传感与检测技术ch18-力、压力和力矩测量概要

第18章力、压力和转矩的测量118.力、压力和转矩的测量18.0概念1）什么是力?力是物体之间的相互作用。各种机械运动是力或力矩传递的结果，因此力是最重要的物理量之一；力的动力效应：力改变物体的机械运动状态；力的静力效应：造成物体的变形。力值的计量单位：牛顿（N）。2）力矩、扭矩、转矩力矩是力和力臂的乘积。力矩能使物体转动，也称为转矩(torque)。对于一个旋转轴，转矩T=F×r，F是在半径r处的切向力。轴在转矩作用下会发生扭曲变形，材料内部会产生剪切应力和应变，也称为扭矩。计量单位：牛顿米（N.m）218.0概念3）压力垂直作用于给定单位面积上的力称为该给定处的压力,P=F/A单位:帕斯卡(Pa),1Pa=1N/m2大气压力:因大气重力，包围地球的大气对单位面积的地球表面施加的压力，简称气压，随天气、海拔高度和纬度而变。绝对压力(Absolutepressure):相对绝对真空所测得的压力。表压(Gaugepressure):相对于大气压力的差压。绝对压力和大气压力之间的差压。正压力(Positivepressure):绝对压力高于大气压力时的表压，简称正压。负压力(Negativepressure):绝对压力低于大气压力时的表压，简称负压。真空度(Vacuum)：低于大气压的绝对压力。18.力、压力和转矩的测量大气压力、表压与绝对压力的关系318.1力的测量18.1.1力的测量方法1）测力原理力值测量所依据的原理是力的静力效应和动力效应。静力效应：弹性物体受力作用后产生相应变形的物理现象。由虎克定律知：弹性体在力作用下变形时，在弹性范围(严格说是比例极限)内，物体产生的变形量与所受力成正比。因此，只要测出物体的弹性变形量，就可间接确定物体所受力的大小。以静力效应测力的特征是间接测量力传感器中弹性元件的变形量。动力效应：具有一定质量的物体受力作用时，其动量变化，从而产生相应加速度的现象。由牛顿第二定律知：物体质量已知时，该物体所受力与由此力产生的加速度之间有确定的对应关系。因此，只需测出加速度，就可间接测得力。用动力效应测力的特点是间接测量力传感器中质量块的加速度。18.力、压力和转矩的测量418.1力的测量18.1.1力的测量方法2）分类综上可知，测力传感器可以是位移型、加速度型或物性型。按传感器的工作原理分类有：弹性式、电阻应变式、电感式、电容式、压电式、压磁式等变换原理的力传感器。实际中利用弹性元件的测力方法最常见。3）弹性元件(Elasticelement)测力的理论基础这种测力法的基础是弹性元件的弹性变形与作用力成正比的关系。力传感器原则上可简化成图所示的单自由度系统。其输入力和输出弹性变形（或位移）之间的关系为：tfkzdtdzcdtzdm22式中：m为弹性体的质量；c为阻尼系数；k为弹性刚度；f(t)为激振力，是系统的输入；z为振动位移，是系统的输出。18.力、压力和转矩的测量53）弹性元件(Elasticelement)测力的理论基础该系统的频率响应H(j)、幅频特性A(j)和相频特性(j)为：18.1力的测量18.1.1力的测量方法020211jkjH002022012arctan211kA63）弹性元件(Elasticelement)测力的理论基础上述模型中的基座是静止的。如果基座有了运动，力传感器又成为一个加速度计，对该运动产生附加的输出信号。严格地说，传感器的弹性和惯性参数是分布的而非集中的，若不视其为集中参数，必将使其质量、弹性刚度和阻尼比都很难确定。此外，这类力传感器的固有频率总是和外部承力构件的质量有关。因此，对于任何一个这类传感器，都应进行全面的标定，以建立其输出和输入力之间的关系和确定其灵敏度、固有频率等特性参数。这类传感器选用低弹性模量的材料以提高其灵敏度，但使得弹性元件和固有频率下降，并可能有较大迟滞和较低的疲劳寿命的缺点。18.1力的测量18.1.1力的测量方法71)弹性元件测力传感器结构基于弹性元件测力和力矩的传感器组成结构如图所示。各种弹性元件中最简单的是弹簧；将弹性元件变形变换为电参数的转换元件较多，电阻应变计是广泛使用的一种。2)应变片式传感器测力原理电阻应变计的工作原理是电阻应变效应。当受外力作用时，金属的长度和截面积都发生变化，从而改变其电阻值。当受外力伸长时，长度增加，截面积减小，电阻值增大；当受压力缩短时，长度减小，截面积增大，电阻值减小。因此，只要测出电阻的变化，便可知金属丝的应变。再根据应变与力的关系可得被测力值。18.1力的测量18.1.2弹性元件测力方法—应变式测力弹性元件机械变形应变转换元件及电路电信号83）电阻应变式传感器探头结构在实际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测零件的表面。下图是一种用于测量压缩力的应变片式测力头的典型构造。传感器中承力的弹性元件是一个由圆柱加工成的方柱体，应变片粘贴在它的四侧面上。在不减小柱体的稳定性和应变片粘贴面积的情况下，为提高灵敏度，可用内圆外方的空心柱。侧向加强板用来增大弹性元件在x-y平面中的刚度，减小侧向力对输出的影响。加强板的z向刚度很小，以免明显影响传感器的灵敏度。18.1力的测量18.1.2弹性元件测力方法—应变式测力94）测量电路电阻应应变计的测量电路为电桥。测静态参数多用平衡电桥；测动态参数多用不平衡电桥。因应变片电桥电路的输出信号微弱，需要对信号进行放大处理，过去常用交流放大，现因集成运放性能提高而多采用直流放大（选用仪表放大器）。下图是输出端接放大器的直流不平衡桥电路。第一桥臂接电阻应变片R1，其它三个桥臂接固定电阻。应变片未受力时，R1阻值未变，电桥维持初始平衡条件，输出电压为零。应变片承受应力时，应变片产生R1的变化，电桥有不平衡输出:18.1力的测量18.1.2弹性元件测力方法—应变式测力URRRRRRRRRRUUUUDBCBCDOUT341211341111104）测量电路设n=R2/R1，并考虑到电桥初始平衡条件及省略分母中的微量R1/R1，则上式可写为:18.1力的测量18.1.2弹性元件测力方法—应变式测力1121RRnnUUOUT可知输出电压正比于应变片受应变产生的电阻变化值。实用中，可根据情况在电桥中使用单应变片、双应变片和四应变片。右图是四应变片全桥接法，能作温度补偿，并消除弯矩的影响。对精确度要求特别高的力传感器，可在电桥某一臂上串接一个热敏电阻，以补偿因应变片电阻温度系数的微小差异，用另一热敏电阻和电桥串联，改变电桥激励电压，以补偿弹性元件弹性模量随温度的变化。这两个电阻都应装在传感器内部，以保证和应变片处于相同温度环境。115）测量拉压力的典型弹性元件下图是测量拉压力的传感器的典型弹性元件。为获得较大的灵敏度，采用梁式结构。如果结构和粘贴都对称，应变片参数又相同，则这种传感器除了具有较高的灵敏度外，并能实现温度补偿和消除x和y方向力的干扰。18.1力的测量18.1.2弹性元件测力方法—应变式测力121）差动变压器式测力传感器事实上，大多数位移传感器只要在结构上作相应变化，就可转变为测力传感器。如差动变压器式、电容式、电感式等。右图为差动变压器式测力传感器的结构示意图。该传感器用一个薄壁圆筒作弹性元件，在其上固定铁心，下部固定线圈座和线圈，弹性圆筒受力发生变形时，则带动铁心在线圈中移动，两者的相对位移量即反映了被测力的大小。它是用弹性元件来实现力与位移的转换。2020/1/261318.1力的测量18.1.3其他方式的测力方法差动变压器式测力传感器1—弹性元件;2—铁心;3—球面垫4—感应线圈;5—线圈座132）压磁式测力压磁效应：工业纯铁、硅钢等铁磁材料在机械力作用下磁导率发生变化的现象。铁磁材料受压时，其导磁率沿应力方向下降、沿应力的垂向增加；受拉时，导磁率变化正好相反。压磁元件：具有压磁效应的磁弹性体，是构成压磁传感器的核心。压磁元件受力后，磁弹性体的磁阻（或磁导率）发生与作用力成正比的变化，测出磁阻变化即间接测定了力值。结构原理：如图所示。压磁元件由若干形状相同的硅钢片叠合而成，在中间部分开有四个对称的小孔1、2、3和4，并分别绕组。孔1、2间的绕组称励磁绕组或一次绕组，用于接入励磁电源；孔3、4间的绕组用于产生感应电势，叫二次绕组。记各孔间为A、B、C、D区域。当在激励线圈中通交变电流时，铁心中将产生磁场。2020/1/261418.1力的测量18.1.3其他方式的测力方法142）压磁式测力当压磁元件无外力作用时，因铁心磁性的各向同性，四个区域磁导率相同，磁力线呈轴对称分布，不与二次绕组交链，无感应电势，输出为零。当压磁元件受外力F作用时，A、B区域的压应力较大，磁导率下降，磁阻增大；C、D区域基本处于自由状态，磁导率基本不变。此时，部分磁力线不再通过A、B区域，而是绕过C、D区域闭合，并与绕组交链，在二次绕组中感应出电势E。力F愈大，转移磁通愈多，E愈大。对E作一定处理，能建立F和电流I或电压U的线性关系。实际因小孔的几何尺寸误差和绕组不对称等原因，压磁元件不受力时，二次绕组往往有零位电流或零位电压，需要在测量电路中补偿。18.1力的测量18.1.3其他方式的测力方法152）压磁式测力右图为一种典型的压磁式测力传感器结构。弹性梁的作用是对压磁元件施加预压力和减小横向力和弯矩的干扰，钢球则是用来保证力F沿垂直方向作用，压磁元件和基座的联接表面应十分平整密合。压磁式测力传感器具有输出功率大(但输出电压需滤波和整流处理)、扰干扰能力强、精度较高、线性好、寿命长、维护方便，能在有灰尘、水和腐蚀性气体的环境中长期运行等优点。可测很大负荷，达1M牛以上，精度1％。18.1力的测量18.1.3其他方式的测力方法压磁式测力传感器1—压磁元件2—基座；3—弹性梁4—钢球163）压电式测力-压电式力传感器压电式传感器应用正压电效应，将机械量(力)转换成电量。作为测力传感器，有以下特点：①静态特性好，即灵敏度、线性度好、滞后小。压电式传感器的敏感元件自身的刚度很高，受力后，产生的电荷量仅与力值有关而与变形元件的位移无直接关系，因而提高刚度基本上不受灵敏度的限制，可同时获得高刚度和高灵敏度；②动态特性亦好，即固有频率高、工作频带宽，幅值相对误差和相位误差小、瞬态响应上升时间短。故特别适用于测量动态力和瞬态冲击力；③稳定性好、抗干扰能力强；④采用大时间常数的电荷放大器时，可测准静态力，但长时间的连续测量静态力将产生较大的误差。18.1力的测量18.1.3其他方式的测力方法173）压电式测力-压电式力传感器拉、压型单向测力传感器如图所示，采用两片压电晶片反叠，提高灵敏度一倍。对小力值传感器，可用多晶片重叠的方式来提高其灵敏度。双向测力传感器如图，采用两对不同切型(x和y)的石英晶片组成传感器元件。两对压电晶片分别感受x向和y向作用力，并由各自的引线分别输出。三向测力传感器如图，结构与双向式类同，采用三对不同切型的石英晶片，一对敏感z轴，另两对正交放置，分别敏感x和y轴，可同时测出空间任意方向作用力在x、y、z三个方向上的分力。18.1力的测量18.1.3其他方式的测力方法18压力是工业生产过程中的重要参数之一，也是一个重要的安全指标。压力的测量与控制在工业生产中有特殊地位。压力由力和面积导出，不是基准量。压力标准由准确度很高的标准仪器提供。国家建立了压力量值传递系统，见教材表4-1。由于压力可转变为作用在已知面积上的力，故压力的测量方法与力测量方法基本相同。工业生产过程中压力测量的条件、范围与精度要求各异，其测量方法非常丰富。常用测量方法按原理可分四种：基于流体静力原理的液压测压法；根据弹性元件受力变形并利用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比较的负荷压力测压法