第七章 力、力矩和壓力的測量

Chapter8Measurementofforce,momentandpressureSchoolofmechanicalandpowerengineering/HenanpolytechnicuniversityContents8.1

Overview8.2Measurementofforce8.3Measurementofmoment8.4MeasurementofpressureChapterSeven

Measurementofvelocity,accelerationandvibration8.1

OverviewForce：anyinteractionthat,whenunopposed,willchangethe

motion

ofan

object.Unit“Newton”Buildingofmassstandard：InternationalPrototypeKilogramItisofcylindricalform,withdiameterandheightofabout39mm,andismadeofanalloyof

90%platinum

and

10%iridium.8.1

OverviewBuildingofforcestandard：gravityReproductionofforcestandardusingprimaryforcestandardmachineNaturalweighttypestandardmeasuringmachineHydraulicstandardmeasuringmachineLever-typestandardmeasuringmachine8.1

OverviewMoment：a

moment

isanexpressioninvolvingtheproductofadistanceandaphysicalquantity.

Itistheproductofaforceanditsarm.力對物體產(chǎn)生轉動作用的物理量，Unit:“N·m"Momentmakesobjectsrotate，calledalsotorque(轉矩).Distortionaldeformationofshaftundertheactionoftorque，generates

shear

stressandstraininnerthematerial,calledalsotorque(扭矩).。8.1

OverviewPressure：AforceFisappliedperpendiculartoanareaA,thenthepressurePisP=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

Overview8.2Measurementofforce8.3Measurementofmoment8.4MeasurementofpressureChapterSeven

Measurementofvelocity,accelerationandvibration8.2

MeasurementofforceForcemeasuringmethodMeasurementusingDynamicEffect：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。MeasurementusingStaticEffect：通過測量物體的變形量，或與應力相關的物理效應來測量力值。DynamometerResistance-straingaugeMagnetostrictiongaugePiezoelectricgaugeDisplacementdynamometerResistance-straingauge

Workingprinciple結構簡單、制造方便、精度高、應用廣泛；測量范圍：5N~20MN；測量精度：0.03%~2%Resistance-straingaugeStructuralformofelasticbody柱狀變形體5kN~5MN管狀變形體1MN~20MN徑向受載變形體<5NResistance-straingaugeStructuralformofelasticbody雙鉸鏈彎曲桿變形體<5N剪切桿式變形體外形很扁的力傳感器Resistance-straingauge在負荷作用下，彈性體的應變是：電阻應變片的靈敏度系數(shù)k為：μ為彈性體材料的泊松比Resistance-straingauge測力電橋

Outputvoltageofbridgecircuit：傳感器的電壓靈敏度，通常取0.5~2.5mV/VResistance-straingauge應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MagnetostrictiongaugeMagnetostriction

effect：鐵磁體受機械力(壓力、張力、扭力等)作用后，而引起導磁系數(shù)發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。Magneticelastomerwithmagnetostriction

effectiscalledmagnetostrictionelement.PiezoelectricgaugePiezoelectriceffect：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)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態(tài)Displacementdynamometer材料受力后產(chǎn)生變形或者位移電容式電感式WeighingConceptandmeaningofweighing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(Mass)。二者的物理概念不同，但在工程測量中屬于同一個技術范疇。稱重的衡器用準確度級別來表征特性，它包括了非線性、重復性、滯后、溫度特性等指標，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,classificationandcharacteristicsComposition機械傳遞、稱重傳感器、測量電路和顯示儀表Classification電子皮帶秤(ElectronicBeltWeighingScale)、容器秤(ContainerWeighingScale)、吊車秤(CraneWeighingScale)、平臺秤(PlatformWeighingScale)、電子軌道衡(ElectronicRailroadTrackScale)Characteristics結構簡單、精度高、速度快、數(shù)據(jù)記錄處理方便Weight

sensorResistor-strainSensorWeight

sensorPiezomagneticSensorWeight

sensorCapacitanceSensorElectronicBeltWeighingScaleWorkingprincipleWeighingsensor：Velocitysensor：變換常數(shù)：ElectronicBeltWeighingScaleElectronicBeltWeighingScale變換常數(shù)：Contents8.1

Overview8.2Measurementofforce8.3Measurementofmoment8.4MeasurementofpressureChapterSeven

Measurementofvelocity,accelerationandvibration8.3

MeasurementofforcemomentForceMoment:力和力臂的乘積。轉矩(Torque):力矩可以使機械零部件轉動，也稱為轉矩。扭矩(Torque):在轉矩的作用下，機械零部件將會產(chǎn)生一定的扭曲變形，故又稱為扭轉矩，簡稱扭矩。力矩的法定計量單位:“牛頓米”，一般用“Nm”表示。8.3

Measurementofforcemoment工程中轉矩的測量常與功率、轉速的測量聯(lián)系在一起。旋轉軸的扭矩、轉速和功率的測量，是進行旋轉件功率控制的重要基礎。

電動機內(nèi)燃機發(fā)電機泵攪拌機鉆探機加工中心車床變速器8.3

MeasurementofforcemomentMomenttransmissionmethod：利用轉矩使彈性軸產(chǎn)生扭轉變形Forcebalancemethod：利用平衡轉矩M0與被測轉矩平衡Energyconversionmethod8.3

MeasurementofforcemomentMomenttransmissionmethodUsethetorsion

deformationofelasticshaftformedbytorque.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、應力或應變）來測量其轉矩。listhelengthofelasticshaftφistorsionangleofelasticshaftGissheer

modulus(切變模量)IPispolarsecondmoment(極慣性矩)，F(xiàn)orthediameterdofshaft，IP=πd4/32Whenthetorsionanglemeasured:Whentheshearstressofshaftmeasured:Whenthestrainofshaftmeasured:45、135:thestrainsalongthedirectionof45o、135orelatedtoaxisoftheshaft.MeasurementofforcemomentMeasurementofforcemomentMomenttransmissionmethod電阻應變式轉矩儀將應變片粘在沿轉軸450、1350軸線上，轉軸在轉矩M作用下產(chǎn)生應變ε與M成正比?？招膱A柱形軸：方形截面軸：MeasurementofforcemomentMomenttransmissionmethod電阻應變式轉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、臨界轉速、應變片尺寸、粘貼工藝應變電橋電路：采用集流環(huán)從旋轉件上將轉矩測量信號傳輸?shù)届o止的儀器上MeasurementofforcemomentMomenttransmissionmethod磁電式轉矩測量儀MeasurementofforcemomentMagnetizationmethod磁場嵌入技術（EMD,EmbeddedMagneticDomain）MeasurementofforcemomentForcebalancemethod利用平衡轉矩M0去平衡被測轉矩M，從而求得M的方法。MeasurementofforcemomentForcebalancemethod反饋式小力矩測量系統(tǒng)Contents8.1

Overview8.2Measurementofforce8.3Measurementofmoment8.4MeasurementofpressureChapterSeven

Measurementofvelocity,accelerationandvibration8.4Measurementofpressure

BasicconceptsMeasuringmethodandsensorforpressureVacuummeasurementUltrahighpressure(UHP)measurement基本概念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標準大氣壓：定義為在溫度為0℃，緯度為45°的海平面上，重力加速度為9.80665m/s2

時的壓力。1atm=760mmHg=101.325kPa基本概念大氣壓力：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基本概念壓力量值的溯源和傳遞壓力不是基準量，是力和面積的導出量壓力標準是由準確度很高的標準儀器提供的壓力測量方法和傳感器

液體式壓力計電氣式壓力計負荷式（力平衡式）壓力計彈性式壓力計液體式壓力計U型管壓力計液體可以用水、酒精、水銀液體式壓力計槽式壓力計只需測量一側管中的液面相對于固定點的高度HhdP1P2A2A1液體式壓力計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HdhxP1P2A2<<A1彈性式壓力計特點價格低、簡單、牢固、應用廣泛，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，精度低彈性元件結構簧管、膜盒、膜片、波紋管彈性式壓力計結構特點：價格低，結構簡單，堅實牢固頻率響應低，不適于動態(tài)測量負荷式壓力計根據(jù)靜力平衡原理和帕斯卡定律工作電氣式壓力計壓阻式電氣式壓力計應變式平膜片電氣式壓力計電容式彈性膜片固定極板R：半徑t：厚度d：起始距離C0：起始電容量E：材料的彈性模量μ：材料的泊松比真空的測量

真空度的劃分粗真空：＞105～103Pa低真空：