《測(cè)試技術(shù)課件：CH 9 力、扭矩、壓力的測(cè)量》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《測(cè)試技術(shù)課件：CH 9 力、扭矩、壓力的測(cè)量（45頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
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 無線傳輸方式 將應(yīng)變電橋輸出的微弱電壓信號(hào)經(jīng)過前置處理后，利用空間傳播的無線電波、電磁波或光波來傳輸信號(hào)，通過無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)無線發(fā)射模塊無線接收模塊單片機(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%。 無扭矩時(shí)，兩光柵的明暗區(qū)正好互相遮擋，光源沒有光線透過光柵照射到光敏元件，無輸出信號(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，一端開口，另一端封閉，將開口端固定，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，構(gòu)成膜盒。幾個(gè)膜盒連接
27、起來構(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)壓力通過機(jī)械和電氣元件轉(zhuǎn)換成電量來測(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用來克服錐齒輪和中心齒輪的間隙，調(diào)整螺釘8用來改變壓力計(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)
測(cè)試技術(shù)課件：CH 9 力、扭矩、壓力的測(cè)量
