第19章力學量檢測技術(shù)

1、第第19章章 力學量檢測技術(shù)力學量檢測技術(shù) 在工業(yè)生產(chǎn)、科學研究等各個領(lǐng)域中，壓在工業(yè)生產(chǎn)、科學研究等各個領(lǐng)域中，壓力、力和轉(zhuǎn)矩是經(jīng)常需要測量的重要參數(shù)，而力、力和轉(zhuǎn)矩是經(jīng)常需要測量的重要參數(shù)，而這些參數(shù)都是力的現(xiàn)象，因此在測量方法和所這些參數(shù)都是力的現(xiàn)象，因此在測量方法和所用儀器設(shè)備上有很多相同的地方。用儀器設(shè)備上有很多相同的地方。 本章將介紹壓力、力和轉(zhuǎn)矩的測量方法、本章將介紹壓力、力和轉(zhuǎn)矩的測量方法、測量中所用的儀器設(shè)備及所用典型傳感器的基測量中所用的儀器設(shè)備及所用典型傳感器的基本原理及結(jié)構(gòu)。本原理及結(jié)構(gòu)。19.1 壓力的測量壓力的測量一、壓力的基本概念一、壓力的基本概念1壓力的定義壓力

2、的定義 垂直作用于單位面積上的力，這就是物理學上的垂直作用于單位面積上的力，這就是物理學上的壓強，在工程上常稱為壓力。壓力表示為：壓強，在工程上常稱為壓力。壓力表示為：2壓力的單位壓力的單位 在國際單位制，壓力的單位是在國際單位制，壓力的單位是“帕斯卡帕斯卡”，簡稱，簡稱“帕帕”，符號為，符號為“Pa”。 即即1N（牛頓）的力垂直均勻作用在（牛頓）的力垂直均勻作用在1m2的面積上的面積上所形成的壓力值為所形成的壓力值為1Pa，即，即1帕斯卡帕斯卡=1牛頓牛頓/米米2。pF S21 Pa1 N / m3壓力的表示方法壓力的表示方法 絕對零壓力：完全真空的容器，無壓力作用于器壁，絕對零壓力：完全真

3、空的容器，無壓力作用于器壁，稱為絕對零壓力。稱為絕對零壓力。 絕對壓力：絕對壓力是以絕對零點壓力為起點計算的絕對壓力：絕對壓力是以絕對零點壓力為起點計算的壓強，單位也用帕斯卡，符號為壓強，單位也用帕斯卡，符號為Pa。 大氣壓力：自絕對零壓力起，大氣作用下的壓力稱為大氣壓力：自絕對零壓力起，大氣作用下的壓力稱為大氣壓力；大氣壓力隨地區(qū)和高度的不同而變化。大氣壓力；大氣壓力隨地區(qū)和高度的不同而變化。 標準大氣壓：把作用于海平面處的大氣壓定義為標準標準大氣壓：把作用于海平面處的大氣壓定義為標準大氣壓。大氣壓。 表壓力：表壓力是以大氣壓力為基準，壓力測量儀表表壓力：表壓力是以大氣壓力為基準，壓力測量儀

4、表測壓元件內(nèi)部壓力與周圍大氣壓的差值。為了得到絕測壓元件內(nèi)部壓力與周圍大氣壓的差值。為了得到絕對壓力需將大氣壓力附加在壓力表的讀數(shù)上。對壓力需將大氣壓力附加在壓力表的讀數(shù)上。 真空度（負壓）：以大氣壓力為基準，低于大氣壓力真空度（負壓）：以大氣壓力為基準，低于大氣壓力的壓力讀數(shù)。的壓力讀數(shù)。 差壓（壓差）：兩個壓力之間的差值稱為差壓。差壓（壓差）：兩個壓力之間的差值稱為差壓。 這幾種表示法的關(guān)系如圖所示。此外，工程上這幾種表示法的關(guān)系如圖所示。此外，工程上按壓力隨時間的變化關(guān)系還有靜態(tài)壓力和動態(tài)壓力按壓力隨時間的變化關(guān)系還有靜態(tài)壓力和動態(tài)壓力之分。之分。4壓力檢測的基本方法壓力檢測的基本方法（

5、1）重力平衡方法）重力平衡方法 利用一定高度的工作液體產(chǎn)生的重力或砝碼的重量利用一定高度的工作液體產(chǎn)生的重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱高與被測壓力相平衡的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度或平衡砝碼的重量來測量。度或平衡砝碼的重量來測量。1標準大氣標準大氣壓壓=1公斤公斤/平平方厘米方厘米=100kPa=10.34米高水柱米高水柱（2）彈性力平衡方法）彈性力平衡方法 利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性變形而產(chǎn)生的彈利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性變形而產(chǎn)生的彈性力與被測壓力相平衡的原理來檢測壓力。性力與被測壓力相平衡的原理來檢測壓力。（3）機械力平衡法）機械力平衡法 將被測

6、壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)移成一個集中力，用外力將被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)移成一個集中力，用外力與之平衡，通過測得平衡時的外力來得到被測壓力。與之平衡，通過測得平衡時的外力來得到被測壓力。（4）物性測量方法）物性測量方法二、常用壓力檢測儀表二、常用壓力檢測儀表1液柱式壓力計（1）U形管壓力計（2）單管壓力計（3）斜管壓力計12p Ap AghA12pppgh 21221dpppghD ph g sinpL g 2彈性壓力計彈性壓力計 當被測壓力作用于彈性元件時，彈性元件便產(chǎn)當被測壓力作用于彈性元件時，彈性元件便產(chǎn)生相應的彈性變形。根據(jù)變形量的大小，可以測得生相應的彈性變形。根據(jù)變形量的大小，可以測得被測壓力

7、的數(shù)值。彈性元件是核心部分，其作用是被測壓力的數(shù)值。彈性元件是核心部分，其作用是感受壓力并產(chǎn)生彈性變形，彈性元件采用何種形式感受壓力并產(chǎn)生彈性變形，彈性元件采用何種形式要根據(jù)測量要求選擇和設(shè)計。要根據(jù)測量要求選擇和設(shè)計。（1）彈性元件）彈性元件 彈性元件是一種簡單可靠的測壓敏感元件。利用彈性元件是一種簡單可靠的測壓敏感元件。利用彈性元件受壓后產(chǎn)生彈性變形的原理進行測壓，隨著彈性元件受壓后產(chǎn)生彈性變形的原理進行測壓，隨著壓力的測量范圍不同，所用彈性元件形式也不一樣。壓力的測量范圍不同，所用彈性元件形式也不一樣。 彈簧管：把截面積為橢圓形的金屬管彎成弧形，當彈簧管：把截面積為橢圓形的金屬管彎成弧形

8、，當內(nèi)部通入壓力后，由于金屬管的變形，其自由端會產(chǎn)內(nèi)部通入壓力后，由于金屬管的變形，其自由端會產(chǎn)生位移，利用該位移可以測量出壓力的大小。生位移，利用該位移可以測量出壓力的大小。 波紋管：波紋管是一個周圍為波紋狀的薄壁金屬筒波紋管：波紋管是一個周圍為波紋狀的薄壁金屬筒體。體。 薄膜：薄膜有彈性膜片和膜盒兩種形式，是由金屬薄膜：薄膜有彈性膜片和膜盒兩種形式，是由金屬或非金屬彈性材料做成的膜片?；蚍墙饘購椥圆牧献龀傻哪て＃?）彈簧管壓力計）彈簧管壓力計 彈簧管式壓力計是工業(yè)生產(chǎn)上應用很廣泛的一彈簧管式壓力計是工業(yè)生產(chǎn)上應用很廣泛的一種直讀式測壓儀表，以單圈彈簧管結(jié)構(gòu)應用最多。種直讀式測壓儀表，以單

9、圈彈簧管結(jié)構(gòu)應用最多。1彈簧管；彈簧管；2連桿；連桿；3扇形齒輪；扇形齒輪；4底座；底座；5中心齒輪；中心齒輪；6游絲；游絲；7表盤；表盤；8指針；指針；9接頭；接頭；10橫斷面；橫斷面；11靈敏度調(diào)整槽靈敏度調(diào)整槽3力平衡式壓力計力平衡式壓力計 力平衡式壓力計采用反饋力平衡的原理，力平衡式壓力計采用反饋力平衡的原理，反饋力的平衡方式可以是彈性力平衡或電磁反饋力的平衡方式可以是彈性力平衡或電磁力平衡等。力平衡式壓力計的基本構(gòu)成如圖力平衡等。力平衡式壓力計的基本構(gòu)成如圖所示。所示。4壓力傳感器壓力傳感器（1）應變片式）應變片式 常見壓力傳感器常見壓力傳感器（2）壓阻式）壓阻式壓阻式壓力傳感器的特

10、點如下所述。壓阻式壓力傳感器的特點如下所述。靈敏度高，頻率響應高。靈敏度高，頻率響應高。測量范圍寬，可測測量范圍寬，可測10Pa到高到高60MPa的高壓。的高壓。精度高，工作可靠。（精度高，工作可靠。（0.20.02）。）。易于微小型化，目前國內(nèi)生產(chǎn)出直徑易于微小型化，目前國內(nèi)生產(chǎn)出直徑1.82mm的的壓阻式壓力傳感器。壓阻式壓力傳感器。（3）壓電式）壓電式 某些電介質(zhì)沿著某一個方向受力而發(fā)生機械變形（壓某些電介質(zhì)沿著某一個方向受力而發(fā)生機械變形（壓縮或伸長）時，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在其某些表縮或伸長）時，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在其某些表面上會產(chǎn)生電荷。當外力去掉后，它又會重新回到不帶面

11、上會產(chǎn)生電荷。當外力去掉后，它又會重新回到不帶電的狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為電的狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為“壓電效應壓電效應”。（4）電容式）電容式 電容式壓力傳感器采用變電容測量原理，將由被測壓電容式壓力傳感器采用變電容測量原理，將由被測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力引起的彈性元件的位移變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓?，用測量電容的方法測出電容量，便可知道被測壓力的大小。量電容的方法測出電容量，便可知道被測壓力的大小。（5）諧振式）諧振式 諧振式壓力傳感器是靠被測壓力所形成的應力改變彈諧振式壓力傳感器是靠被測壓力所形成的應力改變彈性元件的諧振頻率，通過測量頻率信號的變化來檢測壓性元件的諧振頻率，通過測

12、量頻率信號的變化來檢測壓力。這種傳感器特別適合與計算機配合使用，組成高精力。這種傳感器特別適合與計算機配合使用，組成高精度的測量、控制系統(tǒng)。度的測量、控制系統(tǒng)。圖19-9 振筒式壓力傳感器圖19-10 振膜式壓力傳感器19.2 力的測量力的測量一、力的基本概念一、力的基本概念1力的定義力的定義 凡是能使物體的運動狀態(tài)或物體所具有的凡是能使物體的運動狀態(tài)或物體所具有的動量發(fā)生改變而獲得加速度或者使物體發(fā)生動量發(fā)生改變而獲得加速度或者使物體發(fā)生變形的作用都稱為力。變形的作用都稱為力。2力的單位力的單位 國際單位制中，規(guī)定力的單位為牛頓國際單位制中，規(guī)定力的單位為牛頓（N），定義為：使），定義為：使

13、1kg質(zhì)量的物體產(chǎn)生質(zhì)量的物體產(chǎn)生1 m/s2加速度的力，即加速度的力，即1N=1kgm/s2。二、力的測量方法二、力的測量方法 力的測量方法可歸納為力平衡法，測位力的測量方法可歸納為力平衡法，測位移法和利用某些物理效應測力等。移法和利用某些物理效應測力等。1平衡法平衡法 力平衡式測量法是基于比較測量的原理，力平衡式測量法是基于比較測量的原理，用一個已知力來平衡待測的未知力，從而得用一個已知力來平衡待測的未知力，從而得出待測力的值。平衡力可以是已知質(zhì)量的重出待測力的值。平衡力可以是已知質(zhì)量的重力、電磁力或氣動力等。力、電磁力或氣動力等。（1）機械式力平衡法）機械式力平衡法ibFmga圖19-1

14、1 機械式力平衡裝置（2）磁電式力平衡裝置 圖19-12 磁電式力平衡測力裝置它由光源、光電式零位檢測器、放大器和一個力矩線圈組成它由光源、光電式零位檢測器、放大器和一個力矩線圈組成的一個伺服測量系統(tǒng)。的一個伺服測量系統(tǒng)。2位移法位移法 在力的作用下，彈性元件產(chǎn)生變形，測位移法在力的作用下，彈性元件產(chǎn)生變形，測位移法通過測量未知力所引起的位移，從而間接地測得未通過測量未知力所引起的位移，從而間接地測得未知力值，如電容式、差動變壓器與彈性元件。知力值，如電容式、差動變壓器與彈性元件。3物理效應物理效應 物體在力作用下會產(chǎn)生某些物理效應，如應變物體在力作用下會產(chǎn)生某些物理效應，如應變效應、壓磁效應

15、、壓電效應等，可以利用這些效應效應、壓磁效應、壓電效應等，可以利用這些效應間接檢測力值。間接檢測力值。三、測力的傳感器三、測力的傳感器1應變式力傳感器應變式力傳感器 應變式力傳感器的工作原理與應變式壓力傳感應變式力傳感器的工作原理與應變式壓力傳感器基本相同，它也是由彈性敏感元件和貼在其上器基本相同，它也是由彈性敏感元件和貼在其上的應變片組成。的應變片組成。圖19-15 幾種彈性元件及應變片貼片方式2壓磁式力傳感器壓磁式力傳感器壓磁式力傳感器一般由壓磁元件、傳力機構(gòu)組成。壓磁式力傳感器一般由壓磁元件、傳力機構(gòu)組成。圖19-16 壓磁式傳感器19.3 轉(zhuǎn)矩的測量轉(zhuǎn)矩的測量一、轉(zhuǎn)矩的基本概念一、轉(zhuǎn)矩

16、的基本概念1轉(zhuǎn)矩的定義及單位轉(zhuǎn)矩的定義及單位使機械元件轉(zhuǎn)動的力矩或力偶稱為轉(zhuǎn)動力使機械元件轉(zhuǎn)動的力矩或力偶稱為轉(zhuǎn)動力矩，簡稱轉(zhuǎn)矩。機械元件在轉(zhuǎn)矩作用下都矩，簡稱轉(zhuǎn)矩。機械元件在轉(zhuǎn)矩作用下都會產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形，故轉(zhuǎn)矩有時會產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形，故轉(zhuǎn)矩有時又稱為扭矩。又稱為扭矩。在國際單位制（在國際單位制（SI）中，轉(zhuǎn)矩的計量單位為）中，轉(zhuǎn)矩的計量單位為牛頓牛頓米（米（Nm）。）。2轉(zhuǎn)矩的類型轉(zhuǎn)矩的類型 轉(zhuǎn)矩可分為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩可分為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩。二、轉(zhuǎn)矩的測量方法二、轉(zhuǎn)矩的測量方法1平衡力法平衡力法通過測量機體上的平衡力矩（實際上是測量力通過測量機體上的平衡力矩（實際上是

17、測量力和力臂）來確定動力機械主軸上工作轉(zhuǎn)矩的方法和力臂）來確定動力機械主軸上工作轉(zhuǎn)矩的方法稱為平衡力法。稱為平衡力法。平衡力法直接從機體上測轉(zhuǎn)矩，不存在從旋轉(zhuǎn)平衡力法直接從機體上測轉(zhuǎn)矩，不存在從旋轉(zhuǎn)件到靜止件的轉(zhuǎn)矩傳遞問題。但它僅適合測量勻件到靜止件的轉(zhuǎn)矩傳遞問題。但它僅適合測量勻速工作情況下的轉(zhuǎn)矩，不能測動態(tài)轉(zhuǎn)矩。速工作情況下的轉(zhuǎn)矩，不能測動態(tài)轉(zhuǎn)矩。2能量轉(zhuǎn)換法能量轉(zhuǎn)換法 依據(jù)能量守恒定律，通過測量其他形式能量依據(jù)能量守恒定律，通過測量其他形式能量如電能、熱能參數(shù)來測量旋轉(zhuǎn)機械的機械能，進如電能、熱能參數(shù)來測量旋轉(zhuǎn)機械的機械能，進而求得轉(zhuǎn)矩的方法即能量轉(zhuǎn)換法。而求得轉(zhuǎn)矩的方法即能量轉(zhuǎn)換法。3

18、傳遞法傳遞法 應變式轉(zhuǎn)矩測量通過測量由轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)應變式轉(zhuǎn)矩測量通過測量由轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的應變來測量轉(zhuǎn)矩。軸上產(chǎn)生的應變來測量轉(zhuǎn)矩。 扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測量是通過扭轉(zhuǎn)角來測量轉(zhuǎn)矩的。扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測量是通過扭轉(zhuǎn)角來測量轉(zhuǎn)矩的。 光電式轉(zhuǎn)矩傳感器光電式轉(zhuǎn)矩傳感器。圖19-18 光電式轉(zhuǎn)矩傳感器 相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器。圖19-19 相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器 振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器振弦自振頻率振弦自振頻率fg與振弦中的張力與振弦中的張力F的平方根成正比：的平方根成正比：g12FfLm圖19-20 振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器19.4 稱重系統(tǒng)稱重系統(tǒng)一、電子皮帶秤一、電子皮帶秤 電子皮帶秤是一

19、種能連續(xù)稱量散狀顆粒物料重電子皮帶秤是一種能連續(xù)稱量散狀顆粒物料重量的裝置，它不但可以對某一瞬間在輸送帶上的量的裝置，它不但可以對某一瞬間在輸送帶上的輸送物料重量進行稱重，還可以在某段時間內(nèi)對輸送物料重量進行稱重，還可以在某段時間內(nèi)對輸送的物料總重進行稱重。輸送的物料總重進行稱重。 因此，電子皮帶秤在建材、水泥、煤礦、冶金因此，電子皮帶秤在建材、水泥、煤礦、冶金化工和糧倉、碼頭等場合中得到了普遍的應用?；ず图Z倉、碼頭等場合中得到了普遍的應用。 電子皮帶秤由秤架、測速傳感器、高精度測重電子皮帶秤由秤架、測速傳感器、高精度測重傳感器、電子皮帶秤控制顯示儀表等組成，能對傳感器、電子皮帶秤控制顯示儀

20、表等組成，能對固體物料進行連續(xù)動態(tài)計量。固體物料進行連續(xù)動態(tài)計量。1電子皮帶秤的基本組成部分電子皮帶秤的基本組成部分 電子皮帶秤的基本組成主要包括：皮帶輸送機及其驅(qū)動單元；稱重單元；測速單元；信號采集、處理與控制單元。電子皮帶秤的實物圖如圖所示。2電子皮帶秤原理電子皮帶秤原理將裝有稱重傳感器的稱重橋架固定于皮帶輸送機的將裝有稱重傳感器的稱重橋架固定于皮帶輸送機的縱梁上，通過稱重傳感器支承或懸掛的稱重橋架及縱梁上，通過稱重傳感器支承或懸掛的稱重橋架及皮帶托輥檢測皮帶上的物料重量，產(chǎn)生一個正比于皮帶托輥檢測皮帶上的物料重量，產(chǎn)生一個正比于皮帶載荷的電輸出信號，同時速度傳感器通過滾輪皮帶載荷的電輸出

21、信號，同時速度傳感器通過滾輪與輸送皮帶的同步轉(zhuǎn)動產(chǎn)生一系列脈沖信號，每個與輸送皮帶的同步轉(zhuǎn)動產(chǎn)生一系列脈沖信號，每個脈沖代表一個皮帶長度，脈沖的長度正比于皮帶速脈沖代表一個皮帶長度，脈沖的長度正比于皮帶速度，積算器將以下兩種信號用積分方法對皮帶速度度，積算器將以下兩種信號用積分方法對皮帶速度和皮帶負荷進行積算，并轉(zhuǎn)換成選項定的工程單位。和皮帶負荷進行積算，并轉(zhuǎn)換成選項定的工程單位。物料在皮帶上運行至皮帶秤位置時，對皮帶秤稱重物料在皮帶上運行至皮帶秤位置時，對皮帶秤稱重托輥產(chǎn)生向下的作用力，通過秤體，將作用力作用托輥產(chǎn)生向下的作用力，通過秤體，將作用力作用至稱重傳感器上。至稱重傳感器上。物料通過皮帶秤上方的皮帶時對皮帶有相對的壓力，物料通過皮帶秤上方的皮帶時對皮帶有相對的壓力，壓力通過皮帶傳遞：托輥壓力通過皮帶傳遞：托輥秤架秤架稱重傳感器，稱稱重傳感器，稱重傳感器受力變化，其信號電壓重傳感器受力變化，其信號電壓mV信號也發(fā)生相應信號也發(fā)生相應的變化，其變化值傳到儀表。的變化，其變化值傳到儀表。物料通過皮帶的速度等于皮帶的速度，皮帶的運動物料通過皮帶的速度等于皮帶的速度，皮帶的運動帶動速