第六章 力、扭矩、压力的测量

测试技术基础绪论第六章力、扭矩、压力的测量6.1力的测量6.2扭矩的测量6.3压力的测量测试技术基础绪论6.1力的测量•测量方法可归纳为利用力的静力效应和动力效应两种。•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。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。•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。测试技术基础绪论6.1.1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(直流电桥的输出特性)类似。•应变片的布置和电桥组接(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。测试技术基础绪论电阻应变仪按所测应变信号频率范围不同分为：•1)静态电阻应变仪用以测量静态载荷下的应变，以及变化十分缓慢或变化后能很快稳定下来的应变；•2)静动态电阻应变仪工作频率为0-200Hz，用以测量静态应变或频率在200Hz以下的低频动态应变；•3)动态电阻应变仪工作频率为0-2000Hz，用以测量2000Hz以下的动态应变。通常具有4-8个通道，可以对多个应变信号同时测量；•4)超动态电阻应变仪工作频率为0-20000Hz，用以测量爆炸冲击等瞬态变化过程下的超动态应变。测试技术基础绪论测量拉伸(压缩)布片组桥方式测量拉伸(压缩)应变时要采用适当的布片组桥方式，以便达到：•温度补偿(测轴向拉(压)时的温度补偿)•消除弯矩影响(用双工作片消除弯矩的影响)•提高测量灵敏度(用四工作片提高测量的灵敏度)的目的。•常用应力测量的布片和组桥方式:测试技术基础绪论温度补偿•沿构件表面的轴线方向贴工作片R1，在温度补偿板上贴补偿片Rt，组成半桥即可测得轴向应变e。电桥的输出为•温度补偿满足条件：补偿板和试件的材料相同；工作片、补偿片完全相同，放在完全相同温度场中，接在相临桥臂。ppttpBDKURRURRRRRUUe0110221110414)(41•图中沿轴向贴一片应变片,沿横向贴另一片,为工作片补偿法。10110)1(4)(4eeeKUKUUBD测试技术基础绪论在拉(压)应变测量中消除弯矩的影响•用对称双工作片测轴向拉(压)应变。工作片在上、下表面对称粘贴，由加减特性可知，这样可消除因加载偏心而造成的附加弯矩。其中全桥接法的输出是半桥接法的二倍。测试技术基础绪论用多工作片提高应变测量的灵敏度•左图(用四工作片测拉(压)应变)中，布片时省去了温度补偿板。这种方法可得到最大输出应变值，即•也可以消除因加载偏心而造成的附加弯矩。112ee）（仪测试技术基础绪论弯矩测量？•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。测试技术基础绪论应变片的选择及应用a)试件的测试要求，满足测试精度、所测应变的性质。b)试验环境与试件的状况，消除温度、湿度等因素的影响。c)应变片的粘贴。工艺：清洗、上胶、粘合、加压、固化和检验等。测试技术基础绪论6.1.2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。测试技术基础绪论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0.1~3000吨的载荷，常用于大型轧钢设备的轧制力测量。测试技术基础绪论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。等截面梁式弹性元件等截面梁式弹性元件为一端固定的悬臂梁，当力作用在自由端时，刚性端截面的应力最大，而自由端挠度最大，在距受力点为l0的上下表面，沿l向贴电阻应变片R1，R2和R3，R4。粘贴应变片处的应变为EbhFlE206e测试技术基础绪论等强度梁(等强度梁式力传感器)，梁厚为h，梁长为l，固定端宽为b0，自由端宽为b。梁的截面成等腰三角形，集中力F作用在三角形顶点。梁内各横截面产生的应力是相等的，表面上任意位置的应变也相等，因此称为等强度梁，其应变为用梁式弹性元件制作的力传感器适于测量5,000N以下的载荷，最小可测几克重的力。这种传感器结构简单，加工容易，灵敏度高，常用于小压力测量中。EhbFlE206e测试技术基础绪论双端固定梁双端固定梁的二端都固定，中间加载荷F，梁宽为b，梁厚为h，梁长为l，应变片粘贴在中间位置，则梁的应变为这种梁的结构在相同力F的作用下产生的挠度比悬臂梁小。EbhFlE243e测试技术基础绪论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。圆环式在圆环上施加径向力Fy时，圆环各处的应变不同，与作用力成39.6°处(图中B点)应变等于零。在水平中心线上则有最大的应变e21)]2/([32EbhhRFR为圆环外径，h为圆环壁厚，b为圆环宽度测试技术基础绪论圆环式和八角环式将应变片贴在1、2、3和4处，1、3处受拉；2、4处受压。如果圆环一侧固定，另一侧受切向力Fx时，与受力点成90°处(A点)应变等于零。将应变片贴在与垂直中心线成39.6°的5、6、7、8处，则5、7处受拉，6、8处受压。这样，当圆环上同时作用着Fx和Fy时，将1～4处和5～8处的应变片分别组成电桥，就可以互不干扰地测力Fx和Fy。测试技术基础绪论八角环式圆环方式不易加紧固定,实际上常用八角环代替,如图所示。八角环厚度为h,平均半径为r。当h/r较小时,零应变点在39.6°附近。当h/r=0.4时，零应变点在45°处，故一般八角环测力Fx时，应变片贴在45°处。测试技术基础绪论切削测力仪当测力仪受进给抗力Fx作用，则应变片R5、R7受拉应力，R6、R8受压应力。当圆环同时受Fy、Fx作用时，把应变片R1～R4，R5～R8组成如图所示的电桥，就可互不干扰地分别测得Fy和Fx。当测力仪受主切削力Fz的作用时，其八角环既受到垂直向下的力，又受到由于Fz引起的弯矩Mz的作用。力Fz与各应变片轴向垂直不起作用，Mz使测力仪上部环受拉应力，下部环受压应力，因此将应变片组成如图所示电桥就可测出Fz。测试技术基础绪论6.1.3其它测力传感器电容式力传感器在矩形的特殊弹性元件上，加工若干个贯通的圆孔，每个圆孔内固定两个端面平行的丁字形电极，每个电极上贴有铜箔，构成由多个平行板电容器并联组成的测量电路。在力F作用下，弹性元件变形使极板间矩发生变化，从而改变电容量。测试技术基础绪论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。测试技术基础绪论某些铁磁材料受到外力作用时，引起导磁率变化现象，称作压磁效应，其逆效应称作磁致伸缩效应。硅钢受压缩时其导磁率沿应力方向下降，而沿应力的垂向增加；在受拉伸时，导磁率变化正好相反。压磁式测力装置测试技术基础绪论在硅钢叠片上开4个对称的通孔，孔中分别绕互相垂直的两个线圈，一个线圈为励磁绕组，另一个为测量绕组。无外力作用时，磁力线不和测量绕组交链，测量绕组不产生感应电势。当受外力作用时，磁力线分布发生变化，部份磁力线和测量绕组交链，并在绕组中产生感应电势，且作用力愈大，感应电势愈大。硅钢材料受力面加大后，可测量数千吨的力，且输出电势较大，无需放大处理。常用于大型轧钢机的轧制力测量。压磁式测力装置测试技术基础绪论差动变压器式测力传感器差动变压器式力传感器的弹性元件是簿壁圆筒，在外力作用下，变形使差动变压器的铁芯介质微位移，变压器次极产生相应电信号。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。测试技术基础绪论6.2扭矩的测量以测量转轴应变测量转轴两横截面相对扭转角的方法最常用测试技术基础绪论6.2.1应变式扭矩测量当受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力tmax。轴表面为纯剪应力状态，与轴线成45°的方向上有最大正应力1和2，其值为1=2=tmax。相应的变形为e1和e2，当测得应变后，便可算出tmax。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e1，则相应的剪应力为et11E测试技术基础绪论6.2.1应变式扭矩测量于是，轴的扭矩为对于实心圆轴Wn=D3/16测扭时，电阻应变计须沿主应变e1及e2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。nnWEWTet11测试技术基础绪论测量扭矩时应变片的布置和组桥方式(a)双片集中轴向对称(横八字)布置，应变片R1及R2互相垂直，组成半桥的相邻两臂。贴片及引线较为简单，但不能完全抵消弯曲影响，可用于轴体不受弯曲的场合。(b)双集中径向对称(竖八字)布置，与(a)之不同之处仅在于R1及R2处于同一截面周边的邻近两个点上，其适用条件同(a)。测试技术基础绪论测量扭矩时应变片的布置和组桥方式(c)四片径端对称的双横八字布置，互相垂直的两个应变片的中心共线，四片可组成半桥或全桥。组成全桥时，输出灵敏度为(a)的二倍。无论组成半桥或全桥皆可抵消拉(压)及弯曲的影响。测试技术基础绪论测量扭矩时应变片的布置和组桥方式(d)四片径端对称的双竖八字布置，可视为(b)的复合。应变片分别处于同一截面同一直径两个端点的邻近部位，在轴体表面展开图中四个敏感栅的中心共线。(e)四片均布的双竖八字布置，与(d)的区别仅在于四片圆周均布。(d)与(e)可组成全桥或半桥方式，其灵敏度及抵抗非测力因素的性能同(c)。测试技术基础绪论6.2.2扭矩测量信号的传输扭矩测量的集电装置旋转件的应变测量，要解决信号传送的问题。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。无线传输方式分为电波收发方式和光电脉冲传输方式，这两种方式取消了中间接触环节。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(数字化后传输可解决)；光电脉冲测量抗干扰能力较强，将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。测试技术基础绪论6.2.3其它扭矩测量方法压磁式扭矩传感器磁电感应式扭矩传感器光电式扭矩传感器测试技术基础绪论压磁式扭矩传感器铁磁材料的转轴受扭矩作用时，导磁率发生变化。压磁式扭矩传感器中铁芯的开口端与转轴表面保持1-2mm空隙，当A-A线圈通入交流电，形成过转轴的交变磁场。当转轴不受扭矩时，磁力线和B-B线圈不交链；转轴受扭矩作用时，转轴材料导磁率变化，沿正应力方向磁阻减小，沿负应力方向磁阻增大，从而使磁力线分布改变，使部分磁力线与B-B线圈交链，在B-B线圈产生感应电势。测试技术基础绪论磁电感应式扭矩传感器磁电感应式扭矩传感器中，在转轴上固定两个齿轮1和2，它们的材质、尺寸、齿形和齿数均相同。永久磁铁和线圈组成的磁电式检测头3和4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。测试技术基