力的測(cè)量方法

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。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，這是力的“動(dòng)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(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。.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。機(jī)械式力平衡裝置圖3-20給出了兩種機(jī)械式力平衡裝置。圖1(a)為梁式天平，通過調(diào)整砝碼使指針歸零，將被測(cè)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(cè)力Fi的大小。這種方法需逐級(jí)加砝碼，測(cè)量精度取決于砝碼分級(jí)的密度和砝碼等級(jí)。圖1(b)為機(jī)械杠桿式力平衡裝置，可轉(zhuǎn)動(dòng)的杠桿支撐在支點(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(cè)力Fi；杠桿右端是質(zhì)量m已知的可滑動(dòng)砝碼G；另在杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心上安裝有歸零指針。測(cè)量時(shí)，調(diào)整砝碼的位置使之與被測(cè)力平衡。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，則有式中，a、b分別為被測(cè)力Fi和砝碼G的力臂；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?。同天平I功硼糊同天平I功硼糊也胖邛con,圖1機(jī)械式力平衡裝置（1）可見，被測(cè)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(cè)力計(jì)機(jī)構(gòu)簡單，常用于材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力系統(tǒng)中。上述測(cè)力方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，可獲得很高的測(cè)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(cè)量。（2）磁電式力平衡裝置圖2所示為一種磁電式力平衡測(cè)力系統(tǒng)。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)。無外力作用時(shí)，系統(tǒng)處于初始平衡位置，光線全部被遮住，光敏元件無電流輸出，力矩線圈不產(chǎn)生力矩。當(dāng)被測(cè)力Fi作用在杠桿上時(shí)，杠桿發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光線通過窗口打開的相應(yīng)縫隙，照射到光敏元件上，光敏元件輸出與光照成比例的電信號(hào)，經(jīng)放大后加到力矩線圈上與磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁力矩，用來平衡被測(cè)力Fi與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量m的重力力矩之差，使杠桿重新處于平衡。此時(shí)杠桿轉(zhuǎn)角與被測(cè)力Fi成正比，而放大器輸出電信號(hào)在采樣電阻R上的電壓降U0與被測(cè)力Fi成比例，從而可測(cè)出力Fi。圖2磁電式力平衡測(cè)力系統(tǒng)與機(jī)械杠桿式測(cè)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(hào)易于記錄且便于遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制。（3）液壓和氣壓式測(cè)力系統(tǒng)圖3（a）給出了液壓活塞式測(cè)力系統(tǒng)的原理。浮動(dòng)活塞由膜片密封，液壓系統(tǒng)內(nèi)部空腔充滿油，且通常加有一預(yù)載壓力。當(dāng)被測(cè)力F，作用在活塞上時(shí)，引起油壓變化△?，其值可由指示儀表讀出，也可采用壓力傳感器將讀數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這樣根據(jù)力平衡條件Fi=^p.S（S是活塞等效截面積），就可以通過測(cè)量油的壓力來測(cè)量力。液壓式測(cè)力系統(tǒng)具有很高的剛度，測(cè)量范圍很大，可達(dá)幾十兆牛，精度可達(dá)0.1%，配置動(dòng)態(tài)特性好的壓力傳感器也可以用于測(cè)量動(dòng)態(tài)力。L4J-向血肆切釧5〕聞境康gm-隊(duì)海圖3液壓和氣壓式測(cè)力系統(tǒng)圖3(b)是氣壓式測(cè)力系統(tǒng)原理。它是一種閉環(huán)測(cè)力系統(tǒng)。其中噴嘴擋板機(jī)構(gòu)用在伺服回路中作高增益放大器。當(dāng)被測(cè)力Fi加到膜片上時(shí)，膜片帶動(dòng)擋板向下移動(dòng)x，使噴嘴截面積減小，氣體壓力P0增高。壓力P0作用在膜片面積S上產(chǎn)生一個(gè)等效集中力Fp，F(xiàn)p力圖使膜片返回到初始位置。當(dāng)Fi=Fp時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。此時(shí)，氣體壓力P0與被測(cè)力F0的關(guān)系為(再-業(yè)■對(duì)、心=孔(2)式中，Kd托為膜片柔度(m/N)；Kn為噴嘴擋板機(jī)構(gòu)的增益(N/m3)。由上式可得口=再“皿廣￡(3)Kd實(shí)際上并非嚴(yán)格為常數(shù)，但由于乘積Kd-Kd>>S，這樣0也滬與S相比便可忽略不計(jì)，于是式（3）變?yōu)?（4）即被測(cè)力Fi與P0成線性關(guān)系。.測(cè)位移法在力作用下，彈性元件會(huì)產(chǎn)生變形。測(cè)位移法就是通過測(cè)量未知力所引起的位移，從而間接地測(cè)得未知力值。圖4所示是電容傳感器與彈性元件組成的測(cè)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(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。通常采用調(diào)頻或調(diào)相電路來測(cè)量電容。這種測(cè)力裝置可用于大型電子吊秤。圖5為兩種常用的由差動(dòng)變壓器與彈性元件構(gòu)成的測(cè)方裝置。彈性元件受力產(chǎn)生位移，帶動(dòng)差動(dòng)變壓器的鐵心運(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。圖5（a）是差動(dòng)變壓器與彈簧組合構(gòu)成的測(cè)力裝置；圖5（b）為差動(dòng)變壓器與筒形彈性元件組成的測(cè)力裝置。

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