第8章力、力矩和壓力

1、第8章力、力矩和壓力 第八章第八章 力、力矩和壓力的測(cè)量力、力矩和壓力的測(cè)量 本章要點(diǎn)本章要點(diǎn): 1. 力值測(cè)量和稱重的量值傳遞、典型方法、力值測(cè)量和稱重的量值傳遞、典型方法、 異同點(diǎn)；動(dòng)態(tài)稱重的方法異同點(diǎn)；動(dòng)態(tài)稱重的方法； 2. 力矩測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法；力矩測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法； 3. 典型壓力測(cè)量系統(tǒng)和量值傳遞。典型壓力測(cè)量系統(tǒng)和量值傳遞。 第8章力、力矩和壓力 第一節(jié) 概 述 1. 力測(cè)量的意義 力是最重要的物理量之一，力學(xué)是國(guó)家一級(jí)學(xué)科； 各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)都是力和力矩的傳遞過(guò)程； 力和力矩的測(cè)量是設(shè)計(jì)和改進(jìn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的重要手段； 流體對(duì)各種承載面的壓力測(cè)量應(yīng)用十分廣泛。 2. 力的概念：

2、力是物體之間的相互作用。有 “動(dòng)力效應(yīng)” 和 “靜力效應(yīng)” 。力值的計(jì)量單位是“牛頓”，N 3. 力矩的概念：力矩是力和力臂的乘積。也稱轉(zhuǎn)矩或扭矩 。 法定計(jì)量單位為“牛頓米”，Nm 4. 壓力的概念 ：垂直而均勻地作用在單位面積上的力，即物 理學(xué)中常稱的壓強(qiáng)。工程上，習(xí)慣把壓強(qiáng)稱為壓力。計(jì)量 單位是“帕斯卡”，Pa=1N/m2 第8章力、力矩和壓力 壓力測(cè)量的常用術(shù)語(yǔ)及意義 大氣壓力：簡(jiǎn)稱氣壓，是由地球表面空氣質(zhì)量所形成的壓力稱大氣壓力：簡(jiǎn)稱氣壓，是由地球表面空氣質(zhì)量所形成的壓力稱 為大氣壓力。它隨地理緯度、海拔高度及氣象條件為大氣壓力。它隨地理緯度、海拔高度及氣象條件 而變化。溫度而變化。

3、溫度0C，緯度，緯度45海平面上，重力加速度海平面上，重力加速度 為為9.80665m/s2時(shí)的壓力定義為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。時(shí)的壓力定義為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。 絕對(duì)壓力：相對(duì)絕對(duì)真空所測(cè)的壓力。絕對(duì)壓力：相對(duì)絕對(duì)真空所測(cè)的壓力。 表表 壓壓 力：以環(huán)境大氣壓力作為參考?jí)毫Φ牟顗海▔毫Σ睿?。力：以環(huán)境大氣壓力作為參考?jí)毫Φ牟顗海▔毫Σ睿?正正 壓壓 力：絕對(duì)壓力高于大氣壓的表壓力，常稱為壓力。力：絕對(duì)壓力高于大氣壓的表壓力，常稱為壓力。 負(fù)負(fù) 壓壓 力：絕對(duì)壓力低于大氣壓力時(shí)，大氣壓力與絕對(duì)壓力之力：絕對(duì)壓力低于大氣壓力時(shí)，大氣壓力與絕對(duì)壓力之 差。差。 真真 空空 度：低于大氣壓力的絕對(duì)壓力。度：

4、低于大氣壓力的絕對(duì)壓力。 第8章力、力矩和壓力 壓力概念圖示 絕 對(duì) 壓 力 pa 真空(負(fù)壓力) p0 大氣壓力pb 絕對(duì)壓力pa 表壓力p p = pa - pb p0 = pb - pa 第8章力、力矩和壓力 第二節(jié) 力的測(cè)量 一、力的測(cè)量方法 力的本質(zhì)是物體之間的相互作用，不能直接得到力的本質(zhì)是物體之間的相互作用，不能直接得到 其值的大小。其值的大小。 1 1利用動(dòng)力效應(yīng)測(cè)力利用動(dòng)力效應(yīng)測(cè)力 2 2利用靜力效應(yīng)測(cè)力利用靜力效應(yīng)測(cè)力 力的靜力效應(yīng)使物體產(chǎn)生變形，通過(guò)測(cè)定變形量力的靜力效應(yīng)使物體產(chǎn)生變形，通過(guò)測(cè)定變形量 （如差動(dòng)變壓器、激光干涉）或者與應(yīng)力相對(duì)應(yīng)參量的（如差動(dòng)變壓器、激光干

5、涉）或者與應(yīng)力相對(duì)應(yīng)參量的 物理效應(yīng)（如壓電效應(yīng)、壓磁效應(yīng)）來(lái)確定力值。物理效應(yīng)（如壓電效應(yīng)、壓磁效應(yīng)）來(lái)確定力值。 amF 力的測(cè)量方法亦可分為力平衡法、測(cè)位移法和 物理效應(yīng)測(cè)力等。 第8章力、力矩和壓力 例例 ：機(jī)械式力平衡裝置：機(jī)械式力平衡裝置 原理：基于靜態(tài)重力力矩平衡，因此僅適用于作靜態(tài)測(cè)量。原理：基于靜態(tài)重力力矩平衡，因此僅適用于作靜態(tài)測(cè)量。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單易行，可獲得很高的測(cè)量精度。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單易行，可獲得很高的測(cè)量精度。 (a) 為梁式天平（相對(duì)精度高于為梁式天平（相對(duì)精度高于1/10000的單杠桿叫天平），的單杠桿叫天平）， 通過(guò)調(diào)整砝碼使指針歸零，將被測(cè)力通過(guò)調(diào)整砝碼使指針歸零，

6、將被測(cè)力Fi與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量(砝碼砝碼 G)的重力進(jìn)行平衡，直接比較得出被測(cè)力的重力進(jìn)行平衡，直接比較得出被測(cè)力Fi的大小。的大小。 (b) 為機(jī)械杠桿式力平衡裝置為機(jī)械杠桿式力平衡裝置 說(shuō)明：力平衡法中的平衡力亦可是已知大小的電磁力或氣動(dòng)力等 第8章力、力矩和壓力 伺服式測(cè)力系統(tǒng)。無(wú)外力作用 時(shí)，系統(tǒng)處于初始平衡位置， 光線全部被遮住，光敏元件無(wú) 電流輸出，力發(fā)生器不產(chǎn)生力 矩。當(dāng)被測(cè)力F作用在杠桿上 時(shí)，系統(tǒng)失去平衡，杠桿發(fā)生 偏轉(zhuǎn)，窗口打開(kāi)相應(yīng)的縫隙。 光線通過(guò)縫隙，照射到光敏元 件上，光敏元件輸出與光照成 磁電式力平衡測(cè)力系統(tǒng) 比例的電信號(hào)，經(jīng)放大后加到磁電力矩發(fā)生器的旋轉(zhuǎn)線圈上。

7、載 流線圈與磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁力矩，用于平衡被測(cè)力F與配 重(標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量m)力的力矩之差；使杠桿重新處于平衡狀態(tài)。當(dāng)杠 桿處于新的平衡位置時(shí)，其轉(zhuǎn)角與被測(cè)力F成正比，放大器輸出 電信號(hào)在采樣電阻R上的電壓U0與被測(cè)力F成比例。 第8章力、力矩和壓力 柱形筒形梁形 幾種彈性元件及應(yīng)變片貼片方式 二、力的測(cè)量裝置 (一)電阻應(yīng)變式測(cè)力儀 用途：動(dòng)靜態(tài)測(cè)量，數(shù)量最多 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、 精度高 1.工作原理 電阻應(yīng)變片和彈性體是敏感 元件和設(shè)計(jì)關(guān)鍵。彈性體的 正確選用、設(shè)計(jì)和制造影響 儀器測(cè)量精度和可靠性。 彈性體截面形狀：圓形、方形、工字型、多邊形、圓桶形等； 要求：表面曲率半徑大（粘貼

8、應(yīng)變片、減小溫度影響） 思考：如何搭建完整的測(cè)量系統(tǒng)？ 測(cè)量范圍？采取哪些補(bǔ)償措施？ 第8章力、力矩和壓力 2.2.典型彈性體的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)計(jì)算典型彈性體的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)計(jì)算 F AER R R R R R R R k )1 (2 )( 1 4321 43210 以柱式彈性體為例：以柱式彈性體為例： 應(yīng)變片處彈性體軸向應(yīng)變：應(yīng)變片處彈性體軸向應(yīng)變： EAEFll/)/(/ 若定義應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為若定義應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為k，即，即 )/( )/( )/(RR ll RR k 則應(yīng)變片的總應(yīng)變量為：則應(yīng)變片的總應(yīng)變量為： 由于電橋的輸出與應(yīng)變成正比（電壓靈敏度），即由于電橋的輸出與應(yīng)變成正比（

9、電壓靈敏度），即 4/ 0 kUU io 兩式聯(lián)立得傳感器的靈敏度為：兩式聯(lián)立得傳感器的靈敏度為： F AE k U U i o 2 )1 ( 電壓靈敏度意義：?jiǎn)挝还螂婋妷红`敏度意義：?jiǎn)挝还螂?壓壓Ui作用下傳感器額定負(fù)荷的作用下傳感器額定負(fù)荷的 輸出電壓，常取輸出電壓，常取0.52.5mV/V 第8章力、力矩和壓力 3/ maxsn k 非線性問(wèn)題：是由截面面積的變化造成應(yīng)力的非線性，使Uo也 是非線性的，稱為面積效應(yīng)或二次效應(yīng)。 強(qiáng)度校驗(yàn) （1）求取彈性體的實(shí)際應(yīng)變 若取橋臂系數(shù)為n（見(jiàn)表8-1），則 n/ 0 實(shí) AFE/ 實(shí) （3）考慮到可能的超載，設(shè)超載系數(shù)為kn，則最大應(yīng)力為

10、截面設(shè)計(jì) 若為圓柱，則直徑d為 )/( max n kFA n k F d max 4 （2）若取材料許用應(yīng)力 ， 其中 為屈服極限。則 3/ s s 第8章力、力矩和壓力 MPa s 261.73/ 例：設(shè)計(jì)一正方形截面的柱式負(fù)荷傳感器，其中電壓靈敏度 1mV/V，負(fù)荷力50kN，應(yīng)變片靈敏系數(shù)k=2，求截面面積。 mmkUU knUUn io io 976. 0)1 (2/)/4( / )/4(/ 0 實(shí) 解：(1) 求應(yīng)變。 由Uo/Ui=1mV/V，k=2，并設(shè)應(yīng)變片按全橋 連接，=0.3，有 (2) 強(qiáng)度校核：選Cr40作為彈性體材料，則E=2.1105MPa， s=785.1MPa

11、，有 MPaE161 實(shí) 設(shè)超載系數(shù)kn為120%，則 193 max MPakn 故強(qiáng)度符合要求。 (3) 截面設(shè)計(jì)：取Fmax=1.5F，則截面邊長(zhǎng) a 為 19.8mm0198. 0/ maxmax mFa 第8章力、力矩和壓力 4.應(yīng)變式動(dòng)態(tài)測(cè)力系統(tǒng) 3.3.應(yīng)變式測(cè)力儀電路應(yīng)變式測(cè)力儀電路 一般采用電橋電路，有載波調(diào)制型和直流電路型。 （由于電橋輸出信號(hào)小，要求精度高，應(yīng)選用高增益、低 阻抗、小失調(diào)的測(cè)量電路，多采用集成模塊） 信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行緩沖、放大、濾波、壓頻轉(zhuǎn)換等。 信號(hào)補(bǔ)償問(wèn)題：如初始不平衡、零漂、非線性等。 安裝在剛性基座上的應(yīng)變式測(cè)力系統(tǒng)可以看成一個(gè)由質(zhì) 量、彈簧和阻尼

12、系統(tǒng)。在動(dòng)負(fù)荷f(t)作用下，輸入與輸出存在 下列關(guān)系： )( 1 )( )( 2 )( ),()( )()( 22 2 2 2 2 tf k tx dt tdx dt txd tftkx dt tdx c dt txd m nnn 第8章力、力矩和壓力 2 2222 0 )/(1 /2 arctan )/(4)/(1 1 )sin()( n n nn k F A tAtx 1)(2)( 1 )( 2 nn SS k SH 二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)： 若tFtfsin)( 0 則穩(wěn)態(tài)輸出為： )2/(/kmcmk n 其中 故可得： , , )( 2 222 0 阻尼力慣性力彈力 AcAmkA AcA

13、mkAF 第8章力、力矩和壓力 度彈力與慣性力相位差 度彈力超前阻尼力 角超前被測(cè)力彈力 180 90 kA t 0 F Ac kA 2 Am 分析： （1）慣性力和阻尼力可忽略時(shí)：輸出x(t)表示被測(cè)力大小； 條件：質(zhì)量塊m很小，使慣性力可忽略； 系統(tǒng)無(wú)阻尼器，阻尼由內(nèi)摩擦和空氣阻尼引起。 （2）慣性力和阻尼力不可忽略時(shí)： 求出加速度信號(hào)作為補(bǔ)償，消除慣性力； 加速度值積分或彈性力微分得到速度值作為補(bǔ)償，消除 阻尼力。 第8章力、力矩和壓力 /1arctan )1sin()exp( 1 )( 0, 0, 0 )1sin()exp()( 0 0 0 )( 2 2 2 00 2 0 0 tt k

14、 F k F tx dt dx xt ttA k F tx t tF tf nn nn 代入：將初始條件 它的全解： 以階躍力為例： 第8章力、力矩和壓力 引起的瞬態(tài)誤差。 后相加，可消除慣性力兩傳感器的輸出經(jīng)調(diào)幅 。比只相差一個(gè)比例常數(shù) 的瞬態(tài)誤差相與很小，當(dāng)阻尼很小時(shí)， 其中： 信號(hào)：器感受瞬態(tài)響應(yīng)加速度若使用壓電加速度傳感 )()( )21/()1 (2arctan )1 (4)21 ( 1 )1sin()exp( )( )( 22 2222 2 2 0 2 2 2 txta k F a tta dt txd ta n nn 第8章力、力矩和壓力 由二階測(cè)量系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，可知?jiǎng)討B(tài)測(cè)量時(shí)

15、對(duì)阻尼由二階測(cè)量系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，可知?jiǎng)討B(tài)測(cè)量時(shí)對(duì)阻尼 力、慣性力等均敏感，可采取補(bǔ)償方法消除。力、慣性力等均敏感，可采取補(bǔ)償方法消除。 動(dòng)態(tài)分析慣性力與加速度信號(hào)的變化規(guī)律相同，差一動(dòng)態(tài)分析慣性力與加速度信號(hào)的變化規(guī)律相同，差一 恒定的比例因子。所以有下面的測(cè)量系統(tǒng)。恒定的比例因子。所以有下面的測(cè)量系統(tǒng)。 第8章力、力矩和壓力 (二)壓磁式測(cè)力儀 工作原理：壓磁效應(yīng)工作原理：壓磁效應(yīng) 由由工業(yè)純鐵、硅鋼等鐵磁材料制成的鐵心在機(jī)械力的作用工業(yè)純鐵、硅鋼等鐵磁材料制成的鐵心在機(jī)械力的作用 下磁導(dǎo)率發(fā)生變化稱為壓磁效應(yīng)，或稱磁彈性效應(yīng)。下磁導(dǎo)率發(fā)生變化稱為壓磁效應(yīng)，或稱磁彈性效應(yīng)。 結(jié)結(jié) 構(gòu)：鐵芯上

16、安置的測(cè)量線圈與勵(lì)磁線圈相互垂直。構(gòu)：鐵芯上安置的測(cè)量線圈與勵(lì)磁線圈相互垂直。 工作過(guò)程：受外力時(shí)，鐵心磁導(dǎo)率發(fā)生變化，測(cè)量線圈被勵(lì)磁工作過(guò)程：受外力時(shí)，鐵心磁導(dǎo)率發(fā)生變化，測(cè)量線圈被勵(lì)磁 線圈中的磁場(chǎng)交鏈而輸出比例于外力大小的信號(hào)。線圈中的磁場(chǎng)交鏈而輸出比例于外力大小的信號(hào)。 012 / i UkU FNN k是和勵(lì)磁電流和頻率有關(guān)的系數(shù)是和勵(lì)磁電流和頻率有關(guān)的系數(shù) 第8章力、力矩和壓力 要求：有一個(gè)穩(wěn)定的激磁電源。此外輸出電勢(shì)比較大，通要求：有一個(gè)穩(wěn)定的激磁電源。此外輸出電勢(shì)比較大，通 常無(wú)須放大，經(jīng)濾波整流后就可直接輸出。常無(wú)須放大，經(jīng)濾波整流后就可直接輸出。 特點(diǎn)：可測(cè)量很大的力，抗過(guò)

17、載能力強(qiáng)，能在惡劣條件下特點(diǎn)：可測(cè)量很大的力，抗過(guò)載能力強(qiáng)，能在惡劣條件下 工作。但頻率響應(yīng)不高（工作。但頻率響應(yīng)不高（110kHz），測(cè)量精度一），測(cè)量精度一 般在般在1左右，也有精度更高的新型結(jié)構(gòu)的壓磁式力左右，也有精度更高的新型結(jié)構(gòu)的壓磁式力 傳感器。傳感器。 用途：常用于冶金、礦山等重工業(yè)部門(mén)作為測(cè)力或稱重傳用途：常用于冶金、礦山等重工業(yè)部門(mén)作為測(cè)力或稱重傳 感器，例如在軋鋼機(jī)上用來(lái)測(cè)量大的力以及用在吊感器，例如在軋鋼機(jī)上用來(lái)測(cè)量大的力以及用在吊 車秤中。車秤中。 第8章力、力矩和壓力 (三)壓電式測(cè)力儀 原理：利用石英晶體和壓電陶瓷等壓電材料的壓電效應(yīng)，將 被測(cè)力經(jīng)彈性元件轉(zhuǎn)換為與其

18、成正比的電荷量輸出 用途：動(dòng)態(tài)力的測(cè)量 特點(diǎn)：壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)高，價(jià)格便宜，用途廣泛。 石英晶體性能穩(wěn)定、自振頻率高、機(jī)械強(qiáng)度高、能承 受較大負(fù)荷，多用于高精度大量程測(cè)量。 FdQ ij 壓電陶瓷有三種壓電效應(yīng)： 橫向（測(cè)量壓力）、縱向和剪切（測(cè)量力）。 第8章力、力矩和壓力 (四)其它測(cè)力法 原理：將材料受力后產(chǎn)生的位移、變形等轉(zhuǎn)變?yōu)殡姼小㈦娙莸入?量或物理量的變化。 差動(dòng)變壓器式測(cè)力裝置 常采用調(diào)頻或調(diào)相電路來(lái) 測(cè)量電容。這種測(cè)力裝置 可用于大型電子吊秤。 電容式測(cè)力裝置 圖 (a)是差動(dòng)變壓器與彈簧組合構(gòu)成的 測(cè)力裝置；(b)為筒形彈性元件。 第8章力、力矩和壓力 三、力值的檢定與

19、定度 基本概念： 檢定是指為評(píng)定計(jì)量器具的計(jì)量性能（準(zhǔn)確度、靈敏度、 穩(wěn)定度等），并確定其是否合格所進(jìn)行的全部工作。 定度也稱標(biāo)度，是指用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)（或基準(zhǔn)）來(lái)定出計(jì)量器 具或顯示部分所表示的量值，即將基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)器具所 體現(xiàn)的力值傳遞到測(cè)力儀的全部過(guò)程。 比對(duì)是指在規(guī)定條件下，對(duì)相等準(zhǔn)確度的同類基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn) 或工作用計(jì)量器具之間的量值所進(jìn)行比較的過(guò)程。 定度時(shí)，作為基準(zhǔn)的計(jì)量器具的綜合誤差要求小于被定度時(shí)，作為基準(zhǔn)的計(jì)量器具的綜合誤差要求小于被 計(jì)量器具綜合誤差的計(jì)量器具綜合誤差的1/3。 第8章力、力矩和壓力 1.1.力值計(jì)量器具的傳遞系統(tǒng)力值計(jì)量器具的傳遞系統(tǒng) 圖圖8-11 傳遞方法：定度、比

20、對(duì)傳遞方法：定度、比對(duì) 組組 成：由基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀組成。成：由基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀組成。 檢定系統(tǒng)的力標(biāo)準(zhǔn)器具分類：檢定系統(tǒng)的力標(biāo)準(zhǔn)器具分類： 1）產(chǎn)生力值的固定式標(biāo)準(zhǔn)器具；）產(chǎn)生力值的固定式標(biāo)準(zhǔn)器具； 按結(jié)構(gòu)分為靜重式、杠桿式、液壓式和疊加式；按結(jié)構(gòu)分為靜重式、杠桿式、液壓式和疊加式； 2）傳遞力值的各種便攜式標(biāo)準(zhǔn)器具。）傳遞力值的各種便攜式標(biāo)準(zhǔn)器具。 2.2.靜態(tài)定度靜態(tài)定度 對(duì)力傳感器施加標(biāo)準(zhǔn)力，將相應(yīng)輸出經(jīng)數(shù)據(jù)處理求得各項(xiàng)對(duì)力傳感器施加標(biāo)準(zhǔn)力，將相應(yīng)輸出經(jīng)數(shù)據(jù)處理求得各項(xiàng) 靜態(tài)指標(biāo)。一般的技術(shù)指標(biāo)包括：靜態(tài)指標(biāo)。一般的技術(shù)指標(biāo)包括： 負(fù)荷特性：如額定負(fù)載、靈敏度、

21、遲滯、重復(fù)性、線性度等；負(fù)荷特性：如額定負(fù)載、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、線性度等； 電氣特性：如輸入輸出阻抗、零點(diǎn)輸出、激勵(lì)電壓；電氣特性：如輸入輸出阻抗、零點(diǎn)輸出、激勵(lì)電壓； 溫度特性：如零點(diǎn)溫度影響、輸出溫度影響、溫度補(bǔ)償范圍；溫度特性：如零點(diǎn)溫度影響、輸出溫度影響、溫度補(bǔ)償范圍； 蠕變特性：蠕變。蠕變特性：蠕變。 第8章力、力矩和壓力 3動(dòng)態(tài)定度 （時(shí)域和頻域） 技術(shù)指標(biāo)： 時(shí)域：力的相對(duì)幅值準(zhǔn)確度、自振頻率、上升時(shí)間等； 頻域：工作頻率范圍、工作頻率范圍內(nèi)相對(duì)幅度準(zhǔn)確度、 共振頻率等 4.電定度 模擬應(yīng)變電橋在負(fù)荷作用下電橋失衡而產(chǎn)生輸出的方法。 方法：在橋臂上并聯(lián)一個(gè)已知電阻來(lái)模擬應(yīng)變值

22、，使產(chǎn)生R。 以此模擬某一負(fù)載的情況。 優(yōu)點(diǎn)：利用電定度表輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，即可免去在每次測(cè)量前必 須給測(cè)量系統(tǒng)輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的麻煩。 說(shuō)明：電定度原理對(duì)各種測(cè)力和轉(zhuǎn)矩等傳感器都適用。 第8章力、力矩和壓力 第8章力、力矩和壓力 左圖是我國(guó)1976年研制成功的1MN基準(zhǔn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，它主 要由機(jī)架、吊掛系統(tǒng)、砝碼及其加卸系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等組成。 基準(zhǔn)機(jī)高11.5m，主機(jī)占 地（4x2.5)m2 ?？傊?60t,該機(jī)可 在0.02-1.01MN范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)10kN整數(shù)倍的載荷級(jí)。 機(jī)架由與基礎(chǔ)固連的底座1、四根大立柱2、大平臺(tái)3和組成 上部機(jī)架的三根絲杠4、小平臺(tái)5等組成，動(dòng)橫梁6由絲杠升降。 基準(zhǔn)機(jī)砝碼共

23、有13塊，加上吊掛共14塊。其中0.1MN的9塊， 0.05MN砝碼1塊，0.02NMN 2塊， 0.01NMN 2塊。砝碼升降由 坐在小平臺(tái)5上的起重油缸10及支持在其活塞上的提升框架11完 成。提升框架由穿過(guò)大平臺(tái)3的四根拉桿和上下兩個(gè)橫梁 組成。 在下橫梁上裝有兩根提升吊 桿，提升吊桿穿過(guò)砝碼缺口，并在 桿上裝有與砝碼對(duì)應(yīng)的13對(duì)小轉(zhuǎn)角12，為保證砝碼升降平穩(wěn)， 在底座及大平臺(tái)上均裝有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。 吊掛系統(tǒng) 7上部由上中下三個(gè)橫梁和兩根拉桿組成，兩根 拉桿穿過(guò)動(dòng)橫梁和大平臺(tái)，系統(tǒng)下部的中心吊桿與下橫梁固定 相連。吊掛系統(tǒng)除吊砝碼外，它還是第一級(jí)載荷。 本機(jī)砝碼數(shù)量較少，檢定本機(jī)量程范圍內(nèi)的

24、測(cè)力儀時(shí)要交 換砝碼，為保證已加負(fù)荷不至于卸掉，在大平臺(tái)底下加有千斤 頂13，交換砝碼時(shí)用千斤頂保持加在測(cè)力儀上的負(fù)荷不變。 工作時(shí)，將測(cè)力儀放在動(dòng)橫梁上，驅(qū)動(dòng)動(dòng)橫梁通過(guò)被檢測(cè) 力儀將吊掛系統(tǒng)升起，使其脫離小平臺(tái) 5至固定高度，此時(shí)第 一級(jí)負(fù)荷已加上，然后按所需載荷選擇砝碼組合并發(fā)出指令， 使各部件按下列順序動(dòng)作。所需加砝碼對(duì)應(yīng)的小轉(zhuǎn)角12轉(zhuǎn)90后； 起重油缸10的活塞連同提升框架11上升至固定高度。此時(shí)所需 加砝碼已由小轉(zhuǎn)角托起與大轉(zhuǎn)角 9脫離；使與活塞連同提升框 架砝碼脫離的大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)離支承位置；提升框架下降，所加砝碼 掛到中心吊桿凸臺(tái)上，砝碼的重力亦加到測(cè)力儀上；提升框架 繼續(xù)下降至最低位

25、置后，已轉(zhuǎn)90的小轉(zhuǎn)角回原位，加荷動(dòng)作完 成。卸荷時(shí)除大轉(zhuǎn)角的動(dòng)作與上述相反外，其他均相同。 第8章力、力矩和壓力 第8章力、力矩和壓力 四、稱重及稱重裝置四、稱重及稱重裝置 1.稱重的概念和意義 重量含義的兩重性重量、質(zhì)量 質(zhì)量傳遞系統(tǒng) 圖8-13 測(cè)量?jī)x器： 重力的測(cè)量采用測(cè)力傳感器和測(cè)力儀。 質(zhì)量的測(cè)定通常稱為稱重，一般采用衡器，也叫作稱重傳感器 和秤（或天平）。 測(cè)力傳感器和稱重傳感器結(jié)構(gòu)上差異不大，只是使用的技 術(shù)要求和結(jié)果處理不同（如計(jì)量單位不同、誤差評(píng)定不同）。 稱重的衡器用準(zhǔn)確度級(jí)別來(lái)表征特征，準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)用分辨 力，即標(biāo)尺間隔e表示。如二級(jí)衡器，當(dāng)量程為5000e以下時(shí)， 允許

26、誤差0.5e，量程500020000e時(shí)，允許誤差1e。 第8章力、力矩和壓力 2.電子秤的組成、分類和特點(diǎn) 用途：工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)等部門(mén)及領(lǐng)域。 歷程：機(jī)械秤機(jī)電結(jié)合秤電子秤自動(dòng)秤（結(jié)合微機(jī)）。 范圍：從納克到10萬(wàn)余噸 分類：按用途分商用計(jì)價(jià)秤、平臺(tái)秤（汽車、飛機(jī)等）、軌道 衡（火車）、電子皮帶稱（貨場(chǎng)）； 按工作條件分：靜態(tài)稱重和動(dòng)態(tài)稱重（習(xí)慣上稱動(dòng)態(tài)衡） 按工作原理分：杠桿原理、形變?cè)?、液壓原?組成：一般包括機(jī)械傳遞系統(tǒng)、稱重傳感器、測(cè)量電路和顯示儀 表等部分。此外還有穩(wěn)壓電源、微機(jī)和統(tǒng)配電源等。 分類：工程上常接用途分為電子皮帶秤、容器秤、吊車秤、平臺(tái) 秤、電子軌道秤等； 特點(diǎn)：

27、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、易于傳輸、顯示記錄方便、 易于自動(dòng)化，精度高、穩(wěn)定性好等。 第8章力、力矩和壓力 GCSGCS系列靜態(tài)軌道衡系列靜態(tài)軌道衡 第8章力、力矩和壓力 3.稱重傳感器 （1）應(yīng)變式（商用計(jì)價(jià)秤、平臺(tái)秤、軌道衡、皮帶秤等） 原理：電阻應(yīng)變式測(cè)力原理 特點(diǎn)：1）彈性體選用形式主要由負(fù)荷大小選定； 2）根據(jù)負(fù)荷大小選用傳感器數(shù)量， 多傳感器配合保證稱重質(zhì)量。 用途：多用于大稱量的平臺(tái)秤、皮帶秤等。 （2）壓磁式（軌道衡） 盤(pán)狀壓磁式 傳感器，硅 鋼片鐵心帶 4個(gè)互成90 的凸臺(tái)，內(nèi) 有勵(lì)磁和測(cè) 量線圈。 第8章力、力矩和壓力 （3）電容式傳感器（以變隙式電容稱重傳感器為例） 溫度

28、補(bǔ)償措施： 1）在電容極板旁安裝雙金屬片 2）檢測(cè)溫度，計(jì)算機(jī)修正 空間干擾及環(huán)境補(bǔ)償措施： 1）外罩金屬罩，內(nèi)部隔熱罩 2）承剪片消除橫向剪力影響。 電容式吊稱的主要技術(shù)參數(shù)： 測(cè)量范圍：1-10t 分度數(shù)：100000 重復(fù)性：優(yōu)于0.01% 最大安全超載上限：測(cè)量上限300% 第8章力、力矩和壓力 4.4.電子皮帶秤電子皮帶秤 1)測(cè)速法 TT dttvtqdttwW 00 )()()( w(t)皮帶機(jī)瞬時(shí)輸送量； q(t) 皮帶單位長(zhǎng)度上瞬時(shí)重量； v(t)皮帶瞬時(shí)線速度。 是一種自動(dòng)稱量膠帶傳輸機(jī)散裝物料和自動(dòng)配料的衡器。 組成：稱重傳感器、稱重框架、平衡體、測(cè)速傳感器、測(cè)量電路等

29、（1）稱重原理（測(cè)量物料瞬時(shí)重量和累積重量） 瞬時(shí)物料重量為作用于稱重框架上的式中 所稱量的重量則有效稱量段上的瞬間 段重傳感器上的有效稱量設(shè)皮帶上物料作用于稱 )( / )()( 2/ )( 0 21 tG dtLtvtGW LLL T 第8章力、力矩和壓力 Wkdt L tvtG kLkU tvtGkktU T v 0 21 21 )()( )()()( 總 b. 用速度傳感器的輸出電 壓Uv(t)代替供橋電壓 同a相比，省去了乘法器。 a. 稱重傳感器和測(cè)速傳感器輸 出電壓瞬時(shí)值相乘并積分。 i T vG UkLkk dttUtU k W 21 0 )()( 1 其中 稱重傳感器供橋電壓

30、 測(cè)速傳感器靈敏系數(shù) 稱重傳感器靈敏系數(shù) 時(shí)值分別為兩傳感器輸出電壓的瞬 i viG U k k tvktUUtGktU 2 1 21 )()()()( 第8章力、力矩和壓力 2)測(cè)長(zhǎng)法 n i in qqqqW 1 21 )( 工作原理：輸送帶每移動(dòng)距離工作原理：輸送帶每移動(dòng)距離S時(shí)，測(cè)量一次稱重托輥上的重時(shí)，測(cè)量一次稱重托輥上的重 量值，若某段時(shí)間皮帶共移動(dòng)距離為量值，若某段時(shí)間皮帶共移動(dòng)距離為nS，則累積重量，則累積重量W 第8章力、力矩和壓力 （2)誤差分析 稱重傳感器誤差：包括制造誤差、環(huán)境誤差和安裝誤差等。 測(cè)速傳感器誤差：傳感器誤差、輸送帶打滑。 機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差：如有效長(zhǎng)度L變化；

31、 測(cè)量電路誤差：主要是零漂和溫漂。 修正方法： 全能力調(diào)零：空轉(zhuǎn)一周以上，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)零； 自動(dòng)較量：微機(jī)控制電動(dòng)標(biāo)碼機(jī)或標(biāo)準(zhǔn)砝碼放置在 皮帶上修正； 對(duì)電源波動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。 第8章力、力矩和壓力 BMP皮帶秤圖 第8章力、力矩和壓力 第三節(jié) 力矩的測(cè)量 任何機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)力和力矩的傳遞。任何機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)力和力矩的傳遞。 一、力矩一、力矩(轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩)及其測(cè)量方法及其測(cè)量方法 轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系：轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系： Mk=P/n (表表8-3 單位單位) (1) 傳遞法（扭軸法）傳遞法（扭軸法） 利用轉(zhuǎn)矩使彈性軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行測(cè)量。是應(yīng)用最廣泛、利用轉(zhuǎn)矩使彈性軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)

32、變形進(jìn)行測(cè)量。是應(yīng)用最廣泛、 使用最多的一種。使用最多的一種。 )/( P GIMl G切變模量 IP極慣性矩 按轉(zhuǎn)角信號(hào)測(cè)量方式可分光電式、 光學(xué)式、磁電式、電容式、電阻應(yīng) 變式、振弦式等 第8章力、力矩和壓力 (2) 平衡力法(反力法) 利用平衡轉(zhuǎn)矩M0去平衡被測(cè) 轉(zhuǎn)矩M M=M0= Fl 只能測(cè)量靜態(tài)勻速轉(zhuǎn)矩，不 能測(cè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。 (3) 能量轉(zhuǎn)換法 通過(guò)測(cè)量其它與轉(zhuǎn)矩有關(guān)的能量系數(shù)（如電能系數(shù)）來(lái) 確定被測(cè)力矩大小的。 一般用于電機(jī)轉(zhuǎn)矩測(cè)量，因測(cè)量誤差大、影響因素多， 只有測(cè)量電參數(shù)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x應(yīng)用較多。 表8-4列出了各種力矩測(cè)量用傳感器和力矩測(cè)量?jī)x的性 能和用途（應(yīng)用最多的是相位

33、差式和應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀）。 按安裝在平衡支架上的機(jī)種不同可分為電力測(cè)功機(jī)、水力按安裝在平衡支架上的機(jī)種不同可分為電力測(cè)功機(jī)、水力 測(cè)功機(jī)、電偶測(cè)功機(jī)等。測(cè)功機(jī)、電偶測(cè)功機(jī)等。 第8章力、力矩和壓力 二、傳遞法力矩測(cè)置裝置 1電阻應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀 應(yīng)變片沿軸線45或者135方向粘貼，是應(yīng)變最大方向。 轉(zhuǎn)軸截面選型：圓柱形（最常用）、空心圓柱形（小轉(zhuǎn)矩）、 實(shí)心方形（大量程轉(zhuǎn)矩） 1-轉(zhuǎn)軸 2-測(cè)量電橋 3-A/D 4-穩(wěn)壓 5-殼體 6-放大器 7-電容集流環(huán) 8-電感集流環(huán) 電感及電容集流環(huán) 對(duì)脈沖信號(hào)起耦合作用 穩(wěn)壓 直流A/D 放大器 第8章力、力矩和壓力 2相位差式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x（ 如：光電、磁電）

34、 e = -N d /dt 多采用非接觸式，以減小摩擦阻力的影響，提高測(cè)量精度。 空載（初始）相位差：0； 工作時(shí)軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，相位差：= z 其中 z圓盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)一圈信號(hào)拾取器產(chǎn)生的信號(hào)個(gè)數(shù)。 注意： （1）z值不能太大，應(yīng)使= z （2）考慮正反轉(zhuǎn)及超載轉(zhuǎn)矩時(shí)，一般/2d，所以 1 2 2 2 44 hdhD 221 ghppp 第8章力、力矩和壓力 sin)( 22121 glghhhgppp （3）斜管壓力計(jì) 主要用于測(cè)量微小壓力、 負(fù)壓和壓差，它將單管液柱壓 力計(jì)的測(cè)量管傾斜放置，這樣 可以提高靈敏度，減少讀數(shù)相 對(duì)誤差。 傾斜角度越小，l越長(zhǎng)，測(cè)量靈敏度就越高；但不可太小， 否則液柱

35、易沖散，讀數(shù)較困難，誤差增大。 這種斜管液柱式壓力計(jì)可測(cè)量到0.98Pa的微壓。為進(jìn)一步 提高微壓計(jì)的精確度，應(yīng)選密度小的酒精作為工作液體。 液體式誤差分析： （1）環(huán)境溫度變化 （2）重力加速度變化 （3）毛細(xì)現(xiàn)象 第8章力、力矩和壓力 2彈性式壓力計(jì) 基本結(jié)構(gòu): 彈性元件：核心部件，用于感 受壓力并產(chǎn)生彈性變形。如彈 簧管、波紋管、薄膜等； 優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)實(shí)牢固，能在惡劣條件下工作 （如腐蝕、振動(dòng)、高低溫、沖擊、易爆、易堵）。 缺點(diǎn)：頻率響應(yīng)低，不適宜測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力；存在固有遲滯，多 數(shù)儀表精度較低。 精度等級(jí)：1-2.5級(jí)，精密的可達(dá)0.1級(jí)。 變換放大機(jī)構(gòu)：將彈性元件的變形

36、進(jìn)行變換和放大； 指示機(jī)構(gòu)：用于給出壓力示值（如指針與刻度標(biāo)尺） ； 調(diào)整機(jī)構(gòu)：用于調(diào)整零點(diǎn)和量程。 第8章力、力矩和壓力 彈性元件簡(jiǎn)介 同樣的壓力下，不同結(jié)構(gòu)、不同材料的彈性元件會(huì)產(chǎn)生不同 的彈性變形。常用的彈性元件有彈簧管、波紋管、薄膜等。其中 波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測(cè)量；單圈和多圈彈簧管可 用于高、中、低壓或真空度的測(cè)量。 彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性 類 別 名 稱 示 意 圖 壓力測(cè)量范圍 kPa 輸出特性 動(dòng)態(tài)性質(zhì) 最小最大 時(shí)間常 數(shù)/s 自振頻 率/Hz 薄 膜 式 平 薄 膜 0100105 10-5 10-2 10 104 波 紋 膜 010-3 0103 10-2 10

37、-1 10 102 撓 性 膜 010-5 010210-211102 第8章力、力矩和壓力 波 紋 管 式 波 紋 管 010-30103 10-2 10-1 10 102 彈 簧 管 式 單 圈 彈 簧 管 010-10106 102 103 多 圈 彈 簧 管 010-20105 10 102 第8章力、力矩和壓力 波紋管 優(yōu)點(diǎn)：靈敏高，可測(cè)較低壓力 缺點(diǎn)：遲滯誤差較大，精度一般只有1.5級(jí) 彈簧管 截面為非圓形（橢圓形或扁圓形），并彎成圓弧狀的空心管子 一端為封閉（自由端），一端為開(kāi)口（固定端） 第8章力、力矩和壓力 舉例：彈簧管壓力計(jì) 彈簧管壓力計(jì)結(jié)構(gòu) 1-彈簧管；2-連桿； 3-扇

38、形齒輪；4-底座； 5-中心齒輪；6-游絲； 7-表盤(pán)；8-指針； 9-接頭；10-橫斷面； 11-靈敏度調(diào)整槽 彈簧管式壓力計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)上 應(yīng)用很廣泛的一種直讀式測(cè)壓儀表， 以單圈彈簧管結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多。其一 般結(jié)構(gòu)如右圖所示。 工作原理： 被測(cè)壓力由接口引入，使彈簧 管自由端產(chǎn)生位移，通過(guò)連桿使扇 形齒輪偏轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)嚙合的中心 齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與中心齒輪同軸的指針 將同時(shí)發(fā)生相應(yīng)偏轉(zhuǎn)，并在面板的 刻度標(biāo)尺上指示出被測(cè)的壓力值。 第8章力、力矩和壓力 彈簧管壓力計(jì)結(jié)構(gòu) 1-彈簧管；2-連桿； 3-扇形齒輪；4-底座； 5-中心齒輪；6-游絲； 7-表盤(pán)；8-指針； 9-接頭；10-橫斷面； 11-靈

39、敏度調(diào)整槽 參數(shù)調(diào)整： （1）調(diào)量程：通過(guò)調(diào)整螺釘可以改 變拉桿與扇形齒輪的接合點(diǎn)位置，從 而改變放大比，調(diào)整量程。 （2）轉(zhuǎn)動(dòng)軸上裝有游絲，用以消除 兩齒輪的嚙合間隙，減小儀表變差。 （3）調(diào)零點(diǎn)：直接改變指針套在轉(zhuǎn) 動(dòng)軸上的角度，可調(diào)機(jī)械零點(diǎn)。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格低 廉，使用范圍廣，測(cè)壓范圍寬。 用途：可測(cè)負(fù)壓、微壓、低壓、中壓 和高壓；一般彈簧管壓力計(jì)的測(cè)壓范 圍為-105109Pa； 精確度：有0.5、1.0、1.5、2.5等，最 高可達(dá)0.1。 第8章力、力矩和壓力 3負(fù)荷式壓力計(jì) 原理：基于靜力平衡原理進(jìn)行壓力測(cè)量 類型：活塞式、浮球式和鐘罩式三大類 優(yōu)點(diǎn)：計(jì)量范圍廣、

40、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠，精 度高、重復(fù)性好，可測(cè)量正、負(fù)及絕對(duì) 壓力。 用途：廣泛用作壓力基準(zhǔn)器，提供壓力標(biāo)準(zhǔn)信 號(hào)，進(jìn)行精密測(cè)壓。 第8章力、力矩和壓力 )1)(20)(1 1 0 0 21 0 A WW Ct g g A WW p a 舉例：活塞油壓式壓力計(jì) 式中 1 、2活塞材料與活塞筒材 料的線膨脹系數(shù) 壓力每變化壓力每變化9.80665Pa時(shí)活時(shí)活 塞有效面積的變化率塞有效面積的變化率 )2( 1 22 2 br b E Rh g /21 )2cos00265. 01 (80665. 9 第8章力、力矩和壓力 4 4電氣式壓力儀表電氣式壓力儀表 （1 1）壓力傳感器）壓力傳感器 作用：感

41、受被測(cè)壓力并將壓力信息轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)輸出，供信號(hào) 處理、顯示控制之用。 按測(cè)量原理分類：電阻式、電感式、電容式、壓電式、振頻式、 霍爾式等 a) 應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器是一種通過(guò)測(cè)量各種彈性元件的應(yīng)變來(lái)間 接測(cè)量壓力的傳感器。 分類：根據(jù)制作材料不同，應(yīng)變?cè)譃榻饘俸桶雽?dǎo)體兩大類。 工作原理：應(yīng)變?cè)墓ぷ髟砘趯?dǎo)體和半導(dǎo)體的“應(yīng)變效 應(yīng)”，即當(dāng)導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生 變化。電阻值的相對(duì)變化與應(yīng)變有以下關(guān)系： K R R 第8章力、力矩和壓力 應(yīng)變式壓力傳感器所用彈性元件可根據(jù)被測(cè)介質(zhì)和測(cè)量范圍 的不同而采用各種型式，常見(jiàn)有圓膜片、彈性梁、應(yīng)變筒等。下

42、圖給出幾種彈性元件和應(yīng)變式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)及電橋式測(cè)量電 路示意圖。 應(yīng)變式壓力傳感器 第8章力、力矩和壓力 固體受力后電阻率發(fā)生變化固體受力后電阻率發(fā)生變化 的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。 硅平膜片在圓形硅杯底部，硅平膜片在圓形硅杯底部， 其兩邊有兩個(gè)壓力腔，分別輸入其兩邊有兩個(gè)壓力腔，分別輸入 被測(cè)差壓或被測(cè)壓力與參考?jí)毫?。被測(cè)差壓或被測(cè)壓力與參考?jí)毫Α?髙壓腔接被測(cè)壓力，低壓腔與大髙壓腔接被測(cè)壓力，低壓腔與大 氣連通或接參考?jí)毫Α膺B通或接參考?jí)毫Α?b) 壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn)壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn): (1) 靈敏度高，頻率響應(yīng)高，動(dòng)態(tài)特性好；靈敏度高，頻率

43、響應(yīng)高，動(dòng)態(tài)特性好； (2) 測(cè)量范圍寬，可測(cè)低至測(cè)量范圍寬，可測(cè)低至10Pa的微壓到高至的微壓到高至60MPa的高壓；的高壓； (3) 精度高，工作可靠，其精度可達(dá)精度高，工作可靠，其精度可達(dá)0.20.02； (4) 易于微小型化，國(guó)內(nèi)已有直徑易于微小型化，國(guó)內(nèi)已有直徑1.82mm的傳感器。的傳感器。 (5)敏感元件易受溫度的影響，從而影響壓阻系數(shù)的大小。敏感元件易受溫度的影響，從而影響壓阻系數(shù)的大小。 第8章力、力矩和壓力 工作原理：壓電效應(yīng) 材 料：壓電晶體和壓電陶瓷 c) 壓電式壓力傳感器 壓電式壓力傳感器特點(diǎn): (1) 體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，測(cè)量精度較高； (2) 測(cè)量范圍寬，

44、可測(cè)100MPa以下的壓力； (4) 頻率響應(yīng)高，可達(dá)30KHz，是動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)中常用的傳感 器，但由于壓電元件存在電荷泄漏，不宜測(cè)量緩變壓力和靜 態(tài)壓力。 工作過(guò)程：壓電元件夾于兩彈性膜片 之間，一面與膜片接觸并接地，另一 面用引線引出。被測(cè)壓力均勻作用在 膜片上，使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷。 用電荷（電壓）放大器放大，轉(zhuǎn)換為 電壓或電流輸出。 第8章力、力矩和壓力 工作原理：變電容測(cè)量原理，將由被測(cè)壓力引起的彈性元件的 位移變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓脺y(cè)量電容的方法測(cè) 出電容量，便可知道被測(cè)壓力的大小。 方 法：變極距式和變面積式 d) 電容式壓力傳感器 1）差動(dòng)變極距式電容壓差傳感器）差動(dòng)變極

45、距式電容壓差傳感器 改變電容兩平行板間距 d 的 測(cè)量方式有較高靈敏度，但當(dāng)位 移較大時(shí)非線性嚴(yán)重。采用差動(dòng) 電容法可以改善非線性、提高靈 敏度、并可減小因受溫度影響引 起的不穩(wěn)定性。 第8章力、力矩和壓力 被測(cè)壓力作用在金屬膜片上，通被測(cè)壓力作用在金屬膜片上，通 過(guò)中心柱和支撐簧片，使可動(dòng)電極隨過(guò)中心柱和支撐簧片，使可動(dòng)電極隨 簧片中心位移而動(dòng)作?？蓜?dòng)電極與固簧片中心位移而動(dòng)作?？蓜?dòng)電極與固 定電極均是金屬同心多層圓筒，斷面定電極均是金屬同心多層圓筒，斷面 呈梳齒形，其電容量由兩電極交錯(cuò)重呈梳齒形，其電容量由兩電極交錯(cuò)重 疊部分的面積所決定。固定電極與外疊部分的面積所決定。固定電極與外 殼之

46、間絕緣，可動(dòng)電極與外殼導(dǎo)通。殼之間絕緣，可動(dòng)電極與外殼導(dǎo)通。 2）變面積式電容壓差傳感器）變面積式電容壓差傳感器 優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，靈敏度高，過(guò)載能力大； 精度高，其精確度可達(dá)0.250.05； (1)可以測(cè)量壓力和差壓。 第8章力、力矩和壓力 （2）壓力變送器 為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的距離傳送，由彈性測(cè)壓元件與電氣傳感器相結(jié) 合構(gòu)成，工業(yè)常稱壓差變送器，以統(tǒng)一的信號(hào)傳輸至控制點(diǎn)進(jìn)行 信息處理控制及顯示。 分類：位移式和力平衡式 第8章力、力矩和壓力 彈性力平衡式壓力測(cè)量系統(tǒng)的原理彈性力平衡式壓力測(cè)量系統(tǒng)的原理 第8章力、力矩和壓力 彈性壓力計(jì)信號(hào)遠(yuǎn)傳方式 一般可以在已有的彈性壓力計(jì)結(jié)構(gòu)上增加轉(zhuǎn)換部件實(shí)現(xiàn)

47、信 號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送。 彈性壓力計(jì)信號(hào)多采用電遠(yuǎn)傳方式，即把彈性元件的變形 或位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。 常見(jiàn)的轉(zhuǎn)換方式有電位計(jì)式、霍爾元件式、電感式、差動(dòng) 變壓器式等。 (a) 滑線變阻器式 (b)霍爾元件式 兩種電遠(yuǎn)傳彈性壓力計(jì)結(jié)構(gòu)原理 第8章力、力矩和壓力 特點(diǎn)：(a) 滑線變阻器式比較簡(jiǎn)單，可以有很好的線性輸出，但 是滑線電位器的結(jié)構(gòu)可靠性較差。 (b) 霍爾元件式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，壽命長(zhǎng)，但對(duì)外部 磁場(chǎng)敏感，耐振性差。 片狀霍爾元件固定在彈性元件自由端，并處于兩對(duì)磁場(chǎng)方 向相反的磁極組件構(gòu)成的線性不均勻磁場(chǎng)間隙中。若霍爾元件 通以恒流，會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于自由端位移的霍爾電勢(shì)，從而求出被 測(cè)壓力

48、值。 第8章力、力矩和壓力 3 3）電容式壓差變送器）電容式壓差變送器 第8章力、力矩和壓力 六、壓力檢測(cè)儀表的選擇 1. 儀表量程的選擇 (1) 被測(cè)壓力較穩(wěn)定：最大工作壓力不應(yīng)超過(guò)儀表滿量程的3/4 (2) 被測(cè)壓力波動(dòng)較大或測(cè)脈動(dòng)壓力：最大工作壓力不應(yīng)超過(guò)儀 表滿量程的2/3 (3) 為保證測(cè)量準(zhǔn)確度：最小工作壓力不應(yīng)低于滿量程的1/3 (4) 優(yōu)先滿足最大工作壓力條件 2. 儀表精度的選擇 壓力檢測(cè)儀表的精度主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差確定， 即要求實(shí)際被測(cè)壓力允許的最大絕對(duì)誤差小于儀表基本誤差。 3. 儀表類型的選擇 (1) 從被測(cè)介質(zhì)壓力大小來(lái)考慮 (2) 被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì) (3) 對(duì)

49、儀表輸出信號(hào)的要求 (4) 使用的環(huán)境 第8章力、力矩和壓力 七、壓力測(cè)量?jī)x表的調(diào)校和使用 意義：壓力檢測(cè)儀表在出廠前均需經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，使之符合精度意義：壓力檢測(cè)儀表在出廠前均需經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，使之符合精度 等級(jí)要求。等級(jí)要求。 原因：原因：(1) 使用中的儀表會(huì)因彈性元件疲勞、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損及使用中的儀表會(huì)因彈性元件疲勞、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損及 腐蝕、電子元器件的老化等造成誤差，所以必須定期腐蝕、電子元器件的老化等造成誤差，所以必須定期 校準(zhǔn)，以保證測(cè)量結(jié)果有足夠的準(zhǔn)確度；校準(zhǔn)，以保證測(cè)量結(jié)果有足夠的準(zhǔn)確度； (2) 新的儀表在安裝使用前，為防止運(yùn)輸過(guò)程中由于新的儀表在安裝使用前，為防止運(yùn)輸過(guò)程中由于 振動(dòng)或碰

50、撞所造成的誤差，也應(yīng)對(duì)新儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，振動(dòng)或碰撞所造成的誤差，也應(yīng)對(duì)新儀表進(jìn)行校準(zhǔn)， 以保證儀表示值的可靠性。以保證儀表示值的可靠性。 儀器：常用的校驗(yàn)儀器是活塞式壓力計(jì)，它由壓力發(fā)生部分儀器：常用的校驗(yàn)儀器是活塞式壓力計(jì)，它由壓力發(fā)生部分 和測(cè)量部分組成，它的精度等級(jí)有和測(cè)量部分組成，它的精度等級(jí)有0.02、0.05和和0.2 級(jí)，可用來(lái)校準(zhǔn)級(jí)，可用來(lái)校準(zhǔn)0.25級(jí)精密壓力表，也可校準(zhǔn)各種工級(jí)精密壓力表，也可校準(zhǔn)各種工 業(yè)用壓力表，被校壓力的最高值為業(yè)用壓力表，被校壓力的最高值為60MPa。 第8章力、力矩和壓力 (1) 靜態(tài)校準(zhǔn) 定義：壓力檢測(cè)儀表的靜態(tài)校準(zhǔn)是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下（溫度 205

51、，濕度80，大氣壓力為76080mmHg，且無(wú)振動(dòng)沖 擊的環(huán)境），采用一定標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)（其精度需為被校儀表的35 倍）的校準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)儀表重復(fù)（不少于3次）進(jìn)行全量程逐級(jí)加 載和卸載測(cè)試，獲得各次校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以確定儀表的靜態(tài)基本性 能指標(biāo)和精度的過(guò)程。 方法： ）將被校表與標(biāo)準(zhǔn)表的示值在相同條件下進(jìn)行比較； ）將被校表的示值與標(biāo)準(zhǔn)壓力比較。 無(wú)論是壓力表還是壓力傳感器、變送器，均可采用上述兩 種方法。一般在被校表的測(cè)量范圍內(nèi)，均勻地選擇至少5個(gè)以上 的校驗(yàn)點(diǎn)，其中應(yīng)包括起始點(diǎn)和終點(diǎn)。 第8章力、力矩和壓力 (2)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn) 意義：在一些工程技術(shù)領(lǐng)域常會(huì)遇到壓力動(dòng)態(tài)變化的情況， 例如，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室壓

52、力在啟動(dòng)點(diǎn)火后的瞬 間，有極為快速地變化；在產(chǎn)生振蕩燃燒時(shí)，壓力 變化頻率從幾赫到數(shù)千赫。 要求：為了能夠準(zhǔn)確測(cè)量壓力的動(dòng)態(tài)變化，要求壓力傳感 器的頻率響應(yīng)特性要好。實(shí)際上壓力傳感器的頻率 響應(yīng)特性決定該傳感器對(duì)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的適用范圍 和測(cè)量精度。 內(nèi)容：測(cè)試頻率響應(yīng)函數(shù)、固有頻率、阻尼比等，以確定 其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。 第8章力、力矩和壓力 穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn) 下圖所示為產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)周期性校準(zhǔn)電磁式正弦 壓力源的裝置。當(dāng)流過(guò)電磁式力發(fā)生器中的電流 成正弦規(guī)律變化時(shí)便產(chǎn)生正弦力，使輸給傳感器 的介質(zhì)壓力按正弦規(guī)律變化。 電磁式正弦壓力發(fā)生器 第8章力、力矩和壓力 分析： 上述裝置只提供了可變的壓力源，主要適用于

53、 將未知特性的被校傳感器與已知特性的標(biāo)準(zhǔn)傳感器 進(jìn)行比較。也可以通過(guò)改變壓力源頻率，同時(shí)監(jiān)測(cè) 被校儀表或傳感器輸出的方法求出被校儀表的頻率 特性。 這類方法的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。 但由于難以提供高頻高振幅的壓力信號(hào)，僅適用于 低壓和低頻的壓力校準(zhǔn)中，不能用于壓力檢測(cè)儀表 的高頻動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)。 第8章力、力矩和壓力 非穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn) 激波管是測(cè)定壓力傳感器頻率響應(yīng)特性的最 常用的方便而簡(jiǎn)單的設(shè)備。 激波管校準(zhǔn)傳感器動(dòng)態(tài)特性的基本原理是： 用激波管產(chǎn)生的階躍壓力來(lái)激勵(lì)被校壓力傳感器， 并用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備記錄在這一階躍壓力激勵(lì)下被校 傳感器所產(chǎn)生的瞬時(shí)響應(yīng)，根據(jù)其過(guò)渡過(guò)程曲線， 運(yùn)用適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，求得被校壓力傳感器的頻 率響應(yīng)特性。 第8章力、力矩和壓力 激波管法校準(zhǔn)壓力傳感器動(dòng)態(tài)特性系統(tǒng)圖。整 個(gè)試驗(yàn)裝置包括激波管、氣源、測(cè)量和記錄部分。 激波管校準(zhǔn)系統(tǒng)圖 第8章力、力矩和壓力 六、真空的測(cè)量 真空劃分（10510-12）Pa： 粗真空： （105103）Pa 低真空： 10310-1 Pa 高真空： 10-110-6 Pa 超高真空：10-610-12 Pa 極高真空：10-12 Pa 按測(cè)量方法的原理分類： 基于力的作用原理：U形管，波登管式，波紋管式，膜片式； 基于壓縮作用原理：麥?zhǔn)险婵沼?jì)； 基于導(dǎo)熱作用原理：電阻真空計(jì)，熱電偶真空計(jì)； 基于電離