測試技術(shù)7力壓力和位移測量

1、機械工程測試技術(shù) 力、壓力和位移測量（2）第七章內(nèi)容 1、力傳感器及其測量技術(shù)2、流體壓力傳感器及其測量技術(shù)3、位移傳感器及其測量技術(shù)重點：掌握各種常見的力、壓力和位移測量方法 力物體對物體的作用：物體變形；物體運動 單位：牛頓（N）、千牛（kN）、公斤（kg）1 kg 9.8 N分類：靜力、動態(tài)力應(yīng)用：稱重、應(yīng)變、扭矩1、力測量應(yīng)變式 柱式及筒式測力傳感器結(jié)構(gòu)敏感元件彈性柱/筒 力作用在軸向產(chǎn)生變形轉(zhuǎn)換元件應(yīng)變片轉(zhuǎn)換電路電橋工作方式：受壓式、受拉式力的作用點或方向造成橫向力-產(chǎn)生附加彎矩-造成測力誤差 采用徑向剛度大大高于軸向剛度的橫向定位膜片特點:體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡單、可以承受很大的

2、載荷1、力測量1彈性柱（筒） 2應(yīng)變片3橫向定位膜片 4傳感器體應(yīng)變式 剪切梁式測力傳感器結(jié)構(gòu)敏感元件剪切梁 受力F作用，在梁的切向產(chǎn)生剪切力（沿梁的方向等強度分布） 切應(yīng)力與梁的中心軸線成45方向有拉伸和壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)換元件應(yīng)變片 貼在梁側(cè)面與中心軸成45度并相互垂直的位置上轉(zhuǎn)換電路電橋 R1、R3受拉伸增加；R2、R4受壓縮減小全橋測量特點：體積小、結(jié)構(gòu)簡單、線性好、測量精度高1、力測量FR1(R3) R2(R4)剪切力壓電式 動態(tài)力傳感器結(jié)構(gòu)敏感元件彈性膜片 受力F作用，彈性膜片傳遞力轉(zhuǎn)換元件壓電元件 轉(zhuǎn)換電路 電壓放大器受頻率以及電纜影響，一般精度測量 電荷放大器幾乎不受電纜長度影響，高精

3、度測量1、力測量壓電元件傳感器體彈性膜片電極引線F壓電式 動態(tài)力傳感器應(yīng)用電荷泄漏不可用于靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)信號的測量 （頻率下限由后續(xù)放大器性質(zhì)決定）減小電纜的影響固定好傳感器的引出電纜選用低噪聲的同軸電纜 接地問題 消除接地回路：絕緣連接、單點接地轉(zhuǎn)換電路1、力測量錯誤 正確 在振動最小點離開試件 測力裝置的動態(tài)測量動態(tài)誤差負(fù)載效應(yīng)：改變/影響了被測體狀態(tài)，造成力測量的誤差 直接利用被測系統(tǒng)的構(gòu)件作為測力裝置的彈性元件測量裝置阻尼力及慣性力的影響（彈性質(zhì)量） 測量裝置為二階系統(tǒng)，其頻率特性不滿足不失真測量 在整個頻率范圍內(nèi)進(jìn)行全面標(biāo)定和校準(zhǔn)1、力測量測力裝置的動態(tài)測量交叉干擾多向測力，相互影響精

4、心設(shè)計彈性元件，使變形合理正確選擇應(yīng)變片粘貼部位利用修正來減小交叉干擾頻率特性校準(zhǔn)1、力測量LC05系列產(chǎn)品測量動態(tài)、短期靜態(tài)的振動和沖擊力，機械結(jié)構(gòu)的拉伸和壓縮力與激振器配合，能夠測量和控制激振力與加速度、速度傳感器配合，可測量機械阻抗1、力測量流體壓強單位面積上所受到的流體作用力，即垂直作用力/面積 工程上則習(xí)慣于稱其為“壓力”單位：Pa(帕、N/m2 ) 、兆帕（MPa）應(yīng)用：氣壓、液/油壓2、流體壓力測量U形管壓力計測量技術(shù)原理：壓力平衡U形管定量工作液體若一端通壓力（或大氣）P0，另一端接被測壓力P h為兩側(cè)的液面差值,為重度（密度x g重力加速度） 被測介質(zhì)（如氣體）重度遠(yuǎn)小于工作

5、液體的重度：2、流體壓力測量1工作液體2被測介質(zhì)1越小，h就越大,說明選用密度較小的工作液體，可以提高壓力計的靈敏度。 U形管壓力計測量技術(shù)精度：取決于刻度及讀數(shù)的方式一般U形管壓力計讀數(shù)刻度的最小單位是1mm配備光學(xué)讀數(shù)裝置，提高讀數(shù)精度適用范圍測量低壓負(fù)壓或壓差優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉缺點:玻璃管易破碎、體積偏大、讀數(shù)不方便 2、流體壓力測量1工作液體2被測介質(zhì)U形管壓力計測量技術(shù)誤差環(huán)境條件的影響讀數(shù)標(biāo)尺因溫度變化會膨脹或收縮工作液體比重也會受當(dāng)?shù)販囟群椭亓铀俣鹊挠绊懓惭b的影響：自由懸掛毛細(xì)管現(xiàn)象的影響管內(nèi)的毛細(xì)現(xiàn)象:將使液柱產(chǎn)生附加的升高或降低，其值取決于工作液的種類、溫度

6、及管子內(nèi)徑要求所用液柱管的內(nèi)徑不能太細(xì)讀數(shù)方面的影響由于液體與固體間表面張力的影響，玻璃管中水銀柱液體是凸起的，而水面則是下凹的讀數(shù)時，應(yīng)注意從凸面或凹面的頂點算起2、流體壓力測量斜管微壓計結(jié)構(gòu)： U形管的垂直管傾斜到夾角，放大了讀數(shù)精度：讀數(shù)最小單位是0.1mm適用范圍：專供測量微小壓力的實驗用儀器 2、流體壓力測量實際應(yīng)用時可以改變，越小，靈敏度越高液面拉得也越長，會影響讀數(shù)的準(zhǔn)確性，并且太小會使壓力測量范圍過小一般不小于150 彈性式壓力計：波登管、膜片、波紋管波登管:指針式壓力計的彈性敏感元件橫截面為空心橢圓形或扁圓形的金屬管通入有一定壓力的流體時，管內(nèi)外的壓力差迫使管截面趨于圓形，導(dǎo)

7、致波登管封閉的自由端產(chǎn)生線位移或角位移橫截面縱橫直徑比愈大，波登管靈敏度越高，但強度降低優(yōu)點是：測量精度高，可測兆帕級壓力缺點是：尺寸大，固有頻率較低，不宜作為動態(tài)測量2、流體壓力測量彈性式壓力計：波登管、膜片、波紋管膜片:中低壓壓力計的敏感元件在壓力作用下，迫使膜片產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形位移借助連桿組經(jīng)傳動機構(gòu)的傳動并予放大齒輪指針在膜片表面粘貼應(yīng)變片來感測其表面應(yīng)變平膜片:周邊固定的彈性膜片,最低階固有頻率與膜片厚度、膜片半徑、膜片材料的密度、彈性膜量等許多因素有關(guān)波紋膜片和膜盒：靈敏度高2、流體壓力測量彈性式壓力計：波登管、膜片、波紋管波紋管:指針式壓力計的彈性敏感元件在壓力作用下，迫使波紋

8、管軸向產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形位移特點：在較低的壓力下得到較大的變位，靈敏適用介質(zhì)：液體，空氣，天然氣及相容氣體 黃銅波紋管、不銹鋼波紋管2、流體壓力測量動態(tài)流體壓力測量應(yīng)變式彈性元件：懸鏈膜片、平膜片等轉(zhuǎn)換元件：采用應(yīng)變片來感受彈性元件受壓后的局部變形轉(zhuǎn)換電路：電橋常用應(yīng)變式壓力傳感器懸鏈膜片-應(yīng)變筒式平膜片式2、流體壓力測量動態(tài)流體壓力測量應(yīng)變式:SPTA系列2、流體壓力測量敏感元件采用合金材料與箔式自補償應(yīng)變片組成全橋電路，內(nèi)裝高精度、低噪聲、低漂移集成放大器輸出信號可達(dá)5V,可解決小信號的遠(yuǎn)距離傳輸精度高，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便適用于氣體，液體及腐蝕介質(zhì)的靜態(tài)及緩變壓力參數(shù)的測量壓力范

9、圍00.5; 0.6; 0.8; 1; 3; 6; 10; 15; 20; 25; 60MPa輸出電壓1V; 3V; 5V系統(tǒng)精度0.10.3%F.S零點溫漂0.10.3%F.S/10靈敏度溫漂0.10.3%F.S/10供電電壓15VD.C工作環(huán)境溫度-40+90過載能力120%重量約130克負(fù)載阻抗10K動態(tài)流體壓力測量壓阻式彈性元件：單晶硅平膜片轉(zhuǎn)換元件：沿一定晶軸方向擴散著一些長條形電阻應(yīng)變片轉(zhuǎn)換電路：電橋特點：靈敏度比一般金屬應(yīng)變片高的多 2、流體壓力測量動態(tài)流體壓力測量壓電式彈性元件：膜片式轉(zhuǎn)換元件：壓電元件轉(zhuǎn)換電路：電荷放大器傳感器有很高的固有頻率2、流體壓力測量膜片壓電元件引線壓

10、力殼體絕緣電極動態(tài)流體壓力測量壓電式： 63012、流體壓力測量測量液體、氣體的緩變和速變壓力主要技術(shù)指標(biāo)壓力范圍：6Mpa 最大壓力：10MPa 靈 敏 度：210-4pC/Pa非線性度：1% 滿量程遲 滯：0.5% 滿量程諧振頻率：125kHz上升時間：2.4s電 容：8pF絕緣電阻：1012溫度范圍：-196+200重 量：24.5g動態(tài)流體壓力測量壓電式：AK系列2、流體壓力測量采用外殼和膜片為一體的圓膜片結(jié)構(gòu)頻響高，精度高，性能穩(wěn)定可靠適用于各種動、靜態(tài)，氣、液體介質(zhì)的壓力測量尺寸小，安裝方便連接螺紋：M201.5最小外形尺寸10 壓力傳感器標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定：確定傳感器的靜態(tài)指標(biāo)靈敏度非

11、線性度、重復(fù)性精度量程動態(tài)標(biāo)定頻率響應(yīng)特性2、流體壓力測量壓力傳感器標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定儀器：標(biāo)準(zhǔn)活塞壓力計 以作用在某一確定面積上的已知重力來平衡被測壓力的 確定的柱塞面積、精確的標(biāo)準(zhǔn)砝碼2、流體壓力測量砝碼H柱塞壓力計油杯標(biāo)定傳感器壓力油缸手輪柱塞座閥門油缸活塞工作原理被標(biāo)定：壓力計、傳感器油杯手輪油缸活塞充油砝碼手輪H砝碼/標(biāo)準(zhǔn)壓力（確定面積上的已知重力）高精度：0.02、0.05、0.2、0.5寬量程：標(biāo)準(zhǔn)砝碼壓力傳感器標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定應(yīng)變式、壓阻式壓力傳感器均勻、逐步加載和卸載加砝碼時要避免因沖擊引起的壓力值的過沖滯后特性壓電式壓力傳感器 測量系統(tǒng)具有足夠高的絕緣電阻，以防止電荷的泄露 為提高標(biāo)

12、定精度，標(biāo)定過程中采用快速卸載法 2、流體壓力測量壓力傳感器標(biāo)定動態(tài)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)激勵信號 周期函數(shù)：如正弦波、三角波等 以正弦波為常用，如正弦壓力信號發(fā)生器低壓、低頻率瞬變函數(shù)：如階躍波、半階躍波等 以階躍波最常用，適用于高頻范圍標(biāo)定2、流體壓力測量壓力傳感器標(biāo)定動態(tài)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)激勵信號：激波管裝置 2、流體壓力測量激波管高壓管段壓力表 膜片低壓管段高壓氣源 刺膜機構(gòu)觸發(fā)點 傳感器觸發(fā)點工作原理被標(biāo)定：傳感器高壓氣源激波管高壓管段壓力表形成一定的壓力刺膜機構(gòu)膜片音速激波低壓管段傳感器階躍激勵階躍壓力波：10MPa3、位移測量位移物體移動的距離 微小移動距離：毫米納米單位：mm(毫米) 、 m (微米)

13、傳感器類型電感式傳感器渦流式傳感器電容式傳感器電感式傳感器(單邊)差動變壓器結(jié)構(gòu)：2組線圈、一根鐵芯 線圈1通入交變電流i(t)，在線圈附近空間產(chǎn)生磁通，通過耦合，從而在線圈2產(chǎn)生感生電壓U2，則 M21是兩線圈之間的互感和鐵芯的位置有關(guān)當(dāng)鐵心在兩個線圈的孔中左、右移動時，u2隨之變化，但是與x之間的關(guān)系呈現(xiàn)非線性，靈敏度也低實用中常采用雙邊差動變壓器結(jié)構(gòu)改善其非線性3、位移測量u2i(t)M21N1N2電感式傳感器雙邊（三段式）差動變壓器結(jié)構(gòu)：初級線圈、完全對稱的反極性串聯(lián)的次級線圈、銜鐵次級開路時輸出：與鐵心位移、速度成正比3、位移測量初級鐵芯骨架絕緣桿u2i(t)M21N1N2電感式傳感

14、器雙邊（三段式）差動變壓器雙邊差動變壓器特性曲線 缺點：一個輸出，對應(yīng)兩個輸入 改善：后接相敏檢波器線性度：非線性度可達(dá)到0.1用途：小位移1020mm優(yōu)點：輸出功率大，性能穩(wěn)定 精度高 3、位移測量理論實際x0零點UT 殘余電壓Uoxo電感式傳感器二段式差動變壓器大位移測量：數(shù)百毫米結(jié)構(gòu)：激勵線圈 2x感應(yīng)線圈鐵芯 在中心位置： 感應(yīng)電壓等值反向 激勵電流以及輸出電壓：3、位移測量輸出：ucd感應(yīng)線圈L感應(yīng)線圈R鐵芯外殼滑動支架勵磁速度(低頻) 位移(載波) 速度(載波) 電感式傳感器二段式差動變壓器大行程測量儀結(jié)構(gòu)圖 第一個分量是低頻信號，其頻率與v相同，可用于測量速度第二個分量是調(diào)幅信號

15、（正比于位移x），可作為位移測量信號 第三個分量是調(diào)幅信號（正比于位移v），相差90，相敏濾去3、位移測量國產(chǎn)差動變壓器傳感器主要技術(shù)參數(shù)3、位移測量型號量程（mm）線性度（）分辨力（m）靈敏度DC(mv/mm)輸出DC(v) 1型010.516000.6 5型0 5、0100.826003 10型0 10、0200.8103003 15型0 15、0301101001.5 30型0 30、0601202708 50型0 50、01001201508 200型0 200、04001305010渦流式傳感器工作原理結(jié)構(gòu)：變壓器-變互感 原邊激勵線圈 次邊輸出短路的一匝/環(huán)路 間隙控制互感/耦合電

16、渦流線圈等效阻抗 Z=R+jL Z=f（i1、f、t、 ） Z和距離 、導(dǎo)體、t有關(guān)3、位移測量導(dǎo)體渦流式傳感器工作原理諧振電路 C1諧振電容 L、R等效電感及電阻 諧振頻率以及阻抗 ，互感為0，Zab峰值最大，Zab峰值降低（回路失諧） 12 阻抗下降（a、b）3、位移測量鐵磁材料：導(dǎo)磁率大大于空氣的材料（鐵氧體、釹鐵硼，釤鈷）非磁材料：銅、鋁渦流式傳感器測量系統(tǒng)靈敏度取決于：被測面材料、被測面形狀標(biāo)定優(yōu)點：非接觸測量 、線性好，工作范圍寬，分辨率小缺點：靈敏度稍低于電容式傳感器3、位移測量 UoR L晶 體 振蕩器濾波放大檢波 C1 Ue Ux渦流式傳感器3、位移測量一體化電渦流位移/振動

17、傳感器（內(nèi)置前置器） 常用的渦流探頭前置器渦流式傳感器渦流傳感器:3300傳感器量程 0.252.3mm靈敏度 7.87V/mm頻響 010 kHz 精度 4線性 0.0254mm 供電 -24Vdc,12mA 溫漂 10(22177)3、位移測量渦流式傳感器eddyNCDT 3300 電渦流位移傳感器線性量程: 2 mm絕對誤差: 0.25 % FSO分辨率: 0.005 % FSO頻率響應(yīng): 25 kHz (- 3 dB)探頭適用溫度：- 50 至 +1503、位移測量渦流式傳感器3、位移測量EX-V 系列數(shù)字位移感應(yīng)傳感器高速：采樣頻率40kHz高精度：線性修正模擬輸出：5V電容式傳感器測量電路:3種調(diào)頻運放3、位移測量調(diào)幅UsUo電容傳感器固定電容電容式傳感器特點結(jié)構(gòu)簡單，配合適當(dāng)?shù)臏y量電路，可得到較大的靈敏度工作頻率高，適于對變化速率高的位移進(jìn)行測量如果把被測件作為一個極板片，可以實現(xiàn)非接觸式測量3、位移測量電容式傳感器非接觸DWC型電容式位移傳感器線性量程:5/10/50/100/