应变、力和扭矩的测试讲解

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1、第三章 应变、力和扭矩的测试 应变、力和扭矩的测量在测试技术中有着广泛的应用。 与应变、力和扭矩有关的量： 应力、力矩、压力、功率、刚度等。 3.1 应变的测试 能顺顺利进进行插入作业业是因为为先测试测试 出了由棒的接触关系 而产产生的左右、上下方向的力，然后根据这这些力来调调整棒的位 置。 用来测试这个力的装置(元件)被称为力传感器。 最常用的有应变片。 应变应变 片是细细金属线线，它 伸长时电长时电 阻变变大，缩缩短时电时电 阻变变小。 力-变形-电阻 3.1.1电阻应变片的工作原理 电阻应变片是利用电阻应变效应测量应变 的传感器。 电阻应变效应，就是导体或半导体在受到 外力的作用下，会产

2、生机械形变，从而导致其 电阻值发生变化的现象。 应变： 选择应变片的材料得当,可以使应变片的输入(应变值)和它 的输出(电阻变化率)成线性关系. 单位长度上的变形。 E导体弹性模量 则：dR/R=S=（1+2） +E 由材料的几 何尺寸变化 引起的 由材料受拉、 压后电阻率发 生变化引起的 金属应变计有： 丝式 箔式 优点:稳定性和温度特性好 缺点:灵敏度系数小 金属丝式应变片结构 金属箔式应变片结构 物理因素的影响很大，沿着晶体材料的某些特定的晶轴方向施加 拉、压应力，材料的电阻率会发生显著变化，此特性称为材料的 压阻效应。 半导体应变计 半导体应变计 优点：应变灵敏度大;体积小 缺点：温度

3、稳定性和可重复性不如金属应变片 4) 应用 电 阻 式 传 感 器 应用：电子秤 原理 将物品重量通过悬臂梁转 化结构变形再通过应变片 转化为电量输出 定位传传感器 机床台上正确地固定工件很有必要。现现在有一种定位 传传感器，刀头头上装有测头测头 ，设设定测头测头 位置，当它触到工件 时时便产产生微电电流。进进行作业业的同时时，用它可以测试测试 切削状 况。 测谎测谎 器 电电极贴贴在身体某处处并施加电压电压 ，说说假话时话时 出冷汗，因 而皮肤表面电电阻变变小，电电流变变大，所以可测测出假话话。 3.1.2 测量电路电桥 电桥电 路是将电阻、电感、电容等参数的变化变 为电压 或电流输出的一种

4、变换电 路。 电桥按所采用的电源不同可分为： 直流电桥 交流电桥 1、直流电桥电桥 电桥的工作原理 下图为图为 采用直流电电源，四个桥桥臂是纯电纯电 阻的直流电桥电桥 。图图中 为为各桥桥臂电电阻。电桥电桥 的a、c两端接入直 流电电源 ui ，在另一对对角线线b、d两端输输出u0 , a、c两端称为为 电电源端，b、d两端称为输为输 出端。 当电桥输电桥输 出端后接电电阻很大的仪仪表或放大器时时，可认为认为 电桥电桥 的负载电负载电 阻为为无穷穷大，输输出端相当于开路状态态，电电流输输 出为为零，输输出端只能输输出电压电压 。此时时，电桥电桥 的输输出电压为电压为 由上式可知,若要使输出为零

5、, 即电桥平衡,应满足的条件是: 如电桥开始处于平衡状态，当各桥臂电阻发生不同的微小 变化 时，电桥就失去平衡，此时将有电压输出: 一般情况下 很小，即 ，故上式分母中 项项 和分子中 的高次项项可略去，同时时考虑电桥虑电桥 初始是平衡的 ，即 ，故有: 电桥输电桥输 出电压电压 可反映被测测量引起的电电阻变变化量。 对于最常用的全等臂电桥,由上式可得输出电压为: 根据工作时桥路中参与变化的桥臂数,电桥有半桥 单臂、半桥双臂、全桥三种测量连接方式。 设图中均为全等臂电桥,即初始时 。 下图为半桥单臂连接，当电阻 的阻值增加 时，输出 电压为： 下图为图为 半桥桥双臂连连接。工作中电桥电桥 的两

6、个桥桥 臂阻值值随被测测物理量而变变化，即 ， 及 ，当 时时，电电 桥输桥输 出: 下图为全桥接法。工作中四个桥臂阻值随被测物理量而变化， 即 .当 时，电桥输出 : 电桥接法不同,电桥输出的灵敏度也 不同。 半桥双臂接法比半桥单臂接法的输 出电压高一倍,全桥接法可获得最大的输 出。 结论: 电桥的和差特性与应用 由全桥电压输出式 可知: 当电桥相邻两臂有增量时,电桥输出反映两臂增 量相减的结果; 而相对两臂有增量时,电桥输出反映两臂增量相 加的结果。 和差特性是合理布置应变片,进行温度补偿,提高 电桥灵敏度的依据。 如希望电桥四个桥臂的电阻变化不相互抵消 ,则必须使 的电阻变化和 的 电阻

7、变化极性相反。 在实际工作中,应根据结构受力应变情况,把 应变片接入合适的桥臂。 如受弯曲作用的构件，一侧产生拉应变，另一侧 产生压应变，两者极性相反，大小相等。 这时就可以在两边各贴一片(或两片)应变片，并 接入电桥的两相邻桥臂； 测量某方向的同种均匀应变， 则可用两片应变片感受同种信号，并将其接在电 桥的两相对桥臂上。 工作片：承受应力 补偿片：不受应力 R1 R2 R3R4 A B CD Ui U0 补偿片 工作片 温度补偿 应应使温度补偿补偿 臂与测测量臂的温度特性一 致，即采用电电阻温度系数相同的应变应变 片，把 它们贴们贴 在热热膨胀胀系数相同的材料上，并处处于 同样样的环环境温度

8、中，补偿补偿 臂就抵消了测测量臂 由于温度变变化带带来的误误差。 温度补偿 两测量臂相邻连接，那么两臂互为温度补偿。 例 下图图所示悬悬臂梁受力F和 作用，要求只测测出引起粱纯纯弯 曲的力F，试试画出应变应变 片的粘贴贴位置与电桥电桥 的连连接方式图图。 解： 在悬臂梁上下两面各贴一片应变片 和 ，按半桥双臂 方式连接。其中 和 为精密无感电阻，选择 ，便可测出F。 故电压输电压输 出仅仅与F引起的弯曲变变形有关。F作用使上面 应变应变 片 产产生拉应变应变 ，下面的 产产生压应变压应变 ，其 电电阻变变化量为为 ， ，则则反映力F大 小的输输出电压为电压为 : 如要进进一步提高电桥电桥 的灵

9、敏度，可采用全桥桥。 当 输出电压为: 例 下图图所示悬悬臂梁受力F和 作用，要求只测测出引起粱纯纯拉 伸的力 ，试试画出应变应变 片的粘贴贴位置与电桥电桥 的连连接方式图图。 直流电桥 优点: 所需高稳度直流电源较易获得; 电桥输出 u0 是直流,可以用直流仪表测量; 对从传感器至测量仪表的连接导线要求较低; 电桥的平衡电路简单。 缺点: 直流放大器比较复杂,易受零漂和接地电位 的影响。 2、交流电桥 交流电桥采用交流电源，电桥的四个臂可为电感、电容或电 阻。即电桥达到平衡时必须满足: 把各复阻抗用指数式表示，则为 两复数相等，其实实部和虚部应应分别别相等。因此交流电桥电桥 的 平衡条件为为

10、: 交流电桥电桥 平衡必须满须满 足两个条件，即相对对两臂阻抗 之模的乘积应积应 相等，并且它们们的阻抗角之和也必须须相等。 前者称为为交流电桥电桥 模的平衡条件，后者称为为相位平 衡条件。 例 以R=120，灵敏度S=2的箔式应变 片与阻值为 120的固定电阻组成电桥 ， 供桥电压为 3V，假定负载电 阻为无穷大 ，当应变 片的应变为 2时，求单臂电 桥的输出电压 及灵敏度。 3.1.3 应变片的选择 1.根据试件的测试要求和应变性质选择 2.根据试件状况选择 3.根据实验环境选择 3.1.4 应变片的粘贴 应变片的粘贴是应变式传感器工作成败的 关键。 应变片的粘贴工艺一般包括清理试件、上

11、胶、粘合、加压、固化和检验等步骤。应保证 胶层薄、无气泡、粘结牢固、绝缘好等要求。 3.1.5 试件上的布片与接桥 应变片粘贴于试件后感受的是试件表面的拉 应变或压应变，由于该应变往往是由多种内力造 成的，为了准确测试某一内力造成的应变，必须 恰当选择贴片位置、方向和桥路连接方式，以便 于利用电桥的和差特性达到只测出所需应变而排 除其它因素干扰的目的。 布片与接桥的原则 在分析试件受力的基础上选择主应变最大的点作为 贴片的位置，并沿主应力方向贴片 充分合理地利用电桥的和差特性，将应变片接入电 桥的各臂，只使需要测试的应变影响电桥的输出， 且有足够的灵敏度和线性度 试件贴片位置应使应变与外载荷成

12、线性关系 平面应力状态下通过测试应变确定主应力 主应力方向已知，沿两个相互垂直的主应力方向 各贴一片应变片（如下图），测得主应变，再根 据下式计算主应力 主应力方向未知，此时可采用贴应变花的办 法进行测试。使用时由各单元件分别测出各 方位的应变，然后由材料力学计算公式求得 主应变、主应力和主方向 3.1.6 提高应变测试精度的措施 选用良好的配套仪器 减小导线电阻引起的误差：测试电路上的应变片与 应变仪之间的连接导线长度超过10m时，应变值按下 式进行修正l =/Kl 补偿环境温度的影响 减少贴片误差 注意应变片的频率响应特性 抑制测试现场干扰 3.1.7 应变测试信号的处理分析 先确定标准应

13、变值 +和 在系统中的响应，然后 以此为标尺求得测试信号的量值 前定度记录 后定度记录 试验记录 零线 时标 3.1.6 提高应变测试精度的措施 为了尽可能地消除或减少误差以提高应变测试精度， 一般可采取下列措施： 1.选用良好的配套仪器 2.减小导线电阻引起的误差 3.补偿环境温度的影响 4.减少贴片误差 5.注意应变片的频率响应特性 6.抑制测试现场干扰 3.2 力的测试 弹性元件：将力转换成与其成比例的应变；是传感 器的核心部件 柱式弹性元件a.圆柱形、圆筒形 b.薄壁圆环形 梁式弹性元件a.悬臂梁式 b.两端固定梁式 应变片及相应测量电路：将这些中间机械量转换成 电量输出 3.2力的测

14、试 3.2.1 测力传感 器 1.应变式力传感 器 应变式力 传感器是由弹 性元件、电阻 应变片和其它 附加构件所组 成。 2.压磁式力传感器 压磁式力传感器的工作原理是基于铁磁材料的压磁效应。 2.压磁式力传感器 3.压电式力传感器 压电式力传感器是利用压电材料的压电效应。 4.差动变压器式 力传感器 如图所示为差动变压 器式力传感器的结构示意 图。 3.2.2测力装置 1.电阻应变式测力仪 应变式动态测力仪的结构原理如图所示 2.压磁式测力仪 如图所示为压磁式测力仪的结构原理图。 3.压电式测力仪 如图所示为刀具切削力测试示意图。 3.2.3称重及电子称重装置 1.电子称重装置的组成 电子

15、称重装置主要是由机械传递系统、称重 传感器、测量电路和显示仪表等部分组成。 2.称重传感器 1）应变式称重传感器 双连孔梁式称重传感器的结构原理图。 2）电容称重传感器 电容称重传感器是利用弹性敏感元件的变形造成电容 随外加质量的变化而变化，即构成称重测量传感器。 3.重量测试应用实例 1）电子台秤 如图所示民用电子台秤原理示意图。 电子台秤 应用：电子称 原理 将物品重量通过悬臂梁转 化结构变形再通过应变片 转化为电量输出 2）电子皮带秤 电子皮带秤就是一种能解决胶带传送机散装物料连续 自动称量和自动配料的自动衡器。 3.3扭矩的测试 3.3.1 扭矩及其测试方法 轴上的扭矩是指作用在轴上的力与其作用线到轴中心 的距离的矢量积的总和。单位为Nm。 扭矩的测量方法可以分为传递法（扭轴法）、平衡力 法（反力法）和能量转换法等三大类。 1）传递法 2）平衡力法 3）能量转换法 3.3.2扭矩测试装置 1.应变式扭矩仪 应变式扭矩仪的工作原理如图所示。在沿扭