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1、第十章 力和压力的测量,孙长库 天津大学 精密仪器与光电子工程学院,第一节 概述,力：物质之间的相互作用， “牛顿” 重力：物体在地球引力场中受到的力 力矩：力和力臂的乘积，“牛顿米” 压力：压强,第二节 力和力矩的测量,要点： 力的标准 力的测量方法和装置 称重及称重装置 力矩的测量,第二节 力的测量,力的标准 1N=1kgm/s 质量1kg的标准是一根铂-铱合金圆棒（国际标准千克） g 在纬度45度的海平面处的值，9.80665m/s ( 不同纬度和海拔高度重力加速度值不同，有相应的函数关系和修正关系式） 当一个特定地点的重力加速度的数值被确定后，便可精确计算出作用在标准质量的重力（重量）
2、，从而建立起一个力的标准,2,2,力的测量方法,间接测量 动力效应测力(Dynamic Effect)：测量物体的质量及其所获得的加速度，计算测定力值。F=ma。 静力效应测力(Static Effect)：通过测量物体的变形量，或与应力相关的物理效应来测量力值。,直接测量 基于静态重力力矩平衡原理，采用梁式天平，将被测力和标准质量（砝码）的重力进行平衡,测力仪,电阻应变式 压磁式 压电式,测力仪,一、电阻应变式测力仪,1.测力原理,电阻应变式测力仪,在负荷作用下，弹性体的应变是：,电阻应变片的灵敏度系数为：,为弹性体材料的泊松比,电阻应变式测力仪,测力电桥,电桥电路的输出电压：,传感器的电压
3、灵敏度，通常取0.52.5mV/V,力的测量装置,2.测力仪弹性体的结构形式,柱状变形体 5kN5MN,管状变形体 1MN20MN,径向受载变形体 5N,力的测量装置,2.测力仪弹性体的结构形式,双铰链弯曲杆变形体 5N,剪切杆式变形体 外形很扁的力传感器,力的测量装置,应变式测力仪一般采用电桥电路。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。 传感器测量电路的集成模块称作信号调理器，一般包括缓冲、放大、滤波、电压频率转换等 为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，消除误差的影响。包括初始不平衡补偿、零点漂移补偿、灵敏度补偿、非线性补偿、传
4、感器灵敏度调整等。,3.测力仪电路,力的测量装置,二、压磁式测力仪(Piezomagnetic Dynamometer),原理：压磁效应，又称磁弹性效应,压磁式测力原理,力的测量装置,三、压电式测力仪(Piezoelectric Dynamometer),dij 压电常数,力的测量装置,其他测量方法 电感式测力传感器 电容式测力传感器 振弦式测力传感器,称重及称重装置,一、称重的概念和意义,重量(Weight)：有些场合用于指重力(Weight)，而另一些场合又用于指物体的质量(Mass)，二者的物理概念不同，但在工程测量中属于同一个技术范畴。,称重的衡器用准确度级别来表征特性，而对非线性、滞
5、后等单项指标不进行控制。 称重按工作条件分为静态称重和动态称重。,称重及称重装置,二、电子秤(Electronic Weighing Scale)的组成、分类,组成： 机械传递、称重传感器、测量电路和显示仪表 分类： 电子皮带秤(Electronic Belt Weighing Scale)、 容器秤(Container Weighing Scale)、 吊车秤(Crane Weighing Scale)、 平台秤 (Platform Weighing Scale)、 电子轨道衡(Electronic Railroad Track Scale),称重及称重装置,三、称重传感器(Weighing
6、 Sensors),应变式(Strain Sensor) 压磁式(Piezomagnetic Sensor) 电容式(Capacitance Sensor),称重传感器 应变式,商用计价秤 小型台秤,轨道衡,平台秤,称重传感器 压磁式,称重传感器 电容式,称重及称重装置,四、皮带秤(Electronic Belt Weighing Scale),1.称重原理,皮带秤,k1，k2是传感器的灵敏度系数,皮带秤,皮带秤,2.误差分析,称重传感器误差：制造误差、环境误差、秤体安装误差、应变片、弹性体补偿漂移等 测速传感器误差：测速误差、皮带打滑误差等 机械结构误差：有效称量段L误差、称量托辊误差 测量
7、电路误差：零漂、温漂等,力矩的测量,力矩(Force Moment):力和力臂的乘积。 转矩(Torque):力矩可以使机械零部件转动，也称为转矩。 扭矩(Torque):在转矩的作用下，机械零部件将会产生一定的扭曲变形，故又称为扭转矩，简称扭矩。 力矩的法定计量单位:“牛顿米”，一般用“Nm”表示。,转矩的测量,工程中转矩的测量常与功率、转速的测量联系在一起。,动力机械：电动机、内燃机、发电机、泵 工程机械：搅拌机、变速器、钻探机 加工机械：加工中心、自动机床 旋转轴的扭矩、转速和功率的测量，是进行旋转件功率控制的重要基础。,转矩的测量方法,传递法：利用转矩使弹性轴产生扭转变形 力平衡法：利
8、用平衡转矩M0与被测转矩平衡,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。,转矩的测量方法传递法,转矩的测量方法力平衡法,利用平衡转矩M0去平衡被测转矩M，从而求得M的方法。,1.原理 将应变片粘在沿转轴450、1350轴线上，转轴在转矩M 作用下产生应变与M成正比,传递法转矩测量装置,空心圆柱形轴：,方形截面轴：,例：电阻应变式转矩仪,电阻应变式转矩仪,2.轴截面的选择依据 工艺加工、测量值大小、抗弯曲强度、临界转速、应变片尺寸、粘贴工艺 3.应变电桥电路 采用集流环从旋转件上将转矩测量信号传输到静止的仪器上,扭矩传感器
9、实例,电阻应变式扭矩传感器,相位差式转矩测量仪,平衡力式转矩测量仪,其他测量方法,采用了磁场嵌入技术（EMD-Embedded Magnetic Domain）的直线式传感器。,电磁法测扭矩,电磁法测扭矩,可实现非接触式测量 测量精度高 体积小、重量轻 对圆形、方形轴均可测量 通过高频采样保证其测量精度 高可靠性，抗干扰能力强; 不易受脏物、流体或其他同类物质的污染,转矩测量小结,传递法：按转轴变形测量，按转轴的应变、应力测量,力平衡法,转矩测量方法,第三节 压力的测量,概念 压力测量方法和传感器 超高压和真空的测量,第三节 压力的测量,定义：由静止的流体垂直作用在给定单位面积上的力称为该给定
10、处的压强 单位: “帕斯卡”，或简称“帕”，用“Pa”表示 1Pa=1N/m2 标准大气压：定义为在温度为0，纬度为45的海平面上，重力加速度为9.80665m/s2 时的压力 1atm=760mmHg=101.325kPa 1bar=100kPa,第三节 压力的测量,一、基本概念 大气压力：大气层对地球表面单位面积上所产生的压力，即大气的自重对地球表面产生的压力。 表压力（正压）：超过大气压以上的压力数值，即测压仪表显示的压力值 绝对压力：相对绝对真空所测得的压力（表压力与大气压力之和），又称总压力或全压力 负压力（疏空）：绝对压力小于大气压力时，大气压力与绝对压力之差 真空度：小于大气压力
11、的绝对压力,压力的量值传递系统,压力不是基准量，是力和面积的导出量 压力标准是由准确度很高的标准仪器提供的,压力的测量方法和传感器,二、测压方法,液柱式测压法 电气式测压法 负荷测压法 弹性变形测压法,压力的测量方法和传感器,1.液柱式压力计,P2,P1,液体可以用水、酒精、水银,U型管压力计,液体式压力计,槽式压力计,槽式压力计原理,只需测量一侧管中的液面相对于固定点的高度,液体式压力计,斜管微压计,斜管微压计原理,初始零位平面，没有压差,A2A1,用于测量微小压力，精度高于一般的U型管压力计,压力的测量方法和传感器,2.电气式压力传感器,压阻式,MEMS压阻式压力传感器原理,压力的测量方法
12、和传感器,应变式 平膜片式,压力的测量方法和传感器,电容式,R：半径 t：厚度 d：起始距离 C0：起始电容量 E：材料的弹性模量 ：材料的泊松比,电容式压力计,可以测量真空；输出电容可以与电感构成谐振式频率电路，或者对电容进行充放电的各种脉冲电路。,谐振式压力传感器,振弦式 振筒式 振膜式 石英晶体谐振式,振筒式压力传感器,压力的测量方法和传感器,3. 负荷式（力平衡式）压力计,压力的测量方法和传感器,4. 弹性式压力计 特点： 价格低、简单、牢固、应用广泛，耐恶劣环境。频响低、不宜动态测量；由于弹性元件的固有迟滞，精度低 弹性元件结构： 簧管、膜盒、膜片、波纹管。,弹性式压力计,弹性式压力
13、计,弹性式压力计,波登管,在管内部压力作用下，波登管的自由端发生移动,价格低，结构简单，坚实牢固； 频率响应低，不适于动态测量,弹性式压力计,波登管,超高压测量,三、超高压测量 利用锰镍铜合金丝或金铬丝的电阻随压力变化而变化的原理测量高达10000标准大气压的液压，准确度达0.10.5%,超高压传感器,真空的测量,四、真空测量 1. 真空度的划分,粗真空： 105103Pa 低真空： 10310-1Pa 高真空： 10-110-6Pa 超高真空： 10-610-12Pa 极高真空：10-12Pa,1mmHg=133.322Pa=1 Torr（托）= 1/760大气压,真空的测量,2. 真空测量
14、仪器的划分,按用途分类： 真空计：用于测量低于大气压的稀薄气体的压力 分压强计：用于真空系统内气体组成的分析和分压强的测量 检漏计：用于检测真空系统或器件的泄漏,真空的测量,按测量原理分：,基于力的作用原理：U型波纹管式、波纹管式、膜电式 基于压缩作用原理：麦式真空计 基于导热作用原理：电阻真空计、热电偶真空计 基于电离作用原理：热阴极式、冷阴极式、放射性真空计,常用的真空测量装置,液柱式真空计：测粗、低、高真空的绝对真空计。结构简单、精度高。,压缩式/麦克劳(Maclaod)/麦氏真空计 玻意尔马略特定理,常用的真空测量装置,弹性变形式真空计利用弹性元件在压差作用下产生弹性变形的原理制成的。 弹性式真空表 电容式薄膜真空计,常用的真空测量装置,热导式真空计是根据在低压强下气体热导率与其压力之间的关系制成的一种测量低真空的相对真空计。,（1）电阻真空计,（2）热电偶式真空计,常用的真空测量装置,电离真空计是通过在稀薄气体中引起电离然后利用离子电流测量压力。,热阴极 电离真空计,超高真空计和极高真空计,10-5Pa,10-9Pa,热阴极 电离真空计,AB式 电离真空计,真空计性能指标,压力测量小结,压力测量方法：,液柱式测压法 弹性变形测压法 负荷（力平衡式）测压法 电气式测压法：应变、压阻、电容,真空的测量： 液柱式真空计，热导式真空计，电离真空计，弹性变形式真空计,
