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1、 力、扭矩、压力的测量教研室：材料成型及控制工程教研室 教师姓名：曾娣平 课程名称 机械工程测试技术 授课专业及班次 08 级机械类模具本科专业授课内容柱式、筒式、剪切梁式力传感器及其测量技术；压电式压力传感器及其测量技术，压力传感器的标定；电感式、涡流式、电容式位移传感器及测量技术授课方式及学时课堂讲解或多媒体演示，4 学时目的要求 通过学习力、压力和位移测量，使学生具有应用应变式、压电式以及位移测量技术测量工程中力、压力和位移的能力。重点与难点（1）教学重点应变片的布置与组桥；压电式压力传感器、位移传感器的工作特性及应用。（2）教学难点在拉、压、弯、扭等各种载荷复合作用下如何布片和组桥，
2、；压力传感器的标定， 。讲授内容及时间分配力的测量 1 学时；扭矩，压力测量 2 学时。教 具 课堂讲解或多媒体演示参考资料 王伯雄主编：测试技术基础 ，清华大学大学出版社，2003 力、扭矩、压力的测量第一节 力的测量力的测量方法可以归纳为利用力的静力效应和动力效应两种。利用静力效应测力 力的静力效应使物体产生变形，通过测定物体的变形量或用与内部应力相对应参量的物理效应来确定力值。例如，可用差动变压器、激光干涉等方法测定弹性体变形达到测力的目的；也可利用与力有关的物理效应，如压电效应、压磁效应等。利用动力效应测力 力的动力效应使物体产生加速度，测定了物体的质量及所获得的加速度大小就测定了力值
3、。在重力场中地球的引力使物体产生重力加速度，因而可以用已知质量的物体在重力场某处的重力来体现力值。例如基准测力机等1.1 应力、应变的测量常用的力测量方法是用应变片和应变仪测量构件的表面应变，根据应变和应力、力之间的关系，确定构件的受力状态。应变仪采用交流电桥时，输出特性与直流电桥类似。直流电桥的输出电压为其中 R1、R 2、R 3 和 R4 分别为电桥的四个桥臂电阻。若在力作用下所产生的电阻变化分别为 R1、 R2、 R3 和 R4，初始状态电桥的各臂阻值又相等，即 R1=R2=R3=R4=R，且考虑到 RR，忽略 R 的高次项，则式(10.1)可写成：当各桥臂应变片的灵敏度 K 相同时，式
4、(10.2) 可改写为：应变片的布置和电桥组接（简称布片组桥）应根据被测量和被测对象受力分布来确定。还应利用适当的布片组桥方式消除温度变化和复合载荷作用的影响。常用应力测量的布片和组桥方式:当试件受到弯矩作用时，其上、下表面会分别产生拉应变或压应变。可通过应变测量求得弯矩，布片接桥时要注意利用电桥特性，在输出中保留弯应变的影响，消除轴向拉、压力产生的应变成分。1.2 电阻应变式测力装置测量力时可以直接在被测对象上布片组桥，也可以在弹性元件上布片组桥，使力通过弹性元件传到应变片。常用的弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐等多种形式。柱式弹性元件 通过柱式弹性元件表面的拉(压)变形测力。应变片的粘贴和
5、电桥的连接应尽可能消除偏心和弯矩的影响，一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部。柱式力传感器可以测量 0.13000 吨的载荷，常用于大型轧钢设备的轧制力测量。梁式弹性元件 类型有等截面梁、等强度梁和双端固定梁等，通过梁的弯曲变形测力，结构简单，灵敏度较高。环式弹性元件 分为圆环式和八角环式。它也是通过元件的弯曲变形测力，结构较紧凑。实际应用如切削测力仪。轮辐式弹性元件 轮幅式弹性元件受力状态可分为拉压、弯曲和剪切。前两类测力弹性元件经常采用，精度和稳定性已达到一定水平，但是安装条件变化或受力点移动，会引起难于估计的误差。剪切受力的弹性元件具有对加载方式不敏感、抗偏载、侧向稳定、外形矮等
6、特点。1.3 其它测力传感器1. 电容式力传感器其特点是结构简单，灵敏度高，动态响应快，但是由于电荷泄漏难于避免，不适宜静态力的测量 (电容式力传感器的结构原理)。2. 压电式力传感器 前面章节介绍过压电式传感器的原理和压电式振动加速度传感器，测力传感器的结构类似。其特点是体积小，动态响应快，但是也存在电荷泄漏，不适宜静态力的测量。使用中应防止承受横向力和施加予紧力。3. 压磁式测力装置其特点是硅钢材料受力面加大后，可以测量数千吨的力，且输出电势较大，甚至只需滤波整流，无需放大处理。常用于大型轧钢机的轧制力测量。使用中应防止因侧向力干扰而破坏硅钢的叠片结构(压磁式测力装置的工作原理 )。4.
7、差动变压器式测力传感器其特点是工作温度范围较宽,为了减小横向力或偏心力的影响，传感器的高径比应较小。(差动变压器式测力传感器的工作原理)第二节 扭矩的测量扭矩由力和力臂的乘积来定义，单位是 Nm。扭矩的测量以测量转轴应变和测量转轴两横截面相对扭转角的方法最常用。2.1 应变式扭矩测量由材料力学知，当受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力 max。轴表面的单元体为纯剪应力状态，在与轴线成 45 度的方向上有最大正应力 1 和 2，其值为 1= 2= max。相应的变形为 1 和 2，当测得应变后，便可算出 max。测量时应变片沿与轴线成 45的方向粘贴。若测得沿 45方向的应变 1，则相应的剪应变为式
8、中：E材料的弹性模量； 材料的泊松比；于是，轴的扭矩为式中：Wn材料的抗扭模量。对于实心圆轴测扭时，电阻应变计须沿主应变 1 及 2 的方向(与轴线成 45及 135夹角) 。应变计的布置及组桥方式应考虑灵敏度、温度补偿及抵消拉、压及弯曲等非测量因素干扰的要求。例：有一扭矩标定小轴，材料的 E=1.96105Mpa,，=0.25 直径 D=30mm，加载力臂1=1000mm，若用静态应变仪全桥接线测量其应力，问当加载 49N 时，应变仪读数应为多少?解：写出 扭矩与剪应力的关系式以及剪应力与应变的关系式。 2.2 扭矩测量信号的传输1. 扭矩测量的集电装置旋转件如转轴的应变测量，需要解决信号传
9、送的问题。粘贴在旋转件上的应变片和电桥导线随旋转件转动，而应变仪等测量记录仪器是固定的。除采用遥测方式以外，需要有集电装置。集电装置由两部份组成：与应变片相连，随旋转件转动的集流环（滑环）和与外部测量仪器相连，压靠在滑环上的电刷（拉线） 。集流装置应准确可靠地传递应变信号，防止干扰减少测量误差。集流环与电刷之间接触电阻的变化是产生干扰，影响正常测量的主要因素集电装置种类、形式很多，其原理、结构与电机的集电装置相同。常用的集电装置有拉线式和电刷式两种形式。2. 无线传输方式无线传输方式可以克服有线传输的缺点，得到越来越多的应用。它分为电波收发方式和光电脉冲传输方式。这两种方式从使用的角度来看都取
10、消了中间接触环节，导线和专门的集流装置。电波收发方式测量系统要求可靠的发射、接收和遥测装置，且其信号容易受到干扰；而光电脉冲测量抗干扰能力较强，它是把测试数据数字化后以光信号的形式从转动的测量盘传送到固定的接收器上，然后经解码器后还原为所需的信号。2.3 其它扭矩测量方法1. 压磁式扭矩传感器是利用轴受扭时材料导磁率的变化测量扭矩。其特点是可以非接触测量，使用方便，但要求旋转过程不出现径向跳动，否则铁芯与转轴间隙改变，会造成测量误差甚至破坏测量设备。2. 磁电感应式扭矩传感器是在转轴上固定两个齿轮，通过其所在横截面之间相对扭转角来测量扭矩。3. 光电式扭矩传感器是在转轴上固定两只圆盘光栅，通过
11、两光栅之间相对扭转角来测量扭矩。第三节 压力的测量物理学中将单位面积上所受流体作用力定义为流体的压强，而工程上则习惯于称其为压力。压力单位是 Pa(帕)，1Pa=1N/m 2，1 个标准大气压=101325Pa=1.01325 工程大气压。3.1 压力测量的弹性元件压力测量弹性元件通常有波登管、膜片、波纹管等。在流体压力作用下，弹性元件产生应变，其应变可以由应变片或微位移传感器及相应测量电路转换成电信号输出，有时也可通过杠杆或齿轮副把应变转化成指针偏转角来表示被测压力的大小。弹性元件的结构形式及输出特性见下图。3.2 压力测量装置1. 应变式压力传感器膜片应变式压力传感器的主要元件是采用扩散工
12、艺制成的含有半导体应变片的特殊膜片，利用压阻效应工作。常用作局部区域（如油路、气路中的某部位）的压力测量。这种特殊膜片灵敏度高、体积小、动态响应快。膜片直径甚至可以小到零点几毫米，频率特性可以达到几十千赫。但温度对膜片性能影响较大，流体温度变化会改变膜片的弹性模量及泊桑比，引起附加应变和应力，改变工作状态和灵敏度。2. 压电式压力传感器压电式压力传感器是利用压电晶体（如石英、云母等）的压电效应而制成的。压电式压力传感器对温度变化较为敏感，因此必须采取补偿措施防止温度的影响。目前常用的办法有两种：一种是用水冷的办法；另一种是在晶片的前面安装一块用线膨胀系数大的如纯铝等金属制成的薄片，当温度变化时补偿片的线膨胀可以弥补晶体与金属线膨胀之间的差值，以保证预紧力的稳定。这两种办法常同时使用。压电式压力传感器具有灵敏度高、线性好、刚度大、频率范围宽、稳定性好等特点
