测试技术(第八章力、力矩和压力的测量)

第八章力、力矩和压力的测量信息与控制学院仪器系1信息与控制学院仪器系18.1概述8.2力的测量8.4压力的测量8.3力矩的测量8.1概述力概念：力是物质之间的相互作用。各种机械运动实质都是力或力矩传递的结果，因此力是最重要的物理量之一。力的效应信息与控制学院仪器系2动力效应：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1静力效应：使物体产生变形，在材料中产生应力2力的单位：牛顿（N）8.1概述力矩、转矩、扭矩力矩：力矩是力和力臂的乘积转矩：力矩会使机械零部件转动，也称为转矩对于一个旋转轴，转矩T=F*r，F是在半径r处的切向力扭矩：在转矩的作用下，机械零部件会发生一定程度的扭曲变形，又称为扭转矩单位：牛顿米（N.m）信息与控制学院仪器系38.1概述压力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单位：帕斯卡（Pa）1Pa=1N/m2常用的名词术语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，也称气压气压随气象情况、海拔高度、地理纬度不同而变化标准大气压：温度为0℃，纬度为45°海平面上，重力加速度为9.80665m/s2时的压力信息与控制学院仪器系48.1概述压力常用的名词术语表压力：以环境大气压作参考压力的差压，它是绝对压力与大气压力之差。常用的压力测量仪表测得的压力值都是表压力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正压力：绝对压力高于大气压的表压力，通常称为压力信息与控制学院仪器系58.1概述压力常用的名词术语负压力：绝对压力低于大气压时，大气压力与绝对压力之差真空：低于大气压力的绝对压力当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值，其绝对值称为真空，此时绝对压力越小，真空度越高信息与控制学院仪器系6信息与控制学院仪器系78.1概述8.2力的测量力的测量方法信息与控制学院仪器系8动力效应静力效应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8.2力的测量力的测量装置电阻应变式测力计压电式测力仪压磁式测力仪信息与控制学院仪器系98.2力的测量电阻应变式测力仪工作原理：利用粘贴有电阻应变片的弹性体，在外力作用下产生应变，将其应变量经电桥电路转换成电量，再经电路处理显示出被测的作用力值。信息与控制学院仪器系108.2力的测量电阻应变式测力仪典型弹性体的结构型式信息与控制学院仪器系11柱型薄壁环型8.2力的测量电阻应变式测力仪典型弹性体的结构型式信息与控制学院仪器系12悬臂梁型固定梁型8.2力的测量电阻应变式测力仪柱型弹性体信息与控制学院仪器系13R1、R3沿轴向粘贴，R2、R4沿横向粘贴在负荷作用下应变片处弹性体的轴向应变为：8.2力的测量电阻应变式测力仪柱型弹性体信息与控制学院仪器系14R1、R3沿轴向粘贴，R2、R4沿横向粘贴///RRRRkll8.2力的测量电阻应变式测力仪柱型弹性体信息与控制学院仪器系1531240123401234()()444iiiURUURRRURRRRiU为电桥供桥电压通常取0.5~2.5mV/V，其意义是在单位供电桥电压Ui下传感器的额定负荷的输出电压，它是测力传感器设计的原始依据。8.2力的测量电阻应变式测力仪柱型弹性体测力传感器的截面尺寸的设计步骤：①选定传感器电压灵敏度，得到②计算实际应变量③强度校核：在满足电压灵敏度要求下，所产生的应力σ是否小于材料的许用应用[σ]，一般取[σ]=σs/3，σs为屈服极限信息与控制学院仪器系1600042iUkkU：，00//2(1)n实实：maxmax[]/,/3/nsnEFAkAFk实　8.2力的测量压磁式测力仪压磁效应（磁弹性效应）：由工业纯铁、硅钢等铁磁材料制成的铁心在机械力的作用下磁导率发生变化信息与控制学院仪器系17在铁心上安置一对线圈一励磁线圈（12）和测量线圈（34），两线圈的平面相互垂直。8.2力的测量压磁式测力仪信息与控制学院仪器系18在励磁线圈中通以交变电流时，铁磁体中就产生一定大小的磁场。若无外力作用，则磁感应线相对于测量线圈对称分布，合成磁场强度平行于测量线圈的平面，磁感应线不与测量线圈相交，故无感应电势输出。当有压缩力F作用于铁心时，铁心磁导率改变，磁感应线的分布发生变化，有部分磁感应线与测量线圈相交，测量线圈被励磁线圈中的磁场交链而输出与外力大小成比例的感应电势，作用力越大，交链的磁通越多，感应电势越大。8.2力的测量压磁式测力仪信息与控制学院仪器系19压磁式测力仪可以测量很大的负荷，达1MN以上。过载能力强，一般在300%左右，在极限负荷下静态测量误差不超过示值的1%。8.2力的测量压电式测力仪压电效应正压电效应：机械能转成电能一些离子型晶体的电介质，在沿一定方向上受到外力的作用时，不仅几何尺寸会发生变化，其内部会产生极化现象，从而导致在它的两个相对表面上出现正负相反的束缚电荷。当外力去掉后，又会恢复到不带电的原状。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。信息与控制学院仪器系208.2力的测量压电式测力仪压电效应信息与控制学院仪器系21信息与控制学院仪器系21当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。8.2力的测量压电式测力仪工作原理：利用压电材料的压电效应，将被测力经弹性元件转换为与其成正比的电荷量输出，通过测量电路测出输出电荷，从而实现对力值的测量。用途：适用于动态力的测量石英晶体测力传感器的特点？信息与控制学院仪器系228.3力矩的测量测量目的对旋转轴测量力矩，可以确定输出的功，也可以监测剪切应力下的材料失效力矩的测量常常和功率、转速测量联系在一起信息与控制学院仪器系238.3力矩的测量转矩的测量方法传递法：利用转矩使弹性轴产生扭转变形的方法力平衡法：利用平衡转矩去平衡被测转矩能量转换法：按照能量守恒定律来测量力矩信息与控制学院仪器系248.3力矩的测量传递法根据弹性元件在传递扭矩时产生的物理参量的变化（变形、应力或应变）来测量其转矩信息与控制学院仪器系258.3力矩的测量传递法信息与控制学院仪器系268.3力矩的测量传递法力矩测量装置电阻应变式转矩仪在转轴上或直接在被测轴上，沿轴线的45°或135°方向将应变片粘贴上，当转轴受转矩M作用时，应变片产生应变，其应变量ε与转矩M成线性关系。对空心圆柱形轴：对方型截面轴：G为转轴的弹性模量信息与控制学院仪器系278.3力矩的测量传递法力矩测量装置电阻应变式转矩仪信息与控制学院仪器系28精度高，重复性好，测量范围宽：5~50000N.m但它的安装要求高，调试技术复杂，易受温度影响，告诉测量误差大。8.3力矩的测量传递法力矩测量装置相位差式转矩测量仪信息与控制学院仪器系298.3力矩的测量力平衡法当转轴受转矩作用时，机体上必定同时作用着方向相反的平衡力矩，因此测量出机体上的平衡力矩就可以知道被测转矩的大小M=M0=Fl。利用杠杆式平衡力矩法测量转矩：以重力为W的砝码及臂长l的杠杆去平衡被测力矩M该方法只能用于测量匀速工作情况的转矩，不能用来测量动态转矩信息与控制学院仪器系308.3力矩的测量能量转换法它是通过测量其他与转矩有关的能量系数（如电能系数）来确定被测力矩大小的。E1=E2+△EE1：输入力矩产生的能量E2：机构输出能量△E：转换过程中损耗的能量对电动机，其转矩M与输入能量或功率P、转速n、电动机效率η的关系为M=Pη/(kn)信息与控制学院仪器系318.3力矩的测量能量转换法根据能量转换法制作的测力矩仪一般多用于测量各种电机的转矩。因其影响因素较多，测量误差大，所以只有测量电参数的电机转矩测量仪应用较多。信息与控制学院仪器系328.4压力的测量测量方法以流体静力学原理为基础制成的液压式测压法根据弹性元件受力变形原理并利用机械机构将变形量放大的弹性变形测压法基于静力平衡原理与作用在已知面积上重量相比较的负荷测压法通过弹性元件制成测力传感器将被测压力转换成电阻量、电感量、电容量、频率量等各种电学量测压力的方法。信息与控制学院仪器系338.4压力的测量测量仪表液体式压力计弹性式压力表负荷式活塞压力计电气式压力仪表信息与控制学院仪器系348.4压力的测量液体式压力计工作原理：根据流体静力平衡原理，将被测压力与一定高度的工作液体产生的重力相平衡，采用液柱的高度差来测量压力的仪器可用液体：水银、蒸馏水、乙醇所用液体不能与被测介质起化学作用，并使其分界面具有清晰的分界线，便于判别读数。信息与控制学院仪器系358.4压力的测量液体式压力计U形管压力计信息与控制学院仪器系36测量范围：20Pa~140KPa精度：±1%8.4压力的测量弹性式压力计工作原理：基于弹性元件（单圈/多圈弹簧管、膜盒、膜片、波纹管等）受压后产生的位移与被测压力呈一定函数关系的原理制成的。信息与控制学院仪器系378.4压力的测量弹性式压力计弹簧管压力表信息与控制学院仪器系38基于弹性元件受压后产生的位移与被测压力呈一定函数关系的原理制成的被测压力迫使弹簧管2自由端5位移，位移量由曲柄连杆6、扇形齿轮4和小齿轮1构成的机械式传动机构放大，转换成指针的旋转在度盘上指示出被测压力值。8.4压力的测量弹性式压力计信息与控制学院仪器系398.4压力的测量弹性式压力计磁阻式弹性压力计信息与控制学院仪器系408.4压力的测量弹性式压力计信息与控制学院仪器系418.4压力的测量负荷式压力计工作原理：基于静力平衡原理进行压力检测信息与控制学院仪器系42校准压力表20Pa~2000kPa8.4压力的测量负荷式压力计信息与控制学院仪器系43当被校准的压力仪表安装上后，转动手轮9，使油压系统压力升高，直至活塞2被顶起，这时压力表的指示值应等于砝码重力W和砝码盘及活塞重力W0的总重力处理活塞有效面积AP=(W+W0)/A8.4压力的测量电气式压力仪表电容式压力传感器信息与控制学院仪器系44左图所示的是由圆形固定电极和弹性膜片组成的平行平板电容器。当弹性膜片在均匀的压力p作用下，膜片产生位移，即固定极板与膜片构成了变间隙式电容测压传感器。8.4压力的测量电气式压力仪表电容式压力传感器信息与控制学院仪器系458.4压力的测量电气式压力仪表电位计式压力仪信息与控制学院仪器系468.4压力的测量真空的测量定义：凡是低于标准大气压的称为低压或真空单位：一般以绝对压力来表示，单位为托绝对压力越小，真空程度越高划分：粗真空(105~103)Pa，低真空(103~10-1)Pa高真空(10-1~10-6)Pa，超高真空(10-6~10-12)Pa极高真空(10-12)Pa信息与控制学院仪器系478.4压力的测量真空的测量测量仪器按用途的分类真空计：主要用于测量低于大气压稀薄气体的压力分压强计：主要用于真空系统内气体组成的分析和分压强的测量检漏计：主要用于检测真空系统或器件的泄露信息与控制学院仪器系488.4压力的测量真空的测量测量方法的分类基于力的作用原理：U形波纹管，波登管式，波纹管式，膜片式；基于压缩作用原理：麦氏真空计；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，放射性真空计信息与控制学院仪器系498.4压力的测量真空的测量U形管真空计信息与控制学院仪器系50一根由玻璃管制成的U形管中盛上水银或油，U形管的一端接到真空系统上，另一端为大气。随着系统中真空的度的升高，U形管真空侧的液面在大气作用下随之上升。这样依据两罐中液面的高