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1、力和力矩的测量 力的定义：力是物体之间的相互作用。大小、方向、作用点是力的三要素。牛顿第二定律表述：动量对时间的变化率。Fdp/dt国际单位：牛顿，简称牛，符号是 N。211/Nkg m s力矩定义：位矢和力的叉乘。物理学上指使物体转动的力乘以到转轴的距离。 力矩单位是牛顿米（Nm）对力的测量问题有两种基本方法：（1）直接比较（2）使用标准传感器进行间接比较 直接比较方法利用某种形式的梁式天平，并且使用零位平衡技术。1 力的测量 1.1 等臂天平（如图中分析天平，精度可达 0.1mg）或非等臂天平。 最简单的重量或力的测量系统。基于力矩比较原理工作的。由未知的重量或力产 生的力矩，和一个已知量
2、产生的力矩进行比较。1.2 摆式测力机构 如摆式秤。 输入量施加到负载杆上，使配重旋转向外移动。该移动使得配重作用力矩增加， 直到负载力矩和摆秤力矩相等。1.3 弹性传感器 很多力传感器系统利用某种机械弹性件或弹性件的组合，对弹性件施加载荷导致 一种类似的变形，通常是线性的，然后对该变形直接观察并且用于力的测量，或者使 用另一个传感器来将该位移转换成另一种形式的输出，通常是电的形式。 通常要对弹性件进行标定，如调整螺旋弹簧的有效圈数等。1.4 应变片测力计 与将总变形用于测量载荷不同的是，应变片测力计根据单位应变来测量负载。电 阻型应变片非常适合于这一用途。若要测量的是大载荷，可以使用直接拉压
3、型元件。 如果是小载荷，则可通过弯曲来放大应变。 金属电阻应变片的原理：当金属丝或金属箔片被机械地拉长时，导体的长度将变 长，截面将变小，因此其电阻发生变化。如果电阻元件长度紧密附着在发生这样应变 的构件上，使得电阻元件也产生应变，那么测出的电阻变化可以根据应变来定标。 金属应变片的应变片因子 F 在通常要求的应变范围内基本上是个常数，而由实验 确定的应变片因子 F 的值，对于一种给定的材料是相当一致的。在实际应用中，F 和 R 的值是由应变片制造商提供的，使用者要根据1R F R被测的输入量情况确定R图中所示的拉压型电阻应变片测力计的电桥常数是 2(1+u)，其中 u 是材料的泊松 比。这种
4、承压元件承载能力为 3 百万磅。这种布置方式可以补偿温度，消除因加载偏 心而造成的附加弯矩。 此外还可通过梁式弹性元件、环式弹性元件、轮辐式弹性元件进行测力。1.5 压电测力计 基于正压电效应，即某些电介质在沿一定方向上收到外力的作用而变形时，其内 部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，而当外力去掉 后，它又会恢复到不带电的状态。 单片压电晶片难以产生足够的表面电荷，在压电式传感器中常采用两片或两片以 上压电晶片组合在一起使用。由于压电晶体是有极性的，因而两片压电晶体构成的传 感器有两种接法：串联和并联。压电元件并联连接和串联连接并联连接：两压电元件的负极集中在中间极板
5、上，正极在上下两边并连接在一起，此时电容量大，输出电荷量大，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。串联连接：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一元件的负极与另一元件的正极相连接，此时传感器本身电容小，输出电压大，适用于要求以电压为输出的场合，并要求测量电路有高的输入阻抗。1.6 液压和气压测力 原理：一个力施加到活塞或膜片的一侧，并且将液压或气压的压力施加到另一侧， 就需要某个特定压力值来精确平衡这个力。 当力作用在活塞上时，产生的油压或气压就传到某种形式的压力传感系统，通过 测出这个压强就可获知负载力的大小。 用这种元件可以得到很高的负载容量和精确度。最大已能做到 22.2MN，精确度
6、量级为容量的0.1% 由于对温度变化敏感，因此应提供调整零位设定值的措施。2 转矩测量 转矩测量常和确定机械功率关联在一起，在这一意义上，转矩测量装置通常称为测功 计，如此应用时转矩和角速度都应确定。测量转矩的另一个重要原因是获得负载信息以便 用于应力或变形分析。2.1 测功机 吸收式测功机在测量转矩时耗散机械能量，适合于测量功率或由动力源如发动机、电 动机产生的转矩。常用的有依靠干摩擦的摩擦式测功机，利用液体摩擦的水力测功机，依靠电流损耗的电涡流测功机，利用磁滞转子的磁滞测功机等。其中前两种机型比较古老， 已基本淘汰。上图所示，是一台涡流测功机。铁轭是圆筒形和支架通过轴承与转轴连接，磁极铁心
7、 固定在铁轭上，其外面套上励磁绕组。铁轭罩内设置若干对 S 极、N 极磁极（图中只画 1 对） ，交替排列。铁轭下方固定一块金属压板，被固定在基座上的 2 个压力传感器限制于小 范围的活动空间里。使用时，绕组中通入直流电流 I，将在磁极铁心与与转子铁心之间产 生恒定磁通 ，在铁轭、磁极铁心、气隙、转子铁心之间环成闭合磁路。电动机通过转轴 连接器拖动转子铁心以转速 n 旋转时，转子铁心因切割磁场感应出涡流，产生制动转矩 T，此转矩传递到金属压片上，以压力形式传递到压力传感器，压力转换成输出电流信号， 输送到电路设备或到仪表上，供处理、显示。只要改变励磁电流，就可以平滑改变转矩。 2.2 磁致伸缩
8、式（压磁式）扭矩测量 这种传感器的扭力轴由铁磁材料做成。把绕有线圈的两个 形铁芯安装在扭轴周围， 在其中一个铁芯的线圈中通以交流电，在扭轴周围形成交变磁场，称为励磁线圈，另一个 铁芯的线圈用来产生感应电势，称为测量线圈。当扭力轴收到转矩作用时，扭轴沿正应力 方向磁阻减小，沿负应力方向磁阻增大，其表面上出现各向异性磁阻特性，使交变磁场的 磁力线重新分布，从而使测量线圈上的感应电势发生相应的变化。在一定范围内，感应电 势与轴上所受扭矩成线性关系。这样，通过检测感应电势，就可以测量扭矩。这种传感器 属于接触测量，响应速度快，灵敏度高，稳定性好，抗过载能力及抗干扰能力强，结构简 单。缺点是沿扭力轴圆周
9、分布的磁导率存在固有偏差，从而无法达到较高的准确度。2.3 光电式扭矩传感器 在扭力轴上相距一定的位置上固定安装两片圆盘形光栅，在无转矩作用时，两片光栅 的明暗条纹错开，完全遮挡光路因此置于光栅另一侧的光敏元件无光照射，亦无电信号输 出。当有转矩作用时，安装光栅的两截面产生相对转角，使得两片光栅的明暗条纹发生部分重合，有部分光线透过光栅照到光敏元件上，从而输出电信号。转矩越大，扭转角就越 大，透射光越多，输出电信号也越大。因此通过检测输出的电信号可测出扭矩。这种传感 器的抗干扰能力和可靠性较差，不能测量启动和低转速转矩，静标困难，结构复杂，目前 很少使用。 2.4 磁电式扭转传感器 在转轴上固
10、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。永久磁铁和 线圈组成的磁电式检测头对着齿顶安装。当转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位 差为零。转轴承受扭矩后，相位差不为零，且随两齿轮所在横截面之间相对扭转角的增加 而加大，其大小与相对扭转角、扭矩成正比。这种传感器可测启动和低速转矩，但动态特 性不好，不适于高速转动中的扭矩测量。2.5 应变式扭矩传感器 沿扭力轴的轴向45方向分别粘贴 4 个应变片，组成全桥电路的四个桥臂，用以感 受同向的最大正应变。有扭转时，应变片电阻变化，使桥路输出电压变化，经过处理后可 得到外加扭矩。这种传感器适用范围广，且结构简单，测量准确度高，但抗干扰能力较差， 温度、湿度及粘接剂等对其都有影响。信号传输技术是这类传感器的关键技术，常用集流 环传输、电感耦合传输（利用电感耦合将外部激励电源接入桥路，将测量信号也通过电感 耦合传输出去） 、无线传输等。相位移式转矩传感器
