應變力和轉矩的測量

應變力和轉矩的測量第一頁，共七十五頁，2022年，8月28日重點：試件在軸向拉伸(壓縮)、彎矩載荷作用下，應變片的布置和接橋方法難點：力、扭矩的測量方法。

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第9

章

第二頁，共七十五頁，2022年，8月28日

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第9

章

第三頁，共七十五頁，2022年，8月28日機器人握力測量

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第9

章

第四頁，共七十五頁，2022年，8月28日第五頁，共七十五頁，2022年，8月28日第六頁，共七十五頁，2022年，8月28日系統(tǒng)接線調試現(xiàn)場安裝扭矩轉速傳感器用筆記本電腦在線采集數(shù)據(jù)第七頁，共七十五頁，2022年，8月28日

第一節(jié)

應變、應力的測量

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第9

章

第八頁，共七十五頁，2022年，8月28日

應用電阻應變片和電阻應變儀測定構件的表面應變，然后根據(jù)應變和應力的關系式，確定構件表面應力狀況。

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第

9章

方法：第九頁，共七十五頁，2022年，8月28日一、應變的測量

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第

9

章

應變測量原理

如圖9-1所示。第十頁，共七十五頁，2022年，8月28日

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第

9章

應變測量裝置

應變測量裝置也稱電阻應變儀。

工作頻率f=0,或f變化緩慢、變化后能穩(wěn)定下來的應變。

靜態(tài)電阻應變儀

StaticStrainAmplifier第十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日

靜動態(tài)電阻應變儀

以靜態(tài)應變?yōu)橹?，或測200Hz以下的低頻動態(tài)應變。

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第

9章

第十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日

動態(tài)電阻應變儀DynamicStrainAmplifier工作頻率：0~2000Hz,個別可達10kHz。

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章

第十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日

超動態(tài)應變儀

工作頻率：0~20000Hz的動態(tài)過程，以及爆炸、沖擊等瞬態(tài)變化過程

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9章

第十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日三、應變儀的電橋特性

應變儀中多采用交流電橋，電源以載波頻率供電，四個橋臂均為電阻組成，由可調電容來平衡分布電容。由式（4—3）知電橋輸出電壓為：

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章

第十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日

當四個電阻均產生電阻變化△R1~△R4，R1=R2=R3=R4=R，且△R<<R，忽略△R高次項：

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章

電橋的加減特性：第十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日

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章

據(jù)第四章可知應變儀電橋的工作方式和輸出電壓為：單臂雙臂四臂工作方式應變片所在橋臂第十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日二、應變片的布置和接橋方法

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章

由于應變片粘貼于試件后，所感受的是試件表面的拉應變或壓應變，應變片的布置和電橋的連接方式應根據(jù)測量的目的、對載荷分布的估計而定，這樣才能便于利用電橋的和差特性達到只測出所需測的應變而排除其他因素干擾的目的。第十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日布片和接橋應符合下列原則：

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章

⑴在分析試件受力的基礎上選擇主應力最大點為貼片位置；⑵充分合理地應用電橋和差特性，只使需要測的應變影響電橋的輸出，且有足夠的靈敏度和線性度；⑶使試件貼片位置的應變與外載荷成線性關系。第十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日（一）拉（壓）載荷的測量

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章

第二十頁，共七十五頁，2022年，8月28日1、試件受力狀態(tài)圖受力不受力，作補償用電橋接法：電橋輸出電壓：拉（壓）應變：機械應變指示應變特點：1、不能消除彎矩的影響2、能補償溫度的影響

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章

第二十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日

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章

2、試件受力狀態(tài)圖電橋接法：電橋輸出電壓：拉（壓）應變：都受力，互為補償特點：1、不能消除彎矩的影響2、能補償溫度的影響3、輸出電壓提高到（1+）第二十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日

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章

3、試件受力狀態(tài)圖電橋接法：電橋輸出電壓：拉（壓）應變：特點：1、可以消除彎矩的影響2、能補償溫度的影響串聯(lián)消除彎矩第二十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日

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章

4、試件受力狀態(tài)圖電橋接法：電橋輸出電壓：拉（壓）應變：特點：1、可消除彎矩的影響2、輸出電壓提高一倍3、能補償溫度的影響第二十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日

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章

5、試件受力狀態(tài)圖電橋接法：電橋輸出電壓：拉（壓）應變：特點：1、能消除彎矩的影響2、能補償溫度的影響3、輸出電壓提高到（1+）倍第二十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日

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章

6、試件受力狀態(tài)圖電橋接法：電橋輸出電壓：拉（壓）應變：特點：1.能消除彎矩的影響2.能補償溫度的影響3.輸出電壓提高到2（1+）倍第二十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日

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9章

例8-1：圖1所示的圓柱型元件上作用有拉力F和彎矩M：⑴如何布片和接橋可僅測出拉力F，并消除M和溫度的影響（可另設補償片）？⑵寫出電橋輸出電壓的公式；圖1第二十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日（二）彎曲載荷的測量

特點：不能消除拉（壓）的影響，另設溫度補償片。

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9章

半橋2片第二十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日特點：輸出電壓提高1倍，可消除拉（壓）影響，另外，溫度互為補償

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9章

第二十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日四片半橋或全橋

特點：輸出電壓提高1倍，能消除拉（壓）影響，溫度互為補償?；蛘咻敵鲭妷禾岣叩?倍，能消除拉（壓）影響，溫度互為補償。

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章

第三十頁，共七十五頁，2022年，8月28日

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章

第三十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日

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章

圖3例8-2：如圖3所示，懸臂梁彈性模量,貼片處的抗彎截面系數(shù)，應變片，現(xiàn)用儀器測得P力作用的指示應變?yōu)?000，求P力的大小。第三十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日（三）彎曲、拉（壓）聯(lián)合作用時的測量

可消除溫度的影響，另設溫度補償片。

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章

測拉（壓）第三十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日測彎曲

可消除拉（壓）力影響，溫度互為補償。

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章

第三十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日(四)剪力的測量

剪力不能使應變片的電阻絲發(fā)生伸長或縮短的變形，即不能產生電阻的變化，故不能直接測量剪力。

但在一懸臂梁上作用一力P，則此力引起各截面的橫截面上的橫剪力是相等的，即Q=P。

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章

第三十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日

顯然，測出的剪力Q與L有關，作用點改變（L變化）即影響測量結果，且有些情況，L值無法量得，故可：

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章

第三十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日

Q與（ε1-ε2）成正比，而將R1、R2接成的電橋，其輸出也與ε1-ε2成正比，（即和兩斷面的應變差成正比）。

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式中為兩截面的彎曲應變差。第三十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日

L1-L2之值容易測取，且P力和作用點無關，此法在實際中應用最廣。

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章

測切削力測中耕鏟阻力

第三十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日由材料力學知：（五）圓軸扭矩對剪應力和扭矩的測量①.圓軸扭矩時與軸線成450

的方向為主應力方向。

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章

②.兩互相垂直的主應力符號相反，絕對值相等：

③.主應力值等于最大剪應力

第三十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日

那么，在與軸線成450方向上貼一應變片，即可測得此處的應變ε，據(jù)廣義虎克定律。那么最大剪應力：

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9章

第四十頁，共七十五頁，2022年，8月28日扭應變

測扭矩，不能消除彎曲及拉（壓）影響，另設溫度補償。

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章

而扭矩抗扭截面系數(shù)第四十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日消除拉（壓）影響測扭矩，但不能消除彎曲影響，溫度互為補償。

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第四十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日

能消除拉（壓）及彎曲影響，僅測扭轉。溫度互為補償。

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章

——第四十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日三、在平面應力狀態(tài)下主應力的測定

（一）已知主應力方向

采用應變在測出某點三個方向的應變，可用公式計算其大小與方向。

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章

（二）主應力方向未知

第四十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日四、提高應變測量精確度的措施1）.選擇儀器、進行定度（標定）

可計算線性度、靈敏度、回程誤差（第二章.第二節(jié)）擬合直線等。

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章

第四十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日3）.減少讀數(shù)漂移

采用屏蔽線接地；工作片與補償片導線電阻相等。2）.消除導線電阻的影響一般測試系統(tǒng)的導線<10m，若超過10m應修正靈敏度（現(xiàn)場標定），或應變片靈敏度為：

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章

R——應變片電阻值R0——導線電阻

第四十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日4）.補償溫度影響1）.溫度自補償片

2）.電路補償其條件1）.補償片與工作片的參數(shù)一致；（sg—靈敏度系數(shù)α—溫度系數(shù)等）

2）.粘貼在同一試件上（線膨脹系數(shù)β一致則產生?R一致）；3）.在同一溫度環(huán)境下工作；

滿足以上3條件，則熱輸出一樣，所引起的?Rt接于相鄰臂則消除溫度的影響。

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章

方法第四十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日5）.減少貼片誤差；6）.應變片工作條件應與額定條件一致；7）.排除現(xiàn)場的電磁干擾。

如接地不良；導線間的靜電感應、互感、漏電等；附近的強磁場干擾等。

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第四十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日五、測點的選擇

1）.進行受力分析，找出危險截面與位置；2）.應力集中處可布點；

3）.均勻布置5~7個測點，尋找應力分布規(guī)律；

4）.利用結構與載荷的特點，減少測點數(shù)目（如對稱）；5）.在不受力處布點，來驗證、監(jiān)視測試過程。

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第四十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日

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第二節(jié)

力的測量第五十頁，共七十五頁，2022年，8月28日一、常用方法

通過測量在被測力作用下，其彈性元件的變形或應變來測得被測力。

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第五十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日

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二、彈性變形式的力傳感器

利用彈性元件的彈性變形和作用力成正比的現(xiàn)象。第五十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日

可簡化為P160圖7—1（即基座靜止，若基座運動，則是加速度計——圖7—2）。

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第五十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日

輸出電壓提高到2（1+μ）倍，能消除彎矩影響，溫度互為補償。

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（一）電阻應變片式力傳感器第五十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日

輸出電壓提高到4倍，能消除x、y方向的力，溫度互為補償。

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章

第五十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日

F作用在球面墊上→彈性元件2變形→鐵心相對線圈發(fā)生位移→由差動變壓器輸出的電信號測得F。（二）差動變壓器式力傳感器

作用力→壓電晶片→變形產生電荷（P191圖8—6）。（三）壓電式力傳感器

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第五十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日（四）壓磁式力傳感器

某些鐵磁材料（如硅鋼片），在受外力作用后，其內部產生了機械應力，從而引起導磁系數(shù)的變化，此種現(xiàn)象稱作“壓磁效應”，壓磁力傳感器就是利用壓磁效應工作的。

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章

第五十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日

傳感器的原邊繞組（勵磁繞組）和副邊繞組（測量繞組）互相垂直地安裝在導磁體中，原邊繞組通過交流電。當不受力時，原邊繞組的磁力線呈對稱分布，且不與副邊繞組相交鏈，此時副邊繞組不產生感應電勢（圖8—7.b）。

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第五十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日

當受力時，材料的導磁率發(fā)生變化，使磁力線分布發(fā)生變化，磁力線與副邊繞組相交鏈，在副邊繞組中感應電勢，電勢的大小正比于外力的大小，測得該感應電勢便知與之成比例的外力。

輸出電勢大，可不用放大器。

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第五十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日三、空間力系測量裝置

彈性梁測三分力

FZ力：

見P190圖8—3與此同原理

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第六十頁，共七十五頁，2022年，8月28日

注意：力的作用點不能偏離矩形梁的中心，以免形成彎矩。

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Fy、Fx力：見P190圖8—4，與此測法同理，只是截面為矩形。第六十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日八角環(huán)測三分力：圖8—9c)布片可測Fy、Fx；圖8—9d)與圖8—10可測Fy、Fx、FZ三分力。

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第六十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日

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撓性支承件的測力架第六十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日支承件與傳感器組成一體，1、2、3安裝在一較大三角形的頂點；4、5、6安裝在另一較小三角形的三條邊上，被測件固定在中心處。被測件所產生的力，將從安裝板通過6個傳感器和撓性支承件傳遞到剛性基座上。測力架可簡化為圖8—11c.P194的力系，據(jù)力傳感器的數(shù)據(jù)和安裝板的幾何尺寸，可用（8—8）公式計算各分力和力矩。

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安裝方法第六十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日

由三對不同切型的壓電晶片組成：一對為縱向壓電效應，測Z向力；另外2對具有橫向壓電效應，且方向互相垂直，分別測x和y向力。

該傳感器將作用力自動分解為互相垂直的三分力。

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壓電式三分力傳感器第六十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日

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第三節(jié)

扭矩的測量第六十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日一、原理：

1.

圓軸扭轉時，在扭矩M作用下，其表面的剪應力：

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W——抗扭截面模量

剪應變：

G——剪切彈性模量

第六十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日2.

相距L的兩個斷面之間產生相對扭矩轉角：

由上述公式可見，τ、γ或θ與扭矩M成正比，扭矩的測量則是通過這兩個參數(shù)的測量來達到目的。

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J——極慣性矩

第六十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日二、主要類型剪應力或剪應變式振弦式光電脈沖式磁電脈沖式

相對轉角式

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電阻應變式壓磁式相位差式第六十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日三、電阻應變式

在軸的某一點上沿軸線成450和1350的方向貼片（P196圖8—14）并接入電橋，從電橋的加減特性可知，應變儀的讀數(shù)就是剪應變值，再據(jù)標定曲線就可換算得扭矩值。

其信號傳輸可用電刷——滑環(huán)集流裝置（即集流環(huán)）；或用無線傳輸。

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章

第七十頁，共七十五頁，2022年，8月28日四、壓磁式（圖8—15）

利用鐵磁材料制成轉軸，受扭后應力導致磁阻變化的現(xiàn)象來測扭矩。