第3章 機(jī)械量測(cè)量技術(shù)

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)2第三章導(dǎo)言

在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域中，力學(xué)量和運(yùn)動(dòng)量是經(jīng)常需要測(cè)量的重要參數(shù)。本章介紹壓力、力、位移、速度的測(cè)量方法、測(cè)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第三章力學(xué)量檢測(cè)技術(shù)3.1壓力測(cè)量3.4速度測(cè)量3.3位移測(cè)量3.2力測(cè)量3.1.1壓力的基本概念定義：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)。工程上，習(xí)慣把壓強(qiáng)稱為壓力，表示為：3.1壓力的測(cè)量p—壓力；F—垂直作用力；S—受力面積單位：國(guó)際單位牛頓/米2，用符號(hào)N/m2，也稱Pa。常用KPa，MPa，也有工程大氣壓、物理大氣壓、巴、毫米水柱、毫米汞柱等表示方法。4由于參照點(diǎn)不同，在工程上壓力有幾種不同表示方法：絕對(duì)壓力：以絕對(duì)壓力零位為參考點(diǎn)的壓力稱為絕對(duì)壓力，用符號(hào)Pi表示。大氣壓力：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而變化，用符號(hào)P0表示。表壓力：絕對(duì)壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐罘Q為表壓力，用符號(hào)Pg表示。通常壓力測(cè)量?jī)x表總是處于大氣之中，其測(cè)得的壓力值均是表壓力。真空度(負(fù)壓)：絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，表壓力為負(fù)值(負(fù)壓力)，其絕對(duì)值稱為真空度，用符號(hào)Pv表示，Pv=|Pg|。差壓(壓差)：任意兩個(gè)壓力P1、P2之差稱為差壓ΔP，ΔP=P1-P2。3.1壓力的測(cè)量53.1壓力的測(cè)量6壓力檢測(cè)的基本方法：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與被測(cè)壓力相平衡。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)生的彈性力與被測(cè)壓力相平衡。機(jī)械力平衡方法：將被測(cè)壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)集中力，用外力與之平衡。物性測(cè)量方法：利用敏感元件將被測(cè)壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量。3.1壓力的測(cè)量73.1.2常用壓力檢測(cè)儀表液柱式壓力計(jì)彈性壓力計(jì)力平衡式壓力計(jì)壓力傳感器3.1壓力的測(cè)量1、液柱式壓力計(jì)基本原理：流體靜力學(xué)原理

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(cè)量的。3.1壓力的測(cè)量9U形管壓力計(jì)3.1壓力的測(cè)量10在U形管兩端接入不同壓力p1和p2時(shí)，根據(jù)流體靜力平衡原理可知，U形管兩邊管內(nèi)液柱差h與被測(cè)壓力p1和p2的關(guān)系為:可見(jiàn)U形管內(nèi)的液柱差h與被測(cè)差壓或壓力成正比，因此被測(cè)壓差或壓力可以用工作液高度h的大小來(lái)表示3.1壓力的測(cè)量11單管壓力計(jì)

U形管壓力計(jì)中的h需要兩次讀數(shù)，讀數(shù)誤差較大。為了減小讀數(shù)誤差，可以將U型管的一端換成一個(gè)大直徑的容器，即形成單管壓力計(jì)。3.1壓力的測(cè)量12由于D>>d，故d2/D2可以忽略不計(jì)被測(cè)壓差或壓力可用管內(nèi)工作液面上升高度h來(lái)表示3.1壓力的測(cè)量13斜管壓力計(jì)

用U形管或單管壓力計(jì)來(lái)測(cè)量微小的壓力時(shí)，因?yàn)橐褐叨茸兓苄?，讀數(shù)困難，為了提高靈敏度，減小誤差，可將單管壓力計(jì)的玻璃管制成斜管。3.1壓力的測(cè)量14由于L>h，所以斜管壓力計(jì)比單管壓力計(jì)更靈敏，可以提高測(cè)量精度L—斜管內(nèi)液柱的長(zhǎng)度；α—斜管傾斜角3.1壓力的測(cè)量152、彈性壓力計(jì)基本原理：當(dāng)被測(cè)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(即機(jī)械位移)。根據(jù)變形量的大小，可以測(cè)得被測(cè)壓力的數(shù)值。3.1壓力的測(cè)量16彈性壓力計(jì)組成框圖（1）彈性元件

常用的有彈簧管、波紋管、薄膜等。同樣壓力下，不同結(jié)構(gòu)、不同材料的彈性元件產(chǎn)生不同的彈性變形。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測(cè)量。3.1壓力的測(cè)量17波紋管

是一種表面有許多同心環(huán)狀波紋的薄壁圓筒。開(kāi)口端焊接于固定基座上,并將流體通入管內(nèi)，在流體壓力作用下，密封的自由端會(huì)產(chǎn)生一定的位移。在彈性范圍內(nèi)，自由端的位移與作用壓力成線性關(guān)系。3.1壓力的測(cè)量18波登管

是橫截面為空心橢圓形或扁圓形的金屬管。當(dāng)管的固定端通入有一定壓力的流體時(shí)，管內(nèi)外的壓力差(管外一般為大氣壓力)迫使管截面趨于圓形，這種變形導(dǎo)致波登管封閉的自由端產(chǎn)生線位移或角位移。3.1壓力的測(cè)量19（2）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(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。

被測(cè)壓力彈簧管位移通過(guò)拉桿使扇形齒輪偏轉(zhuǎn)嚙合的中心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)指針同時(shí)偏轉(zhuǎn)指示出被測(cè)壓力。3.1壓力的測(cè)量20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-靈敏度調(diào)整槽調(diào)放大比、量程調(diào)隙直接調(diào)零3、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或電磁力平衡等。3.1壓力的測(cè)量214、壓力傳感器

定義：能夠測(cè)量壓力并提供遠(yuǎn)傳電信號(hào)的裝置，可以直接將被測(cè)壓力變換成各種形式的電信號(hào)。應(yīng)變式壓阻式電容式壓電式振頻式光電式光線式超聲式等3.1壓力的測(cè)量22由于能夠和CPU等共同構(gòu)成一個(gè)數(shù)字采集控制系統(tǒng)，因此滿足自動(dòng)化系統(tǒng)集中檢測(cè)與控制的要求，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。（1）應(yīng)變式壓力傳感器

基本原理：通過(guò)測(cè)量各種彈性元件應(yīng)變來(lái)間接測(cè)量壓力

應(yīng)變?cè)墓ぷ髟硎腔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。

測(cè)量方式：在彈性元件受壓變形的同時(shí)應(yīng)變片亦發(fā)生應(yīng)變，電阻值將有相應(yīng)的改變。粘貼式應(yīng)變壓力計(jì)可采用1、2或4個(gè)特性相同的應(yīng)變?cè)迟N在彈性元件的適當(dāng)位置，并分別接入電橋的橋臂，則電橋輸出信號(hào)可以反映被測(cè)壓力的大小。3.1壓力的測(cè)量23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。3.1壓力的測(cè)量243.1壓力的測(cè)量25（2）壓阻式壓力傳感器

基本原理：壓阻效應(yīng)--固體受力后電阻率發(fā)生變化。測(cè)量方式：利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成擴(kuò)散壓敏電阻，當(dāng)硅膜片受壓時(shí)，膜片的變形將使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。硅平膜片上的擴(kuò)散電阻通常構(gòu)成橋式測(cè)量電路，相對(duì)的橋臂電阻是對(duì)稱布置的，電阻變化時(shí)，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對(duì)應(yīng)關(guān)系。3.1壓力的測(cè)量26

右圖為一種壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，硅平膜片在圓形硅杯的底部，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?。髙壓腔接被測(cè)壓力，低壓腔與大氣連通或接參考?jí)毫?。?dāng)壓力差使膜片變形，膜片上的兩對(duì)電阻阻值發(fā)變化，使電橋輸出相應(yīng)于壓力變化的信號(hào)。3.1壓力的測(cè)量27壓阻式壓力傳感器

被測(cè)壓力參考?jí)毫?.1壓力的測(cè)量28壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高，頻率響應(yīng)高；測(cè)量范圍寬，可測(cè)低至10Pa的微壓到高至60Mpa的高壓；精度高，工作可靠，其精度可達(dá)±0.2％～0.02％；易于微小型化，（3）壓電式壓力傳感器

基本原理：壓電效應(yīng)—某些電介質(zhì)沿著某一個(gè)方向受力而發(fā)生機(jī)械變形(壓縮或伸長(zhǎng))時(shí)，內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在其某些表面上會(huì)產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)。測(cè)量方式：壓電元件受到壓力作用時(shí)產(chǎn)生的電荷量與作用力之間存在一定關(guān)系，通過(guò)測(cè)量電荷量即可獲得被測(cè)壓力大小。3.1壓力的測(cè)量29壓電元件夾于兩個(gè)彈性膜片之間，壓電元件的一個(gè)側(cè)面與膜片接觸并接地，另一側(cè)面通過(guò)引線將電荷量引出。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。電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器放大，轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，輸出信號(hào)大小與被測(cè)壓力值相對(duì)應(yīng)。3.1壓力的測(cè)量30壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖3.1壓力的測(cè)量31測(cè)量精度較高；頻率響應(yīng)高。但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測(cè)量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。（4）電容式壓力傳感器

基本原理：變電容測(cè)量原理。

測(cè)量方式：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?，用測(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。

根據(jù)平行板電容器的電容量表達(dá)式：3.1壓力的測(cè)量32可知，電容量的變化與被測(cè)參數(shù)的大小成比例。33第三章力學(xué)量檢測(cè)技術(shù)3.1壓力測(cè)量3.4速度測(cè)量3.3位移測(cè)量3.2力測(cè)量3.2.1力的基本概念力的單位：牛頓（N），1N=1kg·m/s2

力的分類：重力、彈性力、慣性力、膨脹力、摩擦力、浮力和電磁力等。3.2力的測(cè)量343.2.2力的測(cè)量方法

力的本質(zhì)是物體之間的相互作用，不能直接得到其值的大小，必須通過(guò)其它物理量來(lái)表示力的大小。動(dòng)力效應(yīng)：力施加于某一物體后，將使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或動(dòng)量改變，使物體產(chǎn)生加速度； 靜力效應(yīng)：力施加于某一物體后，可以使物體產(chǎn)生應(yīng)力，發(fā)生變形。因此，可以利用這些變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)力的檢測(cè)。

力的測(cè)量方法可歸納為力平衡法，測(cè)位移法和利用某些物理效應(yīng)測(cè)力等。3.2力的測(cè)量351、力平衡法力平衡式測(cè)量法是基于比較測(cè)量的原理，用一個(gè)已知力來(lái)平衡待測(cè)的未知力，從而得出待測(cè)力的值。平衡力可以是已知質(zhì)量的重力、電磁力或氣動(dòng)力等。

3.2力的測(cè)量36（1）機(jī)械式力平衡裝置（2）磁電式力平衡裝置（1）機(jī)械式力平衡裝置（秤）

基本原理：物體處于靜態(tài)平衡時(shí)，繞某一軸線的順時(shí)針?lè)较蛄氐扔谀鏁r(shí)針?lè)较虻牧亍?.2力的測(cè)量37僅適合做靜態(tài)測(cè)量（2）磁電式力平衡裝置

它由光源、光電式零位檢測(cè)器、放大器和一個(gè)力矩線圈組成一個(gè)伺服式測(cè)力系統(tǒng)。3.2力的測(cè)量38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(hào)易于記錄且便于遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制。2、測(cè)位移法

基本原理：在力作用下，彈性元件產(chǎn)生變形，測(cè)位移法通過(guò)測(cè)量未知力所引起的位移，從而間接地測(cè)得未知力。

3.2力的測(cè)量39（1）電容式測(cè)力裝置（2）差動(dòng)變壓器式測(cè)力裝置（1）電容式測(cè)力裝置扁環(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(cè)量電路將此電容量變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即可得到被測(cè)力值。3.2力的測(cè)量40這種測(cè)力裝置可用于大型電子吊秤

電容傳感器和彈性元件組成的測(cè)力裝置（2）差動(dòng)變壓器式測(cè)力裝置3.2力的測(cè)量41彈性元件受力產(chǎn)生位移，帶動(dòng)差動(dòng)變壓器的鐵芯運(yùn)動(dòng)，使兩線圈互感發(fā)生變化，最后使差動(dòng)變壓器的輸出電壓產(chǎn)生和彈性元件受力大小成比例的變化。差動(dòng)變壓器與彈簧組合構(gòu)成的測(cè)力裝置差動(dòng)變壓器與筒形彈性元件構(gòu)成的測(cè)力裝置3.2.3測(cè)力傳感器測(cè)力傳感器通常將力轉(zhuǎn)換為正比于作用力大小的電信號(hào)，使用十分方便，因而在工程領(lǐng)域及其他各種場(chǎng)合應(yīng)用最為廣泛。測(cè)力傳感器種類繁多，依據(jù)不同的物理效應(yīng)和檢測(cè)原理可分為電阻應(yīng)變式、壓磁式、壓電式等等。3.2力的測(cè)量4243第三章力學(xué)量檢測(cè)技術(shù)3.1壓力測(cè)量3.4速度測(cè)量3.3位移測(cè)量3.2力測(cè)量常用測(cè)量的方法：積分法：速度積分、加速度二次積分回波法：超聲波、激光等往返時(shí)間轉(zhuǎn)換法：線位移、角位移相互轉(zhuǎn)換位移傳感器：轉(zhuǎn)換為電量等3.3位移測(cè)量工業(yè)上常采用位移傳感器測(cè)量的方法44常用位移傳感器測(cè)量方法根據(jù)傳感器的變換原理，常用的位移測(cè)量傳感器類型有：電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、霍爾元件、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵和角度編碼器等位移計(jì)以及電動(dòng)千分表等。453.3位移測(cè)量461、差動(dòng)變壓器式位移測(cè)量方法１-活動(dòng)銜鐵；２-導(dǎo)磁外殼；３-骨架；４-匝數(shù)為W1初級(jí)繞組；５-匝數(shù)為W2a的次級(jí)繞組；６-匝數(shù)為W2b的次級(jí)繞組。在傳感器的是量程內(nèi)，銜動(dòng)移越大，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)就越大。3.3位移測(cè)量3.3位移測(cè)量47電阻應(yīng)變式位移傳感器2、電阻應(yīng)變式位移測(cè)量方法當(dāng)被測(cè)物體產(chǎn)生位移時(shí)，懸臂梁隨之產(chǎn)生于位移相等的撓度，因而應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。在小撓度情況下，撓度與應(yīng)變情況成正比。將應(yīng)變片接入橋路，輸出與位移成正比的電壓信號(hào)。3、電渦流式位移測(cè)量方法3.3位移測(cè)量48

高頻（數(shù)MHz以上）激勵(lì)電流I施加于鄰近金屬板一側(cè)的線圈，由線圈產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)作用于金屬板的表面。在金屬板表面薄層內(nèi)產(chǎn)生渦流Is，渦流Is又產(chǎn)生反向的磁場(chǎng)，反作用于線圈上，由此引起線圈自感L或線圈阻抗ZL的變化。

ZL的變化程度取決于線圈至金屬板之間的距離d、金屬板的電阻率p、磁導(dǎo)率u以及激勵(lì)電流i的幅值與角頻率w等。

當(dāng)被測(cè)位移量發(fā)生變化時(shí)，使線圈與金屬板的距離發(fā)生變化，從而導(dǎo)致線圈阻抗ZL的變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)化為電壓輸出。高頻渦流傳感器用于測(cè)定位移量Is在兩光柵沿刻線的垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋在刻線方向移動(dòng),即莫爾條紋本身產(chǎn)生一次明暗的光強(qiáng)變化。兩光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋也同步移動(dòng)一個(gè)間距BH，固定點(diǎn)上的光強(qiáng)則變化一周。當(dāng)光柵尺與指示光柵發(fā)生連續(xù)的相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋的光強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生近似正弦波的周期性變化。莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾角θ之間的關(guān)系為：3.3位移測(cè)量494、光柵式位移測(cè)量方法50第三章力學(xué)量檢測(cè)技術(shù)3.1壓力測(cè)量3.4速度測(cè)量3.3