力的测试重点.ppt

32力的测试,力是物体之间的一种相互作用。力可以使物体产生变形，在物体内产生应力；也可以改变物体的机械状态，或改变物体所具有的动能和势能。对力本身地无法进行测试的，因而对力的测试总是通过观测物体受力后其形状、运动状态或所具有的能量的变化来实现的。,321测力传感器,测力传感器通常是位移型、加速度型或物性型。按其工作原理可分为弹性式、电阻应变式、电感式、差动变压器式、电容式、压电式、压阻式、压磁式等。下面着重介绍几种机械工程中常用的测力传感器。（1）变式测力传感器应变式测力传感器是由弹性元件、电阻应变片和其它附加构件所组成的。弹性元件可将力转换成与其成比例的应变，应变片及相应的测量电路则将这些中间机械量转换成电量输出。,在利用静电效应测力的传感器中，弹性元件是必不可少的，它也是传感器的核心部分。弹性元件的结构形式，可根据被测力的性质和大小以及允许的安装空间等因素设计成各种不同的形式。弹性元件的结构形式一旦确定，整个测力传感器的结构和应用范围也就基本确定了。常用的测力弹性元件有柱形、环形、悬臂梁形和剪切形等，如表3.3所示。柱形弹性元件的特点是结构结构简单、紧凑、承载能力大。,环形弹性元件的特点是结构简单、坚固、稳定性好、自振频率高、应力分布变化大，可以选择有利的部位粘贴变片，以得到较高的灵敏度。主要适用于中、小载荷的拉力和压力测量。悬臂梁形弹性元件的特点是结构简单、加工方便、应变片粘贴容易且灵敏度较高。主要用于小载荷、高精度的拉力和压力测量。剪切形弹性元件的特点是结构简单、线性好、测量精度高，而且抗偏心负载、抗侧向力和抗过载能力强。,（2）压电式测力传感器压电式测力传感器的工作原理是基于压电效应，它的敏感元件多采用石英晶体。对于测量已知确定方向上的力可以采用单向压电式测力传感器，如图3.10所示为这种传感器的结构图。在某些测量中，被测力的方向是未知的，在这种情况下，我们可以采用三向压电式测力传感器来确定被测力的三个垂直分量，从而确定被测力的大上和方向。图3.11所示为三向压电式测力传感器的结构图。传感器由三对不同切型的石英晶体所组成。,中间一对具有纵向压电式测力传感器的结构图。传感器由三对不同切型的石英晶体片所组成。中间一对具有纵向压电效应，可测得轴向力FZ，另外两对具有切向压电效应，方向互为90，可测得径向力FZ和Fy。所以当空间任意方向上的力作用于传感器时，就可测得此力的三个垂直分力FZ、Fx和Fy。,该类传感器具有以下特点：静态特性好，即灵敏度高、静刚度高、线性度好、回程误差小。动态特性好，即固有频率高、工作频带宽、幅值相对误差小、瞬态响应时间短，适合于测量动态力和瞬态冲击力。稳定性好、抗干扰能力强、对温度的敏感性小。由于以上特点，压电式测力传感器已发展成为动态力测试中常用的一种仪器，近年来在动态力测试中获得广泛应用。,（3）压阻式测力传感器压阻式测力传感器是在半导体应变片的基础上发展起来的新型半导体传感器。结构：在一块硅晶体的表面，利用光刻、扩散等技术直接刻制出相当于应变片敏感栅的“压阻敏感元件”，其扩散深度仅为几微米，且具有很高的阻值（达数千欧以上）。原理：时由硅基体接受被测力，并传给“压阻敏感元件”，使其电阻值发生变化，配合适当的附加结构作相应的电路组合，则可构成压阻式测力传感器。,其输出信号根据测量电路的不同可以是模拟电压信号或数字频率信号。还可以将测量电路直接集成在硅基体内，构成集成化、智能化的测力传感器。特点：压阻式测力传感器有体积小、重量轻、灵敏度高、动态性能好、可靠性高、寿命长、横向效应小以及能在恶劣环境下工作等一系列优点。,（4）差动（分）变压器测力传感器该传感器采用一个薄壁圆筒1作为弹性元件，其上部固定有铁心2，下部固定有线圈座5和感应线圈4。被测力通过球面垫3作用于薄壁圆筒1上，使其产生变形，带动铁心在线圈中移动，两者的相对位移量即反映了被测力的大小。,322应用实例（切削力的测试）,切削力是机械加工过程中的一个重要参量，对它的测量属于多向动态力测试范畴。（1）电阻应变式测力仪该测力仪是目前应用较为广泛的一种动态测力仪。其优点是灵敏度高，可测试切削力的动态瞬时值；利用适当的布片和接桥方式可以在相互干扰极小的情况下分别测出各个切削分力。,车削切削力测试的电阻应变式测力仪。它的核心部件是由整体钢材加工而成的八角状结构弹性元件。该结核可有效避免接触面间的摩擦和用螺钉夹持带来的影响。原理：切削力测试时，将测力仪安装在刀架上，而车刀安装在测力仪的前端，车削时进给力Ff使八角环受到切向推力，背向力Fp使八角环受到压缩，切削力Fc使八角环上面受拉伸下面压缩。,八角环弹性元件实际是由圆环演变而来的。如图3.14所示，当在圆环上施加径向力（背向力）Fp时，圆环上各处将产生不同的应变。由分析可知，在水平中心线上与圆相交处应变最大，而与作用力方向成39.6处B点的应变等于零，此处称为应变节点（图3.14a）。此时，可在最大应力处贴上四片应变片R1、R3、图3.14a所示，其中R1、R3受拉应力，R2、R4受压应力。此外，还可在应变节点处贴温度补偿片进行温度补偿。,八角环弹性元件实际是由圆环演变而来的，当在圆环上施加径向力（背向力）Fp时，圆环上各处将产生不同的应变。由分析可知，在水平中心线上与圆相交处应变最大，而与作用力方向成39.6处B点的应变等于零，此处称为应变节点（图3.14a）。此时，可在最大应力处贴上四片应变片R1、R3、图a所示，其中R1、R3受拉应力，R2、R4受压应力。此外，还可在应变节点处贴温度补偿片进行温度补偿。,当圆环下端固定，上端受到切向力（进给力）Ff作用时（b），此时应变节点处于与着力点成90的A、A位置。若将四片应变片R5、R6、R7、R8贴于如图3.14b所示部位（39.6处），则此时R5、R7受拉应力R6、R8受压应力。在圆环同时受Ff、Fp作用时，将应变片R1R4、R5R8贴于如图3.14c所示部位，组成如图3.14e和3.14f所示的电桥，就可互不干扰地测出Ff和Fp。,在实际应用中，由于圆环不易固定夹紧，且刚性较差，故常和八角环代替圆环。八角环的应变节点位置随环的厚度与半径的比值的不同而异。当在径向力作用下，比值较小时，应变节点在39.6处，随着比值的增大此角度也随之增大。当比值为0.4时，应变节点在45的位置。测力仪在受切削力Fc作用时，其八角环受力较为复杂，既受到垂直向下的压力，又受到由于切削力Fc引起的弯矩Mc的作用（图3.14d）。Fc与各应变片轴向垂直，不产生影响。Mc却使八角环上部受拉应力，下部受压应力。因此，将应变片R9、R10、R11、R12组成如图3.14g所示电桥就可测出切削力Fc。这样，通过八角环测力仪上不同位置粘贴的各组应变片，组成三个全桥电路（图3.14e、f、g）接入应变仪所构成的测试系统，就可以分别测出车削时切削力的三个分力Ff、Fp、Fc。,（2）压电式车削测力仪,在压电式动态车削测力仪中，采用了一台三向压电式测力传感器（图3.11）。利用传感器中间一对具有纵向压电效应的石英晶体片，可测切削力Fc，另外两对具有横向压电效应的石英晶体片，可测进给力Ff和背向力Fp。所以当刀体上的力作用于传感器上时，便可自动地测出其本个相互垂直的分力。传感器的输出电荷可经二次仪表放大、显示和记录。,压电式车削测力仪中传感器的安装位置（即支承点