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1、11.1 力与扭矩的测量,11.1.1 力的测量,原理：力的静力效应和动力效应,静力效应：弹性物体受力作用后产生相应变形,动力效应：一定质量的物体受到力的作用时， 其动量发生变化,测量方法：比较法 直接比较法，测量精度取决于分级密度 和基准量的准确度。只适于静态测量。 间接比较法，测量精度取决于传感器的 质量和标定精度。适用于静态/动态测量。,第11章 其他机械参量测量,1，测力传感器：,（1）应变式测力传感器,利用静力效应测力的位移型传感器。测力弹性元件有柱式、环式、梁式等。,右图为测量压缩力的柱式应变片测力头的典型构造,（2）压电式测力传感器,静态特性好，动态特性好，稳定性好，但长时间测静
2、力将产生较大误差。,（3）压磁式测力传感器,输出功率大，抗干扰能力强，精度高，适合多种环境。,（4）压阻式测力传感器,灵敏度高，动态特性好，可靠性高，横向效应小，受温度影响大，灵敏系数不是常数。,2，力测量典型事例之一切削力测量,灵敏度 、非线性度 、稳定性 、静刚度 、互干扰度 、 频率响应特性 、结构简单 、体积小、重量轻 、密封好,（1）切削测力仪应具备的性能,（2）典型切削力测量系统,（3）常用切削力测量仪（根据弹性元件划分）,悬臂梁式（两分力）,桁条式（单分力）,弹性膜板式（三分力）,八角环式（三分力）,3，力测量典型事例之二瞬态冲击力的测量,（2）瞬态冲击力测量的特点,a，冲击过程
3、的作用和持续时间很短，要求测量仪器响应要快，上升时间短。 b，冲击作用强度大，要求测量仪器动态范围大。 c，冲击波频谱连续，包含所有频率成分，要求测量仪器有较宽的频率范围。 d，要求显示记录设备具有捕捉瞬态信号的能力。,（1）瞬态冲击力测量的原理,动力效应,加速度,瞬态冲击力,冲击波形的测量 系统主要组成：压电加速度计、电荷放大器、记忆示波器,冲击脉冲的频谱分析 系统主要组成：压电加速度计、电荷放大器、频谱分析仪,（3）瞬态冲击力主要测量参数及其测量系统的组成,冲击加速度的测量 系统主要组成：压电加速度计、电荷放大器、峰值电压表,11.1.2 扭矩的测量,1，扭矩的分类,扭矩的时间历程：扭矩随
4、时间的变化过程,扭矩,动态扭矩,静态扭矩,静止扭矩,恒定扭矩,缓变扭矩,微脉动扭矩,振动扭矩,过渡扭矩,随机扭矩,扭矩不随时间变化或随时间变化很小,扭矩随时间变化很大,（时间历程）,2，扭矩测量的基本原理,（1）应变测扭矩,在扭矩M 的作用下，轴体表面沿与轴线成450和1350角方向上的主应力在数值上与轴体表面的最大扭应力相等。,45,135。,M,M,轴体表面应力计算简图,*传递法（扭轴法）、平衡力法（反力法）及能量转换法,（2）转角测扭矩,在扭矩M 的作用下，扭角与扭矩M 成正比。电磁耦合将扭角信号耦合成电信号，再经定标输出扭矩值。,M,M,l,A,轴体扭转角变位简图,3，典型扭矩测量传感
5、器,（1）电磁齿（栅）式扭矩传感器,扭矩,扭角,两路电信号,检测相差,磁电式扭矩检测头,（2）应变片式数字扭矩传感器,稳定电源,应变电桥,放大器,V/F转换器,发光二极管,光敏三极管,T扭矩输出 n 转速输出,信号电路,励磁电源,能源环行变压器,15V,变压器 信号环行,齿轮盘,应变扭矩传感器原理图（虚线内为旋转部分）,（3）光电式扭矩传感器,4 转速测量,5 功率测量,6 虚拟式扭矩、转速、功率、机械效率测量仪,QLVNJ-2型虚拟式扭矩、转速和功率测量仪,11.2 温度的测量,根据感温部分的测温原理不同可将测温仪分为： 接触式测温仪： 利用热平衡原理，传感器和被测对象直接接触， 使二者处于
6、同一热平衡状态，具有同一温度 非接触式测温仪 ：利用热辐射原理，传感器部和被测对象接触,传统测温仪的组成：感温部分、显示机构,7个基本物理量之一,接触式和非接触式测温仪特点,11.2.1 接触法测温,根据传感器的不同，有：热电阻测温仪、热电偶测温仪、 膨胀式测温仪、数字温度传感器测温仪,1，热电阻测温仪,分类：金属丝热电阻测温仪、热敏电阻测温仪,测温原理、组成：,铂电阻测温方框图,A,A/D,RAM,CPU,显示,测温理论：感温元件的电阻与温度的关系特性,a,列表法,快速、准确。计算机查表比计算的速度快得多，快速查表算法的应用。但有可能在表中找不到对应的值。,表格法标定,b,作图法,可由列表法
7、所得。但这里指的是感温元件电阻与温度的关系图。,c,内插法分段曲线拟合,建立在列表法的基础上，关键在于分段和多项式的阶数设置。分段的合适与否以及多项式是否设为合适的阶数，都会影响测试仪的精度。通常由表格可以得到如下表达的拟合曲线：,但是一个函数关系式无法准确地表达整个测温范围内的电压温度函数关系，这就要求分段，分别对每一段进行拟合，使得每一段用不同的多项式来表示，但段与段之间多项式的联接是光滑的。这种方法称为分段曲线拟合。当多项式的次数为1次时，就变成了分段线性拟合，此时分段应适当，以获得较高的精度 。得到如下所示的方程组：,2，热电偶测温仪,利用受热时热电偶闭合回路产生热电动势的原理。在两种
8、不同成分的导体（或半导体）A和B组成的闭合回路中，如果它们的两个接点的温度不同，则回路中会产生一个电动势，称之为热电势。它的大小和两端的温度差有关。A、B焊接成对后称之为热电偶。 热电偶接点可通过软焊、铜焊、熔焊或简单加压等方法固定到被测表面上。绝缘的热电偶丝应与表面等温部分紧密接触，它既要正确传输固体表面的真实温度又不干扰表面温度。下面是热电偶和被测表面的几种连接方式：,接点直接固定在表面上,置于集热包内的接点,固定在槽内的接点,固定在管闭弦向孔内接点,3，膨胀式测温仪,4，数字温度传感器测温仪,热电偶温度仪测量回路,利用物质的热膨胀性质与温度的物理关系。按制造材料可分为：液体膨胀式（玻璃液
9、体测温仪）、气体膨胀式（压力式测温仪）、固体膨胀式（双金属测温仪）。,t,+,_,+,_,_,+,1,2,4,3,5,1热电偶 2补偿导线 3补偿器 4普通导线 5 显示装置,11.2.2 非接触法测温,1，红外测温仪,红外测温的基本原理也是斯蒂芬-波尔慈曼定律。 根据任何物体只要它的温度在绝对零度以上，都不断地发射红外线，由斯蒂芬-波尔慈曼定律可知：物体温度越高，辐射功率越大，它们之间存在着一定的函数关系。如果测出物体所发射的红外辐射功率，则可确定其温度，此即红外测温的依据。,红外测温优点 ：,测温响应速度快。 测温灵敏度高。 测温范围宽。,红外测温仪测温的原理结构,2，双色测温仪（比色高温
10、计）,比色高温计的实质是颜色测温法。由于温度上升时，黑体辐射的光谱向波长短的方向移动，因此其辐射光波颜色也变化。这样某对应的两个温度，有两对应的波长，有两对应的亮度，它们的比值随温度变化着。 比色高温计就是利用黑体辐射的两波长对应的亮度比=非黑体的相应亮度比，这时的黑体温度就为非黑体的颜色温度（比色温度）。 同样被测物体的真实温度也要进行换算。,一般黑度,光电比色高温计工作原理图,3，光纤测温,a,串迅光纤温度传感器,b,波长转换光纤温度传感器,波长转换光纤温度传感器系统原理框图,光纤连接器,LED,放大器,光缆,光纤,充电 二极管,除法器,光纤探测器,传感器晶体,11.2.3 虚拟式测温仪,
11、虚拟式测温仪是用虚拟仪器技术改造传统测温仪，使测温仪具有更强大的功能，比如监视、存储、趋势估计、逻辑控制等等。仪器系统通过前端感温装置的传感元件，将被测对象的温度转换为电压或电流等模拟信号，经调理电路进行功率放大、抗混滤波处理后，变成可被数据采集卡采集的标准电压信号。在数据采集卡内将模拟信号转化为数字信号，并在数据采集指令下将其送入计算机总线，在PC机内利用已经安装的虚拟仪器软件可对采集的数据做各种所需的功能处理。在需要的情况下，可将处理好的数据或图形在打印设备上打印输出。 虚拟式测温仪系统由硬件和软件两大部分组成。硬件部分由前端感温装置（如温度一体化变送器，温度探测器等）、数据采集卡、PC机系统和打印设备组成，主要提供实现温度信号采集、转化、处理、打印等功能的硬件平台；软件部分主要是数据后续处理、存储、报警和控制硬件设备，具体实现采集卡参数设定、数据标定、实时显示、趋势分析、温限设定及报警或逻辑输出以及人机交换等功能。,虚拟式温度测试仪系统框图,QLVMT-1型虚拟式多通道温度测试仪,微型计算机,脉宽计数器,信号调理电路,扭距 传感 器,转速 传感 器,显示器,打印机,虚拟式扭矩仪原理框图,
