深海环境下活塞式压力平衡装置及压力传感器的研究

摘要

对于深海压力探测，必须既能承受和测量深海大压力，又能测量微小的压力变化，这是海洋压力传感器所面临的大测量范围与高灵敏度之间的难题。本文针对这一问题做了以下研究。
　　首先，活塞式压力平衡装置是深海探测设备中平衡深海大压力的重要装置，采用活塞式压力平衡装置能使压力传感器承受大压力。为了分析活塞的爬行现象，提出活塞爬行的物理模型及力学过程，总结活塞爬行的影响因素。基于油液的可压缩性，对影响油液压缩的各种因素进行分析，找出它们与油液压缩体积之间的关系，计算出活塞式压力平衡装置的工作容积。
　　其次，基于液体的可压缩性，推导出活塞式压力平衡装置内部油液体积变化与仪器工作水深以及内外压差之间的关系式，并给出内外压差的计算方法。对活塞式压力平衡装置进行静动态力学分析，推导出活塞的爬行现象与O型圈截面直径、预压缩率、摩擦系数、活塞质量等之间的关系，并通过设计正交试验找出其最优组合，总结了活塞式压力平衡装置结构的设计原则。
　　然后，分析敏感膜片在压力作用下的应力应变，结合应变效应设计能够测量微小压力变化的敏感膜片。通过在压力传感器上设置敏感膜片来解决测量微小压力变化的问题。
　　最后，将活塞式压力平衡装置和敏感膜片组合起来，提出一种深海活塞式压力传感器的结构设计，阐述其工作原理和结构特点。对压力传感器进行动态分析，得出压力传感器不仅能对海水大压力进行测量而且还能测量海水微小压力变化，并提出压力传感器标定的方法。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 海洋压力测量研究现状

1．3 水下压力平衡方法的研究现状

1．4 活塞式压力平衡装置

1．4．1 活塞式压力平衡装置的原理简介

1．4．2 活塞爬行现象的研究现状

1．5 课题来源及主要研究内容

第二章 活塞爬行力学过程及压力平衡装置研究

2．1 引言

2．2 摩擦的理论基础和数学模型

2．2．1 摩擦的理论基础

2．2．2 摩擦的数学模型

2．3 活塞爬行现象研究

2．3．1 爬行现象的物理模型

2．3．2 活塞爬行的力学过程

2．3．3 活塞爬行的影响因素

2．4 压力平衡装置工作容积的确定

2．5 压力平衡装置泄漏量分析

2．6 本章小结

第三章 活塞式压力平衡装置力学建模与仿真

3．1 引言

3．2 压力平衡装置静态工作特性

3．2．1 静态力学模型的建立

3．2．2 起动压差分析

3．3 压力平衡装置动态工作特性

3．3．1 动态力学模型的建立

3．3．2 活塞爬行现象与各工况参数的关系

3．4 正交试验

3．4．1 正交试验设计

3．4．2 试验结果分析

3．5 活塞式压力平衡装置设计原则

3．6 本章小结

第四章 深海活塞式压力传感器敏感膜片的设计

4．1 引言

4．2 承受均布载荷膜片的应力分析

4．2．1 承受均布垂直载荷的极薄膜片

4．2．2 承受均匀垂直载荷有限厚度的薄膜受力分析

4．3 敏感膜片的设计

4．3．1 应变效应简介

4．3．2 敏感膜片上应变片布置

4．3．3 电压与应变的关系

4．4 本章小结

第五章 深海活塞式压力传感器的设计

5．1 引言

5．2 压力传感器的设计

5．2．1 压力传感器的结构

5．2．2 压力传感器的原理

5．2．3 压力传感器的动态分析

5．2．4 压力传感器的优点

5．3 含气量对油液体积弹性模量的影响

5．4 压力传感器的标定

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况