力扭矩壓力的測量培訓講義

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物理量（彎矩、扭矩、應力、功、功率及剛度等

2、）的基本因物理量（彎矩、扭矩、應力、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，分析構件的受力狀況和工作狀通過力、扭矩和壓力的測量，分析構件的受力狀況和工作狀態(tài)，驗證設計計算，確定工作過程和某些物理現(xiàn)象的機理。態(tài)，驗證設計計算，確定工作過程和某些物理現(xiàn)象的機理。在國際單位制中，力是一個導出量，由質(zhì)量和加速度的乘積來定在國際單位制中，力是一個導出量，由質(zhì)量和加速度的乘積來定義。力的基準量取決于質(zhì)量、時間和長度的基準量。義。力的基準量取決于質(zhì)量、時間和長度的基準量。9.0 9.0 序序 (Introduction)9.1 9.1 力的測量力的測量 (Measurement of

3、 Force)9.1.0 力的測量方法力的測量方法 l靜力效應測力 l動力效應測力 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的物理效應，如壓電效應、壓磁效應等達到測力的目的。 力的靜力效應使物體產(chǎn)生變形，通過測定物體的變形量或用與內(nèi)部應力相對應參量的物理效應來確定力值。例如基準測力機等。 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 應力、應變的測量應力、應變的測量 (Measurement of Stress and Stra

4、in)l 應力、應變測量方法應力、應變測量方法應用應變片和應變儀測量構件的表面應變，根據(jù)應變和應力、力之間的關系，確定構件的受力狀態(tài)。l 電阻應變儀的分類電阻應變儀的分類靜態(tài)電阻應變儀 用以測量靜態(tài)載荷下的應變，以及變化十分緩慢或變化后能很快穩(wěn)定下來的應變； 工作頻率為0200 Hz，用以測量靜態(tài)應變或頻率在200 Hz以下的低頻動態(tài)應變；靜動態(tài)電阻應變儀動態(tài)電阻應變儀 工作頻率為02 000 Hz，用以測量2 000 Hz以下的動態(tài)應變；超動態(tài)電阻應變儀 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)應變。力的測量力的測量 (2/23)l 應變片布片和組橋方法應變片

5、布片和組橋方法在應變儀中，電橋?qū)⒈粶y應變轉(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 ，且只考慮微應變，則：)(44321ioRRRRRRRRuu如果各橋臂應變片的靈敏度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 應變片的靈敏度；ui 供橋電壓； 被測件的泊松比； r 應交儀讀數(shù)，即指示應變； 所要測量的機械應變值

6、。n 拉伸（壓縮）應變測量 序號受力狀態(tài)簡圖應變片數(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變值特點電橋形式電橋接法12半橋式R1與R2同溫拉(壓)應變r 不能消除彎矩的影響22互為補償拉(壓)應變 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 應變片的靈敏度；ui 供橋電壓； 被測件的泊松比； r 應交儀讀數(shù)，即指示應變； 所要測量的機械應變值。序號受力狀態(tài)簡圖應變片數(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變值特點電橋形式電橋接法34

7、半橋式R1R2 R1 R2四片同溫拉(壓)應變r可以消除彎矩的影響44全橋式拉(壓)應變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 應變片的靈敏度；ui 供橋電壓； 被測件的泊松比； r 應交儀讀數(shù)，即指示應變； 所要測量的機械應變值。序號受力狀態(tài)簡圖應變片數(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變值特點電橋形式電橋接法54半橋式互為補償拉(壓)應變 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力的測量力的測量 (6/23)n 彎曲應變測量 表中符號說明：Sg 應變片的靈敏度；ui 供橋電壓； 被測件的泊松比； r 應交儀讀數(shù)，即指示應變； 所要測量的機械應變值。序號受力狀態(tài)簡圖應變片數(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同溫彎曲最大應變r 不能消除拉伸的影響22互為補償彎曲最大應變 輸出電壓提高到(1+)倍，不能消除拉

9、伸的影響)1 (41gioSuuabcR1R2gio41Suu )1 (rMMR1R2R1R2MMR2R1力的測量力的測量 (7/23)表中符號說明：Sg 應變片的靈敏度；ui 供橋電壓； 被測件的泊松比； r 應交儀讀數(shù)，即指示應變； 所要測量的機械應變值。序號受力狀態(tài)簡圖應變片數(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力的測量力的測量 (8/23)n 扭轉(zhuǎn)應變測量 MMR1R24545(a)454513(b)abR1R2RRcd(c)gio2Suu 力的測量力的測量 (9/23)變形形式需測應變應變片粘貼位置電橋連接方法測量應變 與儀器讀數(shù)應變r間的關系備注拉壓扭組合扭轉(zhuǎn)主應變R1和R2均為工作片拉壓R1、R2 、R3、R4均為工作片n 其他復雜受力狀況下應變測量 2r1rTTFFR1R2TTFFR1R2R3R4)1 (2rabcR1R2abcR2R1R3R4abcR1R3R4R2d力的測量力的測量 (10/23)變形形式需測應變

11、應變片粘貼位置電橋連接方法測量應變 與儀器讀數(shù)應變r間的關系備注扭彎組合扭轉(zhuǎn)主應變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 電阻應變式測力裝置電阻應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。電阻應變式測力儀具有結構簡單、制造方便、精度高等優(yōu)點。

12、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。 一般將應變片對稱地貼在應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

13、軸向應變?yōu)?力的測量力的測量 (13/23)n 梁式彈性元件 Fhbll0R1R2p 等截面梁當力作用在自由端時，剛性端截面中產(chǎn)生的應力最大，而自由端產(chǎn)生的撓度最大。EbhFlE206在距離受力點為 l0的上、下表面，沿 l 向貼電阻應變片R1和R3，R2和R4貼在反面對稱位置。該處的應變?yōu)榱Φ臏y量力的測量 (14/23)FhblxR1R2b0p 等強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)生的應力是相等的，表面上任意位置的應變也相等，因此稱為等強度梁。等強度梁的各點由于應變相等，故粘貼應變片的位置要求不嚴格。在粘貼應變片處的應變?yōu)?EhbFlE206p 等截面雙端

14、固定梁EhblFE243這種梁的結構在相同力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=039.6R3R4R2R1R1R2R3R4uyuo測Fyp 圓環(huán)式在圓環(huán)上施加徑向力 Fy 時，圓環(huán)各處的應變不同，在與作用力成39.6處（圖中B點）應變等于零，稱為應變節(jié)點，而在水平中心線上應變最大。將應變片 R1、R2、R3和 R4貼在水平中心線上， R1、 R3受拉應力， R2、R4受壓應力。力的測量力的測量 (16/23)AFxA=039.6R7R8R6R5AR5R6R7R8uxuo測Fx如果圓環(huán)一側固定，另一側受切向力Fx時，與受力點成90處

15、（圖中A點）應變等于零。將應變片 R5、R6、R7和 R8 貼在與垂直中心線成39.6處， R5、R7受拉應力、 R6、R8受壓應力。當圓環(huán)上同時作用力Fx和Fy時，將應變片 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h/r較小時，零應變點在39.6附近。隨h/r值的增大，當h/r=0.4時，應變節(jié)點在45處，故一般測力Fx時，應變片貼在45處。 當測

16、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)生最大應變，應變片 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 輪輻式彈性元件 h輪轂輪輻輪緣blR1R2R1R2R3R4R4R3R3R3R2R2R1R1R4R4輻條的最大切應力及彎曲應力分別為 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電極鑄件絕緣體導體電極傳感器構造圖結構簡單，靈敏度

17、高，動態(tài)響應快，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。使用中應防止承受橫向力和施加預緊力。 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、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)生相應電信號。特點：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、應變和應力。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

19、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(1015)%。扭矩測量儀相應地可分為傳遞類、平衡力類及能量轉(zhuǎn)換類。 電阻應變片式應變型光彈式磁彈式應力型機械式振弦式電容式磁電式光電式光學式變形型傳遞類扭矩測量傳感器利用扭軸產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形角及切應變角設計而成 利用扭軸截面上的切應力與扭矩成正比的關系，以及磁性材料在機械應力作用下，其導磁性能發(fā)生相應變化的原理設計而成通過測量扭軸產(chǎn)生的與扭矩值對應的應變設計而成 扭矩的測量扭矩的測量 (2/10)9.2.1 應變式扭矩測量應變式扭矩測量 M13R2R1R3R4MR1R3R2R4ABCABCR1R3R2R4Duo轉(zhuǎn)軸受扭矩作用時，任取圖

20、示一主單元體，三個主應力：1= ，2=0，3=由胡克定律有，應變 )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 AA1234569A-A3 5 46 7 81轉(zhuǎn)軸；2應變片；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，使用時磨損嚴重，適用于低速旋轉(zhuǎn)構件的應變測量。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。其壓緊力應適當。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)速下的扭矩測量。但構件高速旋轉(zhuǎn)時，定子、轉(zhuǎn)子發(fā)熱會導致信號漂移，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 將應變電橋輸出的微弱電壓信號經(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，通過無線的方式傳送到地面上靜止的分析儀器或設備。 測量電橋信號調(diào)理電路單片機無線發(fā)射模塊無線接收模塊單片機系統(tǒng)或經(jīng)接口送入PC機扭矩的測量扭矩的測量 (6/10)應變電橋信號調(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-

22、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，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)軸材料的磁導率發(fā)生變化，沿正應力方向磁阻減小，沿負應力方向磁阻增大，使得磁力線分布改變，與 B-B 線圈交鏈，并在B-B 線圈產(chǎn)生感應電動勢。感應電動勢

23、與扭矩在一定范圍內(nèi)成線性關系，從而可測量扭矩的大小。壓磁法可以進行非接觸式測量，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備。扭矩的測量扭矩的測量 (8/10)9.2.3 磁電感應式扭矩測量磁電感應式扭矩測量 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 。當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速很高時，Z

24、可取小一些；當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速很低時，Z 可取大一些（可達幾百），以使得感應信號幅值不致太強或太弱。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 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

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，表壓力為負值時稱為負壓，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

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，導致彈簧趨向伸直，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，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，構成膜盒。幾個膜盒連接

27、起來構成膜盒組。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)腔與被測壓力相通時，內(nèi)壁均勻受壓，均勻地向外擴張。筒壁在軸向和圓周方向上的應變均與壓力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構及其特性表壓力測量彈性元件的結構及其特性表 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1010010-210-10103010-3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