應變力和轉矩測量

1、重點：試件在軸向拉伸(壓縮)、彎矩載 荷作用下，應變片的布置和接橋 方法 難點：力、扭矩的測量方法。 第1頁/共74頁 第2頁/共74頁 機器人握力測量 第3頁/共74頁 第4頁/共74頁 第5頁/共74頁 系統(tǒng)接線調(diào)試 現(xiàn)場安裝扭矩轉速傳感器 用筆記本電腦在線采集數(shù)據(jù) 第6頁/共74頁 第一節(jié) 應變、應力的測量 第7頁/共74頁 應用電阻應變片和電阻應變儀測定 構件的表面應變，然后根據(jù)應變和應力 的關系式，確定構件表面應力狀況。 第8頁/共74頁 如圖9-1所示。 第9頁/共74頁 應變測量裝置也稱電 阻應變儀。 工作頻率 f =0, 或 f 變化緩慢、 變化后能穩(wěn)定下來的應變。 第10頁/

2、共74頁 以靜態(tài)應變?yōu)橹?，或測200Hz以 下的低頻動態(tài)應變。 第11頁/共74頁 工作頻率：02000Hz,個別可達10kHz。 第12頁/共74頁 工作頻率：020000Hz的動態(tài)過程， 以及爆炸、沖擊等瞬態(tài)變化過程 第13頁/共74頁 應變儀中多采用交流電橋，電源以載波頻 率供電，四個橋臂均為電阻組成，由可調(diào)電容 來平衡分布電容。由式（43）知電橋輸出電 壓為： 1324 0 1234 ()() y R RR R uu RRRR 第14頁/共74頁 當四個電阻均產(chǎn)生電阻變化當四個電阻均產(chǎn)生電阻變化R1R4， R1=R2=R3=R4=R，且且RR，忽略忽略R高高 次項：次項： 03124

3、() 4 y uRRRR u RRRR 0 1234 () 4 g u s 第15頁/共74頁 據(jù)第四章可知應變儀電橋的工作方式 和輸出電壓為： g Su0 4 1 y u輸出電壓輸出電壓 g Su0 2 1 g Su0 1 R 21、R R 4321 、R、R、RR 單 臂雙 臂四 臂 工作方式 應變片所在橋臂 第16頁/共74頁 二、二、應變片的布置和接橋方法應變片的布置和接橋方法 由于應變片粘貼于試件后，所感受的 是試件表面的拉應變或壓應變，應變片的布 置和電橋的連接方式應根據(jù)測量的目的、對 載荷分布的估計而定，這樣才能便于利用電 橋的和差特性達到只測出所需測的應變而排 除其他因素干擾的

4、目的。 第17頁/共74頁 布片和接橋應符合下列原則：布片和接橋應符合下列原則： 在分析試件受力的基礎上選擇主應力最大點 為貼片位置； 充分合理地應用電橋和差特性，只使需要測 的應變影響電橋的輸出，且有足夠的靈敏度和 線性度； 使試件貼片位置的應變與外載荷成線性關系。 第18頁/共74頁 （一）拉（壓）載荷的測量 第19頁/共74頁 1、試件受力狀態(tài)圖 受力 不受力，作補償用 電橋接法： 電橋輸出電壓： gy Suu 0 4 1 拉（壓）應變： i 機械應變 指示應變 特點： 1、不能消除彎矩的影響 2、能補償溫度的影響 第20頁/共74頁 2、 試件受力狀態(tài)圖 電橋接法： 電橋輸出電壓： 1

5、 4 1 0gy Suu 拉（壓）應變： 1 i 都受力，互為補償 特點： 1、不能消除彎矩的影響 2、能補償溫度的影響 3、輸出電壓提高到（1+ ） 第21頁/共74頁 3、試件受力狀態(tài)圖 電橋接法： 電橋輸出電壓： gy Suu 0 4 1 拉（壓）應變： i 特點： 1、可以消除彎矩的影響 2、能補償溫度的影響 串聯(lián)消除彎矩 第22頁/共74頁 4、試件受力狀態(tài)圖 電橋接法： 電橋輸出電壓： gy Suu 0 2 1 拉（壓）應變： 2 i 特點： 1、可消除彎矩的影響 2、輸出電壓提高一倍 3、能補償溫度的影響 第23頁/共74頁 5、試件受力狀態(tài)圖 電橋接法： 電橋輸出電壓： 拉（壓

6、）應變： 1 4 1 0gy Suu 1 i 特點： 1、能消除彎矩的影響 2、能補償溫度的影響 3、輸出電壓提高到（1+ ）倍 第24頁/共74頁 6、試件受力狀態(tài)圖 電橋接法： 電橋輸出電壓： 拉（壓）應變： 12 i 特點： 1.能消除彎矩的影響 2.能補償溫度的影響 3.輸出電壓提高到2（1+ ）倍 1 2 1 0gy Suu 第25頁/共74頁 例8-1：圖1所示的圓柱型元件上作用有拉力F 和彎矩M： 如何布片和接橋可僅測出拉力F，并消除M和 溫度的影響（可另設補償片）？ 寫出電橋輸出電壓的公式； 圖 1 第26頁/共74頁 （二）（二）彎曲載荷的測量彎曲載荷的測量 0 4 yg u

7、 us i 特點：不能消除拉（壓）的影響，另設溫 度補償片。 半橋2片 第27頁/共74頁 1 0 2 0 ()00 4 2 yg g u us u s 特點：輸出電壓提高1倍，可消除拉（壓）影 響，另外，溫度互為補償 第28頁/共74頁 四片半橋或全四片半橋或全 橋橋 0 12 0 ()00 4 2 yg g u us u s 特點：輸出電壓提高1倍，能消除拉（壓）影響，溫度互為補償?；蛘咻敵鲭妷?提高到4倍，能消除拉（壓）影響，溫度互為補償。 第29頁/共74頁 0 1234 0 ()() 4 /4 yg g i u us u s 第30頁/共74頁 圖 3 例 8 - 2 ： 如 圖 3

8、 所 示 ， 懸 臂 梁 彈 性 模 量 ,貼片處的抗彎截面系 數(shù) ，應變片 ，現(xiàn)用儀器 測得P力作用的指示應變?yōu)?000 ，求P力 的大小。 a PE 10 1020 36 102mW 21 RR 第31頁/共74頁 （三）彎曲、拉（壓）聯(lián)合作用時的（三）彎曲、拉（壓）聯(lián)合作用時的 測量測量 可消除溫度的影響，另設溫度補償片 。 gy Suu 0 4 1 i 第32頁/共74頁 測彎曲測彎曲 0 1 2 yg uu s /2 i 可消除拉（壓）力影響，溫度互為補償 。 第33頁/共74頁 ( (四四) )剪力的測剪力的測 量量 剪力不能使應變 片的電阻絲發(fā)生伸 長或縮短的變形， 即不能產(chǎn)生電

9、阻的 變化，故不能直接 測量剪力。 但在一懸臂梁上作用一力P，則此力引起各截 面的橫截面上的橫剪力是相等的，即Q=P。 第34頁/共74頁 MPLQLWE WE Q L 顯然，測出的剪力Q與L有關，作用點改 變（L變化）即影響測量結果，且有些情況，L 值無法量得，故可： 第35頁/共74頁 121212 ()()MMQ LLWE 12 12 () WE Q LL Q與（1-2）成正比，而將R1、R2接成的電橋，其輸出也與1-2成正比， （即和兩斷面的應變差成正比）。 式中為兩截面的彎曲應變差。 gy Suu 0 4 1 i 111 WEQLM 222 WEQLM 第36頁/共74頁 L1-L2

10、之值容 易測取，且P力 和作用點無關， 此法在實際中應 用最廣。 測切削力 測中耕鏟阻力 第37頁/共74頁 圓軸扭矩時 與軸線成450 的方向為主 應力方向。 兩互相垂直的主應力符號相反，絕對值相等： 31 主應力值等于最大剪應力 m 第38頁/共74頁 那么，在與軸線成450方向上貼一應變片，即可 測得此處的應變，據(jù)廣義虎克定律 。 那么最大剪應力： max 1 E 1 E 第39頁/共74頁 扭應變 i 測扭矩，不能消除彎曲及拉（壓）影響，另設溫度補償。 0 4 yg u us 而扭矩 max 1 k E MWW 扭扭 抗扭截面系數(shù) 3 16 D W 扭 第40頁/共74頁 00 12

11、()00 42 ygg uu uss 消除拉（壓）影響測扭矩，但不能 消除彎曲影響，溫度互為補償。 /2 i 第41頁/共74頁 0 12340 ()() 4 ygg u usu s /4 i 能消除拉（壓）及彎曲影 響，僅測扭轉。溫度互為補償。 第42頁/共74頁 三、在平面應力狀態(tài)下主應力的測定三、在平面應力狀態(tài)下主應力的測定 采用應變在測出某點三個方向的應變， 可用公式計算其大小與方向。 第43頁/共74頁 四、四、提高應變測量精確度的措提高應變測量精確度的措 施施 可計算線性 度、靈敏度、回 程誤差（第二章. 第二節(jié)）擬合直 線等。 第44頁/共74頁 采用屏蔽線接地；工作片與補償片導

12、線電 阻相等。 一般測試系統(tǒng)的導線10m，若超過10m應 修正靈敏度（現(xiàn)場標定），或應變片靈敏度為： R應變片電阻值 R0導線電阻 0 RR RSg 第45頁/共74頁 溫度自補償片 電路補償 補償片與工作片的參數(shù)一致； （sg靈敏度系數(shù) 溫度系數(shù)等） 粘貼在同一試件上（線膨脹系數(shù)一致 則產(chǎn)生 R一致）； .在同一溫度環(huán)境下工作； 滿足以上3條件，則熱輸出一樣，所引起的Rt接于相鄰臂則消除溫度 的影響。 第46頁/共74頁 減少貼片誤差； 應變片工作條件應與額定條件一致； 排除現(xiàn)場的電磁干擾。 如接地不良；導線間的靜電感應、互 感、漏電等；附近的強磁場干擾等。 第47頁/共74頁 五、測點的選

13、擇五、測點的選擇 進行受力分析，找出危險截面與位置； 應力集中處可布點； 均勻布置57個測點，尋找應力分布規(guī)律； 利用結構與載荷的特點，減少測點數(shù)目 （如對稱）； 在不受力處布點，來驗證、監(jiān)視測試過程。 第48頁/共74頁 第二節(jié)第二節(jié) 力的測量力的測量 第49頁/共74頁 通過測量在被測力作用下，其彈性元 件的變形或應變來測得被測力。 第50頁/共74頁 利用彈性元件的彈性變形和作用力成 正比的現(xiàn)象。 第51頁/共74頁 可簡化為可簡化為P160P160圖圖7 71 1 （即基座靜止，若基座運動，（即基座靜止，若基座運動， 則是加速度計則是加速度計圖圖7 72 2）。）。 第52頁/共74頁

14、 輸出電壓提高到 2（1+）倍，能 消除彎矩影響，溫 度互為補償。 （一）電阻應變片式力傳感器 12 12 4 4 0 0 i g gy S u S u u 第53頁/共74頁 輸出電壓提高到4倍， 能消除x、y方向的力， 溫度互為補償。 4 4 0 0 i g gy Su S u u 第54頁/共74頁 F 作用在球面墊上彈性元件2變形 鐵心相對線圈發(fā)生位移由差動變壓器輸 出的電信號測得F。 作用力壓電晶片變形產(chǎn)生電荷（P191 圖86 ）。 第55頁/共74頁 （四）壓磁式力傳感器（四）壓磁式力傳感器 某些鐵磁材料（如硅鋼片），在受外力作 用后，其內(nèi)部產(chǎn)生了機械應力，從而引起導 磁系數(shù)的變

15、化，此種現(xiàn)象稱作“壓磁效應”， 壓磁力傳感器就是利用壓磁效應工作的。 第56頁/共74頁 傳感器的原邊繞組（勵磁繞組）和副邊繞 組（測量繞組）互相垂直地安裝在導磁體中， 原邊繞組通過交流電。當不受力時，原邊繞組 的磁力線呈對稱分布，且不與副邊繞組相交鏈， 此時副邊繞組不產(chǎn)生感應電勢（圖87.b）。 第57頁/共74頁 當受力時，材料的導磁率發(fā)生變化，使磁力線 分布發(fā)生變化，磁力線與副邊繞組相交鏈，在副 邊繞組中感應電勢，電勢的大小正比于外力的大 小，測得該感應電勢便知與之成比例的外力。 輸出 電勢大， 可不用 放大器。 第58頁/共74頁 三、空間力系測量裝三、空間力系測量裝 置置 見P190

16、圖83 與此同原理 第59頁/共74頁 力的作用點不能偏離矩形梁的中心，以免形成彎矩。 見P190圖84 ，與此測法同理，只是截面為矩形。 第60頁/共74頁 八角環(huán)測三分力：八角環(huán)測三分力： 圖89c)布片可測Fy、 Fx； 圖89d)與圖810可 測Fy、Fx、FZ三分力。 第61頁/共74頁 撓性支承件的測力架 第62頁/共74頁 支承件與傳感器組成一體，1、2、3安裝在一 較大三角形的頂點；4、 5、6安裝在另一較小三角形的三條邊上，被測件固定在中心處。 被測件所產(chǎn)生的力，將從安裝板通過6個傳感器和撓性支承件傳遞到剛性 基座上。測力架可簡化為圖811c.P194的力系，據(jù)力傳感器的數(shù)據(jù)

17、和安裝板 的幾何尺寸，可用（88）公式計算各分力和力矩。 第63頁/共74頁 由三對不同切型的壓電晶片組成：一對為縱 向壓電效應，測Z向力；另外2對具有橫向壓電 效應，且方向互相垂直，分別測x和y向力。 該傳感器將作用力自動分解為互相垂直的三 分力。 壓電式三分力傳感器 第64頁/共74頁 第三節(jié)第三節(jié) 扭矩的測量扭矩的測量 第65頁/共74頁 圓軸扭轉時，在扭矩M作用下，其表面的 W抗扭截面模量 W M G剪切彈性模量 GW M G 第66頁/共74頁 相距L的兩個斷面之間產(chǎn)生相對扭矩轉角： 由上述公式可見，、或與扭矩M成 正比，扭矩的測量則是通過這兩個參數(shù)的 測量來達到目的。 J極慣性矩

18、M GJ L 第67頁/共74頁 振弦式 光電脈沖式 磁電脈沖式 電阻應變式 壓磁式 相位差式 第68頁/共74頁 三、電阻應變式三、電阻應變式 在軸的某一點上沿軸線成450和 1350的方向貼片（P196圖814）并 接入電橋，從電橋的加減特性可知， 應變儀的讀數(shù)就是剪應變值，再據(jù) 標定曲線就可換算得扭矩值。 其信號傳輸可用電刷滑環(huán)集流裝置（即集流環(huán)）；或用無線傳輸。 第69頁/共74頁 四、壓磁式四、壓磁式（圖（圖8 81515） 利用鐵磁材料制成轉軸，受扭 后應力導致磁阻變化的現(xiàn)象來測扭 矩。 兩個繞有線圈的鐵心A和B相 互垂直放置，其開口端距被測軸表 面12mm間隙。A線圈通以交流電，

19、 形成通過轉軸的交變磁場。 第70頁/共74頁 轉軸不受扭，磁力線與B線圈不交鏈；轉 軸受扭矩作用后，應力的變化使部分磁力線 與B線圈交鏈，并在其中產(chǎn)生感應電勢，該 感應電勢與扭矩成正比關系。 非接觸測量。 第71頁/共74頁 在 扭 矩 的 作 用 下 兩 斷 面 產(chǎn) 生 相 對 轉 角 ， 兩 斷 面 的 信 號 則 產(chǎn) 生 一 相 位 差 M （ 、 又 ） 據(jù) 可 測 的 M 。 在扭矩的作用下兩斷面產(chǎn)生相對轉角 ，兩 斷面的信號則產(chǎn)生一相位差 M （ 、又 ）據(jù) 可測的 M 。 M M 第72頁/共74頁 無扭矩作用， 兩光柵盤開度一定， 無相位差； 受扭矩作用，軸的扭轉變形使兩光柵盤轉過角度，因而信號產(chǎn)生相 位差 ，由 可測出扭矩的大小。若安裝時有初始相位差0 ，應扣除 0 。 第73頁/共74頁 六、六、磁電式磁電式 3、4繞有線圈的磁鐵）磁電式檢測頭；2齒輪 在軸的兩端安裝有兩個相同的齒輪，在齒輪上方分別有兩個相同的磁 電式檢測頭。不受扭矩時，兩線圈輸出信號有一初始相位差；受扭后，兩 線圈輸出信號則產(chǎn)生一相位差 ，其大小與相對扭轉角、扭矩M成正比 ( ) ，因為 又 。 M M 第74頁/共74頁 系統(tǒng)接線調(diào)試