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1、第第5节节压力检测技术压力检测技术n5.1压力的根本概念压力的根本概念n5.2常用压力检测仪表常用压力检测仪表5.1压压力的根本概念力的根本概念压压力力是是工工业业消消费费过过程程中中重重要要的的工工艺艺参参数数之之一一，正正确确地地丈丈量量和和控控制制压压力力是是保保证证工工业业消消费费过过程程良良好好地地运运转转，到到达达高高产产优优质质低低耗及平安消耗及平安消费费的重要的重要环节环节。1.压压力的定力的定义义压压力力是是垂垂直直而而均均匀匀地地作作用用在在单单位位面面积积上上的的力力，即即物物理理学学中中常常称称的的压压强强。工工程程上上，习惯习惯把把压压强强称称为压为压力。力。(5-1
2、)式式中中p压压力力；F垂垂直直作作用用力力；S受受力力面面积积。2.压力的表示方法压力的表示方法由由于于参参照照点点不不同同，在在工工程程上上压压力力有有几几种种不不同同表表示方法。示方法。(1)绝绝对对压压力力被被测测介介质质作作用用于于物物体体外外表表上上的的全全部压力称为绝对压力，用符号部压力称为绝对压力，用符号pi表示。表示。(2)大大气气压压力力由由地地球球外外表表空空气气质质量量所所构构成成的的压压力力，称称为为大大气气压压力力。它它随随地地理理纬纬度度、海海拔拔高度及气候条件而变化，用符号高度及气候条件而变化，用符号p0表示。表示。(3)(3)表表压压力力 绝绝对对压压力力与与
3、当当地地大大气气压压之之差差称称为为表压力，用符号表压力，用符号 表示，表示， 。 (4)(4)真真空空度度( (负负压压) ) 当当绝绝对对压压力力小小于于大大气气压压力力时时，表表压压力力为为负负值值( (负负压压力力) )，其其绝绝对对值值称称为为真空度，用符号真空度，用符号 表示，表示， 。(5)(5)差差压压( (压压差差) ) 恣恣意意两两个个压压力力p1p1、p2p2之之差差称称为差压为差压 ， 。各种压力之间的关系各种压力之间的关系4. 压力检测的根本方法压力检测的根本方法根根据据不不同同任任务务原原理理，压压力力检检测测方方法法可可分分为为如如下下几种：几种： (1)重力平衡
4、方法重力平衡方法 这这种种方方法法利利用用一一定定高高度度的的任任务务液液体体产产生生的的重重力力或或砝砝码码的的分分量量与与被被测测压压力力相相平平衡衡的的原原理理，将将被被测测压压力力转转换换为为液液柱柱高高度度或或平平衡衡砝砝码码的的分分量量来来丈丈量量。例例如如液液柱柱式式压压力力计计和和活活塞塞式式压力计。压力计。 (2)弹性力平衡方法弹性力平衡方法 利利用用弹弹性性元元件件受受压压力力作作用用发发生生弹弹性性变变形形而而产产生生的的弹弹性性力力与与被被测测压压力力相相平平衡衡的的原原理理，将将压压力力转转换换成成位位移移，经经过过丈丈量量弹弹性性元元件件位位移移变变形形的的大大小小
5、测测出出被被测测压压力力。此此类类压压力力计计有有多多种种类类型型，可可以以丈丈量量压压力力、负负压压、绝绝对对压压力力和和压差，运用最为广泛。压差，运用最为广泛。 (3) (3) 机械力平衡方法机械力平衡方法 这这种种方方法法是是将将被被测测压压力力经经变变换换元元件件转转换换成成一一个个集集中中力力，用用外外力力与与之之平平衡衡，经经过过丈丈量量平平衡衡时时的的外外力力测测知知被被测测压压力力。力力平平衡衡式式仪仪表表可可以以到到达达较较高精度，但是构造复杂。高精度，但是构造复杂。 (4) (4) 物性丈量方法物性丈量方法 利利用用敏敏感感元元件件在在压压力力的的作作用用下下，其其某某些些
6、物物理理特特性性发发生生与与压压力力成成确确定定关关系系变变化化的的原原理理，将将被被测测压压力力直直接接转转换换为为各各种种电电量量来来丈丈量量。如如应应变变式式、压电式、电容式压力传感器等等。压电式、电容式压力传感器等等。3.2常用常用压力力检测仪表表1.液柱式液柱式压力力计运运用用液液柱柱丈丈量量压力力的的方方法法是是以以流流体体静静力力学学原原理理为根根底底的的。普普通通是是采采用用充充有有水水或或水水银等等液液体体的的玻玻璃璃U形形管管、单管管或或斜斜管管进展展压力力丈丈量量的的，其其构构造造方式如方式如图3-2所示。所示。图3-2液柱式压力计(1) U(1) U形管形管压力力计 图
7、3-2(a)3-2(a)所所示示的的U U形形管管是是用用来来丈丈量量压力力和和压差差的的仪表表。在在U U形形管管两两端端接接入入不不同同压力力和和时，根根据据流流体体静静力力平平衡衡原原理理可可知知，U U形形管管两两边管管内内液液柱差柱差h h与被与被测压力和的关系力和的关系为: : (3-2)(3-2) 式式中中 A A UU形形管管内内孔孔截截面面积； U U形管内任形管内任务液的密度；液的密度；gg重力加速度。重力加速度。由上式可求得两压力的差值或在己知一个压力的情况下例如压力，求出另一压力值:(3-3)可见U形管内的液柱差h与被测差压或压力成正比，因此被测压差或压力可以用任务液高
8、度h的大小来表示。(2)(2)单管管压力力计 U U形形管管压力力计的的读数数误差差较大大。为了了减减小小读数数误差，可以采用差，可以采用单管管压力力计。 单管管压力力计如如图3-2(b)3-2(b)所所示示，它它相相当当于于将将U U形形管管的的一一端端换成成一一个个大大直直径径的的容容器器，测压原原理理与与U U形形管管一一样。当当大大容容器器一一侧通通入入被被测压力力，管管一一侧通入大气通入大气压时，满足以下关系足以下关系: : (3-4)(3-4)式式中中h h 两两液液面面的的高高度度差差；d d 玻玻璃璃管管直直径径；D D 大容器直径。大容器直径。由于Dd，故d2/D2可以忽略不
9、计，那么式(3-4)可写成:(3-5)管内任务液面上升的高度h即可表示被测压力的大小。(3)(3)斜管斜管压力力计 用用U U形形管管或或单管管压力力计来来丈丈量量微微小小的的压力力时，由由于于液液柱柱高高度度变化化很很小小，读数数困困难，为了了提提高高灵灵敏敏度度，减减小小误差差，可可将将单管管压力力计的的玻玻璃璃控控制制成成斜斜管管，如如图3-2(c)3-2(c)所所示示。大大容容器器通通入入被被测压力力p1p1，斜斜管管通通大大气气压力力p2p2，那那么么p1p1与与液液柱柱之之间的关系依然与式的关系依然与式(3-5)(3-5)一一样: : (3-6)(3-6) 式式中中LL斜斜管管内内
10、液液柱柱的的长度度； 斜斜管管倾斜斜角。角。 由由于于LhLh，所所以以斜斜管管压力力计比比单管管压力力计更灵敏，可以提高丈量精度。更灵敏，可以提高丈量精度。2.弹性压力计弹性压力计当当被被测测压压力力作作用用于于弹弹性性元元件件时时，弹弹性性元元件件便便产产生生相相应应的的弹弹性性变变形形(即即机机械械位位移移)。根根据据变变形形量量的的大大小小，可可以以测测得得被被测测压压力力的的数值。数值。弹性压力计的组成环节如图弹性压力计的组成环节如图3-3所示所示:弹弹性性元元件件是是中中心心部部分分，其其作作用用是是感感受受压压力力并并产产生生弹弹性性变变形形，弹弹性性元元件件采采用用何何种种方式
11、要根据丈量要求选择和设计；方式要根据丈量要求选择和设计；在在弹弹性性元元件件与与指指示示机机构构之之间间是是变变换换放放大大机机构构，其其作作用用是是将将弹弹性性元元件件的的变变形形进进展展变换和放大；变换和放大；指指示示机机构构(如如指指针针与与刻刻度度标标尺尺)用用于于给给出出压压力力示示值值；调调整整机机构构用用于于调调整整零零点点和和量量程。程。图3-3弹性压力计组成框图(1) (1) 弹性元件弹性元件 同同样样的的压压力力下下，不不同同构构造造、不不同同资资料料的的弹弹性性元元件件会会产产生生不不同同的的弹弹性性变变形形。常常用用的的弹弹性性元元件件有有弹弹簧簧管管、波波纹纹管管、薄
12、薄膜膜等等，如如表表3-23-2所所示示。其其中中波波纹纹膜膜片片和和波波纹纹管管多多用用于于微微压压和和低低压压丈丈量量；单单圈圈和和多多圈圈弹弹簧簧管管可可用用于于高高、中、低压或真空度的丈量。中、低压或真空度的丈量。表3-2弹性元件的构造和特性类别名称示意图压力丈量范围kPa输出特性动态性质最小最大时间常数/s自振频率/Hz薄膜式平薄膜010010510-510-210104波纹膜010-3010310-210-110102挠性膜010-5010210-211102波纹管式波纹管010-3010310-210-110102弹簧管式单圈弹簧管010-10106102103多圈弹簧管010-
13、2010510102弹性元件常用的资料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适用于不同的测压范围和被测介质。经过各种传动放大机构直接指示被测压力值。这类直读式测压仪表有弹簧管压力计、波纹管差压计、膜盒式压力计等。(2) (2) 弹簧管压力计弹簧管压力计 弹弹簧簧管管式式压压力力计计是是工工业业消消费费上上运运用用很很广广泛泛的的一一种种直直读读式式测测压压仪仪表表，以以单单圈圈弹弹簧簧管管构构造造运用最多。其普通构造如图运用最多。其普通构造如图3-43-4所示。所示。 被被测测压压力力由由接接口口引引入入，使使弹弹簧簧管管自自在在端端产产生生位位移移，经经过过拉拉杆杆使使扇扇形形齿齿轮轮逆逆时时针针
14、偏偏转转，并并带带动动啮啮合合的的中中心心齿齿轮轮转转动动，与与中中心心齿齿轮轮同同轴轴的的指指针针将将同同时时顺顺时时针针偏偏转转，并并在在面面板板的的刻刻度度标标尺上指示出被测压力值。尺上指示出被测压力值。图3-4弹簧管压力计构造1-弹簧管；2-连杆；3-扇形齿轮；4-底座；5-中心齿轮；6-游丝；7-表盘；8-指针；9-接头；10-横断面；11-灵敏度调整槽经过调整螺钉可以改动拉杆与扇形齿轮的接合点位置，从而改动放大比，调整仪表的量程。转动轴上装有游丝，用以消除两个齿轮啮合的间隙，减小仪表的变差。直接改动指针套在转动轴上的角度，就可以调整仪表的机械零点。弹簧管压力计构造简单,运用方便，价
15、钱低廉，测压范围宽，运用非常广泛。普通弹簧管压力计的测压范围为-105109Pa；准确度最高可达0.1。(3)(3)弹性压力计信号远传方式弹性压力计信号远传方式 弹弹性性压压力力计计可可以以在在现现场场指指示示，但但是是许许多多情情况况下下要要求求将将信信号号远远传传至至控控制制室室。普普通通可可以以在在已已有有的的弹弹性性压压力力计计构构造造上上添添加加转转换换部部件件实实现现信信号的远间隔传送。号的远间隔传送。 弹弹性性压压力力计计信信号号多多采采用用电电远远传传方方式式，即即把把弹弹性性元元件件的的变变形形或或位位移移转转换换为为电电信信号号输出。输出。 常常见见的的转转换换方方式式有有
16、电电位位计计式式、霍霍尔尔元元件件式式、电电感感式式、差差动动变变压压器器式式等等，图图3-53-5给出两种电远传弹性压力计构造原理。给出两种电远传弹性压力计构造原理。(a)电位器式(b)霍尔元件式图3-5弹性压力计信号电远传方式原理图3-5(a)为电位器式，在弹性元件的自在端处安装滑线电位器，滑线电位器的滑动触点与自在端衔接并随之挪动，自在端的位移就转换为电位器的电信号输出。这种远传方法比较简单，可以有很好的线性输出，但是滑线电位器的构造可靠性较差。图3-5(b)为霍尔元件式，其转换原理基于半导体资料的霍尔效应。由半导体资料制成的片状霍尔元件固定在弹性元件的自在端，并处于两对磁场方向相反的磁
17、极组件构成的线性不均匀磁场的间隙中。霍尔元件被自在端带动在不均匀磁场中挪动时，将感受不同的磁场强度。假设在霍尔元件的两端通以恒定电流，那么在垂直于磁场和电流方向的另两侧将产生霍尔电势，此输出电势即对应于自在端位移，从而给出被测压力值。这种仪表构造简单，灵敏度高，寿命长，但对外部磁场敏感，耐振性差。3.力平衡式压力计力平衡式压力计图3-6力平衡式压力计的根本框图力平衡式压力计采用反响力平衡的原理，反响力的平衡方式可以是弹性力平衡或电磁力平衡等。力平衡式压力计的根本构成如图3-6所示，被测压力或压差作用于弹性敏感元件上，弹性敏感元件感受压力作用并将其转换为位移或力，并作用于力平衡系统，力平衡系统受
18、力后将偏离原有的平衡形状；由偏向检测器输出偏向值至放大器；放大器将信号放大并输出电流(或电压)信号，电流信号控制反响力或力矩发活力构，使之产生反响力；当反响力与作用力平衡时，仪表处于新的平衡形状；显示机构可输出与被测压力或压差相对应的信号。图3-7弹性力平衡式压力丈量系统的原理4.压力传感器压力传感器可可以以丈丈量量压压力力并并提提供供远远传传电电信信号号的的安安装装统称为压力传感器。统称为压力传感器。压压力力传传感感器器是是压压力力检检测测仪仪表表的的重重要要组组成成部部分分，其其构构外外型型式式多多种种多多样样，常常见见的的型型式式有有应应变变式式、压压阻阻式式、电电容容式式、压压电电式式
19、、振振频频式式压压力力传传感感器器等等。此此外外还还有有光光电电式式、光光纤纤式式、超超声声式式压压力力传传感感器器等等。采采用用压压力力传传感感器器可可以以直直接接将将被被测测压压力力变变换换成成各各种种方方式式的的电电信信号号，便便于于满满足足自自动动化化系系统统集集中中检检测测与与控控制制的的要要求求，因此在工业消费中得到广泛运用。因此在工业消费中得到广泛运用。(1)应变式压力传感器应变式压力传感器是一种经过丈量各种弹性元件的应变来间接丈量压力的传感器。根据制造资料的不同，应变元件可以分为金属和半导体两大类。应变元件的任务原理基于导体和半导体的“应变效应，即当导体和半导体资料发活力械变形
20、时，其电阻值将发生变化。电阻值的相对变化与应变有以下关系：(3-7)应变式压力传感器所用弹性元件可根据被测介质和丈量范围的不同而采用各种型式，常见有圆膜片、弹性梁、应变筒等。图3-9给出几种弹性元件和应变式压力传感器的构造及电桥式丈量电路表示图。图3-9应变式压力传感器(2)(2)压阻式压力传感器压阻式压力传感器 固体受力后电阻率发生变化的景象称为固体受力后电阻率发生变化的景象称为压阻效应。压阻效应。 压阻式压力传感器是基于半导体资料压阻式压力传感器是基于半导体资料( (单晶硅单晶硅) )的压阻效应原理制成的传感器，就是利的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶
21、向制用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成分散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形成分散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使分散电阻的阻值发生变化。硅平膜片上的分将使分散电阻的阻值发生变化。硅平膜片上的分散电阻通常构成桥式丈量电路，相对的桥臂电阻散电阻通常构成桥式丈量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。片所受压力成对应关系。图3-10为一种压阻式压力传感器的构造表示图，硅平膜片在圆形硅杯的底部，其两边有两个压力腔，分别输入被测差压或被测压力与参考压力。髙压腔接被测压力，低压腔与大气连通或接参考压
22、力。图3-10压阻式压力传感器压阻式压力传感器的特点:(1)灵敏度高，频率呼应高；(2)丈量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的高压；(3)精度高，任务可靠，其精度可达0.20.02；(4)易于微小型化，目前国内消费出直径1.82mm的压阻式压力传感器。(3)(3)压电式式压力力传感器感器 某某些些电介介质沿沿着着某某一一个个方方向向受受力力而而发活活力力械械变形形( (紧缩或或伸伸长) )时，其其内内部部将将发生生极极化化景景象象，而而在在其其某某些些外外表表上上会会产生生电荷荷。当当外外力力去去掉掉后后，它它又又会会重重新新回回到到不不带电的的形形状状，此此景景象象称称为“压电
23、效效应。 常常用用的的压电资料料有有天天然然的的压电晶晶体体( (如如石石英英晶晶体体) )和和压电陶陶瓷瓷( (如如钛酸酸钡) )两两大大类，它它们的的压电机机理理并并不不一一样，压电陶陶瓷瓷是是人人造造多多晶晶体体，压电常常数数比比石石英英晶晶体体高高，但但机机械械性性能能和和稳定定性性不不如如石石英英晶晶体体好好。它它们都都具具有有较好好特特性性，均均是是较理理想的想的压电资料。料。压电式压力传感器是利用压电资料的压电效应将被测压力转换为电信号的。由压电资料制成的压电元件遭到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：(3-8)式中Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。经过
24、丈量电荷量可知被测压力大小。图3-11为一种压电式压力传感器的构造表示图。压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面经过引线将电荷量引出。被测压力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。电荷量普通用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。图3-11压电式压力传感器压电式压力传感器特点:(1)体积小，构造简单，任务可靠；(2)丈量范围宽，可测100MPa以下的压力；(3)丈量精度较高；(4)频率呼应高，可达30KHz，是动态压力检测中常用的传感器，但由于压电元件存在电荷走漏，故不适宜丈量缓慢变化的压力和静态压力。(4)(4
25、)电容式容式压力力传感器感器 电容容式式压力力传感感器器采采用用变电容容丈丈量量原原理理，将将由由被被测压力力引引起起的的弹性性元元件件的的位位移移变形形转变为电容容的的变化化，用用丈丈量量电容容的的方方法法测出出电容容量量，便便可知道被可知道被测压力的大小。力的大小。 根据平行板根据平行板电容器的容器的电容量表达式容量表达式 (3-9) (3-9) 式式中中为电容容极极板板间介介质的的介介电常常数数；A A为两平行板相两平行板相对面面积；d d 为两平行板两平行板间距。距。由式(3-9)可知，改动A、d、其中恣意一个参数都可以使电容量发生变化。在实践丈量中，大多采用坚持其中两个参数不变，而仅
26、改动A或d一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。故有变极距式电容压力传感器和变面积式电容压力传感器。因此，电容量的变化与被测参数的大小成比例。差差动变极距式极距式电容容压力力传感器感器改改动电容容两两平平行行板板间距距d的的丈丈量量方方式式有有较高高的的灵灵敏敏度度，但但当当位位移移较大大时非非线性性严重重。采采用用差差动电容容法法可可以以改改善善非非线性性、提提高高灵灵敏敏度度、并可减小因并可减小因受温度影响引起的不受温度影响引起的不稳定性。定性。图3-12电容式差压传感器对于差动平板电容器，其电容变化与板间间隔变化的关系可表示为：(3-10)式中C0为初始电容值；d0为极板间初始
27、间隔；d为间隔变化量。此电容量的变化经过适当的变换器电路，可以转换成反映被测差压的规范电信号输出。这种传感器构造坚实，灵敏度高，过载才干大；精度高，其准确度可达0.250.05；可以丈量压力和差压。变面面积式式电容容压力力传感器感器图3-13所所示示为一一种种变面面积式式电容容压力力传感感器器。被被测压力力作作用用在在金金属属膜膜片片上上，经过中中心心柱柱和和支支撑撑簧簧片片，使使可可动电极极随随簧簧片片中中心心位位移移而而动作作。可可动电极极与与固固定定电极极均均是是金金属属同同心心多多层圆筒筒，断断面面呈呈梳梳齿形形，其其电容容量量由由两两电极极交交错重重叠叠部部分分的的面面积所所决决议。
28、固固定定电极极与与外外壳壳之之间绝缘，可可动电极极那那么么与与外外壳壳导通通。压力力引引起起的的极极间电容容变化化由由中中心心柱柱引引至至适适当当的的变换器器电路路，转换成反映被成反映被测压力的力的规范范电信号信号输出。出。图3-13变面积式电容压力传感器(5)(5)谐振式压力传感器谐振式压力传感器 谐谐振振式式压压力力传传感感器器是是靠靠被被测测压压力力所所构构成成的的应应力力改改动动弹弹性性元元件件的的谐谐振振频频率率，经经过过丈丈量量频频率信号的变化来检测压力。率信号的变化来检测压力。 这这种种传传感感器器特特别别适适宜宜与与计计算算机机配配合运用，组成高精度的丈量、控制系统。合运用，组
29、成高精度的丈量、控制系统。 根根据据谐谐振振原原理理可可以以制制成成振振筒筒、振振弦及振膜式等多种型式的压力传感器。弦及振膜式等多种型式的压力传感器。振筒式振筒式压力力传感器感器振振筒筒式式压力力传感感器器的的感感压元元件件是是一一个个薄薄壁壁金金属属圆筒筒，圆柱柱筒筒本本身身具具有有一一定定的的固固有有频率率，当当筒筒壁壁受受压张紧后后，其其刚度度发生生变化化，固固有有频率率相相应改改动。在在一一定定的的压力力作作用用下下，变化化后后的的振筒振筒频率可以近似表示率可以近似表示为：(3-11)式中式中:为受受压后的振筒后的振筒频率；率；为固有固有频率；率；为构造系数；构造系数；为被被测压力。力
30、。图3-14振筒式压力传感器传感器由振筒组件和激振电路组成，如图3-14所示。振筒用低温度系数的恒弹性资料制成，一端封锁为自在端，开口端固定在基座上，压力由内侧引入。绝缘支架上固定着激振线圈和检测线圈，二者空间位置相互垂直，以减小电磁耦合。激振线圈使振筒按固有的频率振动，受压前后的频率变化可由检测线圈检出。此种仪表体积小，输出频率信号，反复性好，耐振；准确度高，其准确度为0.1和0.01；适用于气体丈量。振膜式振膜式压力力传感器感器振振膜膜式式压力力传感感器器构构造造如如图3-15(a)所所示示。振振膜膜为一一个个平平膜膜片片，且且与与环形形壳壳体体做做成成整整体体构构造造，它它和和基基座座构
31、构成成密密封封的的压力力丈丈量量室室，被被测压力力p经过导压管管进入入压力力丈丈量量室室内内。参参考考压力力室室可可以以通通大大气气用用于于丈丈量量表表压，也也可可以以抽抽成成真真空空丈丈量量绝压。装装于于基基座座顶部部的的电磁磁线圈圈作作为激激振振源源给膜膜片片提提供供激激振振力力，当当激激振振频率率与与膜膜片片固固有有频率率一一致致时，膜膜片片产生生谐振振。没没有有压力力时，膜膜片片是是平平的的，其其谐振振频率率为f0；当当有有压力力作作用用时，膜膜片片受受力力变形形，其其张紧力力添添加加，那那么么相相应的的谐振振频率率也也随随之之添添加加，频率率随随压力力变化化且且为单值函数关系。函数关
32、系。图3-15振膜式压力传感器在膜片上粘贴有应变片，它可以输出一个与谐振频率一样的信号。此信号经放大器放大后，再反响给激振线圈以维持膜片的延续振动，构成一个闭环正反响自激振荡系统。如图3-15(b)所示。3.1.3压力检测仪表的运用与校准压力检测仪表的运用与校准1.压力仪表的选择与安装压力仪表的选择与安装压压力力仪仪表表的的选选择择应应本本着着经经济济合合理理的的原原那那么么综综合合思思索索仪仪表表类类型型、丈丈量量范围和精度等方面。范围和精度等方面。仪仪表表的的类类型型应应根根据据被被测测介介质质情情况况、现场环境及消费过程对仪表的要求现场环境及消费过程对仪表的要求仪仪表表的的量量程程要要根
33、根据据被被测测压压力力的的大大小小及及其其在在丈丈量量过过程程中中变变化化的的情情况况来来选取。选取。仪仪表表的的精精度度应应根根据据工工艺艺消消费费的的要要求求在在规规定定的的精精度度等等级级中中选选择择确确定定。所所选选精精度度等等级级应应小小于于或或至至少少等等于于工工艺要求的仪表允许最大援用误差。艺要求的仪表允许最大援用误差。压力丈量系统(包括测取压力的取压口、传送压力的引压管路和丈量仪表)安装的正确与否直接影响丈量结果的准确性。应根据详细被测介质、管路和环境条件，选取适当的取压口位置、正确安装引压管路和丈量仪表。一些常用压力仪表的性能和用途见表3-3。仪表型式常用丈量范围Pa精度等级
34、用途与特点液柱式压力计U形管压力计0105或压差、负压高基准器、规范器、工程丈量仪表单管压力计0105或压差、负压高基准器、规范器、工程丈量仪表斜管压力计02103或压差、负压高基准器、规范器、工程丈量仪表弹性压力计弹簧管压力计0109较高工程丈量仪表、精细丈量仪表膜片式压力计02106或压差、负压普通工程丈量仪表、精细丈量仪表膜盒式压力计04104或压差、负压普通工程丈量仪表、精细丈量仪表波纹管压力计04106或压差、负压普通工程丈量仪表、精细丈量仪表活塞式压力计02.5108或负压很高基准器、规范器电位计式压力传感器06107普通工程丈量仪表电容式压力传感器0107或压差较高工程丈量仪表电
35、感式压力传感器06107较高工程丈量仪表霍尔式压力传感器06107普通工程丈量仪表振频式压力传感器0107或压差、负压较高工程丈量仪表应变式压力传感器0108或压差、负压较高工程丈量仪表压电式压力传感器0107或压差、负压较高工程丈量仪表2.压力检测仪表的校准压力检测仪表的校准压压力力检检测测仪仪表表在在出出厂厂前前均均需需经经过过校校准准，使之符合精度等级要求。使之符合精度等级要求。运运用用中中的的仪仪表表会会因因弹弹性性元元件件疲疲劳劳、传传动动机机构构磨磨损损及及腐腐蚀蚀、电电子子元元器器件件的的老老化化等等呵呵斥斥误误差差，所所以以必必需需定定期期进进展展校校准准，以以保保证丈量结果有
36、足够的准确度；证丈量结果有足够的准确度；另另外外，新新的的仪仪表表在在安安装装运运用用前前，为为防防止止运运输输过过程程中中由由于于振振动动或或碰碰撞撞所所呵呵斥斥的的误误差差，也也应应对对新新仪仪表表进进展展校校准准，以以保保证证仪仪表表示值的可靠性。示值的可靠性。(1) (1) 静静态校准校准 压力力检测仪表表的的静静态校校准准是是在在静静态规范范条条件件下下( (温温度度205205，湿湿度度8080，大大气气压力力为76080mmHg76080mmHg，且且无无振振动冲冲击的的环境境) )，采采用用一一定定规范范等等级( (其其精精度度需需为被被校校仪表表的的3 35 5倍倍) )的的
37、校校准准设备，对仪表表反反复复( (不不少少于于3 3次次) )进展展全全量量程程逐逐级加加载和和卸卸载测试，获得得各各次次校校准准数数据据，以以确确定定仪表表的的静静态根根本本性性能能目目的的和和精精度度的的过程。程。 校准方法通常有两种：一种是将被校表与规范表的示值在一样条件下进展比较；另一种是将被校表的示值与规范压力比较。无论是压力表还是压力传感器、变送器，均可采用上述两种方法。普通在被校表的丈量范围内，均匀地选择至少5个以上的校验点，其中应包括起始点和终点。(2) (2) 动态校准动态校准 在在一一些些工工程程技技术术领领域域常常会会遇遇到到压压力力动动态态变变化化的的情情况况，例例如
38、如，火火箭箭发发动动机机的的熄熄灭灭室室压压力力在在启启动动点点火火后后的的瞬瞬间间，有有极极为为快快速速地地变变化化；在在产产生生振振荡荡熄熄灭灭时时，压压力力变变化化频频率率从从几几赫赫到到数数千千赫赫。为为了了可可以以准准确确丈丈量量压压力力的的动动态态变变化化，要要求求压压力力传传感感器器的的频频率率呼呼应应特特性性要要好好。实实践践上上压压力力传传感感器器的的频频率率呼呼应应特特性性决决议议了了该该传传感感器器对对动动态态压压力力丈丈量量的的适适用用范范围围和和丈丈量量精精度度。因因此此，对对用用于于动动态态压压力力丈丈量量的的传传感感器器或或测测压压系系统统必必需需进进展展动动态态
39、校校准准，以以确确定定其其动动态态特特性性参参数数，如如频频率率呼呼应应函函数、固有频率、阻尼比等。数、固有频率、阻尼比等。稳态校准图3-17所示为产生稳态周期性校准电磁式正弦压力源的安装。当流过电磁式力发生器中的电流成正弦规律变化时便产生正弦力，使输给传感器的介质压力按正弦规律变化。图3-17电磁式正弦压力发生器上述安装只提供了可变的压力源，主要适用于将未知特性的被校传感器与知特性的规范传感器进展比较。也可以经过改动压力源频率，同时监测被校仪表或传感器输出的方法求出被校仪表的频率特性。这类方法的主要优点是构造简单，易于实现。但由于难以提供高频高振幅的压力信号，仅适用于低压和低频的压力校准中，
40、不能用于压力检测仪表的高频动态特性校准。非稳态校准激波管是测定压力传感器频率呼应特性的最常用的方便而简单的设备。激波管校准传感器动态特性的根本原理是：用激波管产生的阶跃压力来鼓励被校压力传感器，并用适当的设备记录在这一阶跃压力鼓励下被校传感器所产生的瞬时呼应，根据其过渡过程曲线，运用适当的计算方法，求得被校压力传感器的频率呼应特性。图3-19为激波管法校准压力传感器动态特性系统图。整个实验安装包括激波管、气源、丈量和记录部分。图3-19激波管校准系统图3.2力的丈量力的丈量3.2.1力的根本概念力的根本概念1.力力力是一个重要的物理量。力表达力是一个重要的物理量。力表达了物了物质之之间的相互作
41、用，凡是能使物的相互作用，凡是能使物体的运体的运动形状或物体所具有的形状或物体所具有的动量量发生改生改动而而获得加速度或者使物体得加速度或者使物体发生生变形的作用都称形的作用都称为力。力。按照力按照力产生生缘由的不同，可以把由的不同，可以把力分力分为重力、重力、弹性力、性力、惯性力、膨性力、膨胀力、摩擦力、浮力、力、摩擦力、浮力、电磁力等等。磁力等等。按力按力对时间的的变化性化性质可分可分为静静态力和力和动态力两大力两大类。静。静态力是指不力是指不变的力或的力或变化很化很缓慢的力。慢的力。动态力是力是指随指随时间变化化显著的力，如冲著的力，如冲击力、力、交交变力或随机力或随机变化的力等。化的力
42、等。2.力的力的单位位力力在在国国际单位位制制(SI)中中是是导出出量量，牛牛顿第第二二定定律律(F=ma)提提示示了了力力(F)的的大大小小与与物物体体质量量(m)和和加加速速度度(a)的的关关系系，即即力力是是质量量和和加加速速度度的的乘乘积。因因此此力力的的单位位和和规范范都都取取决决于于质量量和和加加速速度度的的单位位与与规范范。质量量是是国国际单位位制制中中的的一一个个根根本本量量，单位位是是kg(千千克克)；加加速速度度是是根根本本量量长度度和和时间，的，的导出量，出量，单位是位是m/s2(米秒米秒2)。我我国国法法定定计量量单位位制制和和国国际单位位制制中中，规定定力力的的单位位
43、为牛牛顿N，定定义为：使使1kg质量量的的物体物体产生生1m/s2加速度的力，即加速度的力，即1N=1kgm/s2。3.力量值的传送力量值的传送目目前前均均以以规规范范砝砝码码的的重重力力作作为为力力的的规规范范，其其大大小小除除可可以以用用规规范范砝砝码码传传送送外外，还还可可以以用用各各种种不不同同准准确确度度等等级级的的基基准准和和规规范范测测力力仪仪器器设设备备复现力值及进展量值的传送。复现力值及进展量值的传送。力的传送方式有定度和检定两种：力的传送方式有定度和检定两种：定定度度是是根根据据基基准准和和规规范范测测力力仪仪器器设设备备所所传传送的力值确定被校仪表刻度所对应的力值。送的力
44、值确定被校仪表刻度所对应的力值。检检定定是是将将准准确确度度级级别别更更高高的的基基准准和和规规范范测测力力仪仪器器设设备备与与被被检检定定测测力力仪仪表表进进展展比比对对，以以确确定被检定测力仪表的误差。定被检定测力仪表的误差。3.2.2力的丈量方法力的丈量方法力力的的本本质是是物物体体之之间的的相相互互作作用用，不能直接得到其不能直接得到其值的大小。的大小。力力施施加加于于某某一一物物体体后后，将将使使物物体体的的运运动形形状状或或动量量改改动，使使物物体体产生加速度，生加速度，这是力的是力的“动力效力效应。还可可以以使使物物体体产生生应力力，发生生变形，形，这是力的是力的“静力效静力效应
45、。因因此此，可可以以利利用用这些些变化化来来实现对力力的的检测。力力的的丈丈量量方方法法可可归纳为力力平平衡衡法法，测位位移移法法和和利利用用某某些些物物理效理效应测力等。力等。1.力平衡法力平衡法力力平平衡衡式式丈丈量量法法是是基基于于比比较较丈丈量量的的原原理理，用用一一个个知知力力来来平平衡衡待待测测的的未未知知力力，从从而而得得出出待待测力的值。测力的值。平平衡衡力力可可以以是是知知质质量量的的重重力力、电电磁磁力力或或气气动力等。动力等。(1) (1) 机械式力平衡安装机械式力平衡安装 图图3-20(a)3-20(a)为为梁梁式式天天平平，经经过过调调整整砝砝码码使使指指针针归归零零
46、，将将被被测测力力FiFi与与规规范范质质量量( (砝砝码码G)G)的的重力进展平衡，直接比较得出被测力重力进展平衡，直接比较得出被测力FiFi的大小。的大小。 图图3-20 3-20 机械式力平衡安装机械式力平衡安装图3-20(b)为机械杠杆式力平衡安装，可转动的杠杆支撑支点M上，杠杆左端上面悬挂有刀形支承N，在N的下端直接作用有被测力Fi；杠杆右端是质量m知的可滑动砝码G；另在杠杆转动中心上安装有归零指针。丈量时，调整砝码的位置使之与被测力平衡。当到达平衡时，那么有:(3-15)式中:a，b分别为被测力Fi和砝码G的力臂；g为当地重力加速度。可见，被测力Fi的大小与砝码重力mg的力臂b成正
47、比，因此可以在杠杆上直接按力的大小刻度。这种测力计机构简单，常用于资料实验机的测力系统中。上述测力方法的优点是简单易行，可获得很高的丈量精度。但这种方法是基于静态重力力矩平衡，因此仅适用于作静态丈量。(2)磁电式力平衡安装磁电式力平衡安装图图3-21所示为一种磁电式力平衡测力系统。所示为一种磁电式力平衡测力系统。无无外外力力作作用用时时，系系统统处处于于初初始始平平衡衡位位置置，光光线线全全部部被被遮遮住住，光光敏敏元元件件无无电电流流输输出出，力力矩矩线圈不产生力矩。线圈不产生力矩。当当被被测测力力Fi作作用用在在杠杠杆杆上上时时，杠杠杆杆发发生生偏偏转转，光光线线经经过过窗窗口口翻翻开开的
48、的相相应应缝缝隙隙，照照射射到到光光敏敏元元件件上上，光光敏敏元元件件输输出出与与光光照照成成比比例例的的电电信信号号，经经放放大大后后加加到到力力矩矩线线圈圈上上与与磁磁场场相相互互作作用用而而产产生生电电磁磁力力矩矩，用用来来平平衡衡被被测测力力Fi与与规规范范质质量量m的的重重力力力力矩矩之之差差，使使杠杠杆杆重重新新处处于于平平衡衡。此此时时杠杠杆杆转转角角与与被被测测力力Fi成成正正比比，而而放放大大器器输输出出电电信信号号在在采采样样电电阻阻R上上的的电电压压降降Uo与与被被测测力力Fi成比例，从而可测出力成比例，从而可测出力Fi。图3-21磁电式力平衡测力系统与机械杠杆式测力系统
49、相比较，磁电式力平衡系统运用方便，受环境条件影响较小，体积小、呼应快，输出的电信号易于记录且便于远间隔丈量和控制。2.测位移法测位移法在在力力作作用用下下，弹弹性性元元件件产产生生变变形形，测测位位移移法法经经过过丈丈量量未未知知力力所所引引起起的的位位移移，从而间接地测得未知力值。从而间接地测得未知力值。图图3-23电容式测力安装电容式测力安装图3-23所示是电容传感器与弹性元件组成的测力安装。图中，扁环形弹性元件内腔上下平面上分别固连电容传感器的两个极板。在力作用下，弹性元件受力变形，使极板间距改动，导致传感器电容量变化。用丈量电路将此电容量变化转换成电信号，即可得到被测力值。通常采用调频
50、或调相电路来丈量电容。这种测力安装可用于大型电子吊秤。图3-24差动变压器式测力安装图3-24为两种常用的由差动变压器与弹性元件构成的测力安装。弹性元件受力产生位移，带动差动变压器的铁芯运动，使两线圈互感发生变化，最后使差动变压器的输出电压产生和弹性元件受力大小成比例的变化。图3-24(a)是差动变压器与弹簧组合构成的测力安装；图3-24(b)为筒形弹性元件。3.利用某些物理效应测力利用某些物理效应测力物物体体在在力力作作用用下下会会产产生生某某些些物物理理效效应应，如如应应变变效效应应，压压磁磁效效应应，压压电电效效应应等等，可可以以利利用用这这些些效效应应间间接接检检测测力力值值。各各种种
51、类类型型的的测测力力传传感感器器就就是是基基于于这这些些效效应。应。3.2.3测力力传感器感器测力力传感感器器通通常常将将力力转换为正正比比于于作作用用力力大大小小的的电信信号号，运运用用非非常常方方便便，因因此此在在工工程程领域域及及其其他他各各种种场所所运运用用最最为广泛。广泛。测力力传感感器器种种类繁繁多多，根根据据不不同同的的物物理理效效应和和检测原原理理可可分分为电阻阻应变式、式、压磁式、磁式、压电式、振弦式等等。式、振弦式等等。1.应变式力传感器应变式力传感器应应变变式式力力传传感感器器的的任任务务原原理理与与应应变变式式压压力力传传感感器器根根本本一一样样，它它也也是是由由弹弹性
52、性敏敏感感元件和贴在其上的应变片组成。元件和贴在其上的应变片组成。应应变变式式力力传传感感器器首首先先把把被被测测力力转转变变成成弹弹性性元元件件的的应应变变，再再利利用用电电阻阻应应变变效效应应测测出应变，从而间接地测出力的大小。出应变，从而间接地测出力的大小。应应变变片片的的布布置置和和接接桥桥方方式式，对对于于提提高高传传感感器器的的输输出出灵灵敏敏度度和和消消除除有有害害要要素素的的影影响有很大关系。响有很大关系。图3-25给出了常见的柱形、筒形、梁形弹性元件及应变片的贴片方式。图3-25(a)为柱形弹性元件；图3-25(b)为筒形弹性元件；图3-25(c)为梁形弹性元件。图3-25几
53、种弹性元件及应变片贴片方式2.压磁式力传感器压磁式力传感器当当铁铁磁磁资资料料在在遭遭到到外外力力拉拉、压压作作用用而而在在内内部部产产生生应应力力时时，其其导导磁磁率率会会随随应应力的大小和方向而变化。力的大小和方向而变化。受受拉拉力力时时，沿沿力力作作用用方方向向的的导导磁磁率率增增大大，而而在在垂垂直直于于作作用用力力的的方方向向上上导导磁磁率略有减小。率略有减小。受受压压力力作作用用时时那那么么导导磁磁率率的的变变化化正正好相反。好相反。这这种种物物理理景景象象就就是是铁铁磁磁资资料料的的压压磁磁效应。这种效应可用于力的丈量。效应。这种效应可用于力的丈量。图3-27压磁式传感器压磁式力
54、传感器的输出电势比较大，通常不用再放大，只需经过滤波整流后就可直接输出，但要求有一个稳定的激磁电源。压磁式力传感器可丈量很大的力，抗过载才干强，能在恶劣条件下任务。但频率呼应不高110kHz，丈量精度普通在1左右，也有精度更高的新型构造的压磁式力传感器。常用于冶金、矿山等重工业部门作为测力或称重传感器，例如在轧钢机上用来丈量大的力以及用在吊车秤中。3.3转矩丈量矩丈量转矩是各种任矩是各种任务机械机械传动轴的根的根本本载荷方式，与荷方式，与动力机械的任力机械的任务才干、才干、能源耗能源耗费、效率、运、效率、运转寿命及平安性寿命及平安性能等要素能等要素严密密联络。转矩的丈量矩的丈量对传动轴载荷确荷
55、确实定与控制、定与控制、传动系系统任任务零件的零件的强度度设计以及原以及原动机容量的机容量的选择等都具有等都具有重要的意重要的意义。3.3.1转矩的概念矩的概念1.转矩的定矩的定义及及单位位使使机机械械元元件件转动的的力力矩矩或或力力偶偶称称为转动力力矩矩，简称称转矩矩。机机械械元元件件在在转矩矩作作用用下下都都会会产生生一一定定程程度度的的改改动变形形，故故转矩矩有有时又称又称为扭矩。扭矩。力力矩矩是是由由一一个个不不经过旋旋转中中心心的的力力对物物体体构构成成的的，而而力力偶偶是是一一对大大小小相相等等、方方向向相相反反的的平平行行力力对物物体体的的作作用用。所所以以转矩矩等等于于力力与与
56、力力臂臂或或力力偶偶臂臂的的乘乘积，在在国国际单位位制制(SI)中中，转矩矩的的计量量单位位为牛牛顿米米(Nm)，工工程程技技术中中也也曾曾用用过公公斤斤力力米米等等作作为转矩的矩的计量量单位。位。2.转矩的类型转矩的类型转矩可分为静态转矩和动态转矩。转矩可分为静态转矩和动态转矩。静静态态转转矩矩是是值值不不随随时时间间变变化化或或变变化化很很小小、很很缓缓慢的转矩。慢的转矩。静静态态转转矩矩包包括括静静止止转转矩矩、恒恒定定转转矩矩、缓缓变变转转矩矩和和微微脉脉动动转转矩矩。静静止止转转矩矩的的值值为为常常数数，传传动动轴轴不不旋旋转转；恒恒定定转转矩矩的的值值为为常常数数，但但传传动动轴轴
57、以以匀匀速速旋旋转转，如如电电机机稳稳定定任任务务时时的的转转矩矩；缓缓变变转转矩矩的的值值随随时时间间缓缓慢慢变变化化，但但在在短短时时间间内内可可以以为为转转矩矩值值是是不不变变的的；微微脉脉动动转转矩矩的的瞬瞬时时值值有有幅幅度不大的脉动变化。度不大的脉动变化。动态转矩是值随时间变化很大的转矩。动态转矩包括振动转矩、过渡转矩和随机转矩三种。振动转矩的值是周期性动摇的；过渡转矩是机械从一种工况转换到另一种工况时的转矩变化过程；随机转矩是一种不确定的、变化无规律的转矩。3.转矩的丈量方法转矩的丈量方法转转矩矩的的丈丈量量方方法法可可以以分分为为平平衡衡力力法法、能能量量转转换换法法和和传传送
58、送法法。其其中中传传送送法法涉涉及及的的转转矩矩丈丈量量仪器种类最多，运用也最广泛。仪器种类最多，运用也最广泛。(1)平衡力法及平衡力类转矩丈量安装平衡力法及平衡力类转矩丈量安装匀匀速速运运转转的的动动力力机机械械或或制制动动机机械械，在在其其机机体体上上必必然然同同时时作作用用着着与与转转矩矩大大小小相相等等，方方向向相相反反的的平平衡衡力力矩矩。经经过过丈丈量量机机体体上上的的平平衡衡力力矩矩(实实践践上上是是丈丈量量力力和和力力臂臂)来来确确定定动动力力机机械械主主轴轴上上任任务转矩的方法称为平衡力法。务转矩的方法称为平衡力法。平平衡衡力力法法直直接接从从机机体体上上测测转转矩矩，不不存
59、存在在从从旋旋转转件件到到静静止止件件的的转转矩矩传传送送问问题题。但但它它仅仅适适宜宜丈量匀速任务情况下的转矩，不能测动态转矩。丈量匀速任务情况下的转矩，不能测动态转矩。(2) (2) 能量转换法能量转换法 根根据据能能量量守守恒恒定定律律，经经过过丈丈量量其其他他方方式式能能量量如如电电能能、热热能能参参数数来来丈丈量量旋旋转转机机械械的的机机械械能能，进而求得转矩的方法即能量转换法。进而求得转矩的方法即能量转换法。 从从方方法法上上讲讲，能能量量转转换换法法实实践践上上就就是是对对功功率率和和转转速速进进展展丈丈量量的的方方法法。能能量量转转换换法法测测转矩普通只在电机和液机方面有较多的
60、运用。转矩普通只在电机和液机方面有较多的运用。(3) (3) 传送法传送法 传传送送法法是是指指利利用用弹弹性性元元件件在在传传送送转转矩矩时时物物理理参参数数的的变变化化与与转转矩矩的的对对应应关关系系来来丈丈量量转转矩矩的的一一类类方方法法。常常用用弹弹性性元元件件为为扭扭轴轴，故故传传送送法法又又称称扭扭轴轴法法。根根据据被被测测物物理理参参数数不不同同，基基于于传传送送法法的的转转矩矩丈丈量量仪仪器器有有多多种种类类型型。在在现现代代丈丈量量中中，这这类类转转矩矩丈量仪的运用最为广泛。丈量仪的运用最为广泛。 本本节节引引见见基基于于传传送送法法原原理理的的几几种种转转矩矩丈丈量量方法和
61、仪器。方法和仪器。3.3.2传送法送法转矩丈量矩丈量转矩矩丈丈量量仪器器及及安安装装很很多多，应根根据运用据运用环境、丈量精度等要求来境、丈量精度等要求来选择。1.应变式式转矩丈量矩丈量应变式式转矩矩丈丈量量仪经过丈丈量量由由于于转矩矩作作用用在在转轴上上产生生的的应变来来丈丈量量转矩。矩。根根据据资料料力力学学的的实际，转轴在在转矩矩M的的作作用用下下，其其横横截截面面上上最最大大剪剪应力力max与与轴截截面面系系数数W和和转矩矩M之之间的的关系关系为:(3-20)(3-21)式中D为轴的外径；d为空心轴的内径。max无法用应变片来丈量，但与转轴中心线成45夹角方向上的正负主应力和的数值等于
62、max，即(3-22)根据应力应变关系，应变为(3-23)(3-24)式中E为资料的弹性模量(Pa)；为资料的泊松比。这样就可沿正负主应力和的方向贴应变片，测出应变即可知其轴上所受的转矩M。应变片可以直接贴在需求丈量转矩的转轴上，也可以贴在一根特制的轴上制成应变式转矩传感器，用于各种需求丈量转矩的场所。图3-28为应变片式转矩传感器，在沿轴向45方向上分别粘贴有四个应变片，感受轴的最大正、负应变，将其组成全桥电路，那么可输出与转矩M成正比的电压信号。这种接法可以消除轴向力和弯曲力的干扰。图3-28应变片式转矩传感器应变式转矩传感器构造简单，精度较高。贴在转轴上的电阻应变片与丈量电路普统统过集流
63、环衔接。集流环有电刷-滑环式、水银式和感应式等。集流环存在触点磨损和信号不稳定等问题，不适于丈量高速转轴的转矩。近年来，巳研制出遥测应变式转矩仪，它在上述应变电桥后，将输出电压用无线发射的方式传输，有效地处理了上述问题。2.压磁式转矩传感器压磁式转矩传感器铁铁磁磁资资料料制制成成的的转转轴轴，具具有有压压磁磁效效应应，在在受受转转矩矩作作用用后后，沿沿拉拉应应力力+方方向向磁磁阻阻减减小小，沿沿压压应应力力-方方向磁阻增大。向磁阻增大。图3-29压磁式转矩传感器在铁芯线圈A中通以50Hz的交流电，构成交变磁场。转轴未受转矩作用时，其各向磁阻一样，BB方向正益处于磁力线的等位中心线上，因此铁芯B
64、上的绕组不会产生感应电势。当转轴受转矩作用时，其外表上出现各向异性磁阻特性，磁力线将重新分布，而不再对称，因此在铁芯B的线圈上产生感应电势。转矩愈大，感应电势愈大，在一定范围内，感应电势与转矩成线性关系。这样就可经过丈量感应电势e来测定轴上转矩的大小。3.改改动动角式角式转转矩丈量矩丈量改改动动角角式式转转矩矩丈丈量量法法是是经经过过改改动动角角来来丈丈量量转转矩的。矩的。根根据据资资料料力力学学，在在转转矩矩M作作用用下下，转转轴轴上上相距相距L的两横截面之的两横截面之间间的相的相对转对转角角为为:(3-25)式中式中G为轴为轴的剪切的剪切弹弹性模量。性模量。由(3-25)式可知，当转轴受转
65、矩作用时，其上两截面间的相对改动角与转矩成比例，因此可以经过丈量改动角来丈量转矩。根据这一原理，可以制成光电式、相位差式、振弦式转矩传感器等。(1)(1)光电式转矩传感器光电式转矩传感器 图图3-30 3-30 光电式转矩传感器光电式转矩传感器光电式转矩传感器如图3-30所示。在转轴上安装两个光栅圆盘，两个光栅盘外侧设有光源和光敏元件。无转矩作用时，两光栅的明暗条纹相互错开，完全遮挡住光路，因此放置于光栅一侧的光敏元件接纳不到来自光栅盘另一侧的光源的光信号，无电信号输出。当有转矩作用于转轴上时，由于轴的改动变形，安装光栅处的两截面产生相对转角，两片光栅的暗条纹逐渐重合，部分光线透过两光栅而照射
66、到光敏元件上，从而输出电信号。转矩越大，改动角越大，照射到光敏元件上的光越多，因此输出电信号也越大。(2) (2) 相位差式转矩传感器相位差式转矩传感器 图图3-313-31所所示示是是基基于于磁磁感感应应原原理理的的磁磁电相位差式转矩传感器。电相位差式转矩传感器。图3-31相位差式转矩传感器它在被测转轴相距L的两端处各安装一个齿形转轮，接近转轮沿径向各放置一个感应式脉冲发生器(在永久磁铁上绕一固定线圈而成)。当转轮的齿顶对准永久磁铁的磁极时，磁路气隙减小，磁阻减小，磁通增大；当转轮转过半个齿距时，齿谷对准磁极，气隙增大，磁通减小，变化的磁通在感应线圈中产生感应电势。无转矩作用时，转轴上安装转
67、轮的两处无相对角位移，两个脉冲发生器的输出信号相位一样。当有转矩作用时，两转轮之间就产生相对角位移，两个脉冲发生器的输出感应电势出现与转矩成比例的相位差，设转轮齿数为N，那么相位差:(3-26)代入(3-25)式，得:(3-27)可见只需测出相位差就可测得转矩。N的选取应使相位差满足：与光电式转矩传感器一样，相位差式转矩传感器也是非接触丈量，构造简单，任务可靠，对环境条件要求不高，精度普通可达0.2。(3) (3) 振弦式转矩传感器振弦式转矩传感器图3-32振弦式转矩传感器在被测轴上相隔间隔的两个面上固定安装着两个丈量环，两根振弦分别被夹紧在丈量环的支架上。当轴受转矩作用时，两个丈量环之间产生一相对转角，并使两根振弦中的一根张力增大，另一根张力减小，张力的改动将引起振弦自振频率的变化。自振频率与所受外力的平方根成正比，因此测出两振弦的振动频率差，就可知转矩大小。在安装振弦时必需使其有一定的预紧力。
