力扭矩壓力的測量

力扭矩壓力的測量第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日6.1應(yīng)力應(yīng)變的測量應(yīng)變、應(yīng)力、力之間存在函數(shù)關(guān)系常用敏感元件為電阻應(yīng)變片，測量應(yīng)變，輸出電壓通過標定可計算出應(yīng)力、力與電壓之間的關(guān)系第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日6.1應(yīng)力應(yīng)變的測量測量應(yīng)變需用電阻應(yīng)變儀：1、功能：調(diào)幅放大、解調(diào)、濾波等2、可接由電阻、電容和電感組成的電橋3、分類：靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（200Hz以下）動態(tài)電阻應(yīng)變儀（0-2kHz）超動態(tài)電阻應(yīng)變儀（0-20kHz）4、應(yīng)變儀的電橋特性與電橋的和差特性相似第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日6.1應(yīng)力應(yīng)變的測量應(yīng)變片的布置與橋接方式基本原則：選擇主應(yīng)力最大部位貼片充分利用電橋和差特性進行補償，并保證靈敏度和線性度是貼片位置應(yīng)變與外載荷成線性關(guān)系第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日6.1應(yīng)力應(yīng)變的測量應(yīng)變片的布置與橋接方式基本原則：選擇主應(yīng)力最大部位貼片，同時考慮應(yīng)力狀態(tài)主應(yīng)力方向不定，可采用花片（報告）充分利用電橋和差特性進行補償，并保證靈敏度和線性度是貼片位置應(yīng)變與外載荷成線性關(guān)系詳細講解表9-2第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日常用的力測量方法是用應(yīng)變片和應(yīng)變儀測量構(gòu)件的表面應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)變和應(yīng)力、力之間的關(guān)系，確定構(gòu)件的受力狀態(tài)。應(yīng)變儀采用交流電橋時，輸出特性與直流電橋(直流電橋的輸出特性)類似。應(yīng)變片的布置和電橋組接(布片組橋)應(yīng)根據(jù)被測量和被測對象受力分布來確定。還應(yīng)利用適當?shù)牟计M橋方式消除溫度變化和復合載荷作用的影響。6.1應(yīng)力應(yīng)變的測量第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日測量拉伸(壓縮)布片組橋方式測量拉伸(壓縮)應(yīng)變時要采用適當?shù)牟计M橋方式，以便達到：溫度補償(測軸向拉(壓)時的溫度補償)消除彎矩影響(用雙工作片消除彎矩的影響)提高測量靈敏度(用四工作片提高測量的靈敏度)的目的。常用應(yīng)力測量的布片和組橋方式:

第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日溫度補償沿構(gòu)件表面的軸線方向貼工作片R1，在溫度補償板上貼補償片Rt，組成半橋即可測得軸向應(yīng)變e。電橋的輸出為溫度補償滿足條件：補償板和試件的材料相同；工作片、補償片完全相同，放在完全相同溫度場中，接在相臨橋臂。

圖中沿軸向貼一片應(yīng)變片,沿橫向貼另一片,為工作片補償法。第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日在拉(壓)應(yīng)變測量中消除彎矩的影響用對稱雙工作片測軸向拉(壓)應(yīng)變。工作片在上、下表面對稱粘貼，由加減特性可知，這樣可消除因加載偏心而造成的附加彎矩。其中全橋接法的輸出是半橋接法的二倍。第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日用多工作片提高應(yīng)變測量的靈敏度左圖(用四工作片測拉(壓)應(yīng)變)中，布片時省去了溫度補償板。這種方法可得到最大輸出應(yīng)變值，即也可以消除因加載偏心而造成的附加彎矩。

第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日6.1應(yīng)力應(yīng)變的測量應(yīng)變片的選擇：1、試件測試要求：精度、應(yīng)變均勻性等2、試件工況：高溫、高濕3、應(yīng)變片的粘貼：錄像第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日6.1力的測量測量方法可歸納為利用力的靜力效應(yīng)和動力效應(yīng)兩種。靜力效應(yīng)測力

力的靜力效應(yīng)使物體產(chǎn)生變形，通過測定物體的變形量或用與內(nèi)部應(yīng)力相對應(yīng)參量的物理效應(yīng)來確定力值。如可用差動變壓器、激光干涉等方法測定彈性體變形達到測力的目的；也可利用與力有關(guān)的物理效應(yīng)如壓電效應(yīng)、壓磁效應(yīng)等。動力效應(yīng)測力

力的動力效應(yīng)使物體產(chǎn)生加速度，測定了物體的質(zhì)量及所獲得的加速度大小就測定了力值。在重力場中地球的引力使物體產(chǎn)生重力加速度，因而可以用已知質(zhì)量的物體在重力場某處的重力來體現(xiàn)力值。例如基準測力機等。

第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日6.1.2電阻應(yīng)變式測力裝置測量力時可以直接在被測對象上布片組橋，也可以在彈性元件上布片組橋，使力通過彈性元件傳到應(yīng)變片。常用的彈性元件有柱式、梁式、環(huán)式、輪輻等多種形式。第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日柱式彈性元件通過柱式彈性元件表面的拉(壓)變形測力。應(yīng)變片的粘貼和電橋的連接應(yīng)盡可能消除偏心和彎矩的影響，一般將應(yīng)變片對稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面中部。柱式力傳感器可以測量0.1~3000噸的載荷，常用于大型軋鋼設(shè)備的軋制力測量。第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日梁式彈性元件

類型有等截面梁、等強度梁和雙端固定梁等，通過梁的彎曲變形測力，結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度較高。等截面梁式彈性元件等截面梁式彈性元件為一端固定的懸臂梁，當力作用在自由端時，剛性端截面的應(yīng)力最大，而自由端撓度最大，在距受力點為l0的上下表面，沿l向貼電阻應(yīng)變片R1，R2和R3，R4。粘貼應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)榈?5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日等強度梁(等強度梁式力傳感器)，梁厚為h，梁長為l，固定端寬為b0，自由端寬為b。梁的截面成等腰三角形，集中力F作用在三角形頂點。梁內(nèi)各橫截面產(chǎn)生的應(yīng)力是相等的，表面上任意位置的應(yīng)變也相等，因此稱為等強度梁，其應(yīng)變?yōu)橛昧菏綇椥栽谱鞯牧鞲衅鬟m于測量5,000N以下的載荷，最小可測幾克重的力。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，靈敏度高，常用于小壓力測量中。第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日雙端固定梁

雙端固定梁的二端都固定，中間加載荷F，梁寬為b，梁厚為h，梁長為l，應(yīng)變片粘貼在中間位置，則梁的應(yīng)變?yōu)檫@種梁的結(jié)構(gòu)在相同力F的作用下產(chǎn)生的撓度比懸臂梁小。第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日環(huán)式彈性元件

分為圓環(huán)式和八角環(huán)式。它也是通過元件的彎曲變形測力，結(jié)構(gòu)較緊湊。實際應(yīng)用如切削測力儀。圓環(huán)式在圓環(huán)上施加徑向力Fy時，圓環(huán)各處的應(yīng)變不同，與作用力成39.6°處(圖中B點)應(yīng)變等于零。在水平中心線上則有最大的應(yīng)變R為圓環(huán)外徑，h為圓環(huán)壁厚，b為圓環(huán)寬度第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日圓環(huán)式和八角環(huán)式將應(yīng)變片貼在1、2、3和4處，1、3處受拉；2、4處受壓。如果圓環(huán)一側(cè)固定，另一側(cè)受切向力Fx時，與受力點成90°處(A點)應(yīng)變等于零。將應(yīng)變片貼在與垂直中心線成39.6°的5、6、7、8處，則5、7處受拉，6、8處受壓。這樣，當圓環(huán)上同時作用著Fx和Fy時，將1～4處和5～8處的應(yīng)變片分別組成電橋，就可以互不干擾地測力Fx和Fy。第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日八角環(huán)式圓環(huán)方式不易加緊固定,實際上常用八角環(huán)代替,如圖所示。八角環(huán)厚度為h,平均半徑為r。當h/r較小時,零應(yīng)變點在39.6°附近。當h/r=0.4時，零應(yīng)變點在45°處，故一般八角環(huán)測力Fx時，應(yīng)變片貼在45°處。第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日切削測力儀當測力儀受進給抗力Fx作用，則應(yīng)變片R5、R7受拉應(yīng)力，R6、R8受壓應(yīng)力。當圓環(huán)同時受Fy、Fx作用時，把應(yīng)變片R1～R4，R5～R8組成如圖所示的電橋，就可互不干擾地分別測得Fy和Fx。當測力儀受主切削力Fz的作用時，其八角環(huán)既受到垂直向下的力，又受到由于Fz引起的彎矩Mz的作用。力Fz與各應(yīng)變片軸向垂直不起作用，Mz使測力儀上部環(huán)受拉應(yīng)力，下部環(huán)受壓應(yīng)力，因此將應(yīng)變片組成如圖所示電橋就可測出Fz。第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日6.1.3其它測力傳感器電容式力傳感器在矩形的特殊彈性元件上，加工若干個貫通的圓孔，每個圓孔內(nèi)固定兩個端面平行的丁字形電極，每個電極上貼有銅箔，構(gòu)成由多個平行板電容器并聯(lián)組成的測量電路。在力F作用下，彈性元件變形使極板間矩發(fā)生變化，從而改變電容量。

第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日壓電式力傳感器

前面章節(jié)介紹過壓電式傳感器的原理和壓電式振動加速度傳感器，測力傳感器的結(jié)構(gòu)類似。其特點是體積小，動態(tài)響應(yīng)快，但是也存在電荷泄漏，不適宜靜態(tài)力的測量。使用中應(yīng)防止承受橫向力和施加予緊力。第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日某些鐵磁材料受到外力作用時，引起導磁率變化現(xiàn)象，稱作壓磁效應(yīng)，其逆效應(yīng)稱作磁致伸縮效應(yīng)。硅鋼受壓縮時其導磁率沿應(yīng)力方向下降，而沿應(yīng)力的垂向增加；在受拉伸時，導磁率變化正好相反。壓磁式測力裝置第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日在硅鋼疊片上開4個對稱的通孔，孔中分別繞互相垂直的兩個線圈，一個線圈為勵磁繞組，另一個為測量繞組。無外力作用時，磁力線不和測量繞組交鏈，測量繞組不產(chǎn)生感應(yīng)電勢。當受外力作用時，磁力線分布發(fā)生變化，部份磁力線和測量繞組交鏈，并在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，且作用力愈大，感應(yīng)電勢愈大。硅鋼材料受力面加大后，可測量數(shù)千噸的力，且輸出電勢較大，無需放大處理。常用于大型軋鋼機的軋制力測量。壓磁式測力裝置第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日差動變壓器式測力傳感器

差動變壓器式力傳感器的彈性元件是簿壁圓筒，在外力作用下，變形使差動變壓器的鐵芯介質(zhì)微位移，變壓器次極產(chǎn)生相應(yīng)電信號。其特點是工作溫度范圍較寬,為了減小橫向力或偏心力的影響，傳感器的高徑比應(yīng)較小。第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日彎矩測量當試件受到彎矩作用時，其上、下表面會分別產(chǎn)生拉應(yīng)變或壓應(yīng)變。可通過應(yīng)變測量求得彎矩，布片接橋時要注意利用電橋特性，在輸出中保留彎應(yīng)變的影響，消除軸向拉、壓力產(chǎn)生的應(yīng)變成分。第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日6.2扭矩的測量以

測量轉(zhuǎn)軸應(yīng)變測量轉(zhuǎn)軸兩橫截面相對扭轉(zhuǎn)角的方法最常用

第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日6.2.1應(yīng)變式扭矩測量當受扭矩作用時，軸表面有最大剪應(yīng)力tmax。軸表面為純剪應(yīng)力狀態(tài)，與軸線成45°的方向上有最大正應(yīng)力s1和s2，其值為s1=s2=tmax。相應(yīng)的變形為e1和e2，當測得應(yīng)變后，便可算出tmax。測量時應(yīng)變片沿與軸線成45°的方向粘貼。

若測得沿45°方向的應(yīng)變e1，則相應(yīng)的剪應(yīng)變?yōu)榈?9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日6.2.1應(yīng)變式扭矩測量于是，軸的扭矩為對于實心圓軸Wn=pD3/16測扭時，電阻應(yīng)變計須沿主應(yīng)變e1及e2的方向(與軸線成45°及135°夾角)。應(yīng)變計的布置及組橋方式應(yīng)考慮靈敏度、溫度補償及抵消拉、壓及彎曲等非測量因素干擾的要求。第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日測量扭矩時應(yīng)變片的布置和組橋方式(a)

雙片集中軸向?qū)ΨQ(橫八字)布置，應(yīng)變片R1及R2互相垂直，組成半橋的相鄰兩臂。貼片及引線較為簡單，但不能完全抵消橫向剪力影響。(b)

雙集中徑向?qū)ΨQ(豎八字)布置，與(a)之不同之處僅在于R1及R2處于同一截面周邊的鄰近兩個點上，其適用條件同(a)。第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日測量扭矩時應(yīng)變片的布置和組橋方式(c)

四片徑端對稱的雙橫八字布置，互相垂直的兩個應(yīng)變片的中心共線，四片可組成半橋或全橋。組成全橋時，輸出靈敏度為(a)的二倍。無論組成半橋或全橋皆可抵消拉(壓)及彎曲的影響及橫向剪力。第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日測量扭矩時應(yīng)變片的布置和組橋方式(d)

四片徑端對稱的雙豎八字布置，可視為(b)的復合。應(yīng)變片分別處于同一截面同一直徑兩個端點的鄰近部位，在軸體表面展開圖中四個敏感柵的中心共線。(e)

四片均布的雙豎八字布置，與(d)的區(qū)別僅在于四片圓周均布。(d)與(e)可組成全橋或半橋方式，其靈敏度及抵抗非測力因素的性能同(c)。第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日6.2.2扭矩測量信號的傳輸

扭矩測量的集電裝置

旋轉(zhuǎn)件的應(yīng)變測量，要解決信號傳送的問題。粘貼在旋轉(zhuǎn)件上的應(yīng)變片和電橋?qū)Ь€隨旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動，而應(yīng)變儀等測量記錄儀器是固定的。除采用遙測方式以外，需要有集電裝置。無線傳輸方式

分為電波收發(fā)方式和光電脈沖傳輸方式，這兩種方式取消了中間接觸環(huán)節(jié)。電波收發(fā)方式測量系統(tǒng)要求可靠的發(fā)射、接收和遙測裝置，且其信號容易受到干擾(數(shù)字化后傳輸可解決)；光電脈沖測量抗干擾能力較強，將測試數(shù)據(jù)數(shù)字化后以光信號的形式從轉(zhuǎn)動的測量盤傳送到固定的接收器上，然后經(jīng)解碼器后還原為所需的信號。第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日

6.2.3其它扭矩測量方法

壓磁式扭矩傳感器

磁電感應(yīng)式扭矩傳感器光電式扭矩傳感器第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日壓磁式扭矩傳感器

鐵磁材料的轉(zhuǎn)軸受扭矩作用時，導磁率發(fā)生變化。壓磁式扭矩傳感器中鐵芯的開口端與轉(zhuǎn)軸表面保持1-2mm空隙，當A-A線圈通入交流電，形成過轉(zhuǎn)軸的交變磁場。當轉(zhuǎn)軸不受扭矩時，磁力線和B-B線圈不交鏈；轉(zhuǎn)軸受扭矩作用時，轉(zhuǎn)軸材料導磁率變化，沿正應(yīng)力方向磁阻減小，沿負應(yīng)力方向磁阻增大，從而使磁力線分布改變，使部分磁力線與B-B線圈交鏈，在B-B線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢。第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日壓磁式扭矩傳感器

磁電感應(yīng)式扭矩傳感器中，在轉(zhuǎn)軸上固定兩個齒輪1和2，它們的材質(zhì)、尺寸、齒形和齒數(shù)均相同。永久磁鐵和線圈組成的磁電式檢測頭3和4對著齒頂安裝。當轉(zhuǎn)軸不受扭矩時，兩線圈輸出信號相同，相位差為零。轉(zhuǎn)軸承受扭矩后，相位差不為零，且隨兩齒輪所在橫截面之間相對扭轉(zhuǎn)角的增加而加大，其大小與相對扭轉(zhuǎn)角、扭矩成正比。

第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日光電式扭矩傳感器光電式扭矩傳感器在轉(zhuǎn)軸4上固定兩只圓盤光柵3，在不承受扭矩時，兩光柵的明暗區(qū)正好互相遮擋，光源1的光線沒有透過光柵照射到光敏元件2，無輸出信號。當轉(zhuǎn)軸受扭矩后，轉(zhuǎn)軸變形將使兩光柵出現(xiàn)相對轉(zhuǎn)角，部份光線透過光柵照射到光敏元件上產(chǎn)生輸出信號。扭矩愈大，扭轉(zhuǎn)角愈大，穿過光柵的光通量愈大，輸出信號愈大，從而可實現(xiàn)扭矩測量。通過兩光柵之間相對扭轉(zhuǎn)角來測量扭矩。

第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日6.3壓力的測量

6.3.1壓力測量的彈性元件壓力測量彈性元件通常有波登管、膜片、波紋管等。在流體壓力作用下，彈性元件產(chǎn)生應(yīng)變，其應(yīng)變可以由應(yīng)變片或微位移傳感器及相應(yīng)測量電路轉(zhuǎn)換成電信號輸出，有時也可通過杠桿或齒輪副把應(yīng)變轉(zhuǎn)化成指針偏轉(zhuǎn)角來表示被測壓力的大小。第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日彈性元件的結(jié)構(gòu)形式及輸出特性第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日波登管

波登管，是橫截面為空心橢圓形或扁圓形的金屬管。當管的固定端通入有一定壓力的流體時，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，這種變形導致波登管封閉的自由端產(chǎn)生線位移或角位移。aC型波登管b螺旋型波登管c扭轉(zhuǎn)型波登管第41頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日6.3.2壓力測量裝置

應(yīng)變式壓力傳感器膜片應(yīng)變式壓力傳感器的主要元件是采用擴散工藝制成的含有半導體應(yīng)變片的特殊膜片，利用