力的測試重點

力的測試重點第一頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第1頁，共21頁。力是物體之間的一種相互作用。力可以使物體產(chǎn)生變形，在物體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力；也可以改變物體的機械狀態(tài)，或改變物體所具有的動能和勢能。對力本身地?zé)o法進行測試的，因而對力的測試總是通過觀測物體受力后其形狀、運動狀態(tài)或所具有的能量的變化來實現(xiàn)的。第二頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第2頁，共21頁。3．2．1測力傳感器測力傳感器通常是位移型、加速度型或物性型。按其工作原理可分為彈性式、電阻應(yīng)變式、電感式、差動變壓器式、電容式、壓電式、壓阻式、壓磁式等。下面著重介紹幾種機械工程中常用的測力傳感器。（1）變式測力傳感器應(yīng)變式測力傳感器是由彈性元件、電阻應(yīng)變片和其它附加構(gòu)件所組成的。彈性元件可將力轉(zhuǎn)換成與其成比例的應(yīng)變，應(yīng)變片及相應(yīng)的測量電路則將這些中間機械量轉(zhuǎn)換成電量輸出。第三頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第3頁，共21頁。第四頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第4頁，共21頁。在利用靜電效應(yīng)測力的傳感器中，彈性元件是必不可少的，它也是傳感器的核心部分。彈性元件的結(jié)構(gòu)形式，可根據(jù)被測力的性質(zhì)和大小以及允許的安裝空間等因素設(shè)計成各種不同的形式。彈性元件的結(jié)構(gòu)形式一旦確定，整個測力傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用范圍也就基本確定了。常用的測力彈性元件有柱形、環(huán)形、懸臂梁形和剪切形等，如表3.3所示。柱形彈性元件的特點是結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、承載能力大。第五頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第5頁，共21頁。環(huán)形彈性元件的特點是結(jié)構(gòu)簡單、堅固、穩(wěn)定性好、自振頻率高、應(yīng)力分布變化大，可以選擇有利的部位粘貼變片，以得到較高的靈敏度。主要適用于中、小載荷的拉力和壓力測量。懸臂梁形彈性元件的特點是結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、應(yīng)變片粘貼容易且靈敏度較高。主要用于小載荷、高精度的拉力和壓力測量。剪切形彈性元件的特點是結(jié)構(gòu)簡單、線性好、測量精度高，而且抗偏心負載、抗側(cè)向力和抗過載能力強。第六頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第6頁，共21頁。（2）壓電式測力傳感器壓電式測力傳感器的工作原理是基于壓電效應(yīng)，它的敏感元件多采用石英晶體。對于測量已知確定方向上的力可以采用單向壓電式測力傳感器，如圖3.10所示為這種傳感器的結(jié)構(gòu)圖。在某些測量中，被測力的方向是未知的，在這種情況下，我們可以采用三向壓電式測力傳感器來確定被測力的三個垂直分量，從而確定被測力的大上和方向。圖3.11所示為三向壓電式測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。傳感器由三對不同切型的石英晶體所組成。第七頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第7頁，共21頁。中間一對具有縱向壓電式測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。傳感器由三對不同切型的石英晶體片所組成。中間一對具有縱向壓電效應(yīng)，可測得軸向力FZ，另外兩對具有切向壓電效應(yīng)，方向互為90°，可測得徑向力FZ和Fy。所以當(dāng)空間任意方向上的力作用于傳感器時，就可測得此力的三個垂直分力FZ、Fx和Fy。第八頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第8頁，共21頁。該類傳感器具有以下特點：①靜態(tài)特性好，即靈敏度高、靜剛度高、線性度好、回程誤差小。②動態(tài)特性好，即固有頻率高、工作頻帶寬、幅值相對誤差小、瞬態(tài)響應(yīng)時間短，適合于測量動態(tài)力和瞬態(tài)沖擊力。③穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、對溫度的敏感性小。由于以上特點，壓電式測力傳感器已發(fā)展成為動態(tài)力測試中常用的一種儀器，近年來在動態(tài)力測試中獲得廣泛應(yīng)用。第九頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第9頁，共21頁。（3）壓阻式測力傳感器壓阻式測力傳感器是在半導(dǎo)體應(yīng)變片的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體傳感器。結(jié)構(gòu)：在一塊硅晶體的表面，利用光刻、擴散等技術(shù)直接刻制出相當(dāng)于應(yīng)變片敏感柵的“壓阻敏感元件”，其擴散深度僅為幾微米，且具有很高的阻值（達數(shù)千歐以上）。原理：時由硅基體接受被測力，并傳給“壓阻敏感元件”，使其電阻值發(fā)生變化，配合適當(dāng)?shù)母郊咏Y(jié)構(gòu)作相應(yīng)的電路組合，則可構(gòu)成壓阻式測力傳感器。第十頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第10頁，共21頁。其輸出信號根據(jù)測量電路的不同可以是模擬電壓信號或數(shù)字頻率信號。還可以將測量電路直接集成在硅基體內(nèi)，構(gòu)成集成化、智能化的測力傳感器。特點：壓阻式測力傳感器有體積小、重量輕、靈敏度高、動態(tài)性能好、可靠性高、壽命長、橫向效應(yīng)小以及能在惡劣環(huán)境下工作等一系列優(yōu)點。第十一頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第11頁，共21頁。（4）差動（分）變壓器測力傳感器該傳感器采用一個薄壁圓筒1作為彈性元件，其上部固定有鐵心2，下部固定有線圈座5和感應(yīng)線圈4。被測力通過球面墊3作用于薄壁圓筒1上，使其產(chǎn)生變形，帶動鐵心在線圈中移動，兩者的相對位移量即反映了被測力的大小。第十二頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第12頁，共21頁。3．2．2應(yīng)用實例（切削力的測試）切削力是機械加工過程中的一個重要參量，對它的測量屬于多向動態(tài)力測試范疇。（1）電阻應(yīng)變式測力儀該測力儀是目前應(yīng)用較為廣泛的一種動態(tài)測力儀。其優(yōu)點是靈敏度高，可測試切削力的動態(tài)瞬時值；利用適當(dāng)?shù)牟计徒訕蚍绞娇梢栽谙嗷ジ蓴_極小的情況下分別測出各個切削分力。第十三頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第13頁，共21頁。車削切削力測試的電阻應(yīng)變式測力儀。它的核心部件是由整體鋼材加工而成的八角狀結(jié)構(gòu)彈性元件。該結(jié)核可有效避免接觸面間的摩擦和用螺釘夾持帶來的影響。原理：切削力測試時，將測力儀安裝在刀架上，而車刀安裝在測力儀的前端，車削時進給力Ff使八角環(huán)受到切向推力，背向力Fp使八角環(huán)受到壓縮，切削力Fc使八角環(huán)上面受拉伸下面壓縮。第十四頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第14頁，共21頁。八角環(huán)彈性元件實際是由圓環(huán)演變而來的。如圖3.14所示，當(dāng)在圓環(huán)上施加徑向力（背向力）Fp時，圓環(huán)上各處將產(chǎn)生不同的應(yīng)變。由分析可知，在水平中心線上與圓相交處應(yīng)變最大，而與作用力方向成39.6°處B點的應(yīng)變等于零，此處稱為應(yīng)變節(jié)點（圖3.14a）。此時，可在最大應(yīng)力處貼上四片應(yīng)變片R1、R3、圖3.14a所示，其中R1、R3受拉應(yīng)力，R2、R4受壓應(yīng)力。此外，還可在應(yīng)變節(jié)點處貼溫度補償片進行溫度補償。第十五頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第15頁，共21頁。八角環(huán)彈性元件實際是由圓環(huán)演變而來的，當(dāng)在圓環(huán)上施加徑向力（背向力）Fp時，圓環(huán)上各處將產(chǎn)生不同的應(yīng)變。由分析可知，在水平中心線上與圓相交處應(yīng)變最大，而與作用力方向成39.6°處B點的應(yīng)變等于零，此處稱為應(yīng)變節(jié)點（圖3.14a）。此時，可在最大應(yīng)力處貼上四片應(yīng)變片R1、R3、圖a所示，其中R1、R3受拉應(yīng)力，R2、R4受壓應(yīng)力。此外，還可在應(yīng)變節(jié)點處貼溫度補償片進行溫度補償。第十六頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第16頁，共21頁。當(dāng)圓環(huán)下端固定，上端受到切向力（進給力）Ff作用時（b），此時應(yīng)變節(jié)點處于與著力點成90°的A、A〃位置。若將四片應(yīng)變片R5、R6、R7、R8貼于如圖3.14b所示部位（39.6°處），則此時R5、R7受拉應(yīng)力R6、R8受壓應(yīng)力。在圓環(huán)同時受Ff、Fp作用時，將應(yīng)變片R1～R4、R5～R8貼于如圖3.14c所示部位，組成如圖3.14e和3.14f所示的電橋，就可互不干擾地測出Ff和Fp。第十七頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第17頁，共21頁。在實際應(yīng)用中，由于圓環(huán)不易固定夾緊，且剛性較差，故常和八角環(huán)代替圓環(huán)。八角環(huán)的應(yīng)變節(jié)點位置隨環(huán)的厚度與半徑的比值的不同而異。當(dāng)在徑向力作用下，比值較小時，應(yīng)變節(jié)點在39.6°處，隨著比值的增大此角度也隨之增大。當(dāng)比值為0.4時，應(yīng)變節(jié)點在45°的位置。測力儀在受切削力Fc作用時，其八角環(huán)受力較為復(fù)雜，既受到垂直向下的壓力，又受到由于切削力Fc引起的彎矩Mc的作用（圖3.14d）。Fc與各應(yīng)變片軸向垂直，不產(chǎn)生影響。Mc卻使八角環(huán)上部受拉應(yīng)力，下部受壓應(yīng)力。因此，將應(yīng)變片R9、R10、R11、R12組成如圖3.14g所示電橋就可測出切削力Fc。這樣，通過八角環(huán)測力儀上不同位置粘貼的各組應(yīng)變片，組成三個全橋電路（圖3.14e、f、g）接入應(yīng)變儀所構(gòu)成的測試系統(tǒng)，就可以分別測出車削時切削力的三個分力Ff、Fp、Fc。第十八頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第18頁，共21頁。（2）壓電式車削測力儀在壓電式動態(tài)車削測力儀中，采用了一臺三向壓電式測力傳感器（圖3.11）。利用傳感器中間一對具有縱向壓電效應(yīng)的石英晶體片，可測切削力Fc，另外兩對具有橫向壓電效應(yīng)的石英晶體片，可測進給力Ff和背向力Fp。所以當(dāng)?shù)扼w上的力作用于傳感器上時，便可自動地測出其本個相互垂直的分力。傳感器的輸出電荷可經(jīng)二次儀表放大、顯示和記錄。第十九頁，編輯于星期六：十三點三十四分。第19頁，共21頁。壓電式車削測力儀中傳感器的安裝位置（即支承點）的合理選擇對提高測力儀系統(tǒng)的剛度、靈敏度和降低橫向干擾有著重要作用。傳