力和力矩的測量

1、力和力矩的測量力的定義：力是物體之間的相互作用。大小、方向、作用點是力的三要素。牛頓第二定律表述：動量對時間的變化率。F=dp/dt國際單位：牛頓，簡稱牛，符號是 N。 1N =1kg m/s2力矩定義：位矢和力的叉乘。物理學(xué)上指使物體轉(zhuǎn)動的力乘以到轉(zhuǎn)軸的距離。力矩單位是牛頓2米（N2 m）對力的測量問題有兩種基本方法：（1）直接比較（2）使用標(biāo)準(zhǔn)傳感器進行間接比較直接比較方法利用某種形式的梁式天平，并且使用零位平衡技術(shù)。1力的測量1.1等臂天平（如圖中分析天平，精度可達(dá)O.lmg ）或非等臂天平。最簡單的重量或力的測量系統(tǒng)。基于力矩比較原理工作的。 由未知的重量或力產(chǎn)生的力矩，和一個已知量產(chǎn)

2、生的力矩進行比較。1.2擺式測力機構(gòu)如擺式秤。輸入量施加到負(fù)載桿上， 使配重旋轉(zhuǎn)向外移動。 該移動使得配重作用力矩增加，直到負(fù)載力矩和擺秤力矩相等。1.3彈性傳感器很多力傳感器系統(tǒng)利用某種機械彈性件或彈性件的組合，對彈性件施加載荷導(dǎo)致一種類似的變形，通常是線性的，然后對該變形直接觀察并且用于力的測量，或者使用另一個傳感器來將該位移轉(zhuǎn)換成另一種形式的輸出，通常是電的形式。通常要對彈性件進行標(biāo)定，如調(diào)整螺旋彈簧的有效圈數(shù)等。1.4應(yīng)變片測力計與將總變形用于測量載荷不同的是， 應(yīng)變片測力計根據(jù)單位應(yīng)變來測量負(fù)載。 電阻 型應(yīng)變片非常適合于這一用途。若要測量的是大載荷，可以使用直接拉壓型元件。如果 是

3、小載荷，則可通過彎曲來放大應(yīng)變。金屬電阻應(yīng)變片的原理：當(dāng)金屬絲或金屬箔片被機械地拉長時，導(dǎo)體的長度將變長，截面將變小，因此其電阻發(fā)生變化。如果電阻元件長度緊密附著在發(fā)生這樣應(yīng)變的構(gòu)件 上，使得電阻元件也產(chǎn)生應(yīng)變，那么測出的電阻變化可以根據(jù)應(yīng)變來定標(biāo)。金屬應(yīng)變片的應(yīng)變片因子F在通常要求的應(yīng)變范圍內(nèi)基本上是個常數(shù)，而由實驗確定的應(yīng)變片因子 F的值，對于一種給定的材料是相當(dāng)一致的。1 R在實際應(yīng)用中，F(xiàn)和R的值是由應(yīng)變片制造商提供的，使用者要根據(jù)被F R測的輸入量情況確定R圖中所示的拉壓型電阻應(yīng)變片測力計的電橋常數(shù)是2(1+u)，其中u是材料的泊松比。這種承壓元件承載能力為 3百萬磅。這種布置方式可

4、以補償溫度， 消除因加載偏心 而造成的附加彎矩。此外還可通過梁式彈性元件、環(huán)式彈性元件、輪輻式彈性元件進行測力。1.5壓電測力計基于正壓電效應(yīng)，即某些電介質(zhì)在沿一定方向上收到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，而當(dāng)外力去掉后， 它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。單片壓電晶片難以產(chǎn)生足夠的表面電荷，在壓電式傳感器中常采用兩片或兩片以上壓電晶片組合在一起使用。由于壓電晶體是有極性的，因而兩片壓電晶體構(gòu)成的傳感器有兩種接法：串聯(lián)和并聯(lián)。壓電元件并聯(lián)連接和串聯(lián)連接壓電貳傳攜鄴的并聯(lián)與串聯(lián)并聯(lián)連接：兩壓電元件的負(fù)極集中在中間極板上，正極 在上下兩邊并連接在一起，

5、此時電容量大，輸出電荷量 大，適用于測量緩變信號和以電荷為輸岀的場合。串聯(lián)連接：上極板為正極，下極板為負(fù)極，在中間是一 元件的負(fù)極與另一元件的正極相連接，此時傳感器本身 電容小，輸出電壓大，適用于要求以電壓為輸出的場合, 并要求測量電路有高的輸入阻抗。1.6液壓和氣壓測力原理：一個力施加到活塞或膜片的一側(cè)，并且將液壓或氣壓的壓力施加到另一側(cè)， 就需要某個特定壓力值來精確平衡這個力。當(dāng)力作用在活塞上時， 產(chǎn)生的油壓或氣壓就傳到某種形式的壓力傳感系統(tǒng)，通過測出這個壓強就可獲知負(fù)載力的大小。用這種元件可以得到很高的負(fù)載容量和精確度。最大已能做到22.2MN，精確度量級為容量的土 0.1%由于對溫度變

6、化敏感，因此應(yīng)提供調(diào)整零位設(shè)定值的措施。2轉(zhuǎn)矩測量轉(zhuǎn)矩測量常和確定機械功率關(guān)聯(lián)在一起，在這一意義上，轉(zhuǎn)矩測量裝置通常稱為測功計，如此應(yīng)用時轉(zhuǎn)矩和角速度都應(yīng)確定。測量轉(zhuǎn)矩的另一個重要原因是獲得負(fù)載信息以便用于應(yīng)力或變形分析。2.1測功機吸收式測功機在測量轉(zhuǎn)矩時耗散機械能量，適合于測量功率或由動力源如發(fā)動機、電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。常用的有依靠干摩擦的摩擦式測功機，利用液體摩擦的水力測功機，依靠電流損耗的電渦流測功機，利用磁滯轉(zhuǎn)子的磁滯測功機等。其中前兩種機型比較古老，已基本 淘汰。一上圖所示，是一臺渦流測功機。鐵軛是圓筒形和支架通過軸承與轉(zhuǎn)軸連接，磁極鐵心固定在鐵軛上，其外面套上勵磁繞組。鐵軛罩內(nèi)設(shè)置

7、若干對S極、N極磁極（圖中只畫1對），交替排列。鐵軛下方固定一塊金屬壓板， 被固定在基座上的 2個壓力傳感器限制于小范圍的 活動空間里。使用時，繞組中通入直流電流I，將在磁極鐵心與與轉(zhuǎn)子鐵心之間產(chǎn)生恒定磁通0,在鐵軛、磁極鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子鐵心之間環(huán)成閉合磁路。電動機通過轉(zhuǎn)軸連接器拖 動轉(zhuǎn)子鐵心以轉(zhuǎn)速 n旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子鐵心因切割磁場感應(yīng)出渦流，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩T,此轉(zhuǎn)矩傳遞到金屬壓片上，以壓力形式傳遞到壓力傳感器，壓力轉(zhuǎn)換成輸出電流信號，輸送到電路設(shè)備或到儀表上，供處理、顯示。只要改變勵磁電流，就可以平滑改變轉(zhuǎn)矩。2.2磁致伸縮式（壓磁式）扭矩測量這種傳感器的扭力軸由鐵磁材料做成。把繞有線圈的兩個 n

8、形鐵芯安裝在扭軸周圍，在其中一個鐵芯的線圈中通以交流電，在扭軸周圍形成交變磁場，稱為勵磁線圈，另一個鐵芯的線圈用來產(chǎn)生感應(yīng)電勢，稱為測量線圈。當(dāng)扭力軸收到轉(zhuǎn)矩作用時，扭軸沿正應(yīng)力方向磁阻減小，沿負(fù)應(yīng)力方向磁阻增大，其表面上出現(xiàn)各向異性磁阻特性，使交變磁場的磁力線重新分布，從而使測量線圈上的感應(yīng)電勢發(fā)生相應(yīng)的變化。在一定范圍內(nèi)，感應(yīng)電勢與軸上所受扭矩成線性關(guān)系。 這樣，通過檢測感應(yīng)電勢，就可以測量扭矩。這種傳感器屬于接觸測量， 響應(yīng)速度快，靈敏度高，穩(wěn)定性好，抗過載能力及抗干擾能力強，結(jié)構(gòu)簡單。缺點是沿扭力 軸圓周分布的磁導(dǎo)率存在固有偏差，從而無法達(dá)到較高的準(zhǔn)確度。壓趙式扭抱傳感器光電式扭建傳感

9、器2.3光電式扭矩傳感器在扭力軸上相距一定的位置上固定安裝兩片圓盤形光柵，在無轉(zhuǎn)矩作用時，兩片光柵的明暗條紋錯開，完全遮擋光路因此置于光柵另一側(cè)的光敏元件無光照射，亦無電信號輸出。當(dāng)有轉(zhuǎn)矩作用時，安裝光柵的兩截面產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)角，使得兩片光柵的明暗條紋發(fā)生部分重合，有部分光線透過光柵照到光敏元件上，從而輸出電信號。轉(zhuǎn)矩越大，扭轉(zhuǎn)角就越大，透射光越多，輸出電信號也越大。 因此通過檢測輸出的電信號可測出扭矩。 這種傳感器的抗干擾能 力和可靠性較差，不能測量啟動和低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，靜標(biāo)困難，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前很少使用。2.4磁電式扭轉(zhuǎn)傳感器在轉(zhuǎn)軸上固定兩個齒輪，通過其所在橫截面之間相對扭轉(zhuǎn)角來測量扭矩。永久磁鐵和線圈組成的磁電式檢測頭對著齒頂安裝。當(dāng)轉(zhuǎn)軸不受扭矩時，兩線圈輸出信號相同，相位差為零。轉(zhuǎn)軸承受扭矩后，相位差不為零，且隨兩齒輪所在橫截面之間相對扭轉(zhuǎn)角的增加而加大， 其大小與相對扭轉(zhuǎn)角、扭矩成正比。這種傳感器可測啟動和低速轉(zhuǎn)矩，但動態(tài)特性不好，不適于高速轉(zhuǎn)動中的扭矩測量。紙電肉羽同盤 城電恨恿鶉m -1. fis a 1(1磚追刊站釣*：電劇與覽戒用2.5應(yīng)變式扭矩傳感器沿扭力軸的軸向土 45°方向分別粘貼4個應(yīng)變片，組成全橋電路的四個橋臂， 用以感受 同向的最大正應(yīng)變。 有扭轉(zhuǎn)時，應(yīng)變片電阻變化，使橋路輸出電壓變化，經(jīng)過