測(cè)試技術(shù)課件：CH 9 力、扭矩、壓力的測(cè)量

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1、第第9 9章章 力、扭矩、壓力的測(cè)量力、扭矩、壓力的測(cè)量Measurement of Force, Torque and Pressure9.0 序序 (Introduction)9.1 力的測(cè)量力的測(cè)量(Measurement of Force)9.2 扭矩的測(cè)量扭矩的測(cè)量(Measurement of Torque)9.3 壓力的測(cè)量壓力的測(cè)量(Measurement of Pressure)力、扭矩、壓力測(cè)量的目的力、扭矩、壓力測(cè)量的目的：l 力是最基本和最常見(jiàn)的工作載荷，也是其他載荷形式和有關(guān)力是最基本和最常見(jiàn)的工作載荷，也是其他載荷形式和有關(guān)物理量（彎矩、扭矩、應(yīng)力、功、功率及剛度等

2、）的基本因物理量（彎矩、扭矩、應(yīng)力、功、功率及剛度等）的基本因素；素；l 通過(guò)力、扭矩和壓力的測(cè)量，分析構(gòu)件的受力狀況和工作狀通過(guò)力、扭矩和壓力的測(cè)量，分析構(gòu)件的受力狀況和工作狀態(tài)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算，確定工作過(guò)程和某些物理現(xiàn)象的機(jī)理。態(tài)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算，確定工作過(guò)程和某些物理現(xiàn)象的機(jī)理。在國(guó)際單位制中，力是一個(gè)導(dǎo)出量，由質(zhì)量和加速度的乘積來(lái)定在國(guó)際單位制中，力是一個(gè)導(dǎo)出量，由質(zhì)量和加速度的乘積來(lái)定義。力的基準(zhǔn)量取決于質(zhì)量、時(shí)間和長(zhǎng)度的基準(zhǔn)量。義。力的基準(zhǔn)量取決于質(zhì)量、時(shí)間和長(zhǎng)度的基準(zhǔn)量。9.0 9.0 序序 (Introduction)9.1 9.1 力的測(cè)量力的測(cè)量 (Measurement of

3、 Force)9.1.0 力的測(cè)量方法力的測(cè)量方法 l靜力效應(yīng)測(cè)力 l動(dòng)力效應(yīng)測(cè)力 例如，用差動(dòng)變壓器、激光干涉等方法來(lái)測(cè)定彈性體變形或利用與力有關(guān)的物理效應(yīng)，如壓電效應(yīng)、壓磁效應(yīng)等達(dá)到測(cè)力的目的。 力的靜力效應(yīng)使物體產(chǎn)生變形，通過(guò)測(cè)定物體的變形量或用與內(nèi)部應(yīng)力相對(duì)應(yīng)參量的物理效應(yīng)來(lái)確定力值。例如基準(zhǔn)測(cè)力機(jī)等。 在重力場(chǎng)中地球的引力使物體產(chǎn)生重力加速度，因而可以用已知質(zhì)量的物體在重力場(chǎng)某處的重力來(lái)體現(xiàn)力值。 力的動(dòng)力效應(yīng)使物體產(chǎn)生加速度，測(cè)定了物體的質(zhì)量及所獲得的加速度大小就測(cè)定了力值。9.1.1 應(yīng)力、應(yīng)變的測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變的測(cè)量 (Measurement of Stress and Stra

4、in)l 應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)量方法應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)量方法應(yīng)用應(yīng)變片和應(yīng)變儀測(cè)量構(gòu)件的表面應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)變和應(yīng)力、力之間的關(guān)系，確定構(gòu)件的受力狀態(tài)。l 電阻應(yīng)變儀的分類電阻應(yīng)變儀的分類靜態(tài)電阻應(yīng)變儀 用以測(cè)量靜態(tài)載荷下的應(yīng)變，以及變化十分緩慢或變化后能很快穩(wěn)定下來(lái)的應(yīng)變； 工作頻率為0200 Hz，用以測(cè)量靜態(tài)應(yīng)變或頻率在200 Hz以下的低頻動(dòng)態(tài)應(yīng)變；靜動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀 工作頻率為02 000 Hz，用以測(cè)量2 000 Hz以下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變；超動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀 工作頻率為020 000 Hz，用以測(cè)量爆炸沖擊等瞬態(tài)變化過(guò)程下的超動(dòng)態(tài)應(yīng)變。力的測(cè)量力的測(cè)量 (2/23)l 應(yīng)變片布片和組橋方法應(yīng)變片

5、布片和組橋方法在應(yīng)變儀中，電橋?qū)⒈粶y(cè)應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電壓輸出，再經(jīng)過(guò)放大、相敏檢波、A/D轉(zhuǎn)換等處理，最后顯示被測(cè)應(yīng)變數(shù)值。 i43214231o)(uRRRRRRRRu橋臂電阻R1、R2、R3、R4在力作用下所產(chǎn)生的阻值變化分別為R1、R2、R3、R4，若 R1=R2=R3=R4 ，且只考慮微應(yīng)變，則：)(44321ioRRRRRRRRuu如果各橋臂應(yīng)變片的靈敏度Sg相同，則有： )(44321gioSuu)4, 3, 2, 1(/giSRRii，力的測(cè)量力的測(cè)量 (3/23)表中符號(hào)說(shuō)明：Sg 應(yīng)變片的靈敏度；ui 供橋電壓； 被測(cè)件的泊松比； r 應(yīng)交儀讀數(shù)，即指示應(yīng)變； 所要測(cè)量的機(jī)械應(yīng)變值

6、。n 拉伸（壓縮）應(yīng)變測(cè)量 序號(hào)受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖應(yīng)變片數(shù)量電橋組合形式溫度補(bǔ)償情況電橋輸出電壓測(cè)量項(xiàng)目及應(yīng)變值特點(diǎn)電橋形式電橋接法12半橋式R1與R2同溫拉(壓)應(yīng)變r(jià) 不能消除彎矩的影響22互為補(bǔ)償拉(壓)應(yīng)變 輸出電壓提高到(1+)倍，不能消除彎矩的影響)1 (41gioSuuFFR1R2FFR1R2abcR1R2gio41Suu )1 (r力的測(cè)量力的測(cè)量 (4/23)表中符號(hào)說(shuō)明：Sg 應(yīng)變片的靈敏度；ui 供橋電壓； 被測(cè)件的泊松比； r 應(yīng)交儀讀數(shù)，即指示應(yīng)變； 所要測(cè)量的機(jī)械應(yīng)變值。序號(hào)受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖應(yīng)變片數(shù)量電橋組合形式溫度補(bǔ)償情況電橋輸出電壓測(cè)量項(xiàng)目及應(yīng)變值特點(diǎn)電橋形式電橋接法34

7、半橋式R1R2 R1 R2四片同溫拉(壓)應(yīng)變r(jià)可以消除彎矩的影響44全橋式拉(壓)應(yīng)變r(jià)/2輸出電壓提高一倍，且可消除彎矩的影響FFR1R2R1R2abcR1R2R1R2abcdR1R2R1R2（續(xù)）gio41Suu gio21Suu 力的測(cè)量力的測(cè)量 (5/23)表中符號(hào)說(shuō)明：Sg 應(yīng)變片的靈敏度；ui 供橋電壓； 被測(cè)件的泊松比； r 應(yīng)交儀讀數(shù)，即指示應(yīng)變； 所要測(cè)量的機(jī)械應(yīng)變值。序號(hào)受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖應(yīng)變片數(shù)量電橋組合形式溫度補(bǔ)償情況電橋輸出電壓測(cè)量項(xiàng)目及應(yīng)變值特點(diǎn)電橋形式電橋接法54半橋式互為補(bǔ)償拉(壓)應(yīng)變 輸出電壓提高(1+)倍，且可消除彎矩的影響64全橋式拉(壓)應(yīng)變 輸出電壓提高

8、到 2 ( 1 + )倍，且可消除彎矩的影響)1 (21gioSuuabcR1R3R2R4)1 (41gioSuuabcdR1R3R2R4（續(xù)）FFR1R3R2 (R4)R2R4FFR1 (R3)1 (2r1r力的測(cè)量力的測(cè)量 (6/23)n 彎曲應(yīng)變測(cè)量 表中符號(hào)說(shuō)明：Sg 應(yīng)變片的靈敏度；ui 供橋電壓； 被測(cè)件的泊松比； r 應(yīng)交儀讀數(shù)，即指示應(yīng)變； 所要測(cè)量的機(jī)械應(yīng)變值。序號(hào)受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖應(yīng)變片數(shù)量電橋組合形式溫度補(bǔ)償情況電橋輸出電壓測(cè)量項(xiàng)目及應(yīng)變值特點(diǎn)電橋形式電橋接法12半橋式R1與R2同溫彎曲最大應(yīng)變r(jià) 不能消除拉伸的影響22互為補(bǔ)償彎曲最大應(yīng)變 輸出電壓提高到(1+)倍，不能消除拉

9、伸的影響)1 (41gioSuuabcR1R2gio41Suu )1 (rMMR1R2R1R2MMR2R1力的測(cè)量力的測(cè)量 (7/23)表中符號(hào)說(shuō)明：Sg 應(yīng)變片的靈敏度；ui 供橋電壓； 被測(cè)件的泊松比； r 應(yīng)交儀讀數(shù)，即指示應(yīng)變； 所要測(cè)量的機(jī)械應(yīng)變值。序號(hào)受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖應(yīng)變片數(shù)量電橋組合形式溫度補(bǔ)償情況電橋輸出電壓測(cè)量項(xiàng)目及應(yīng)變值特點(diǎn)電橋形式電橋接法52半橋式互為補(bǔ)償彎曲最大應(yīng)變 輸出電壓提高一倍，且可消除拉伸的影響64全橋式彎曲最大應(yīng)變 輸出電壓提高到 2 ( 1 + )倍，且可消除拉伸的影響)1 (21gioSuuabcR1R2gio21SuuabcdR1R4R3R2（續(xù)）)1 (2

10、r2rMMR1R1R2(R2)R1R3R2 (R4)R2R4R1 (R3)MM力的測(cè)量力的測(cè)量 (8/23)n 扭轉(zhuǎn)應(yīng)變測(cè)量 MMR1R24545(a)454513(b)abR1R2RRcd(c)gio2Suu 力的測(cè)量力的測(cè)量 (9/23)變形形式需測(cè)應(yīng)變應(yīng)變片粘貼位置電橋連接方法測(cè)量應(yīng)變 與儀器讀數(shù)應(yīng)變r(jià)間的關(guān)系備注拉壓扭組合扭轉(zhuǎn)主應(yīng)變R1和R2均為工作片拉壓R1、R2 、R3、R4均為工作片n 其他復(fù)雜受力狀況下應(yīng)變測(cè)量 2r1rTTFFR1R2TTFFR1R2R3R4)1 (2rabcR1R2abcR2R1R3R4abcR1R3R4R2d力的測(cè)量力的測(cè)量 (10/23)變形形式需測(cè)應(yīng)變

11、應(yīng)變片粘貼位置電橋連接方法測(cè)量應(yīng)變 與儀器讀數(shù)應(yīng)變r(jià)間的關(guān)系備注扭彎組合扭轉(zhuǎn)主應(yīng)變R1、R2 、R3、R4均為工作片彎曲R1、R2 均為工作片4r2rabcR1R2abcR1R2R3R4d（續(xù)）TTMMR1R2R3R4TTMMR2R1力的測(cè)量力的測(cè)量 (11/23)9.1.2 力的測(cè)量裝置力的測(cè)量裝置 (Components for Force Measuring)l 電阻應(yīng)變式測(cè)力裝置電阻應(yīng)變式測(cè)力裝置力的測(cè)量可以在被測(cè)對(duì)象上直接布片組橋，也可以在彈性元件上布片組橋，組成各種測(cè)力儀。 常用的彈性元件有柱式、梁式、環(huán)式、輪輻式等多種形式。電阻應(yīng)變式測(cè)力儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

12、n 柱式彈性元件 FF實(shí)心圓柱FF空心圓柱AEFEllF 作用在彈性元件上的外力；E 材料的彈性模量；A 圓柱的橫截面積； 力的測(cè)量力的測(cè)量 (12/23)p 實(shí)心圓柱彈性元件 靈敏度與橫截面積 A 成反比，但 A 的減小受到允許應(yīng)力和線性要求的限制，同時(shí)，A的減小會(huì)對(duì)橫向力干擾敏感。 p 空心圓柱彈性元件 空心圓柱（圓筒）式彈性元件多用于小集中力的測(cè)量。 一般將應(yīng)變片對(duì)稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱中部表面并通過(guò)電橋連接以盡可能消除偏心和彎矩的影響。 R1R1R4R3R2R2R3R4PP(a)R2R2R1R1R3R3R4R4abcd(b)1 (2r對(duì)圖示四個(gè)軸向和四個(gè)橫向片，連接成串聯(lián)全橋電路后，其

13、軸向應(yīng)變?yōu)?力的測(cè)量力的測(cè)量 (13/23)n 梁式彈性元件 Fhbll0R1R2p 等截面梁當(dāng)力作用在自由端時(shí)，剛性端截面中產(chǎn)生的應(yīng)力最大，而自由端產(chǎn)生的撓度最大。EbhFlE206在距離受力點(diǎn)為 l0的上、下表面，沿 l 向貼電阻應(yīng)變片R1和R3，R2和R4貼在反面對(duì)稱位置。該處的應(yīng)變?yōu)榱Φ臏y(cè)量力的測(cè)量 (14/23)FhblxR1R2b0p 等強(qiáng)度梁梁的截面成等腰三角形，集中力F 作用在三角形頂點(diǎn)，梁內(nèi)各橫截面產(chǎn)生的應(yīng)力是相等的，表面上任意位置的應(yīng)變也相等，因此稱為等強(qiáng)度梁。等強(qiáng)度梁的各點(diǎn)由于應(yīng)變相等，故粘貼應(yīng)變片的位置要求不嚴(yán)格。在粘貼應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)?EhbFlE206p 等截面雙端

14、固定梁EhblFE243這種梁的結(jié)構(gòu)在相同力F的作用下產(chǎn)生的撓度比懸臂梁的要小。 力的測(cè)量力的測(cè)量 (15/23)n 環(huán)式彈性元件 BBFyB=039.6R3R4R2R1R1R2R3R4uyuo測(cè)Fyp 圓環(huán)式在圓環(huán)上施加徑向力 Fy 時(shí)，圓環(huán)各處的應(yīng)變不同，在與作用力成39.6處（圖中B點(diǎn)）應(yīng)變等于零，稱為應(yīng)變節(jié)點(diǎn)，而在水平中心線上應(yīng)變最大。將應(yīng)變片 R1、R2、R3和 R4貼在水平中心線上， R1、 R3受拉應(yīng)力， R2、R4受壓應(yīng)力。力的測(cè)量力的測(cè)量 (16/23)AFxA=039.6R7R8R6R5AR5R6R7R8uxuo測(cè)Fx如果圓環(huán)一側(cè)固定，另一側(cè)受切向力Fx時(shí)，與受力點(diǎn)成90處

15、（圖中A點(diǎn)）應(yīng)變等于零。將應(yīng)變片 R5、R6、R7和 R8 貼在與垂直中心線成39.6處， R5、R7受拉應(yīng)力、 R6、R8受壓應(yīng)力。當(dāng)圓環(huán)上同時(shí)作用力Fx和Fy時(shí)，將應(yīng)變片 R1R4、R5 R8 分別組成電橋，就可以互不干擾地測(cè)力Fx和Fy 。力的測(cè)量力的測(cè)量 (17/23)p 八角環(huán)式R1R2R3R4R5R6R8R7FyFxR1R2R3R4R5R6R8R7FyFxR10R9R11R12MzR9R10R11R12uxuo測(cè)Fz八角環(huán)厚度為h，平均半徑為r。當(dāng)h/r較小時(shí)，零應(yīng)變點(diǎn)在39.6附近。隨h/r值的增大，當(dāng)h/r=0.4時(shí)，應(yīng)變節(jié)點(diǎn)在45處，故一般測(cè)力Fx時(shí)，應(yīng)變片貼在45處。 當(dāng)測(cè)

16、力Fz時(shí) (或測(cè)力Fz形成的彎矩Mz )，在八角環(huán)水平中心線產(chǎn)生最大應(yīng)變，應(yīng)變片 R9R12 貼在該處并成斜向 45布片組成電橋。 力的測(cè)量力的測(cè)量 (18/23)n 輪輻式彈性元件 h輪轂輪輻輪緣blR1R2R1R2R3R4R4R3R3R3R2R2R1R1R4R4輻條的最大切應(yīng)力及彎曲應(yīng)力分別為 bhF83max2max43bhFl22maxmaxalh令h/l=a，則為了使彈性元件具有足夠的輸出靈敏度而又不發(fā)生彎曲破壞，h/l比值一般在1.21.6之間選擇。力的測(cè)量力的測(cè)量 (19/23)l 其其他他測(cè)力裝置測(cè)力裝置n 電容式力傳感器 dF電極鑄件絕緣體導(dǎo)體電極傳感器構(gòu)造圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度

17、高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但是由于電荷泄漏難于避免，不適宜靜態(tài)力的測(cè)量。 力的測(cè)量力的測(cè)量 (20/23)n 壓電式力傳感器 體積小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但是也存在電荷泄漏，一般也不適宜靜態(tài)力的測(cè)量。使用中應(yīng)防止承受橫向力和施加預(yù)緊力。 xzy石英片電極力的測(cè)量力的測(cè)量 (21/23)n 壓磁式測(cè)力裝置 輸出信號(hào)大、抗干擾能力強(qiáng)、過(guò)載性能好、能在惡劣環(huán)境下工作。但精度不高，同時(shí)反映速度較低。 力的測(cè)量力的測(cè)量 (22/23)n 差動(dòng)變壓器式測(cè)力裝置 差動(dòng)變壓器式力傳感器的彈性元件是簿壁圓筒，在外力F 作用下，變形使差動(dòng)變壓器的鐵心產(chǎn)生微位移，變壓器次級(jí)產(chǎn)生相應(yīng)電信號(hào)。特點(diǎn)：工作溫度范圍較寬。為了減小橫向力或偏心

18、力的影響，傳感器的高徑比應(yīng)較小。 力的測(cè)量力的測(cè)量 (23/23)9.2 扭矩的測(cè)量扭矩的測(cè)量(Measurement of Torque)9.2.0 扭矩測(cè)量原理扭矩測(cè)量原理 扭矩為扭力與作用點(diǎn)到扭力作用方向的距離之乘積，單位是Nm。扭矩測(cè)量的方法按照它的基本原理可以分為： 根據(jù)能量守衡定律，間接測(cè)量扭矩的方法。l 傳遞法又稱扭軸法。 根據(jù)彈性軸在傳遞扭矩時(shí)所產(chǎn)生的物理參數(shù) 的變化測(cè)量扭矩。物理參數(shù)可以是彈性軸的變形、應(yīng)變和應(yīng)力。l 平衡力法又稱反力法。 用平衡扭矩平衡被測(cè)扭矩，從而求得被測(cè)扭矩。僅能測(cè)量勻速工作情況下的扭矩，不能測(cè)量動(dòng)態(tài)扭矩。l 能量轉(zhuǎn)換法。傳遞法和平衡力法為直接測(cè)量法，測(cè)

19、量方便、精度高，而能量轉(zhuǎn)換法為間接測(cè)量法，測(cè)量誤差較大，常達(dá)(1015)%。扭矩測(cè)量?jī)x相應(yīng)地可分為傳遞類、平衡力類及能量轉(zhuǎn)換類。 電阻應(yīng)變片式應(yīng)變型光彈式磁彈式應(yīng)力型機(jī)械式振弦式電容式磁電式光電式光學(xué)式變形型傳遞類扭矩測(cè)量傳感器利用扭軸產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形角及切應(yīng)變角設(shè)計(jì)而成 利用扭軸截面上的切應(yīng)力與扭矩成正比的關(guān)系，以及磁性材料在機(jī)械應(yīng)力作用下，其導(dǎo)磁性能發(fā)生相應(yīng)變化的原理設(shè)計(jì)而成通過(guò)測(cè)量扭軸產(chǎn)生的與扭矩值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)而成 扭矩的測(cè)量扭矩的測(cè)量 (2/10)9.2.1 應(yīng)變式扭矩測(cè)量應(yīng)變式扭矩測(cè)量 M13R2R1R3R4MR1R3R2R4ABCABCR1R3R2R4Duo轉(zhuǎn)軸受扭矩作用時(shí)，任取圖

20、示一主單元體，三個(gè)主應(yīng)力：1= ，2=0，3=由胡克定律有，應(yīng)變 )1 (131E11WEWM故有 式中：W為抗扭截面系數(shù)。 扭矩的測(cè)量扭矩的測(cè)量 (3/10)n 扭矩信號(hào)傳輸方式 p 有線傳輸方式 拉線式集電裝置 AA1234569A-A3 5 46 7 81轉(zhuǎn)軸；2應(yīng)變片；3引線；4劃環(huán)；5銅帶；6拉線；7絕緣子；8彈簧；9螺釘一次性使用的集電裝置，使用時(shí)磨損嚴(yán)重，適用于低速旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的應(yīng)變測(cè)量。扭矩的測(cè)量扭矩的測(cè)量 (4/10)電刷式集電裝置 為了保證電刷與滑環(huán)接觸良好，減少接觸電阻，在每條滑道上應(yīng)對(duì)稱配置多個(gè)并接在一起的電刷，且使各電刷用彈簧壓緊滑道。其壓緊力應(yīng)適當(dāng)。電刷材料多用石墨與銀

21、制成，也可用鈹青銅片。uo電刷式工作性能較好，可用于較高轉(zhuǎn)速下的扭矩測(cè)量。但構(gòu)件高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子、轉(zhuǎn)子發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致信號(hào)漂移，從而出現(xiàn)測(cè)量誤差。扭矩的測(cè)量扭矩的測(cè)量 (5/10)p 無(wú)線傳輸方式 將應(yīng)變電橋輸出的微弱電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)前置處理后，利用空間傳播的無(wú)線電波、電磁波或光波來(lái)傳輸信號(hào)，通過(guò)無(wú)線的方式傳送到地面上靜止的分析儀器或設(shè)備。 測(cè)量電橋信號(hào)調(diào)理電路單片機(jī)無(wú)線發(fā)射模塊無(wú)線接收模塊單片機(jī)系統(tǒng)或經(jīng)接口送入PC機(jī)扭矩的測(cè)量扭矩的測(cè)量 (6/10)應(yīng)變電橋信號(hào)調(diào)理C8051F002RF單元SPIAD采集模塊RF單元SPI脈寬調(diào)制D/A變換UARTC8051F005PWM輸出V/I變換V/F變換RS-

22、485420mA電流環(huán)485輸出接收模塊扭矩的測(cè)量扭矩的測(cè)量 (7/10)9.2.2 壓磁式扭矩測(cè)量壓磁式扭矩測(cè)量 鐵磁材料的轉(zhuǎn)軸受扭矩作用時(shí)，導(dǎo)磁率發(fā)生變化。兩個(gè) U形鐵芯分別繞有線圈A-A 和 B-B，其中A-A 沿軸線方向，B-B 沿垂直于軸線的方向放置，彼此互相垂直。其開(kāi)口端和轉(zhuǎn)軸表面保持12 mm空隙。AABB-+uouyMMA-A 線圈通入交流電，形成通過(guò)轉(zhuǎn)軸的交變磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)軸不受扭矩時(shí)，磁力線和B-B線圈不交鏈。轉(zhuǎn)軸受扭矩作用后，轉(zhuǎn)軸材料的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，沿正應(yīng)力方向磁阻減小，沿負(fù)應(yīng)力方向磁阻增大，使得磁力線分布改變，與 B-B 線圈交鏈，并在B-B 線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

23、與扭矩在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系，從而可測(cè)量扭矩的大小。壓磁法可以進(jìn)行非接觸式測(cè)量，使用方便。但要求旋轉(zhuǎn)過(guò)程不出現(xiàn)徑向跳動(dòng)，避免鐵心與轉(zhuǎn)軸間隙改變，造成測(cè)量誤差甚至破壞測(cè)量設(shè)備。扭矩的測(cè)量扭矩的測(cè)量 (8/10)9.2.3 磁電感應(yīng)式扭矩測(cè)量磁電感應(yīng)式扭矩測(cè)量 在轉(zhuǎn)軸上安裝兩個(gè)相距l(xiāng) 的開(kāi)磁路磁電式傳感器。齒輪盤齒數(shù)為Z，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周，兩磁電式傳感器輸出Z個(gè)脈沖。 當(dāng)轉(zhuǎn)軸受力矩 M 作用，使兩齒輪盤產(chǎn)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)角 時(shí)，兩路脈沖信號(hào)相位相差：pGIMlZZ式中：G為轉(zhuǎn)軸剪切彈性模量，Ip為轉(zhuǎn)軸截面極慣矩。通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換，可以將 轉(zhuǎn)換成與扭矩成正比的電信號(hào)。Z的選取通常使/2 。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速很高時(shí)，Z

24、可取小一些；當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速很低時(shí)，Z 可取大一些（可達(dá)幾百），以使得感應(yīng)信號(hào)幅值不致太強(qiáng)或太弱。扭矩的測(cè)量扭矩的測(cè)量 (9/10)9.2.4 光電式扭矩測(cè)量光電式扭矩測(cè)量 2 MM轉(zhuǎn)軸光源光敏元件圓盤光柵這種扭矩測(cè)量?jī)x的工作轉(zhuǎn)速為1008 000 r/min，精度為1%。 無(wú)扭矩時(shí)，兩光柵的明暗區(qū)正好互相遮擋，光源沒(méi)有光線透過(guò)光柵照射到光敏元件，無(wú)輸出信號(hào)；當(dāng)轉(zhuǎn)軸受扭矩后，轉(zhuǎn)軸變形將使兩光柵出現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)角，部分光線透過(guò)光柵照射到光敏元件上，產(chǎn)生輸出信號(hào)。從而可實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量。扭矩的測(cè)量扭矩的測(cè)量 (10/10)9.3 壓力的測(cè)量壓力的測(cè)量(Measurement of Pressure)9.3.0 基

25、本概念基本概念 垂直作用在單位面積上的力稱為壓力。壓力測(cè)量一般用于液體、蒸汽或氣體等流體。在工程測(cè)量中，壓力可以用絕對(duì)壓力或表壓力表示。絕對(duì)壓力是指流體垂直作用在單位面積上的全部壓力，既包括流體的壓力，也包括大氣壓力。壓力表顯示的數(shù)值是絕對(duì)壓力和大氣壓力的差值，稱為表壓力。表壓力為正值時(shí)簡(jiǎn)稱為壓力，表壓力為負(fù)值時(shí)稱為負(fù)壓，或真空度。 壓力的單位是N/m2，稱為帕斯卡，或帕 (Pa)。 9.3.1 壓力測(cè)量彈性元件壓力測(cè)量彈性元件l 彈簧管 又稱波登管，通常是一根彎曲成 C形的空心扁管，其截面呈橢圓等非圓形。具有壓力 p 的流體由彈簧管一端的接頭通入彈簧管內(nèi)腔，彈簧管的另一端（自由端）密封并與傳

26、感器的其他部分相連。在壓力 p 作用下，彈簧管的截面有變成圓形截面的趨勢(shì)，導(dǎo)致彈簧趨向伸直，產(chǎn)生位移，直至與壓力作用相平衡。在一定壓力范圍內(nèi)，彈簧管產(chǎn)生的位移量與壓力成正比。彈簧管具有較高測(cè)量精度，但尺寸和質(zhì)量較大，固有頻率較低，且有明顯滯后，故不宜做動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量。壓力的測(cè)量壓力的測(cè)量 (2/10)l 波紋管 波紋管是一種帶同心環(huán)狀波形皺紋的薄壁圓管，一端開(kāi)口，另一端封閉，將開(kāi)口端固定，封閉端處于自由狀態(tài)。通入一定壓力的流體后，波紋管將伸長(zhǎng)，其伸長(zhǎng)量（自由端位移）與壓力成正比。 l 膜片 膜片是用金屬或非金屬制成的圓形薄片。它包括平膜片、波紋膜片。兩個(gè)膜片邊緣對(duì)焊起來(lái)，構(gòu)成膜盒。幾個(gè)膜盒連接

27、起來(lái)構(gòu)成膜盒組。平膜片比波紋膜片具有較高的抗振、抗沖擊能力，在壓力測(cè)量中使用最多。 膜片膜盒的中心位移均與壓力 p 近似成正比。 壓力的測(cè)量壓力的測(cè)量 (3/10)l 薄壁圓筒 薄壁圓筒的壁厚一般小于圓筒直徑的1/20，圓筒的一端開(kāi)口，一端不通。內(nèi)腔與被測(cè)壓力相通時(shí)，內(nèi)壁均勻受壓，均勻地向外擴(kuò)張。筒壁在軸向和圓周方向上的應(yīng)變均與壓力p成正比。 壓力的測(cè)量壓力的測(cè)量 (4/10)壓力測(cè)量彈性元件的結(jié)構(gòu)及其特性表壓力測(cè)量彈性元件的結(jié)構(gòu)及其特性表 110010-210102010-5撓性膜1010010-210-10103010-3波紋膜1010410-510-20105010平薄膜薄膜式自振頻率/

28、Hz時(shí)間常數(shù)/s最大最小動(dòng)態(tài)性質(zhì)輸出特性壓力測(cè)量范圍示意圖名稱類別F(力)x(位移)pxFxpxF，xpx壓力的測(cè)量壓力的測(cè)量 (5/10)彈簧管式101000105010-2多圈彈簧管1010000106010-1單圈彈簧管1010010-210-10103010-3波紋管波紋管式自振頻率/Hz時(shí)間常數(shù)/s最大最小動(dòng)態(tài)性質(zhì)輸出特性壓力測(cè)量范圍示意圖名稱類別xpxxpxxpx（續(xù)）壓力的測(cè)量壓力的測(cè)量 (6/10)9.3.2 壓力測(cè)量裝置壓力測(cè)量裝置l 壓力測(cè)量裝置類型 壓力測(cè)量裝置簡(jiǎn)稱壓力計(jì)或壓力表，按轉(zhuǎn)換原理的不同，可以分為液柱式壓力計(jì)、彈性壓力計(jì)和電氣壓力計(jì)等。液柱式壓力計(jì)是依據(jù)流體靜力

29、學(xué)原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度的壓力計(jì)。它被廣泛應(yīng)用于表壓力和真空度的測(cè)量中。彈性壓力計(jì)是利用彈性元件受壓后所產(chǎn)生的彈性變形來(lái)測(cè)量壓力。它包括彈簧管壓力計(jì)、波紋管壓力計(jì)和薄膜式壓力計(jì)。電氣壓力計(jì)是將被測(cè)壓力通過(guò)機(jī)械和電氣元件轉(zhuǎn)換成電量來(lái)測(cè)量壓力。它包括應(yīng)變式壓力計(jì)、電容式壓力計(jì)、電感式壓力計(jì)和霍爾式壓力計(jì)。壓力的測(cè)量壓力的測(cè)量 (7/10)l 彈簧管壓力計(jì) 被測(cè)壓力由接頭9進(jìn)入彈簧管1，導(dǎo)致自由端B向右上方擴(kuò)張，通過(guò)拉桿2使錐齒輪3作逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，從而使中心齒輪4帶動(dòng)同軸的指針5作順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，在標(biāo)尺板6上指示出被測(cè)壓力的數(shù)值。游絲7用來(lái)克服錐齒輪和中心齒輪的間隙，調(diào)整螺釘8用來(lái)改變壓力計(jì)的量程

30、。 1彈簧管；2拉桿；3錐齒輪；4中心齒輪；5指針；6標(biāo)尺板；7游絲；8調(diào)整螺釘；9接頭。壓力的測(cè)量壓力的測(cè)量 (8/10)l 壓阻式壓力計(jì) 硅壓阻式壓力計(jì)由外殼、硅膜片和引線等組成。其核心部分是做成杯狀的硅膜片。在硅膜片上，用半導(dǎo)體工藝中的擴(kuò)散摻雜法做成四個(gè)相等的電阻，接成全橋，并用引線引出。四個(gè)電阻中，其中兩片受拉應(yīng)力，另外兩片受壓應(yīng)力。膜片的一側(cè)是高壓腔，與被測(cè)系統(tǒng)相連接；另一側(cè)是低壓腔，通常和大氣相通。當(dāng)膜片兩側(cè)存在壓力差而發(fā)生形變時(shí)，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓，其電壓值就反映了膜片所受的壓力差值。 壓力的測(cè)量壓力的測(cè)量 (9/10)l 壓電式壓力計(jì) 壓電式力傳感器在裝配時(shí)用頂螺紋給晶片組件一定的預(yù)緊力，以保證活塞、砧盤、晶片、電導(dǎo)片之間壓緊，避免受沖擊時(shí)因有間隙晶片損壞，并提高傳感器的固有頻率。 活塞式壓電力傳感器的結(jié)構(gòu)圖壓電式壓力傳感器對(duì)溫度變化較為敏感，須進(jìn)行補(bǔ)償：一種是水冷的辦法以防止溫度的影響；另一種是在晶片的前面安裝一塊金屬片，選用線膨脹系數(shù)大的金屬（如純鋁等），當(dāng)溫度變化時(shí)補(bǔ)償片的線膨脹可以彌補(bǔ)晶體與金屬線膨脹之間的差值，以保證預(yù)緊力的穩(wěn)定。這兩種辦法常同時(shí)使用。 壓電式壓力傳感器具有靈敏度高、線性好、剛度大、頻率范圍寬、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 壓力的測(cè)量壓力的測(cè)量 (10/10)