第3章力學(xué)量檢測技術(shù)

1、第3章力學(xué)量檢測技術(shù) 在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等各個(gè)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)。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。 本章介紹壓力、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本原理及結(jié)構(gòu)。3.1 壓力的測量壓力的測量 壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的工藝參數(shù)之一，正確地測量和控制壓力是保證工業(yè)生產(chǎn)過程良好地運(yùn)行，達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低耗及安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。1.壓力的定義壓力的定義 壓力是垂直而均勻地作用在單壓力是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)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。工程上，習(xí)

2、慣把壓強(qiáng)稱為壓力。由此定義，壓力可表示為: (3-1)SFp 2. 壓力的表示方法壓力的表示方法由于參照點(diǎn)不同，在工程上壓力有幾種不同表示方法。(1)絕對壓力絕對壓力 (2)大氣壓力大氣壓力(3)表壓力表壓力 (4)真空度真空度( (負(fù)壓負(fù)壓) ) (5)差壓差壓( (壓差壓差) ) 圖3-1 各種壓力之間的關(guān)系 這幾種表示法的關(guān)系如圖3-1所示。此外，工程上按壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系還有靜態(tài)壓力(不隨時(shí)間變化或變化緩慢的壓力)和動態(tài)壓力(隨時(shí)間作快速變化的壓力)之分。3. 壓力的計(jì)量單位壓力的計(jì)量單位 壓力是力和面積的導(dǎo)出量。壓力是力和面積的導(dǎo)出量。在國際單位制中，取力的單位為牛頓，面積單位為米

3、2，則壓力單位為牛頓/米2，用符號N/m2表示；壓力單位又稱為帕斯卡或簡稱帕，符號為Pa。1Pa1N/m2。因帕單位太小，工程上常用kPa(103Pa)和MPa(106Pa)表示。我國已規(guī)定帕斯卡為壓力的法定單位。 由于歷史發(fā)展的原因、單位制的不同以及使用場合的差異，壓力還有多種不同的單位。目前工程技術(shù)部門仍在使用的壓力單位有工程大氣壓、物理大氣壓、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。4. 壓力檢測的基本方法壓力檢測的基本方法根據(jù)不同工作原理，壓力檢測方法可分為如下幾種： (1) (1) 重力平衡方法重力平衡方法 (2) (2) 彈性力平衡方法彈性力平衡方法 (3) (3) 機(jī)械力平衡方法機(jī)械力平衡方法

4、 (4) (4) 物性測量方法物性測量方法3.1.2 常用壓力檢測儀表常用壓力檢測儀表1. 液柱式壓力計(jì)液柱式壓力計(jì) 應(yīng)用液柱測量壓力的方法是以流體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。一般是采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管、單管或斜管進(jìn)行壓力測量的，其結(jié)構(gòu)形式如圖所示。 ( (1) U1) U形管壓力計(jì)形管壓力計(jì) (2)(2)單管壓力計(jì)單管壓力計(jì)(3)(3)斜管壓力計(jì)斜管壓力計(jì)2. 彈性壓力計(jì)彈性壓力計(jì) 當(dāng)被測壓力作用于彈性元件時(shí)，彈性元件便當(dāng)被測壓力作用于彈性元件時(shí)，彈性元件便產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形(即機(jī)械位移即機(jī)械位移)。根據(jù)變形量的大小，可以測得被測壓力的數(shù)值。 彈性壓力計(jì)的組成環(huán)節(jié)如圖

5、3-3所示: 彈性元件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要根據(jù)測量要求選擇和設(shè)計(jì)； 在彈性元件與指示機(jī)構(gòu)之間是變換放大機(jī)構(gòu)變換放大機(jī)構(gòu)，其作用是將彈性元件的變形進(jìn)行變換和放大； 指示機(jī)構(gòu)指示機(jī)構(gòu)(如指針與刻度標(biāo)尺)用于給出壓力示值；調(diào)整機(jī)構(gòu)用于調(diào)整零點(diǎn)和量程。圖3-3 彈性壓力計(jì)組成框圖(1) (1) 彈性元件彈性元件 同樣的壓力下，不同結(jié)構(gòu)、不同材料的彈性元件會產(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，如表3-2所示。其中波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓或真空度的測量。 表3-2 彈性元件的結(jié)構(gòu)和

6、特性類別名稱示 意 圖壓力測量范圍 kPa輸出特性動態(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010010510-510-210104波紋210-110102撓性211102波紋管式波紋210-110102彈簧管式單圈彈簧管010-10106102103多圈彈簧管010-2010510102 彈性元件常用的材料有銅合金、彈性合金、不銹鋼等，各適用于不同的測壓范圍和被測介質(zhì)。 通過各種傳動放大機(jī)構(gòu)直接指示被測壓力值。這類直讀式測壓儀表有彈簧管壓力計(jì)彈簧管壓力計(jì)、波紋波紋管差壓計(jì)管差壓計(jì)、膜盒式壓力計(jì)膜盒式壓力

7、計(jì)等。 (2) (2) 彈簧管壓力計(jì)彈簧管壓力計(jì) 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)如圖3-4所示。 被測壓力由接口引入，使彈簧管自由端產(chǎn)生位移，通過拉桿使扇形齒輪逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并帶動嚙合的中心齒輪轉(zhuǎn)動，與中心齒輪同軸的指針將同時(shí)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并在面板的刻度標(biāo)尺上指示出被測壓力值。 圖3-4 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；8-指針；9-接頭；10-橫斷面；11-靈敏度調(diào)整槽 通過調(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)整儀表的量程。轉(zhuǎn)動軸上裝有游絲，用

8、以消除兩個(gè)齒輪嚙合的間隙，減小儀表的變差。直接改變指針套在轉(zhuǎn)動軸上的角度，就可以調(diào)整儀表的機(jī)械零點(diǎn)。 彈簧管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,使用方便，價(jià)格低廉，測壓范圍寬，應(yīng)用十分廣泛。一般彈簧管壓力計(jì)的測壓范圍為-105109Pa；精確度最高可達(dá)0.1。(3)(3)彈性壓力計(jì)信號遠(yuǎn)傳方式彈性壓力計(jì)信號遠(yuǎn)傳方式 彈性壓力計(jì)可以在現(xiàn)場指示，但是許多情況下要求將信號遠(yuǎn)傳至控制室。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)信號的遠(yuǎn)距離傳送。 彈性壓力計(jì)信號多采用電遠(yuǎn)傳方式，即彈性壓力計(jì)信號多采用電遠(yuǎn)傳方式，即把彈性元件的變形或位移轉(zhuǎn)換為電信號輸出。把彈性元件的變形或位移轉(zhuǎn)換為電信號輸出。 常見的轉(zhuǎn)換方式有電位

9、計(jì)式、霍爾元件式、電感式、差動變壓器式等，圖3-5給出兩種電遠(yuǎn)傳彈性壓力計(jì)結(jié)構(gòu)原理。(a)電位器式 (b)霍爾元件式 圖3-5 彈性壓力計(jì)信號電遠(yuǎn)傳方式原理3. 力平衡式壓力計(jì)力平衡式壓力計(jì)圖3-6 力平衡式壓力計(jì)的基本框圖 力平衡式壓力計(jì)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彈性力平衡或電磁力平電磁力平衡衡等。 力平衡式壓力計(jì)的基本構(gòu)成如圖3-6所示，圖3-7 彈性力平衡式壓力測量系統(tǒng)的原理4. 壓力傳感器壓力傳感器 能夠測量壓力并提供遠(yuǎn)傳電信號的裝置統(tǒng)稱能夠測量壓力并提供遠(yuǎn)傳電信號的裝置統(tǒng)稱為壓力傳感器。為壓力傳感器。 (1) 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器(1) 應(yīng)變式

10、壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器所用彈性元件可根據(jù)被測介質(zhì)和測量范圍的不同而采用各種型式，常見有圓膜片、彈性梁、應(yīng)變筒等。(2)(2)壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器 固體受力后電阻率固體受力后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。阻效應(yīng)。 圖3-10 壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn):(1)靈敏度高，頻率響應(yīng)高；(2)測量范圍寬，可測低至10Pa的微壓到高至60MPa的 高壓； (3)精度高，工作可靠，其精度可達(dá)0.20.02； (4)易于微小型化，目前國內(nèi)生產(chǎn)出直徑1.82mm的壓阻式壓力傳感器。(3)(3)壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 某些電介質(zhì)沿

11、著某一某些電介質(zhì)沿著某一個(gè)方向受力而發(fā)生機(jī)械變個(gè)方向受力而發(fā)生機(jī)械變形形(壓縮或伸長壓縮或伸長)時(shí)，其內(nèi)時(shí)，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在其某些表面上會產(chǎn)生電荷。其某些表面上會產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會重當(dāng)外力去掉后，它又會重新回到不帶電的狀態(tài)，此新回到不帶電的狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)”。圖3-11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)簡單，工作可靠；(2)測量范圍寬，可測100MPa以下的壓力；(3)測量精度較高；(4)頻率響應(yīng)高，可達(dá)30KHz，是動態(tài)壓力檢測中常用的傳感器，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜

12、態(tài)壓力。(4)(4)電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 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?，用測量電容的方法測出電容量，便可知道被測壓力的大小。 根據(jù)平行板電容器的電容量表達(dá)式 (3-9) 式中為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A為兩平行板相對面積；d 為兩平行板間距。dAC 由式(3-9)可知，改變A、d、其中任意一個(gè)參數(shù)都可以使電容量發(fā)生變化。 在實(shí)際測量中，大多采用保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變 A 或 d 一個(gè)參數(shù)的方法，把參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。故有變極變極距式電容壓力傳感器和變面積式電容壓力傳感距式電容壓力傳感器和變面積式電容壓力

13、傳感器器。 因此，電容量的變化與被測參數(shù)的大小成比例。差動變極距式電容壓力傳感器差動變極距式電容壓力傳感器 改變電容兩平行板間距 d 的測量方式有較高的靈敏度，但當(dāng)位移較大時(shí)非線性嚴(yán)重。采用差動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。圖3-12 電容式差壓傳感器 對于差動平板電容器，其電容變化與板間距離變化的關(guān)系可表示為： (3-10)式中 C0為初始電容值；d0為極板間初始距離；d為距離變化量。此電容量的變化經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，可以轉(zhuǎn)換成反映被測差壓的標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出。這種傳感器結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，靈敏度高，過載能力大；精度高，其精確度可達(dá)0.250.05；可以測量壓力和

14、差壓。002ddCC變面積式電容壓力傳感器變面積式電容壓力傳感器 圖3-13所示為一種變面積式電容壓力傳感器。被測壓力作用在金屬膜片上，通過中心柱和支撐簧片，使可動電極隨簧片中心位移而動作?？蓜与姌O與固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)重疊部分的面積所決定。固定電極與外殼之間絕緣，可動電極則與外殼導(dǎo)通。壓力引起的極間電容變化由中心柱引至適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，轉(zhuǎn)換成反映被測壓力的標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出。圖3-13 變面積式電容壓力傳感器 (5)(5)諧振式壓力傳感器諧振式壓力傳感器 諧振式壓力傳感器是靠被測壓力所形成的應(yīng)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力。

15、 這種傳感器特別適合與計(jì)算機(jī)配合使用，組成高精度的測量、控制系統(tǒng)。 根據(jù)諧振原理可以制成振筒振筒、振弦振弦及振振膜膜式等多種型式的壓力傳感器。振筒式壓力傳感器振筒式壓力傳感器 振筒式壓力傳感器的感壓元件是一個(gè)薄壁金屬圓筒，圓柱筒本身具有一定的固有頻率，當(dāng)筒壁受壓張緊后，其剛度發(fā)生變化，固有頻率相應(yīng)改變。在一定的壓力作用下，變化后的振筒頻率可以近似表示為： (3-11)式中: 為受壓后的振筒頻率； 為固有頻率； 為結(jié)構(gòu)系數(shù)； 為被測壓力。 pffp10pf0fp圖3-14 振筒式壓力傳感器 傳感器由振筒組件振筒組件和激振電路激振電路組成，如圖3-14所示。振筒用低溫度系數(shù)的恒彈性材料制成，一端封

16、閉為自由端，開口端固定在基座上，壓力由內(nèi)側(cè)引入。絕緣支架上固定著激振線圈和檢測線圈，二者空間位置互相垂直，以減小電磁耦合。激振線圈使振筒按固有的頻率振動，受壓前后的頻率變化可由檢測線圈檢出。 此種儀表體積小，輸出頻率信號，重復(fù)性好，耐振；精確度高，其精確度為0.1和0.01；適用于氣體測量。振膜式壓力傳感器振膜式壓力傳感器 振膜式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖3-15(a)所示。振膜為一個(gè)平膜片，且與環(huán)形殼體做成整體結(jié)構(gòu)，它和基座構(gòu)成密封的壓力測量室，被測壓力 p 經(jīng)過導(dǎo)壓管進(jìn)入壓力測量室內(nèi)。參考壓力室可以通大氣用于測量表壓，也可以抽成真空測量絕壓。裝于基座頂部的電磁線圈作為激振源給膜片提供激振力，當(dāng)激振

17、頻率與膜片固有頻率一致時(shí)，膜片產(chǎn)生諧振。沒有壓力時(shí)，膜片是平的，其諧振頻率為 f0 ；當(dāng)有壓力作用時(shí)，膜片受力變形，其張緊力增加，則相應(yīng)的諧振頻率也隨之增加，頻率隨壓力變化且為單值函數(shù)關(guān)系。圖3-15 振膜式壓力傳感器 在膜片上粘貼有應(yīng)變片，它可以輸出一個(gè)與諧振頻率相同的信號。此信號經(jīng)放大器放大后，再反饋給激振線圈以維持膜片的連續(xù)振動，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)正反饋?zhàn)约ふ袷幭到y(tǒng)。如圖3-15(b)所示。3.1.3 壓力檢測儀表的使用與校準(zhǔn)壓力檢測儀表的使用與校準(zhǔn)1. 壓力儀表的選擇與安裝壓力儀表的選擇與安裝 壓力儀表的選擇應(yīng)本著經(jīng)濟(jì)合理的原則綜合考慮儀表類型、測量范圍和精度等方面。 儀表的類型類型應(yīng)根據(jù)被

18、測介質(zhì)情況、現(xiàn)場環(huán)境及生產(chǎn)過程對儀表的要求 儀表的量程量程要根據(jù)被測壓力的大小及其在測量過程中變化的情況來選取。 儀表的精度精度應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)的要求在規(guī)定的精度等級中選擇確定。所選精度等級應(yīng)小于或至少等于工藝要求的儀表允許最大引用誤差。 壓力測量系統(tǒng)(包括測取壓力的取壓口、傳遞壓力的引壓管路和測量儀表) 安裝的正確與否直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。 應(yīng)根據(jù)具體被測介質(zhì)、管路和環(huán)境條件，選取適當(dāng)?shù)娜嚎谖恢?、正確安裝引壓管路和測量儀表。一些常用壓力儀表的性能和用途見表3-3。 儀表型式常用測量范圍（Pa）精度等級用途與特點(diǎn)液柱式壓力計(jì)U形管壓力計(jì)0105或壓差、負(fù)壓高基準(zhǔn)器、標(biāo)準(zhǔn)器、工程測量儀表單管

19、壓力計(jì)0105或壓差、負(fù)壓高基準(zhǔn)器、標(biāo)準(zhǔn)器、工程測量儀表斜管壓力計(jì)02103或壓差、負(fù)壓高基準(zhǔn)器、標(biāo)準(zhǔn)器、工程測量儀表彈性壓力計(jì)彈簧管壓力計(jì)0109較高工程測量儀表、精密測量儀表膜片式壓力計(jì)02106或壓差、負(fù)壓一般工程測量儀表、精密測量儀表膜盒式壓力計(jì)04104或壓差、負(fù)壓一般工程測量儀表、精密測量儀表波紋管壓力計(jì)04106或壓差、負(fù)壓一般工程測量儀表、精密測量儀表活塞式壓力計(jì)02.5108或負(fù)壓很高基準(zhǔn)器、標(biāo)準(zhǔn)器電位計(jì)式壓力傳感器06107一般工程測量儀表電容式壓力傳感器0107或壓差較高工程測量儀表電感式壓力傳感器06107較高工程測量儀表霍爾式壓力傳感器06107一般工程測量儀表振頻式

20、壓力傳感器0107或壓差、負(fù)壓較高工程測量儀表應(yīng)變式壓力傳感器0108或壓差、負(fù)壓較高工程測量儀表壓電式壓力傳感器0107或壓差、負(fù)壓較高工程測量儀表2. 壓力檢測儀表的校準(zhǔn)壓力檢測儀表的校準(zhǔn) 壓力檢測儀表在出廠前均需經(jīng)過校準(zhǔn)，使之符合精度等級要求。( (1)1)靜態(tài)校準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)(2)(2)動態(tài)校準(zhǔn)動態(tài)校準(zhǔn) 穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn) 非穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)非穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn) (1) (1) 靜態(tài)校準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)一種是將被校表與標(biāo)準(zhǔn)表的示值在相同條件下進(jìn)行比較； 另一種是將被校表的示值與標(biāo)準(zhǔn)壓力比較。 (2) (2) 動態(tài)校準(zhǔn)動態(tài)校準(zhǔn) 對用于動態(tài)壓力測量的傳感器或測壓系統(tǒng)必須進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)，以確定其動態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應(yīng)函數(shù)頻

21、率響應(yīng)函數(shù)、固有頻率固有頻率、阻尼比阻尼比等。 穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)圖3-17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。 圖3-17 電磁式正弦壓力發(fā)生器非穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)非穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)圖為激波管法校準(zhǔn)壓力傳感器動態(tài)特性系統(tǒng)圖。整個(gè)試驗(yàn)裝置包括激波管激波管、氣源氣源、測量測量和記錄記錄部分。 3.2 力的測量力的測量3.2.1 力的基本概念力的基本概念1. 力力 凡是能使物體的運(yùn)動狀態(tài)或物體所具有的能使物體的運(yùn)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)生變形動量發(fā)生改變而獲得加速度或者使物體發(fā)生

22、變形的作用都稱為力的作用都稱為力。按照力產(chǎn)生原因力產(chǎn)生原因的不同，可以把力分為重力、彈性力、慣性力、膨脹力、摩擦力、浮力、電磁力等等。 按力對時(shí)間的變化性質(zhì)力對時(shí)間的變化性質(zhì)可分為靜態(tài)靜態(tài)力力和動態(tài)力動態(tài)力兩大類。靜態(tài)力是指不變的力或變化很緩慢的力。動態(tài)力是指隨時(shí)間變化顯著的力，如沖擊力、交變力或隨機(jī)變化的力等。2. 力的單位力的單位 我國法定計(jì)量單位制和國際單位制中，規(guī)定力的單位為牛頓（N），定義為：使定義為：使1kg質(zhì)質(zhì)量 的 物 體 產(chǎn) 生量 的 物 體 產(chǎn) 生 1 m / s2加 速 度 的 力 ， 即加 速 度 的 力 ， 即1N=1kgm/s2 。3. 力量值的傳遞力量值的傳遞 力

23、的傳遞方式有定度定度和檢定檢定兩種： 定度是根據(jù)基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)測力儀器設(shè)備所傳遞的力值確定被校儀表刻度所對應(yīng)的力值。 檢定是將準(zhǔn)確度級別更高的基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)測力儀器設(shè)備與被檢定測力儀表進(jìn)行比對，以確定被檢定測力儀表的誤差。3.2.2 力的測量方法力的測量方法 力施加于某一物體后，將使物體的運(yùn)動狀態(tài)或動量改變，使物體產(chǎn)生加速度，這是力的“動力效應(yīng)” 。 還可以使物體產(chǎn)生應(yīng)力，發(fā)生變形，這是力的“靜力效應(yīng)”。 因此，可以利用這些變化來實(shí)現(xiàn)對力的檢測。力的測量方法可歸納為力平衡法力平衡法，測位移法測位移法和利利用某些物理效應(yīng)測力用某些物理效應(yīng)測力等。力平衡法力平衡法 力平衡式測量法是基于比較測量的原理，用一

24、個(gè)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)量的重力重力、電磁力電磁力或氣動力氣動力等。(1) (1) 機(jī)械式力平衡裝置機(jī)械式力平衡裝置 圖3-20(a)為梁式天平，通過調(diào)整砝碼使指針歸零，將被測力Fi與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量(砝碼G)的重力進(jìn)行平衡，直接比較得出被測力Fi的大小。 圖3-20 機(jī)械式力平衡裝置 圖3-20(b)為機(jī)械杠桿式力平衡裝置，可轉(zhuǎn)動的杠桿支撐支點(diǎn)M上，杠桿左端上面懸掛有刀形支承N，在N的下端直接作用有被測力Fi；杠桿右端是質(zhì)量m已知的可滑動砝碼G；另在杠桿轉(zhuǎn)動中心上安裝有歸零指針。測量時(shí)，調(diào)整砝碼的位置使之與被測力平衡。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，則有: (3-15)式中

25、: a，b分別為被測力Fi和砝碼G的力臂；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取gabFi 可見，被測力Fi的大小與砝碼重力mg的力臂b成正比，因此可以在杠桿上直接按力的大小刻度。這種測力計(jì)機(jī)構(gòu)簡單，常用于材料試驗(yàn)機(jī)的測力系統(tǒng)中。 上述測力方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，可獲得很高的測量精度。 但這種方法是基于靜態(tài)重力力矩平衡，因此僅適用于作靜態(tài)測量。圖3-21 磁電式力平衡測力系統(tǒng)(2) 磁電式力平衡裝磁電式力平衡裝置置與機(jī)械杠桿式測力系統(tǒng)相比較，磁電式力平衡系統(tǒng)使用方便，受環(huán)境條件影響較小，體積小、響應(yīng)快，輸出的電信號易于記錄且便于遠(yuǎn)距離測量和控制。2. 測位移法測位移法 在力作用下，彈性元件產(chǎn)生變形，測位移法通過

26、測量未知力所引起的位移，從而間接地測得未知力值。 圖3-23 電容式測力裝置 圖3-23所示是電容傳感器與彈性元件組成的測力裝置。 圖中，扁環(huán)形彈性元件內(nèi)腔上下平面上分別固連電容傳感器的兩個(gè)極板。 在力作用下，彈性元件受力變形，使極板間距改變，導(dǎo)致傳感器電容量變化。用測量電路將此電容量變化轉(zhuǎn)換成電信號，即可得到被測力值。 通常采用調(diào)頻調(diào)頻或調(diào)相調(diào)相電路來測量電容。這種測力裝置可用于大型電子吊秤。圖3-24 差動變壓器式測力裝置3. 利用某些物理效應(yīng)測力利用某些物理效應(yīng)測力 物體在力作用下會產(chǎn)生某些物理效應(yīng)，如應(yīng)變效應(yīng)，壓磁效應(yīng)，壓電效應(yīng)等，可以利用這些效應(yīng)間接檢測力值。各種類型的測力傳感器就是

27、基于這些效應(yīng)。3.2.3 測力傳感器測力傳感器 測力傳感器通常將力轉(zhuǎn)換為正比于作用力大小的電信號，使用十分方便，因而在工程領(lǐng)域及其他各種場合應(yīng)用最為廣泛。 測力傳感器種類繁多，依據(jù)不同的物理效應(yīng)和檢測原理可分為電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式、壓磁式壓磁式、壓電壓電式式、振弦式振弦式等等。1. 應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式力傳感器 應(yīng)變式力傳感器的工作原理與應(yīng)變式壓力傳感器基本相同，它也是由彈性敏感元件彈性敏感元件和貼在貼在其上的應(yīng)變片其上的應(yīng)變片組成。 應(yīng)變式力傳感器首先把被測力被測力轉(zhuǎn)變成彈性彈性元件的應(yīng)變元件的應(yīng)變，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測出應(yīng)變應(yīng)變，從而間接地測出力的大小力的大小。 應(yīng)變片的布置和接橋方式，對

28、于提高傳感器的輸出靈敏度和消除有害因素的影響有很大關(guān)系。 圖3-25給出了常見的柱形、筒形、梁形彈性元件及應(yīng)變片的貼片方式。圖3-25(a)為柱形彈性元件；圖3-25(b) 為筒形彈性元件；圖3-25(c) 為梁形彈性元件。 圖3-25 幾種彈性元件及應(yīng)變片貼片方式2. 壓磁式力傳感器壓磁式力傳感器 當(dāng)鐵磁材料在受到外力拉、壓作用而在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其導(dǎo)磁率會隨應(yīng)力的大小和方向而變化。 受拉力時(shí)，沿力作用方向的導(dǎo)磁率增大，而在垂直于作用力的方向上導(dǎo)磁率略有減小。 受壓力作用時(shí)則導(dǎo)磁率的變化正好相反。 這種物理現(xiàn)象就是鐵磁材料的壓磁效應(yīng)壓磁效應(yīng)。這種效應(yīng)可用于力的測量。圖3-27 壓磁式傳感器3

29、.3 轉(zhuǎn)矩測量轉(zhuǎn)矩測量 轉(zhuǎn)矩是各種工作機(jī)械傳動軸的基本載荷形轉(zhuǎn)矩是各種工作機(jī)械傳動軸的基本載荷形式式，與動力機(jī)械的工作能力、能源消耗、效率、運(yùn)轉(zhuǎn)壽命及安全性能等因素緊密聯(lián)系。 轉(zhuǎn)矩的測量對傳動軸載荷的確定與控制、傳動系統(tǒng)工作零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及原動機(jī)容量的選擇等都具有重要的意義。3.3.1 轉(zhuǎn)矩的概念轉(zhuǎn)矩的概念1. 轉(zhuǎn)矩的定義及單位轉(zhuǎn)矩的定義及單位 使機(jī)械元件轉(zhuǎn)動的力矩或力偶稱為轉(zhuǎn)動力使機(jī)械元件轉(zhuǎn)動的力矩或力偶稱為轉(zhuǎn)動力矩，簡稱轉(zhuǎn)矩矩，簡稱轉(zhuǎn)矩。機(jī)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(shí)又稱為扭矩扭矩。 在國際單位制(SI)中，轉(zhuǎn)矩的計(jì)量單位為牛頓米(Nm) ，工程技術(shù)中也曾用過

30、公斤力米等作為轉(zhuǎn)矩的計(jì)量單位。2. 轉(zhuǎn)矩的類型轉(zhuǎn)矩的類型 轉(zhuǎn)矩可分為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩動態(tài)轉(zhuǎn)矩。 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是值不隨時(shí)間變化或變化很小、很緩靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是值不隨時(shí)間變化或變化很小、很緩慢的轉(zhuǎn)矩慢的轉(zhuǎn)矩。 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩包括靜止轉(zhuǎn)矩靜止轉(zhuǎn)矩、恒定轉(zhuǎn)矩恒定轉(zhuǎn)矩、緩緩變轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)矩和微脈動轉(zhuǎn)矩微脈動轉(zhuǎn)矩。靜止轉(zhuǎn)矩的值為常數(shù)，傳動軸不旋轉(zhuǎn)；恒定轉(zhuǎn)矩的值為常數(shù)，但傳動軸以勻速旋轉(zhuǎn)，如電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)的轉(zhuǎn)矩；緩變轉(zhuǎn)矩的值隨時(shí)間緩慢變化，但在短時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為轉(zhuǎn)矩值是不變的；微脈動轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值有幅度不大的脈動變化。 動態(tài)轉(zhuǎn)矩是值隨時(shí)間變化很大的轉(zhuǎn)矩動態(tài)轉(zhuǎn)矩是值隨時(shí)間變化很大的轉(zhuǎn)矩。 動態(tài)轉(zhuǎn)矩包括振動轉(zhuǎn)矩振動轉(zhuǎn)矩、過渡轉(zhuǎn)

31、矩過渡轉(zhuǎn)矩和隨機(jī)隨機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩三種。振動轉(zhuǎn)矩的值是周期性波動的；過渡轉(zhuǎn)矩是機(jī)械從一種工況轉(zhuǎn)換到另一種工況時(shí)的轉(zhuǎn)矩變化過程；隨機(jī)轉(zhuǎn)矩是一種不確定的、變化無規(guī)律的轉(zhuǎn)矩。3. 轉(zhuǎn)矩的測量方法轉(zhuǎn)矩的測量方法 轉(zhuǎn)矩的測量方法可以分為平衡力法平衡力法、能量能量轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換法和傳遞法傳遞法。其中傳遞法涉及的轉(zhuǎn)矩測量儀器種類最多，應(yīng)用也最廣泛。平衡力法平衡力法能量轉(zhuǎn)換法能量轉(zhuǎn)換法傳遞法傳遞法(1) 平衡力法及平衡力類轉(zhuǎn)矩測量裝置平衡力法及平衡力類轉(zhuǎn)矩測量裝置通過測量機(jī)體上的平衡力矩通過測量機(jī)體上的平衡力矩(實(shí)際上實(shí)際上是測量力和力臂是測量力和力臂)來確定動力機(jī)械主軸上來確定動力機(jī)械主軸上工作轉(zhuǎn)矩的方法稱為平衡力法

32、。工作轉(zhuǎn)矩的方法稱為平衡力法。 平衡力法直接從機(jī)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。但它僅適合測量勻速工作情況下的轉(zhuǎn)矩，不能測動態(tài)轉(zhuǎn)矩。(2) (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如電能、熱能參數(shù)來測量旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)械能，進(jìn)而求得轉(zhuǎn)矩的方法即能量轉(zhuǎn)換法。 從方法上講，能量轉(zhuǎn)換法實(shí)際上就是對功率和轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量的方法。能量轉(zhuǎn)換法測轉(zhuǎn)矩一般只在電機(jī)和液機(jī)方面有較多的應(yīng)用。(3) (3) 傳遞法傳遞法 傳遞法是指利用彈性元件在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)物理參數(shù)的變化與轉(zhuǎn)矩的對應(yīng)關(guān)系來測量轉(zhuǎn)矩的一類方法。 本節(jié)介紹基于傳遞法原理的幾種轉(zhuǎn)矩測量方法和儀器。3.3.2 傳遞法轉(zhuǎn)矩

33、測量傳遞法轉(zhuǎn)矩測量 轉(zhuǎn)矩測量儀器及裝置很多，應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境、測量精度等要求來選擇。1. 應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測量應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測量 應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測量儀通過測量由于轉(zhuǎn)矩作應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測量儀通過測量由于轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的應(yīng)變來測量轉(zhuǎn)矩用在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的應(yīng)變來測量轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)材料力學(xué)的理論，轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)矩M的作用下，其橫截面上最大剪應(yīng)力max與軸截面系數(shù)W和轉(zhuǎn)矩M之間的關(guān)系為: (3-20) (3-21)式中 D為軸的外徑；d為空心軸的內(nèi)徑。max無法用應(yīng)變片來測量，但與轉(zhuǎn)軸中心線成45夾角方向上的正負(fù)主應(yīng)力和的數(shù)值等于max，即 (3-22)WMmax443116DdDW）（44max3116dDDM根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

34、，應(yīng)變?yōu)?(3-23) (3-24)式中E為材料的彈性模量(Pa)；為材料的泊松比。 這樣就可沿正負(fù)主應(yīng)力和的方向貼應(yīng)變片，測出應(yīng)變即可知其軸上所受的轉(zhuǎn)矩M。應(yīng)變片可以直接貼在需要測量轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)軸上，也可以貼在一根特制的軸上制成應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器，用于各種需要測量轉(zhuǎn)矩的場合 。4413111161dDEDMEEE4431331161dDEDMEEE 圖3-28為應(yīng)變片式轉(zhuǎn)矩傳感器，在沿軸向45方向上分別粘貼有四個(gè)應(yīng)變片，感受軸的最大正、負(fù)應(yīng)變，將其組成全橋電路，則可輸出與轉(zhuǎn)矩M成正比的電壓信號。這種接法可以消除軸向力和彎曲力的干擾。圖3-28 應(yīng)變片式轉(zhuǎn)矩傳感器 應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器結(jié)構(gòu)簡單，精度較高

35、。貼在轉(zhuǎn)軸上的電阻應(yīng)變片與測量電路一般通過集流環(huán)連接。集流環(huán)有電刷電刷-滑環(huán)式滑環(huán)式、水銀式水銀式和感感應(yīng)式應(yīng)式等。集流環(huán)存在觸點(diǎn)磨損和信號不穩(wěn)定等問題，不適于測量高速轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩。 近年來，巳研制出遙測應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀，它在上述應(yīng)變電橋后，將輸出電壓用無線發(fā)射的方式傳輸，有效地解決了上述問題。2. 壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器 鐵磁材料制成的轉(zhuǎn)軸，具有壓磁效應(yīng)，在受轉(zhuǎn)矩作用后，沿拉應(yīng)力+ 方向磁阻減小，沿壓應(yīng)力- 方向磁阻增大。圖3-29 壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器 在鐵芯線圈A中通以50Hz的交流電，形成交變磁場。 轉(zhuǎn)軸未受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，其各向磁阻相同，BB方向正好處于磁力線的等位中心線上，因而鐵芯B上的繞組不會產(chǎn)生感應(yīng)電勢