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1、第八章 力、力矩和压力的测量,第八章 力、力矩和压力的测量,第一节 概 述 第二节 力 的 测 量 第三节 力矩的测量 第四节 压力的测量,第一节 概 述,1.力的概念 力是物质之间的相互作用。 2.力矩的概念 力矩是力和力臂的乘积。 3. 压力的概念 由静止的流体垂直作用在给定单位面积A上的力F称为该给定处的压力。,1.力的概念,力是物质之间的相互作用。力可以改变物体的机械运动状态或改变物体所具有的动量使物体产生加速度，这是力的“动力效应”。力还可以使物体产生变形，在材料中产生应力，这是力的“静力效应”。力值的计量单位是从力的动力效应引出的，在我国法定计量单位制中，力值的计量单位是“牛顿”，
2、用N表示。,2.力矩的概念 力矩是力和力臂的乘积。,图8-1 大气压力、表压力与绝对压力的关系,3. 压力的概念 由静止的流体垂直作用在给定单位面积A上的力F称为该给定处的压力。,(1)大气压力 围绕地球的大气层对地球表面单位面积上所产生的压力，即大气自重所产生的压力，亦称气压。 (2)表压力 以环境大气压作参考压力的差压。 (3)绝对压力 相对绝对真空所测得的压力，它是表压力和大气压力之和。 (4)正压力 绝对压力高于大气压的表压力，通常称为压力。 (5)负压力 绝对压力低于大气压力时，大气压力与绝对压力之差。 (6)真空度 低于大气压力的绝对压力。,(1)大气压力,围绕地球的大气层对地球表
3、面单位面积上所产生的压力，即大气自重所产生的压力，亦称气压。,(2)表压力,以环境大气压作参考压力的差压。两个相关压力之差称为差压。,(3)绝对压力,相对绝对真空所测得的压力，它是表压力和大气压力之和。,(4)正压力,绝对压力高于大气压的表压力，通常称为压力。,(5)负压力,绝对压力低于大气压力时，大气压力与绝对压力之差。,(6)真空度,低于大气压力的绝对压力。,第二节 力 的 测 量,一、力的测量方法 二、力的测量装置 三、力值的检定与定度 四、质量、重量及其测量装置,一、力的测量方法,1.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。 2
4、.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。,1.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。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。,2.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，用差动变压器、激光干涉等方法来测定弹性体变形达到测力的目的；或利用与力有关的物理效应，如压电效应、压磁效应等。,二、力的测量装置,(一)电阻应
5、变式测力仪 (二)压磁式测力仪 (三)压电式测力仪 (四)其他测力法,(一)电阻应变式测力仪,1.电阻应变式测力仪的工作原理 2.典型弹性体的结构型式及设计计算 典型的柱式弹性体直接承受拉伸力或压缩力，因此又称为直接应力式弹性体。 3.应变式测力仪电路 应变式传感器一般都采用电桥电路。 4.应变式动态测力系统 由动力学可知安装在刚性基座上的应变式测力系统可以看作一个由质量m、弹簧刚度k和阻抗系数c组成的单质点振动系统。,1.电阻应变式测力仪的工作原理,图8-2 电阻应变式测力仪原理框图,2.典型弹性体的结构型式及设计计算 典型的柱式弹性体直接承受拉伸力或压缩力，因此又称为直接应力式弹性体。,图
6、8-3 柱式弹性体的作用原理,2.典型弹性体的结构型式及设计计算 典型的柱式弹性体直接承受拉伸力或压缩力，因此又称为直接应力式弹性体。,图8-4 几种典型柱式弹性体的结构型式 1弹性体 2应变片 3弹性膜片 4壳体 5垫块 6空心球,2.典型弹性体的结构型式及设计计算 典型的柱式弹性体直接承受拉伸力或压缩力，因此又称为直接应力式弹性体。,图8-5 几种工程用典型柱式弹性体的结构示意图,2.典型弹性体的结构型式及设计计算 典型的柱式弹性体直接承受拉伸力或压缩力，因此又称为直接应力式弹性体。,表8-1 典型弹性元件的布片方式与电桥计算公式,2.典型弹性体的结构型式及设计计算 典型的柱式弹性体直接承
7、受拉伸力或压缩力，因此又称为直接应力式弹性体。,表8-1 典型弹性元件的布片方式与电桥计算公式,3.应变式测力仪电路,应变式传感器一般都采用电桥电路。电桥电路的输出信号小，精度要求高，因而测量电路要求具有高的增益、高的输入阻抗和小的失调参量。 应变式测力仪的电桥电路有载波调制型和直流电路型两种电路。目前此类电路多采用集成化的信号放大器。 传感器测量电路的集成模块称作信号调理器，这种集成块一般包括缓冲、放大、滤波，甚至还包含电压一频率转换，输出为数字量。它不仅减小了电路的体积，而且提高了可靠性，便于与计算机连接。 为了提高测力传感器的精度，必须在电桥电路中采取相应的补偿措施，消除误差影响。常用专
8、用的箔式调整电阻作电路补偿。其补偿电路由初始不平衡补偿、零点漂移补偿、灵敏度补偿、非线性补偿和传感器的灵敏度调整等部分组成。,4.应变式动态测力系统,图8-6 应变式动态测力传感器和测试系统框图,(二)压磁式测力仪,图8-7 压磁式测力原理,(二)压磁式测力仪,图8-8 压磁式测力传感器及测力仪电路框图 励磁线圈 测量线圈 铁心 弹性膜片 承载头 连通孔,(三)压电式测力仪,图8-9 压电式测力传感器结构示意图 a)单分量式 b)多分量式,(三)压电式测力仪,图8-10 压电式测力系统框图,(四)其他测力法,利用位移传感器可以构成测力传感器。由于大多数材料受力后能产生变形或位移，因此只要在结构
9、上作些变化即可构成测力传感器。如电感式、电容式、差动式、振弦式测力传感器等。,三、力值的检定与定度,图8-11 力值(1MN)计量器具检定系统框图 F力值范围 力值总不确定度(K=3) R力值重复性 力值稳定度 CL级别,四、质量、重量及其测量装置,1.基本概念 2.电子秤的组成、分类和特点 3.称重传感器 4.皮带秤 在工业生产过程中，煤炭、矿石、石灰石等大宗散装物料多采用胶带输送机连续输送。,1.基本概念,1)质量是国际单位制(SI)中规定的基本单位之一。 2)重量是根据GB 31021993的规定，它是物体在特定参考系中为获得其自由落体加速度时的力，属于力的概念。 3)重力是地球对物体的
10、引力与物体随地球自转引起的离心力的合力，近似为地球对物体的引力。 4)重力和称重。,图8-12 我国质量量值传递系统,1.基本概念,表8-2 一般衡器的工作原理,1.基本概念,2.电子秤的组成、分类和特点,(1)电子秤的组成 电子秤一般包括机械传递系统、称重传感器测量电路和显示仪表等部分。 (2)电子秤的分类 电子秤的型式多样种类繁多，有各种不同的分类方法。 (3)电子秤的特点 与传统机械秤相比其特点有：结构简单、体积小、重量轻、安装地点受限制小；称重信号可远距离传送，数据处理和显示记录方便，还可实现各种信号控制、便于生产过程自动化；秤重传感器可密封，能在恶劣环境下工作，防腐防潮性能好；机械磨
11、损小，精度高，稳定性好，操作使用方便，寿命长；传感器反应迅速，大大提高了称重的速度。,(1)电子秤的组成,电子秤一般包括机械传递系统、称重传感器测量电路和显示仪表等部分。机械传递系统将被称量的物体重力传递给称重传感器，它包括称重台面、秤桥、吊挂连接单元、安全限位装置等。称重传感器的作用是将物体的重力按一定线性函数关系转换为电学量输出，如电压、电流、频率等。测量电路及显示仪表用于对传感器输出信号进行处理，并以指针或数字显示出被测重物的重量或通过打印记录下来。此外还有稳压电源部分、微型计算机部分和统配电源等，以完善数据和信息处理等功能。,(2)电子秤的分类,电子秤的型式多样种类繁多，有各种不同的分
12、类方法。工程应用中常按用途分类，如电子皮带秤、容器秤、吊车秤、平台秤、电子轨道衡等。,(3)电子秤的特点,与传统机械秤相比其特点有：结构简单、体积小、重量轻、安装地点受限制小；称重信号可远距离传送，数据处理和显示记录方便，还可实现各种信号控制、便于生产过程自动化；秤重传感器可密封，能在恶劣环境下工作，防腐防潮性能好；机械磨损小，精度高，稳定性好，操作使用方便，寿命长；传感器反应迅速，大大提高了称重的速度。,3.称重传感器,(1)应变式称重传感器 它采用电阻应变式测力原理。 (2)压磁式称重传感器 (3)电容式称重传感器 图8-15是变间隙式电容称重传感器的结构原理图。,(1)应变式称重传感器
13、它采用电阻应变式测力原理。,图8-13 盘状压磁式称重传感器,(2)压磁式称重传感器,图8-14 铁心安装在轨道中的受力示意图,(3)电容式称重传感器,图8-15 电容式称重传感器,4.皮带秤,(1)称重原理 电子皮带秤通常有测速法或测长法测量物料的瞬时重量和累积重量。 (2)误差分析 皮带秤的误差可归纳为：称重传感器误差，测速传感器误差，测量电路误差，机械结构误差。,(1)称重原理,1)测速法的工作原理 它可以看作为称重和测速相配合的过程。 2)测长法的工作原理,1)测速法的工作原理 它可以看作为称重和测速相配合的过程。,图8-16 电子皮带秤,1)测速法的工作原理 它可以看作为称重和测速相
14、配合的过程。,图8-17 测速法皮带秤原理框图,2)测长法的工作原理,图8-18 测长法皮带秤原理框图,(2)误差分析,1)称重传感器误差 除称重传感器本身制造误差和环境造成的误差外，秤体的安装也会带来误差。 2)测速传感器误差 通常由传感器本身误差和输送带打滑误差造成。 3)机械结构误差 连续输送物料的称重是在设定的有效称重段L上对物料重量的积分，因此L的变化或不稳，即L0将会产生误差W=WL/L。 4)测量电路误差 主要为零漂和温漂。 全能力调零：微型计算机在处理重量信号和速度信号过程中可以自动判断输送带的工作状态。在输送带机空载一整圈以上时即可将皮带上剩余物料、输送带张力和弹性变化以及电
15、路零点漂移测出并判断其是否小于满量程的1%，并进行自动调零，即在浮动零点下工作。 自动校量：利用微机控制电动标码机每隔一定时间将标准重物W放在称重框架上并测出共值W，当将重物移去时，其零点为W，由此可以得到系统运算的乘法系数k为,(2)误差分析, 对电源波动进行自动补偿：电子皮带秤反应速度快、精度高、测量范围广、操作方便，是计量控制和生产、贸易中的重要工具，因此使用中应根据不同要求选用。一般电子皮带秤的量程为103000t/h；系统动态误差为(0.1250.25)%；测量准确度为%以上，其可靠性指标(MTBF)大于1万h以上。由于电子皮带秤是动态秤，因此对准确度的校验不仅要符合静态指标，而且要
16、考虑到动态准确度，以实物对其进行动态累计误差进行校验，其动态累积误差公式=(GG0)/G0100%，式中，G为仪表累计显示值(kg)；G0为已知实物料重量(kg)。在没有实物的校验条件时，可使用动态挂码校验方法作为使用时参考。,第三节 力矩的测量,一、力矩及其测量方法 二、传递法力矩测量装置,一、力矩及其测量方法,1.力矩 如前所述，任何机械部件的运动都离不开力和力矩的传递。 2.转矩的测量方法,1.力矩 如前所述，任何机械部件的运动都离不开力和力矩的传递。,表8-3 转矩与功率及转速的关系,2.转矩的测量方法,(1)传递法 利用转矩使弹性轴产生扭转变形的方法。 (2)力平衡法 它是利用平衡转矩M0去平衡被测转矩M，从而求得M的方法。 (3)能量转换法 这是按能量守恒定律来测量力矩的仪器。,2.转矩的测量方法,图8-20 用于测量转矩的弹性轴,(1)传递法,利用转矩使弹性轴产生扭转变形的方法。即根据弹性元件在传递扭矩时所产生物理参数的变化(变形、应力或应变)来测量其转矩。,(2)力平衡法,图8-21
