故使用比较方便。当然其测量精度一方面取决于电秒表本身的精度；另外还要取决于控制线路引入的误差。
图35．2－45所示为EAW型电秒表的结构原理图。它由驱动用的交流恒速电动机、离合器及指针传动系统、离合器的控制继电器J1、停止继电器J2等元件组成。
图35．2－45 EAW型电秒表结构原理图
当给1、2端点通电时，电动机启动旋转。但由于离合器未结合上，指针不动。当给3、5端点通电时，继电器J1的线圈通电，继电器动作使离合器结合上，指针旋转，开始计时。一旦4、5端点与电源接通，J2线圈获电，继电器动作使常闭触点J2断开，．J1线圈断电，离合器脱开，指针停止旋转，计时停止。由刻度盘上直接读出指针开始转动到停止这段时间间隔值。可见它的计时精度虽然主要取决于电动机的恒速程度，但也与交流电源的电压和频率稳定度、继电器和离合器的吸合、释放时间有关。该电秒表刻度盘上最小刻度为0．1s。常用的还有国产405型电秒表，它是携带式、精密短时间间隔的测量仪。其工作原理与上述电秒表相同，测量范围为0．01s～600s；测量误差为±6／1000s；环境温度为20°±10℃。
C．常用的其他方法
(A)电磁式周波积算器或电磁式脉冲计数器
它们都是根据在一定的交流电压下，以50Hz频率为基准来工作的。电压变化一个周期，其可动衔铁摆动一次，推动机械计数装置的指针走一格。故它的最小刻度为1／50s。通电开始计时，断电停止计时。其精度主要是由电源的50Hz频率稳定度所决定。
(B)用数字式计数器测时间间隔
它的工作原理及波形变化如图35．2－46所示。
计时启动脉冲信号S1由A通道输入；计时停止脉冲信号S2由B通道输入，都经过整形、放大后输往门控电路。S1控制主门电路开启，S2控制主门电路关闭。门控信号波谷宽度代表着两信号之间的时间间隔τ。在此信号控制下主门电路开通，允许标准时基脉冲通过，输往计数译码显示器。所显示的标准时基脉冲数K与其本身的周期1／f相乘即为所测时间间隔τ
图35．2－46 数字式计数器测τ的原理框图和波形变化图
(a)：1－石英晶体振荡器；2－时基分频器；3－门电路；4－计数译码器；5－A通道整形放大器；6－门控电路；7－B通道整形放大器
(b)：1－标准时基脉冲；2－启动信号S1；3－停止信号S2；4－门控输出；5－计时结果
由于石英晶体振荡器的频率稳定度很高，故用此方法测量时间间隔是较准确的。具有使用方便、数字显示、便于控制等优点，所以得到较为广泛的应用。
常用的测量时间间隔的仪器有国产E323型数字计数器、413B型数字式毫秒仪等。413B型数字式毫秒仪的技术数据见表35．2－8。
表35．2－8
(8)温度(t)
温度测量和控制温度的变化范围对于工业生产和科学试验都有着重要的作用。在液压试验中要求测量试验过程中的油温，并使它控制在试验规范所要求的范围内；在试验过程中了解被试对象各部分温度的变化也是非常重要的。
温度的单位在法定计量单位制中规定为热力学温度，单位为K(开尔文)。开尔文是水的三相点热力学温度的1／273．16。百分温标就是我国通用的摄氏温标(℃)，它是将水的冰点和沸点之间的温度分为100等分(度)，并规定冰点温度为0℃，沸点为100℃。根据热力学温度可导出
t=T－273．15K
式中：t为摄氏温度；T为热力学温度。
在液压试验中常遇到的温度范围为－70～150℃，所以测量仪表和方法也就只限于在此范围内介绍。
A．玻璃温度计
它是由玻璃毛细管和与之相连的充液玻璃球组成。毛细管上端封闭，由于外部温度变化，引起球内充注液体的体积变化，导致毛细管内液柱的升降。一般充注的液体为水银、酒精等。水银玻璃温度计测温范围由－30～150℃；有机液体玻璃温度计测温范围由－100～150℃。由于这种温度计结构简单、复现性好、可靠和便宜等优点，使它得到广泛应用，缺点是易损坏和精度一般。常用于测量室温、手持测油箱油温等。
B．压力式温度计
它的工作原理如图35．2－47所示。其感测部分为温包，里面充有惰性气体或某些液体(如易挥发的甲苯、乙醚、氯甲烷、氟里昂12、丙酮等)。温包通过毛细管与测压元件(盘簧管、波登管等)相连。当温包感受到外部温度的变化时，根据热胀冷缩原理，内部介质的体积变化，使管内压力变化。通过毛细管传至测压元件，转变成指针的转动以显示温度的变化，所以称为压力式温度计。由于它的毛细管的长度可达20m左右，故它可作为中等距离的温度测量。常用于显示油箱中的油液温度。
图35．2－47 压力式温度计结构原理图
1－毛细管；2－温包
电接点压力式温度计，它具有能通过人工来装定温度的上、下限值的电触点装置。当检测的温度使指针达到下或上限值时，可使外部电路接通，其工作原理如图35．2－48所示。这样就可实现某些控制功能，如温度报警、自动控制油液的加热和冷却等。
图35．2－48 电接点压力式温度计工作原理图
C．热电阻测温法
它是根据金属的电阻值随着温度增高而线性增加的性质来实现对温度的测量的。可见只要把作为测温元件的金属丝加上保护套和接线插头就组成了温度传感器。当外界温度变化时，其阻值发生变化，采用桥式电路就可将电阻值的变化转换为电压或电流值输出，以作为被测温度值的显示。
一般作为热电阻的金属及其测温范围如下：铂(－258～+900℃)、镍(－150～+300℃)、铜(－200～+120℃)。
D．热敏电阻测温法
与金属的性质相反，某些半导体的电阻随着温度增高而降低，而且只要有微小的温度变化就能引起电阻值的变化。其电阻值与温度的变化关系在－60～+400℃范围内完全呈线性。热敏电阻可作成各种形状，并装入探测头中。圆珠型的热敏电阻直径可小至Φ0．4mm。同样通过电桥电路可将电阻值的变化转换成其它电量输出并显示。图35．2－49所示为其工作原理图。
图35．2－49 半导体点温仪工作原理图
图中RT为热敏电阻；R3为起始点温度对应的阻值；R4为满量程对应的阻值。它们担负着校准电桥平衡及供桥电压的任务。R1、R2为电桥平衡电阻，即固定的半桥臂；R5、R7为分压电阻；R6为供桥电压调节电位计；S为转换开关；E为电源电池。当开关由0位转至1位置时，R4接入电桥，调节R6使电表指针偏转至满刻度值。此调节的目的在于消除电池E电压的变化引起的误差。当S转至2位置时就是测量状态，将RT接入电桥。若温度是处于量程起始温度时，此时RT阻值与R3相等，电桥平衡，电表指针不动。随着温度变化，指针偏转；一旦RT=R4时，指针偏转至最大位置，即为温度达到量程的满刻度值了。
此种测温仪的优点在于体积小、灵敏度高、快速响应好(即热惯性小)。但其缺点是稳定性差、感测头不能互换。