第七章力、力矩和壓力的測量

1、Contents8.1 Overview8.2 Measurement of force8.3 Measurement of moment8.4 Measurement of pressureForce：any interaction that, when unopposed, will change themotionof anobject. Unit“Newton”Building of mass standard： International Prototype KilogramIt is of cylindrical form, with diameter and height of

2、about 39 mm, and is made of an alloy of 90 % platinum and 10 % iridium.Building of force standard：gravityReproduction of force standard using primary force standard machineNatural weight type standard measuring machineHydraulic standard measuring machineLever-type standard measuring machineMoment：am

3、omentmomentis an expression involving the product of a distance and a physical quantity. It is the product of a force and its arm. 力對物體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動作用的物理量，Unit:“NmMoment makes objects rotate，called also torque(轉(zhuǎn)矩).Distortional deformation of shaft under the action of torque，generates shearstress and strain i

4、nner the material, called also torque(扭矩).。Pressure：A force F is applied perpendicular to an area A, then the pressure P is P=F/A . 垂直作用在單位面積上的力，或流體中單位面積上承受的力。也稱為“壓強”，Unit: Pascal (Pa)Contents8.1 Overview8.2 Measurement of force8.3 Measurement of moment8.4 Measurement of pressureForce measuring meth

5、odMeasurement using Dynamic Effect：測量物體的質(zhì)量及其所獲得的加速度，計算測定力值。F=ma。Measurement using Static Effect：通過測量物體的變形量，或與應(yīng)力相關(guān)的物理效應(yīng)來測量力值。DynamometerResistance-strain gaugeMagnetostriction gaugePiezoelectric gaugeDisplacement dynamometerWorking principle結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、精度高、應(yīng)用廣泛； 測量范圍：5N20MN；測量精度：0.03%2%Structural form

6、of elastic body柱狀變形體柱狀變形體5kN5MN管狀變形體管狀變形體1MN20MN徑向受載變形體徑向受載變形體5NStructural form of elastic body雙鉸鏈彎曲桿變形體雙鉸鏈彎曲桿變形體5N剪切桿式變形體剪切桿式變形體外形很扁的力傳感器外形很扁的力傳感器在負(fù)荷作用下，彈性體的應(yīng)變是：lFlAEE電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)k為：31132424RRFkkRRAERRFkkRRAE 為彈性體材料的泊松比/R RR Rkl l1324FAEFAE 312401234123412(1)()RRRRFkRRRRAE測力電橋測力電橋 Output voltage of

7、bridge circuit：傳感器的電壓靈敏度，通常取0.52.5mV/V031241234001()4(1)42iiURRRRURRRRUkkFUAE應(yīng)變式測力儀一般采用電橋電路。電橋電路的輸出信號小，精度要求高，因而測量電路要求具有高的增益、高的輸入阻抗。傳感器測量電路的集成模塊稱作信號調(diào)理器，一般包括緩沖、放大、濾波、電壓頻率轉(zhuǎn)換等為提高測力傳感器的精度，必須在電橋電路中采取相應(yīng)的補償措施，消除誤差的影響。包括初始不平衡補償、零點漂移補償、靈敏度補償、非線性補償、傳感器靈敏度調(diào)整等Magnetostrictioneffect：鐵磁體受機械力(壓力、張力、扭力等)作用后，而引起導(dǎo)磁系數(shù)發(fā)

8、生變化的物理現(xiàn)象。Magnetic elastomer with magnetostrictioneffect is called magnetostriction element.210/ NFNkUUiPiezoelectric effect：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受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。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)FdQij材料受力后產(chǎn)生變形或者位移電容式電感式Concept and meaning of weighing重量(Weight)：有些場合用于指重力(Weight)。而另一些場合又用于指物體的質(zhì)量(

9、Mass)。二者的物理概念不同，但在工程測量中屬于同一個技術(shù)范疇。稱重的衡器用準(zhǔn)確度級別來表征特性，它包括了非線性、重復(fù)性、滯后、溫度特性等指標(biāo)，對各單項不進行控制。稱重按工作條件分為靜態(tài)稱重和動態(tài)稱重。Composition機械傳遞、稱重傳感器、測量電路和顯示儀表Classification電子皮帶秤(Electronic Belt Weighing Scale)、容器秤(Container Weighing Scale)、吊車秤(Crane Weighing Scale)、平臺秤 (Platform Weighing Scale)、電子軌道衡(Electronic Railroad Tra

10、ck Scale)Characteristics結(jié)構(gòu)簡單、精度高、速度快、數(shù)據(jù)記錄處理方便eightsensorResistor-strain SensoreightsensorPiezomagnetic SensoreightsensorCapacitance SensorWorking principle 000/TTTWw t dtq t v t dtG t v tLdt1( )( )GiG tUtkU2( )( )vv tU tkWeighing sensor：Velocity sensor：0012( )( )1( )( )TTGvGviUt U tWdtUt U t dtLkUkk

11、12ikLk k U變換常數(shù)：0012( )( )1( )( )TTGvGviUt U tWdtUt U t dtLkUkk)()()(21tvktGktUG00012( )( )1( )( )TTTGGUtG tWv tdtdtUt dtLk k Lk12kLk k 變換常數(shù)：Contents8.1 Overview8.2 Measurement of force8.3 Measurement of moment8.4 Measurement of pressureForce Moment:力和力臂的乘積。轉(zhuǎn)矩(Torque):力矩可以使機械零部件轉(zhuǎn)動，也稱為轉(zhuǎn)矩。扭矩(Torque):在轉(zhuǎn)

12、矩的作用下，機械零部件將會產(chǎn)生一定的扭曲變形，故又稱為扭轉(zhuǎn)矩，簡稱扭矩。力矩的法定計量單位:“牛頓米”，一般用“Nm”表示。工程中轉(zhuǎn)矩的測量常與功率、轉(zhuǎn)速的測量聯(lián)系在一起。旋轉(zhuǎn)軸的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率的測量，是進行旋轉(zhuǎn)件功率控制的重要基礎(chǔ)。電動機電動機內(nèi)燃機內(nèi)燃機發(fā)電機發(fā)電機泵泵攪拌機攪拌機鉆探機鉆探機加工中心加工中心車床車床變速器變速器Moment transmission method：利用轉(zhuǎn)矩使彈性軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形Force balance method ：利用平衡轉(zhuǎn)矩M0與被測轉(zhuǎn)矩平衡Energy conversion methodMoment transmission methodUse

13、the torsiondeformation of elastic shaft formed by torque. 即根據(jù)彈性元件在傳遞扭矩時所產(chǎn)生物理參數(shù)的變化（變形、應(yīng)力或應(yīng)變）來測量其轉(zhuǎn)矩。 lGIMp/l is the length of elastic shaft is torsion angle of elastic shaftG is sheer modulus(切變模量)IP is polar second moment (極慣性矩)，F(xiàn)or the diameter d of shaft，IP=d4/32When the torsion angle measured:When

14、 the shear stress of shaft measured:When the strain of shaft measured: 45、 135 : the strains along the direction of 45o、135o related to axis of the shaft.Moment transmission method電阻應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀電阻應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀將應(yīng)變片粘在沿轉(zhuǎn)軸450、1350軸線上，轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)矩M 作用下產(chǎn)生應(yīng)變與M成正比。34445135811 (/)MD GdD 空心圓柱形軸：方形截面軸：GaM3135454 . 2Moment transmi

15、ssion method電阻應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀電阻應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀軸截面的選擇依據(jù)：工藝加工、測量值大小、抗彎曲強度、臨界轉(zhuǎn)速、應(yīng)變片尺寸、粘貼工藝應(yīng)變電橋電路：采用集流環(huán)從旋轉(zhuǎn)件上將轉(zhuǎn)矩測量信號傳輸?shù)届o止的儀器上Moment transmission method磁電式轉(zhuǎn)矩測量儀磁電式轉(zhuǎn)矩測量儀z02Magnetization method磁場嵌入技術(shù)（EMD, Embedded Magnetic Domain）Force balance method 利用平衡轉(zhuǎn)矩M0去平衡被測轉(zhuǎn)矩M，從而求得M的方法。MMLWLW012Force balance method反饋式小力矩測量系統(tǒng)反饋式小力矩測量系統(tǒng)

16、Contents8.1 Overview8.2 Measurement of force8.3 Measurement of moment8.4 Measurement of pressureBasic conceptsMeasuring method and sensor for pressureVacuum measurementUltrahigh pressure (UHP) measurement垂直作用在單位面積上的力稱為壓力。壓力測量一般用于液體、蒸汽或氣體等流體，也稱為“壓強”。單位: “帕斯卡”，或簡稱“帕”，用“Pa”表示，1Pa=1N/m2標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：定義為在溫度為0，緯度

17、為45的海平面上，重力加速度為9.80665m/s2 時的壓力。1atm=760mmHg=101.325kPa大氣壓力：大氣層對地球表面單位面積上所產(chǎn)生的壓力，即大氣的自重對地球表面產(chǎn)生的壓力。表壓力（正壓）：超過大氣壓以上的壓力數(shù)值，即測壓儀表顯示的壓力值絕對壓力：相對絕對真空所測得的壓力（表壓力與大氣壓力之和），又稱總壓力或全壓力負(fù)壓力（疏空）：絕對壓力小于大氣壓力時，大氣壓力與絕對壓力之差真空度：小于大氣壓力的絕對壓力壓力量值的溯源和傳遞壓力不是基準(zhǔn)量，是力和面積的導(dǎo)出量壓力標(biāo)準(zhǔn)是由準(zhǔn)確度很高的標(biāo)準(zhǔn)儀器提供的液體式壓力計電氣式壓力計負(fù)荷式（力平衡式）壓力計彈性式壓力計U型管壓力計12PP

18、gh液體可以用水、酒精、水銀槽式壓力計只需測量一側(cè)管中的液面相對于固定點的高度HhdP1P2A2A11212221211()()(1)P PgHh d gAh AdAdAP Pd gd gAAc d g 斜管微壓計用于測量微小壓力，精度高于一般的U型管壓力計HdhxP1P2221211(1)(1)sinAAPPd ggxAAA2A112sinPPgx特點價格低、簡單、牢固、應(yīng)用廣泛，耐惡劣環(huán)境。頻響低、不宜動態(tài)測量；由于彈性元件的固有遲滯，精度低彈性元件結(jié)構(gòu)簧管、膜盒、膜片、波紋管結(jié)構(gòu)特點：價格低，結(jié)構(gòu)簡單，堅實牢固頻率響應(yīng)低，不適于動態(tài)測量根據(jù)靜力平衡原理和帕斯卡定律工作0WWpA壓阻式應(yīng)變式平膜片平膜片電容式彈彈性性膜膜片片固固定定極極板板634016)1 (pEdtRCCR：半徑t：厚度d：起始距離C0：起始電容量E：材料的彈性模量：材料的泊松比真空度的劃分粗真空： 105103Pa低真空： 10310-1Pa高真空： 10-110-6Pa超高真空： 10-610-12Pa極高真空：10-12Pa真空測量儀器的劃分按用途分類：真空計：用于測量低于大氣壓的稀薄氣體的壓力分壓強計：用于真空系統(tǒng)內(nèi)氣體組成分析