《測試技術(shù) 9 力、扭矩、壓力的測量》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《測試技術(shù) 9 力、扭矩、壓力的測量（45頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、第第9 9章章 力、扭矩、壓力的測量力、扭矩、壓力的測量Measurement of Force,Torque and Pressure9.0 序序(Introduction)9.1 力的測量力的測量(Measurement of Force)9.2 扭矩的測量扭矩的測量(Measurement of Torque)9.3 壓力的測量壓力的測量(Measurement of Pressure)力、扭矩、壓力測量的目的力、扭矩、壓力測量的目的：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）的
2、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、扭矩和壓力的測量，分析構(gòu)件的受力狀況和工作狀態(tài)，驗證設(shè)計計算，確定工作過程和某些物理現(xiàn)象的機(jī)理。態(tài)，驗證設(shè)計計算，確定工作過程和某些物理現(xiàn)象的機(jī)理。在國際單位制中，力是一個導(dǎo)出量，由質(zhì)量和加速度的乘積來定在國際單位制中，力是一個導(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、時間和長度的基準(zhǔn)量。義。力的基準(zhǔn)量取決于質(zhì)量、時間和長度的基準(zhǔn)量。9.0 9.0 序序 (Introduction)9.1 9.1 力的測量力的測量 (Measurement of F
3、orce)9.1.0 力的測量方法力的測量方法 l靜力效應(yīng)測力 l動力效應(yīng)測力 例如，用差動變壓器、激光干涉等方法來測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)到測力的目的。力的靜力效應(yīng)使物體產(chǎn)生變形，通過測定物體的變形量或用與內(nèi)部應(yīng)力相對應(yīng)參量的物理效應(yīng)來確定力值。例如基準(zhǔn)測力機(jī)等。在重力場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)量的物體在重力場某處的重力來體現(xiàn)力值。力的動力效應(yīng)使物體產(chǎn)生加速度，測定了物體的質(zhì)量及所獲得的加速度大小就測定了力值。9.1.1 應(yīng)力、應(yīng)變的測量應(yīng)力、應(yīng)變的測量(Measurement of Stress and Strain)l 應(yīng)
4、力、應(yīng)變測量方法應(yīng)力、應(yīng)變測量方法應(yīng)用應(yīng)變片和應(yīng)變儀測量構(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，用以測量靜態(tài)應(yīng)變或頻率在200 Hz以下的低頻動態(tài)應(yīng)變；靜動態(tài)電阻應(yīng)變儀動態(tài)電阻應(yīng)變儀 工作頻率為02 000 Hz，用以測量2 000 Hz以下的動態(tài)應(yīng)變；超動態(tài)電阻應(yīng)變儀 工作頻率為020 000 Hz，用以測量爆炸沖擊等瞬態(tài)變化過程下的超動態(tài)應(yīng)變。力的測量力的測量(2/23)l 應(yīng)變片布片和組橋方法應(yīng)變片布片和組橋方法在
5、應(yīng)變儀中，電橋?qū)⒈粶y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，力的測量力的測量(3/23)表中符號說明：Sg 應(yīng)變片的靈敏度；ui 供橋電壓；被測件的泊松比；r 應(yīng)交儀讀數(shù)，即指示應(yīng)變；所要測量的機(jī)械應(yīng)變值。n 拉伸（壓縮）應(yīng)變測量 序號受力
6、狀態(tài)簡圖應(yīng)變片數(shù)量電橋組合形式溫度補償情況電橋輸出電壓測量項目及應(yīng)變值特點電橋形式電橋接法12半橋式R1與R2同溫拉(壓)應(yīng)變r 不能消除彎矩的影響22互為補償拉(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力的測量力的測量(4/23)表中符號說明：Sg 應(yīng)變片的靈敏度；ui 供橋電壓；被測件的泊松比；r 應(yīng)交儀讀數(shù)，即指示應(yīng)變；所要測量的機(jī)械應(yīng)變值。序號受力狀態(tài)簡圖應(yīng)變片數(shù)量電橋組合形式溫度補償情況電橋輸出電壓測量項目及應(yīng)變值特點電橋形式電橋接法34半橋式R1R2 R1 R2四片同溫拉(壓)應(yīng)變r可
7、以消除彎矩的影響44全橋式拉(壓)應(yīng)變r/2輸出電壓提高一倍，且可消除彎矩的影響FFR1R2R1R2abcR1R2R1R2abcdR1R2R1R2（續(xù)）gio41Suu gio21Suu 力的測量力的測量(5/23)表中符號說明：Sg 應(yīng)變片的靈敏度；ui 供橋電壓；被測件的泊松比；r 應(yīng)交儀讀數(shù)，即指示應(yīng)變；所要測量的機(jī)械應(yīng)變值。序號受力狀態(tài)簡圖應(yīng)變片數(shù)量電橋組合形式溫度補償情況電橋輸出電壓測量項目及應(yīng)變值特點電橋形式電橋接法54半橋式互為補償拉(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 輸出電壓提高到 2(1+)倍，且可消除彎矩的影響)1(21gioSuu
8、abcR1R3R2R4)1(41gioSuuabcdR1R3R2R4（續(xù)）FFR1R3R2(R4)R2R4FFR1(R3)1(2r1r力的測量力的測量(6/23)n 彎曲應(yīng)變測量 表中符號說明：Sg 應(yīng)變片的靈敏度；ui 供橋電壓；被測件的泊松比；r 應(yīng)交儀讀數(shù)，即指示應(yīng)變；所要測量的機(jī)械應(yīng)變值。序號受力狀態(tài)簡圖應(yīng)變片數(shù)量電橋組合形式溫度補償情況電橋輸出電壓測量項目及應(yīng)變值特點電橋形式電橋接法12半橋式R1與R2同溫彎曲最大應(yīng)變r 不能消除拉伸的影響22互為補償彎曲最大應(yīng)變 輸出電壓提高到(1+)倍，不能消除拉伸的影響)1(41gioSuuabcR1R2gio41Suu)1(rMMR1R2R1
9、R2MMR2R1力的測量力的測量(7/23)表中符號說明：Sg 應(yīng)變片的靈敏度；ui 供橋電壓；被測件的泊松比；r 應(yīng)交儀讀數(shù)，即指示應(yīng)變；所要測量的機(jī)械應(yīng)變值。序號受力狀態(tài)簡圖應(yīng)變片數(shù)量電橋組合形式溫度補償情況電橋輸出電壓測量項目及應(yīng)變值特點電橋形式電橋接法52半橋式互為補償彎曲最大應(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(2r2rMMR1R1R2(R2)R1R3R2(R4)R2R4R1(R3)MM力的測量力的測量(8/23)n 扭轉(zhuǎn)
10、應(yīng)變測量 MMR1R24545(a)454513(b)abR1R2RRcd(c)gio2Suu 力的測量力的測量(9/23)變形形式需測應(yīng)變應(yīng)變片粘貼位置電橋連接方法測量應(yīng)變 與儀器讀數(shù)應(yīng)變r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)變測量 2r1rTTFFR1R2TTFFR1R2R3R4)1(2rabcR1R2abcR2R1R3R4abcR1R3R4R2d力的測量力的測量(10/23)變形形式需測應(yīng)變應(yīng)變片粘貼位置電橋連接方法測量應(yīng)變 與儀器讀數(shù)應(yīng)變r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、
11、R2 均為工作片4r2rabcR1R2abcR1R2R3R4d（續(xù)）TTMMR1R2R3R4TTMMR2R1力的測量力的測量(11/23)9.1.2 力的測量裝置力的測量裝置(Components for Force Measuring)l 電阻應(yīng)變式測力裝置電阻應(yīng)變式測力裝置力的測量可以在被測對象上直接布片組橋，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)變式測力儀具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、精度高等優(yōu)點。n 柱式彈性元件 FF實心圓柱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；力的測量力的
12、測量(12/23)p 實心圓柱彈性元件 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，A的減小會對橫向力干擾敏感。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量。一般將應(yīng)變片對稱地貼在應(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對圖示四個軸向和四個橫向片，連接成串聯(lián)全橋電路后，其軸向應(yīng)變?yōu)?力的測量力的測量(13/23)n 梁式彈性元件 Fhbll0R1R2p 等截面梁當(dāng)力作用在自由端時，剛性端截面中產(chǎn)生的應(yīng)力最大，而自由
13、端產(chǎn)生的撓度最大。EbhFlE206在距離受力點為 l0的上、下表面，沿 l 向貼電阻應(yīng)變片R1和R3，R2和R4貼在反面對稱位置。該處的應(yīng)變?yōu)榱Φ臏y量力的測量(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，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。力的測量力的測量(15/23)n 環(huán)式彈性元件 BBFyB=039.6
14、R3R4R2R1R1R2R3R4uyuo測Fyp 圓環(huán)式在圓環(huán)上施加徑向力 Fy 時，圓環(huán)各處的應(yīng)變不同，在與作用力成39.6處（圖中B點）應(yīng)變等于零，稱為應(yīng)變節(jié)點，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。力的測量力的測量(16/23)AFxA=039.6R7R8R6R5AR5R6R7R8uxuo測Fx如果圓環(huán)一側(cè)固定，另一側(cè)受切向力Fx時，與受力點成90處（圖中A點）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)上同時作用力Fx和Fy時，
15、將應(yīng)變片 R1R4、R5 R8 分別組成電橋，就可以互不干擾地測力Fx和Fy。力的測量力的測量(17/23)p 八角環(huán)式R1R2R3R4R5R6R8R7FyFxR1R2R3R4R5R6R8R7FyFxR10R9R11R12MzR9R10R11R12uxuo測Fz八角環(huán)厚度為h，平均半徑為r。當(dāng)h/r較小時，零應(yīng)變點在39.6附近。隨h/r值的增大，當(dāng)h/r=0.4時，應(yīng)變節(jié)點在45處，故一般測力Fx時，應(yīng)變片貼在45處。當(dāng)測力Fz時(或測力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。力的測量力的測量(18/23)n 輪輻式彈性元
16、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。力的測量力的測量(19/23)l 其其他他測力裝置測力裝置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)簡單，靈敏度高，動態(tài)響應(yīng)快，但是由于電荷泄漏難于避免，不適宜靜態(tài)力的測量。力的測量力的測量(20/23)n 壓電式力傳感器 體積小，動態(tài)響應(yīng)快，但是也存在電荷泄漏，一般也不適宜靜態(tài)力的測量。使用
17、中應(yīng)防止承受橫向力和施加預(yù)緊力。xzy石英片電極力的測量力的測量(21/23)n 壓磁式測力裝置 輸出信號大、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，同時反映速度較低。力的測量力的測量(22/23)n 差動變壓器式測力裝置 差動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，變形使差動變壓器的鐵心產(chǎn)生微位移，變壓器次級產(chǎn)生相應(yīng)電信號。特點：工作溫度范圍較寬。為了減小橫向力或偏心力的影響，傳感器的高徑比應(yīng)較小。力的測量力的測量(23/23)9.2 扭矩的測量扭矩的測量(Measurement of Torque)9.2.0 扭矩測量原理扭矩測量原理 扭矩為扭力與作用點到
18、扭力作用方向的距離之乘積，單位是Nm。扭矩測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所產(chǎn)生的物理參數(shù) 的變化測量扭矩。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扭矩，從而求得被測扭矩。僅能測量勻速工作情況下的扭矩，不能測量動態(tài)扭矩。l 能量轉(zhuǎn)換法。傳遞法和平衡力法為直接測量法，測量方便、精度高，而能量轉(zhuǎn)換法為間接測量法，測量誤差較大，常達(dá)(1015)%。扭矩測量儀相應(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
19、型傳遞類扭矩測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)計而成通過測量扭軸產(chǎn)生的與扭矩值對應(yīng)的應(yīng)變設(shè)計而成 扭矩的測量扭矩的測量(2/10)9.2.1 應(yīng)變式扭矩測量應(yīng)變式扭矩測量 M13R2R1R3R4MR1R3R2R4ABCABCR1R3R2R4Duo轉(zhuǎn)軸受扭矩作用時，任取圖示一主單元體，三個主應(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)。扭矩的測量扭矩的測量(3/10)n 扭矩信號傳輸方式 p 有線傳輸方式 拉線式集電裝置 A
20、A1234569A-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，使用時磨損嚴(yán)重，適用于低速旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的應(yīng)變測量。扭矩的測量扭矩的測量(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)對稱配置多個并接在一起的電刷，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)速下的扭矩測量。但構(gòu)件高速旋轉(zhuǎn)時，定子、轉(zhuǎn)子發(fā)熱會導(dǎo)致信號漂移，從而出現(xiàn)測量誤差。扭矩的測量扭矩的測量(5/10)p 無線傳輸方式 將應(yīng)變電橋輸出的微弱電壓信號經(jīng)
21、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，通過無線的方式傳送到地面上靜止的分析儀器或設(shè)備。測量電橋信號調(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)扭矩的測量扭矩的測量(6/10)應(yīng)變電橋信號調(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-485420mA電流環(huán)485輸出接收模塊扭矩的測量扭矩的測量(7/10)9.2.2 壓磁式扭矩測量壓磁式扭矩測量 鐵磁材料的轉(zhuǎn)軸受扭矩作用時，導(dǎo)磁率發(fā)生變化。兩個 U形鐵芯分別繞有線圈A-A 和 B-B，其中A-A 沿軸線方向
22、，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。轉(zhuǎn)軸不受扭矩時，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)電動勢。感應(yīng)電動勢與扭矩在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系，從而可測量扭矩的大小。壓磁法可以進(jìn)行非接觸式測量，使用方便。但要求旋轉(zhuǎn)過程不出現(xiàn)徑向跳動，避免鐵心與轉(zhuǎn)軸間隙改變，造成測量誤差甚至破壞測量設(shè)備。扭矩的測量扭矩的測量(8/10)9.2.3 磁電感應(yīng)式
23、扭矩測量磁電感應(yīng)式扭矩測量 在轉(zhuǎn)軸上安裝兩個相距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個脈沖。當(dāng)轉(zhuǎn)軸受力矩 M 作用，使兩齒輪盤產(chǎn)生相對扭轉(zhuǎn)角 時，兩路脈沖信號相位相差：pGIMlZZ式中：G為轉(zhuǎn)軸剪切彈性模量，Ip為轉(zhuǎn)軸截面極慣矩。通過測量電路轉(zhuǎn)換，可以將 轉(zhuǎn)換成與扭矩成正比的電信號。Z的選取通常使/2 。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速很高時，Z可取小一些；當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速很低時，Z 可取大一些（可達(dá)幾百），以使得感應(yīng)信號幅值不致太強(qiáng)或太弱。扭矩的測量扭矩的測量(9/10)9.2.4 光電式扭矩測量光電式扭矩測量 2 MM轉(zhuǎn)軸光源光敏元件圓盤光柵這種扭矩測量儀的工作轉(zhuǎn)速為1008
24、 000 r/min，精度為1%。無扭矩時，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；當(dāng)轉(zhuǎn)軸受扭矩后，轉(zhuǎn)軸變形將使兩光柵出現(xiàn)相對轉(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。從而可實現(xiàn)扭矩測量。扭矩的測量扭矩的測量(10/10)9.3 壓力的測量壓力的測量(Measurement of Pressure)9.3.0 基本概念基本概念 垂直作用在單位面積上的力稱為壓力。壓力測量一般用于液體、蒸汽或氣體等流體。在工程測量中，壓力可以用絕對壓力或表壓力表示。絕對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
25、對壓力和大氣壓力的差值，稱為表壓力。表壓力為正值時簡稱為壓力，表壓力為負(fù)值時稱為負(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 壓力測量彈性元件壓力測量彈性元件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，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。彈簧管具有較高測量精度，但尺寸和質(zhì)量較大，固有頻率較低，且有明顯滯后，
26、故不宜做動態(tài)壓力的測量。壓力的測量壓力的測量(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，其伸長量（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。兩個膜片邊緣對焊起來，構(gòu)成膜盒。幾個膜盒連接起來構(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。壓力的測量壓力的測量(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
27、測壓力相通時，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。壓力的測量壓力的測量(4/10)壓力測量彈性元件的結(jié)構(gòu)及其特性表壓力測量彈性元件的結(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/Hz時間常數(shù)/s最大最小動態(tài)性質(zhì)輸出特性壓力測量范圍示意圖名稱類別F(力)x(位移)pxFxpxF，xpx壓力的測量壓力的測量(5/10)彈簧管式101000105010-2多圈彈簧管1010000106010-1單圈彈簧管1010010-210-10103
28、010-3波紋管波紋管式自振頻率/Hz時間常數(shù)/s最大最小動態(tài)性質(zhì)輸出特性壓力測量范圍示意圖名稱類別xpxxpxxpx（續(xù)）壓力的測量壓力的測量(6/10)9.3.2 壓力測量裝置壓力測量裝置l 壓力測量裝置類型 壓力測量裝置簡稱壓力計或壓力表，按轉(zhuǎn)換原理的不同，可以分為液柱式壓力計、彈性壓力計和電氣壓力計等。液柱式壓力計是依據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度的壓力計。它被廣泛應(yīng)用于表壓力和真空度的測量中。彈性壓力計是利用彈性元件受壓后所產(chǎn)生的彈性變形來測量壓力。它包括彈簧管壓力計、波紋管壓力計和薄膜式壓力計。電氣壓力計是將被測壓力通過機(jī)械和電氣元件轉(zhuǎn)換成電量來測量壓力。它包括應(yīng)變式壓
29、力計、電容式壓力計、電感式壓力計和霍爾式壓力計。壓力的測量壓力的測量(7/10)l 彈簧管壓力計 被測壓力由接頭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作逆時針偏轉(zhuǎn)，從而使中心齒輪4帶動同軸的指針5作順時針偏轉(zhuǎn)，在標(biāo)尺板6上指示出被測壓力的數(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用來改變壓力計的量程。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。壓力的測量壓力的測量(8/10)l 壓阻式壓力計 硅壓阻式壓力計由外殼、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)散摻雜法做成四個相等的電
30、阻，接成全橋，并用引線引出。四個電阻中，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，膜片上各點產(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。壓力的測量壓力的測量(9/10)l 壓電式壓力計 壓電式力傳感器在裝配時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，避免受沖擊時因有間隙晶片損壞，并提高傳感器的固有頻率?；钊綁弘娏鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)圖壓電式壓力傳感器對溫度變化較為敏感，須進(jìn)行補償：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)溫度變化時補償片的線膨脹可以彌補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。壓力的測量壓力的測量(10/10)
測試技術(shù) 9 力、扭矩、壓力的測量
