第8章力、力矩和压力

1、第8章力、力矩和压力 第八章第八章 力、力矩和压力的测量力、力矩和压力的测量 本章要点本章要点: 1. 力值测量和称重的量值传递、典型方法、力值测量和称重的量值传递、典型方法、 异同点；动态称重的方法异同点；动态称重的方法； 2. 力矩测量系统的设计方法；力矩测量系统的设计方法； 3. 典型压力测量系统和量值传递。典型压力测量系统和量值传递。 第8章力、力矩和压力 第一节 概 述 1. 力测量的意义 力是最重要的物理量之一，力学是国家一级学科； 各种机械运动的实质都是力和力矩的传递过程； 力和力矩的测量是设计和改进机械运动的重要手段； 流体对各种承载面的压力测量应用十分广泛。 2. 力的概念：

2、力是物体之间的相互作用。有 “动力效应” 和 “静力效应” 。力值的计量单位是“牛顿”，N 3. 力矩的概念：力矩是力和力臂的乘积。也称转矩或扭矩 。 法定计量单位为“牛顿米”，Nm 4. 压力的概念 ：垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物 理学中常称的压强。工程上，习惯把压强称为压力。计量 单位是“帕斯卡”，Pa=1N/m2 第8章力、力矩和压力 压力测量的常用术语及意义 大气压力：简称气压，是由地球表面空气质量所形成的压力称大气压力：简称气压，是由地球表面空气质量所形成的压力称 为大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件为大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件 而变化。温度而变化。

3、温度0C，纬度，纬度45海平面上，重力加速度海平面上，重力加速度 为为9.80665m/s2时的压力定义为一个标准大气压。时的压力定义为一个标准大气压。 绝对压力：相对绝对真空所测的压力。绝对压力：相对绝对真空所测的压力。 表表 压压 力：以环境大气压力作为参考压力的差压（压力差）。力：以环境大气压力作为参考压力的差压（压力差）。 正正 压压 力：绝对压力高于大气压的表压力，常称为压力。力：绝对压力高于大气压的表压力，常称为压力。 负负 压压 力：绝对压力低于大气压力时，大气压力与绝对压力之力：绝对压力低于大气压力时，大气压力与绝对压力之 差。差。 真真 空空 度：低于大气压力的绝对压力。度：

4、低于大气压力的绝对压力。 第8章力、力矩和压力 压力概念图示 绝 对 压 力 pa 真空(负压力) p0 大气压力pb 绝对压力pa 表压力p p = pa - pb p0 = pb - pa 第8章力、力矩和压力 第二节 力的测量 一、力的测量方法 力的本质是物体之间的相互作用，不能直接得到力的本质是物体之间的相互作用，不能直接得到 其值的大小。其值的大小。 1 1利用动力效应测力利用动力效应测力 2 2利用静力效应测力利用静力效应测力 力的静力效应使物体产生变形，通过测定变形量力的静力效应使物体产生变形，通过测定变形量 （如差动变压器、激光干涉）或者与应力相对应参量的（如差动变压器、激光干

5、涉）或者与应力相对应参量的 物理效应（如压电效应、压磁效应）来确定力值。物理效应（如压电效应、压磁效应）来确定力值。 amF 力的测量方法亦可分为力平衡法、测位移法和 物理效应测力等。 第8章力、力矩和压力 例例 ：机械式力平衡装置：机械式力平衡装置 原理：基于静态重力力矩平衡，因此仅适用于作静态测量。原理：基于静态重力力矩平衡，因此仅适用于作静态测量。 优点：简单易行，可获得很高的测量精度。优点：简单易行，可获得很高的测量精度。 (a) 为梁式天平（相对精度高于为梁式天平（相对精度高于1/10000的单杠杆叫天平），的单杠杆叫天平）， 通过调整砝码使指针归零，将被测力通过调整砝码使指针归零，

6、将被测力Fi与标准质量与标准质量(砝码砝码 G)的重力进行平衡，直接比较得出被测力的重力进行平衡，直接比较得出被测力Fi的大小。的大小。 (b) 为机械杠杆式力平衡装置为机械杠杆式力平衡装置 说明：力平衡法中的平衡力亦可是已知大小的电磁力或气动力等 第8章力、力矩和压力 伺服式测力系统。无外力作用 时，系统处于初始平衡位置， 光线全部被遮住，光敏元件无 电流输出，力发生器不产生力 矩。当被测力F作用在杠杆上 时，系统失去平衡，杠杆发生 偏转，窗口打开相应的缝隙。 光线通过缝隙，照射到光敏元 件上，光敏元件输出与光照成 磁电式力平衡测力系统 比例的电信号，经放大后加到磁电力矩发生器的旋转线圈上。

7、载 流线圈与磁场相互作用而产生电磁力矩，用于平衡被测力F与配 重(标准质量m)力的力矩之差；使杠杆重新处于平衡状态。当杠 杆处于新的平衡位置时，其转角与被测力F成正比，放大器输出 电信号在采样电阻R上的电压U0与被测力F成比例。 第8章力、力矩和压力 柱形筒形梁形 几种弹性元件及应变片贴片方式 二、力的测量装置 (一)电阻应变式测力仪 用途：动静态测量，数量最多 优点：结构简单、制造方便、 精度高 1.工作原理 电阻应变片和弹性体是敏感 元件和设计关键。弹性体的 正确选用、设计和制造影响 仪器测量精度和可靠性。 弹性体截面形状：圆形、方形、工字型、多边形、圆桶形等； 要求：表面曲率半径大（粘贴

8、应变片、减小温度影响） 思考：如何搭建完整的测量系统？ 测量范围？采取哪些补偿措施？ 第8章力、力矩和压力 2.2.典型弹性体的结构形式和设计计算典型弹性体的结构形式和设计计算 F AER R R R R R R R k )1 (2 )( 1 4321 43210 以柱式弹性体为例：以柱式弹性体为例： 应变片处弹性体轴向应变：应变片处弹性体轴向应变： EAEFll/)/(/ 若定义应变片的灵敏系数为若定义应变片的灵敏系数为k，即，即 )/( )/( )/(RR ll RR k 则应变片的总应变量为：则应变片的总应变量为： 由于电桥的输出与应变成正比（电压灵敏度），即由于电桥的输出与应变成正比（

9、电压灵敏度），即 4/ 0 kUU io 两式联立得传感器的灵敏度为：两式联立得传感器的灵敏度为： F AE k U U i o 2 )1 ( 电压灵敏度意义：单位供桥电电压灵敏度意义：单位供桥电 压压Ui作用下传感器额定负荷的作用下传感器额定负荷的 输出电压，常取输出电压，常取0.52.5mV/V 第8章力、力矩和压力 3/ maxsn k 非线性问题：是由截面面积的变化造成应力的非线性，使Uo也 是非线性的，称为面积效应或二次效应。 强度校验 （1）求取弹性体的实际应变 若取桥臂系数为n（见表8-1），则 n/ 0 实 AFE/ 实 （3）考虑到可能的超载，设超载系数为kn，则最大应力为

10、截面设计 若为圆柱，则直径d为 )/( max n kFA n k F d max 4 （2）若取材料许用应力 ， 其中 为屈服极限。则 3/ s s 第8章力、力矩和压力 MPa s 261.73/ 例：设计一正方形截面的柱式负荷传感器，其中电压灵敏度 1mV/V，负荷力50kN，应变片灵敏系数k=2，求截面面积。 mmkUU knUUn io io 976. 0)1 (2/)/4( / )/4(/ 0 实 解：(1) 求应变。 由Uo/Ui=1mV/V，k=2，并设应变片按全桥 连接，=0.3，有 (2) 强度校核：选Cr40作为弹性体材料，则E=2.1105MPa， s=785.1MPa

11、，有 MPaE161 实 设超载系数kn为120%，则 193 max MPakn 故强度符合要求。 (3) 截面设计：取Fmax=1.5F，则截面边长 a 为 19.8mm0198. 0/ maxmax mFa 第8章力、力矩和压力 4.应变式动态测力系统 3.3.应变式测力仪电路应变式测力仪电路 一般采用电桥电路，有载波调制型和直流电路型。 （由于电桥输出信号小，要求精度高，应选用高增益、低 阻抗、小失调的测量电路，多采用集成模块） 信号调理电路进行缓冲、放大、滤波、压频转换等。 信号补偿问题：如初始不平衡、零漂、非线性等。 安装在刚性基座上的应变式测力系统可以看成一个由质 量、弹簧和阻尼

12、系统。在动负荷f(t)作用下，输入与输出存在 下列关系： )( 1 )( )( 2 )( ),()( )()( 22 2 2 2 2 tf k tx dt tdx dt txd tftkx dt tdx c dt txd m nnn 第8章力、力矩和压力 2 2222 0 )/(1 /2 arctan )/(4)/(1 1 )sin()( n n nn k F A tAtx 1)(2)( 1 )( 2 nn SS k SH 二阶系统传递函数： 若tFtfsin)( 0 则稳态输出为： )2/(/kmcmk n 其中 故可得： , , )( 2 222 0 阻尼力惯性力弹力 AcAmkA AcA

13、mkAF 第8章力、力矩和压力 度弹力与惯性力相位差 度弹力超前阻尼力 角超前被测力弹力 180 90 kA t 0 F Ac kA 2 Am 分析： （1）惯性力和阻尼力可忽略时：输出x(t)表示被测力大小； 条件：质量块m很小，使惯性力可忽略； 系统无阻尼器，阻尼由内摩擦和空气阻尼引起。 （2）惯性力和阻尼力不可忽略时： 求出加速度信号作为补偿，消除惯性力； 加速度值积分或弹性力微分得到速度值作为补偿，消除 阻尼力。 第8章力、力矩和压力 /1arctan )1sin()exp( 1 )( 0, 0, 0 )1sin()exp()( 0 0 0 )( 2 2 2 00 2 0 0 tt k

14、 F k F tx dt dx xt ttA k F tx t tF tf nn nn 代入：将初始条件 它的全解： 以阶跃力为例： 第8章力、力矩和压力 引起的瞬态误差。 后相加，可消除惯性力两传感器的输出经调幅 。比只相差一个比例常数 的瞬态误差相与很小，当阻尼很小时， 其中： 信号：器感受瞬态响应加速度若使用压电加速度传感 )()( )21/()1 (2arctan )1 (4)21 ( 1 )1sin()exp( )( )( 22 2222 2 2 0 2 2 2 txta k F a tta dt txd ta n nn 第8章力、力矩和压力 由二阶测量系统的瞬态响应，可知动态测量时

15、对阻尼由二阶测量系统的瞬态响应，可知动态测量时对阻尼 力、惯性力等均敏感，可采取补偿方法消除。力、惯性力等均敏感，可采取补偿方法消除。 动态分析惯性力与加速度信号的变化规律相同，差一动态分析惯性力与加速度信号的变化规律相同，差一 恒定的比例因子。所以有下面的测量系统。恒定的比例因子。所以有下面的测量系统。 第8章力、力矩和压力 (二)压磁式测力仪 工作原理：压磁效应工作原理：压磁效应 由由工业纯铁、硅钢等铁磁材料制成的铁心在机械力的作用工业纯铁、硅钢等铁磁材料制成的铁心在机械力的作用 下磁导率发生变化称为压磁效应，或称磁弹性效应。下磁导率发生变化称为压磁效应，或称磁弹性效应。 结结 构：铁芯上

16、安置的测量线圈与励磁线圈相互垂直。构：铁芯上安置的测量线圈与励磁线圈相互垂直。 工作过程：受外力时，铁心磁导率发生变化，测量线圈被励磁工作过程：受外力时，铁心磁导率发生变化，测量线圈被励磁 线圈中的磁场交链而输出比例于外力大小的信号。线圈中的磁场交链而输出比例于外力大小的信号。 012 / i UkU FNN k是和励磁电流和频率有关的系数是和励磁电流和频率有关的系数 第8章力、力矩和压力 要求：有一个稳定的激磁电源。此外输出电势比较大，通要求：有一个稳定的激磁电源。此外输出电势比较大，通 常无须放大，经滤波整流后就可直接输出。常无须放大，经滤波整流后就可直接输出。 特点：可测量很大的力，抗过

17、载能力强，能在恶劣条件下特点：可测量很大的力，抗过载能力强，能在恶劣条件下 工作。但频率响应不高（工作。但频率响应不高（110kHz），测量精度一），测量精度一 般在般在1左右，也有精度更高的新型结构的压磁式力左右，也有精度更高的新型结构的压磁式力 传感器。传感器。 用途：常用于冶金、矿山等重工业部门作为测力或称重传用途：常用于冶金、矿山等重工业部门作为测力或称重传 感器，例如在轧钢机上用来测量大的力以及用在吊感器，例如在轧钢机上用来测量大的力以及用在吊 车秤中。车秤中。 第8章力、力矩和压力 (三)压电式测力仪 原理：利用石英晶体和压电陶瓷等压电材料的压电效应，将 被测力经弹性元件转换为与其

18、成正比的电荷量输出 用途：动态力的测量 特点：压电陶瓷材料的压电常数高，价格便宜，用途广泛。 石英晶体性能稳定、自振频率高、机械强度高、能承 受较大负荷，多用于高精度大量程测量。 FdQ ij 压电陶瓷有三种压电效应： 横向（测量压力）、纵向和剪切（测量力）。 第8章力、力矩和压力 (四)其它测力法 原理：将材料受力后产生的位移、变形等转变为电感、电容等电 量或物理量的变化。 差动变压器式测力装置 常采用调频或调相电路来 测量电容。这种测力装置 可用于大型电子吊秤。 电容式测力装置 图 (a)是差动变压器与弹簧组合构成的 测力装置；(b)为筒形弹性元件。 第8章力、力矩和压力 三、力值的检定与

19、定度 基本概念： 检定是指为评定计量器具的计量性能（准确度、灵敏度、 稳定度等），并确定其是否合格所进行的全部工作。 定度也称标度，是指用计量标准（或基准）来定出计量器 具或显示部分所表示的量值，即将基准或标准器具所 体现的力值传递到测力仪的全部过程。 比对是指在规定条件下，对相等准确度的同类基准、标准 或工作用计量器具之间的量值所进行比较的过程。 定度时，作为基准的计量器具的综合误差要求小于被定度时，作为基准的计量器具的综合误差要求小于被 计量器具综合误差的计量器具综合误差的1/3。 第8章力、力矩和压力 1.1.力值计量器具的传递系统力值计量器具的传递系统 图图8-11 传递方法：定度、比

20、对传递方法：定度、比对 组组 成：由基准、标准测力机和标准测力仪组成。成：由基准、标准测力机和标准测力仪组成。 检定系统的力标准器具分类：检定系统的力标准器具分类： 1）产生力值的固定式标准器具；）产生力值的固定式标准器具； 按结构分为静重式、杠杆式、液压式和叠加式；按结构分为静重式、杠杆式、液压式和叠加式； 2）传递力值的各种便携式标准器具。）传递力值的各种便携式标准器具。 2.2.静态定度静态定度 对力传感器施加标准力，将相应输出经数据处理求得各项对力传感器施加标准力，将相应输出经数据处理求得各项 静态指标。一般的技术指标包括：静态指标。一般的技术指标包括： 负荷特性：如额定负载、灵敏度、

21、迟滞、重复性、线性度等；负荷特性：如额定负载、灵敏度、迟滞、重复性、线性度等； 电气特性：如输入输出阻抗、零点输出、激励电压；电气特性：如输入输出阻抗、零点输出、激励电压； 温度特性：如零点温度影响、输出温度影响、温度补偿范围；温度特性：如零点温度影响、输出温度影响、温度补偿范围； 蠕变特性：蠕变。蠕变特性：蠕变。 第8章力、力矩和压力 3动态定度 （时域和频域） 技术指标： 时域：力的相对幅值准确度、自振频率、上升时间等； 频域：工作频率范围、工作频率范围内相对幅度准确度、 共振频率等 4.电定度 模拟应变电桥在负荷作用下电桥失衡而产生输出的方法。 方法：在桥臂上并联一个已知电阻来模拟应变值

22、，使产生R。 以此模拟某一负载的情况。 优点：利用电定度表输入标准信号，即可免去在每次测量前必 须给测量系统输入标准信号的麻烦。 说明：电定度原理对各种测力和转矩等传感器都适用。 第8章力、力矩和压力 第8章力、力矩和压力 左图是我国1976年研制成功的1MN基准机结构简图，它主 要由机架、吊挂系统、砝码及其加卸系统、显示系统等组成。 基准机高11.5m，主机占 地（4x2.5)m2 。总重160t,该机可 在0.02-1.01MN范围内实现10kN整数倍的载荷级。 机架由与基础固连的底座1、四根大立柱2、大平台3和组成 上部机架的三根丝杠4、小平台5等组成，动横梁6由丝杠升降。 基准机砝码共

23、有13块，加上吊挂共14块。其中0.1MN的9块， 0.05MN砝码1块，0.02NMN 2块， 0.01NMN 2块。砝码升降由 坐在小平台5上的起重油缸10及支持在其活塞上的提升框架11完 成。提升框架由穿过大平台3的四根拉杆和上下两个横梁 组成。 在下横梁上装有两根提升吊 杆，提升吊杆穿过砝码缺口，并在 杆上装有与砝码对应的13对小转角12，为保证砝码升降平稳， 在底座及大平台上均装有导向机构。 吊挂系统 7上部由上中下三个横梁和两根拉杆组成，两根 拉杆穿过动横梁和大平台，系统下部的中心吊杆与下横梁固定 相连。吊挂系统除吊砝码外，它还是第一级载荷。 本机砝码数量较少，检定本机量程范围内的

24、测力仪时要交 换砝码，为保证已加负荷不至于卸掉，在大平台底下加有千斤 顶13，交换砝码时用千斤顶保持加在测力仪上的负荷不变。 工作时，将测力仪放在动横梁上，驱动动横梁通过被检测 力仪将吊挂系统升起，使其脱离小平台 5至固定高度，此时第 一级负荷已加上，然后按所需载荷选择砝码组合并发出指令， 使各部件按下列顺序动作。所需加砝码对应的小转角12转90后； 起重油缸10的活塞连同提升框架11上升至固定高度。此时所需 加砝码已由小转角托起与大转角 9脱离；使与活塞连同提升框 架砝码脱离的大转角转离支承位置；提升框架下降，所加砝码 挂到中心吊杆凸台上，砝码的重力亦加到测力仪上；提升框架 继续下降至最低位

25、置后，已转90的小转角回原位，加荷动作完 成。卸荷时除大转角的动作与上述相反外，其他均相同。 第8章力、力矩和压力 第8章力、力矩和压力 四、称重及称重装置四、称重及称重装置 1.称重的概念和意义 重量含义的两重性重量、质量 质量传递系统 图8-13 测量仪器： 重力的测量采用测力传感器和测力仪。 质量的测定通常称为称重，一般采用衡器，也叫作称重传感器 和秤（或天平）。 测力传感器和称重传感器结构上差异不大，只是使用的技 术要求和结果处理不同（如计量单位不同、误差评定不同）。 称重的衡器用准确度级别来表征特征，准确度评价用分辨 力，即标尺间隔e表示。如二级衡器，当量程为5000e以下时， 允许

26、误差0.5e，量程500020000e时，允许误差1e。 第8章力、力矩和压力 2.电子秤的组成、分类和特点 用途：工农业生产、商业等部门及领域。 历程：机械秤机电结合秤电子秤自动秤（结合微机）。 范围：从纳克到10万余吨 分类：按用途分商用计价秤、平台秤（汽车、飞机等）、轨道 衡（火车）、电子皮带称（货场）； 按工作条件分：静态称重和动态称重（习惯上称动态衡） 按工作原理分：杠杆原理、形变原理、液压原理 组成：一般包括机械传递系统、称重传感器、测量电路和显示仪 表等部分。此外还有稳压电源、微机和统配电源等。 分类：工程上常接用途分为电子皮带秤、容器秤、吊车秤、平台 秤、电子轨道秤等； 特点：

27、结构简单、体积小、重量轻、易于传输、显示记录方便、 易于自动化，精度高、稳定性好等。 第8章力、力矩和压力 GCSGCS系列静态轨道衡系列静态轨道衡 第8章力、力矩和压力 3.称重传感器 （1）应变式（商用计价秤、平台秤、轨道衡、皮带秤等） 原理：电阻应变式测力原理 特点：1）弹性体选用形式主要由负荷大小选定； 2）根据负荷大小选用传感器数量， 多传感器配合保证称重质量。 用途：多用于大称量的平台秤、皮带秤等。 （2）压磁式（轨道衡） 盘状压磁式 传感器，硅 钢片铁心带 4个互成90 的凸台，内 有励磁和测 量线圈。 第8章力、力矩和压力 （3）电容式传感器（以变隙式电容称重传感器为例） 温度

28、补偿措施： 1）在电容极板旁安装双金属片 2）检测温度，计算机修正 空间干扰及环境补偿措施： 1）外罩金属罩，内部隔热罩 2）承剪片消除横向剪力影响。 电容式吊称的主要技术参数： 测量范围：1-10t 分度数：100000 重复性：优于0.01% 最大安全超载上限：测量上限300% 第8章力、力矩和压力 4.4.电子皮带秤电子皮带秤 1)测速法 TT dttvtqdttwW 00 )()()( w(t)皮带机瞬时输送量； q(t) 皮带单位长度上瞬时重量； v(t)皮带瞬时线速度。 是一种自动称量胶带传输机散装物料和自动配料的衡器。 组成：称重传感器、称重框架、平衡体、测速传感器、测量电路等

29、（1）称重原理（测量物料瞬时重量和累积重量） 瞬时物料重量为作用于称重框架上的式中 所称量的重量则有效称量段上的瞬间 段重传感器上的有效称量设皮带上物料作用于称 )( / )()( 2/ )( 0 21 tG dtLtvtGW LLL T 第8章力、力矩和压力 Wkdt L tvtG kLkU tvtGkktU T v 0 21 21 )()( )()()( 总 b. 用速度传感器的输出电 压Uv(t)代替供桥电压 同a相比，省去了乘法器。 a. 称重传感器和测速传感器输 出电压瞬时值相乘并积分。 i T vG UkLkk dttUtU k W 21 0 )()( 1 其中 称重传感器供桥电压

30、 测速传感器灵敏系数 称重传感器灵敏系数 时值分别为两传感器输出电压的瞬 i viG U k k tvktUUtGktU 2 1 21 )()()()( 第8章力、力矩和压力 2)测长法 n i in qqqqW 1 21 )( 工作原理：输送带每移动距离工作原理：输送带每移动距离S时，测量一次称重托辊上的重时，测量一次称重托辊上的重 量值，若某段时间皮带共移动距离为量值，若某段时间皮带共移动距离为nS，则累积重量，则累积重量W 第8章力、力矩和压力 （2)误差分析 称重传感器误差：包括制造误差、环境误差和安装误差等。 测速传感器误差：传感器误差、输送带打滑。 机械结构误差：如有效长度L变化；

31、 测量电路误差：主要是零漂和温漂。 修正方法： 全能力调零：空转一周以上，系统自动调零； 自动较量：微机控制电动标码机或标准砝码放置在 皮带上修正； 对电源波动进行自动补偿。 第8章力、力矩和压力 BMP皮带秤图 第8章力、力矩和压力 第三节 力矩的测量 任何机械部件的运动离不开力和力矩的传递。任何机械部件的运动离不开力和力矩的传递。 一、力矩一、力矩(转矩转矩)及其测量方法及其测量方法 转矩、功率和转速的关系：转矩、功率和转速的关系： Mk=P/n (表表8-3 单位单位) (1) 传递法（扭轴法）传递法（扭轴法） 利用转矩使弹性轴产生扭转变形进行测量。是应用最广泛、利用转矩使弹性轴产生扭转

32、变形进行测量。是应用最广泛、 使用最多的一种。使用最多的一种。 )/( P GIMl G切变模量 IP极惯性矩 按转角信号测量方式可分光电式、 光学式、磁电式、电容式、电阻应 变式、振弦式等 第8章力、力矩和压力 (2) 平衡力法(反力法) 利用平衡转矩M0去平衡被测 转矩M M=M0= Fl 只能测量静态匀速转矩，不 能测动态转矩。 (3) 能量转换法 通过测量其它与转矩有关的能量系数（如电能系数）来 确定被测力矩大小的。 一般用于电机转矩测量，因测量误差大、影响因素多， 只有测量电参数的电机转矩测量仪应用较多。 表8-4列出了各种力矩测量用传感器和力矩测量仪的性 能和用途（应用最多的是相位

33、差式和应变式转矩仪）。 按安装在平衡支架上的机种不同可分为电力测功机、水力按安装在平衡支架上的机种不同可分为电力测功机、水力 测功机、电偶测功机等。测功机、电偶测功机等。 第8章力、力矩和压力 二、传递法力矩测置装置 1电阻应变式转矩仪 应变片沿轴线45或者135方向粘贴，是应变最大方向。 转轴截面选型：圆柱形（最常用）、空心圆柱形（小转矩）、 实心方形（大量程转矩） 1-转轴 2-测量电桥 3-A/D 4-稳压 5-壳体 6-放大器 7-电容集流环 8-电感集流环 电感及电容集流环 对脉冲信号起耦合作用 稳压 直流A/D 放大器 第8章力、力矩和压力 2相位差式转矩测量仪（ 如：光电、磁电）

34、 e = -N d /dt 多采用非接触式，以减小摩擦阻力的影响，提高测量精度。 空载（初始）相位差：0； 工作时轴产生扭转变形，相位差：= z 其中 z圆盘转过一圈信号拾取器产生的信号个数。 注意： （1）z值不能太大，应使= z （2）考虑正反转及超载转矩时，一般/2d，所以 1 2 2 2 44 hdhD 221 ghppp 第8章力、力矩和压力 sin)( 22121 glghhhgppp （3）斜管压力计 主要用于测量微小压力、 负压和压差，它将单管液柱压 力计的测量管倾斜放置，这样 可以提高灵敏度，减少读数相 对误差。 倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小， 否则液柱

35、易冲散，读数较困难，误差增大。 这种斜管液柱式压力计可测量到0.98Pa的微压。为进一步 提高微压计的精确度，应选密度小的酒精作为工作液体。 液体式误差分析： （1）环境温度变化 （2）重力加速度变化 （3）毛细现象 第8章力、力矩和压力 2弹性式压力计 基本结构: 弹性元件：核心部件，用于感 受压力并产生弹性变形。如弹 簧管、波纹管、薄膜等； 优点：价格低廉、结构简单、坚实牢固，能在恶劣条件下工作 （如腐蚀、振动、高低温、冲击、易爆、易堵）。 缺点：频率响应低，不适宜测量动态压力；存在固有迟滞，多 数仪表精度较低。 精度等级：1-2.5级，精密的可达0.1级。 变换放大机构：将弹性元件的变形

36、进行变换和放大； 指示机构：用于给出压力示值（如指针与刻度标尺） ； 调整机构：用于调整零点和量程。 第8章力、力矩和压力 弹性元件简介 同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同 的弹性变形。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等。其中 波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可 用于高、中、低压或真空度的测量。 弹性元件的结构和特性 类 别 名 称 示 意 图 压力测量范围 kPa 输出特性 动态性质 最小最大 时间常 数/s 自振频 率/Hz 薄 膜 式 平 薄 膜 0100105 10-5 10-2 10 104 波 纹 膜 010-3 0103 10-2 10

37、-1 10 102 挠 性 膜 010-5 010210-211102 第8章力、力矩和压力 波 纹 管 式 波 纹 管 010-30103 10-2 10-1 10 102 弹 簧 管 式 单 圈 弹 簧 管 010-10106 102 103 多 圈 弹 簧 管 010-20105 10 102 第8章力、力矩和压力 波纹管 优点：灵敏高，可测较低压力 缺点：迟滞误差较大，精度一般只有1.5级 弹簧管 截面为非圆形（椭圆形或扁圆形），并弯成圆弧状的空心管子 一端为封闭（自由端），一端为开口（固定端） 第8章力、力矩和压力 举例：弹簧管压力计 弹簧管压力计结构 1-弹簧管；2-连杆； 3-扇

38、形齿轮；4-底座； 5-中心齿轮；6-游丝； 7-表盘；8-指针； 9-接头；10-横断面； 11-灵敏度调整槽 弹簧管式压力计是工业生产上 应用很广泛的一种直读式测压仪表， 以单圈弹簧管结构应用最多。其一 般结构如右图所示。 工作原理： 被测压力由接口引入，使弹簧 管自由端产生位移，通过连杆使扇 形齿轮偏转，从而带动啮合的中心 齿轮转动，与中心齿轮同轴的指针 将同时发生相应偏转，并在面板的 刻度标尺上指示出被测的压力值。 第8章力、力矩和压力 弹簧管压力计结构 1-弹簧管；2-连杆； 3-扇形齿轮；4-底座； 5-中心齿轮；6-游丝； 7-表盘；8-指针； 9-接头；10-横断面； 11-灵

39、敏度调整槽 参数调整： （1）调量程：通过调整螺钉可以改 变拉杆与扇形齿轮的接合点位置，从 而改变放大比，调整量程。 （2）转动轴上装有游丝，用以消除 两齿轮的啮合间隙，减小仪表变差。 （3）调零点：直接改变指针套在转 动轴上的角度，可调机械零点。 特点：结构简单，使用方便，价格低 廉，使用范围广，测压范围宽。 用途：可测负压、微压、低压、中压 和高压；一般弹簧管压力计的测压范 围为-105109Pa； 精确度：有0.5、1.0、1.5、2.5等，最 高可达0.1。 第8章力、力矩和压力 3负荷式压力计 原理：基于静力平衡原理进行压力测量 类型：活塞式、浮球式和钟罩式三大类 优点：计量范围广、

40、结构简单、稳定可靠，精 度高、重复性好，可测量正、负及绝对 压力。 用途：广泛用作压力基准器，提供压力标准信 号，进行精密测压。 第8章力、力矩和压力 )1)(20)(1 1 0 0 21 0 A WW Ct g g A WW p a 举例：活塞油压式压力计 式中 1 、2活塞材料与活塞筒材 料的线膨胀系数 压力每变化压力每变化9.80665Pa时活时活 塞有效面积的变化率塞有效面积的变化率 )2( 1 22 2 br b E Rh g /21 )2cos00265. 01 (80665. 9 第8章力、力矩和压力 4 4电气式压力仪表电气式压力仪表 （1 1）压力传感器）压力传感器 作用：感

41、受被测压力并将压力信息转换为电气信号输出，供信号 处理、显示控制之用。 按测量原理分类：电阻式、电感式、电容式、压电式、振频式、 霍尔式等 a) 应变式压力传感器 应变式压力传感器是一种通过测量各种弹性元件的应变来间 接测量压力的传感器。 分类：根据制作材料不同，应变元件分为金属和半导体两大类。 工作原理：应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效 应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生 变化。电阻值的相对变化与应变有以下关系： K R R 第8章力、力矩和压力 应变式压力传感器所用弹性元件可根据被测介质和测量范围 的不同而采用各种型式，常见有圆膜片、弹性梁、应变筒等。下

42、图给出几种弹性元件和应变式压力传感器的结构及电桥式测量电 路示意图。 应变式压力传感器 第8章力、力矩和压力 固体受力后电阻率发生变化固体受力后电阻率发生变化 的现象称为压阻效应。的现象称为压阻效应。 硅平膜片在圆形硅杯底部，硅平膜片在圆形硅杯底部， 其两边有两个压力腔，分别输入其两边有两个压力腔，分别输入 被测差压或被测压力与参考压力。被测差压或被测压力与参考压力。 髙压腔接被测压力，低压腔与大髙压腔接被测压力，低压腔与大 气连通或接参考压力。气连通或接参考压力。 b) 压阻式压力传感器 压阻式压力传感器的特点压阻式压力传感器的特点: (1) 灵敏度高，频率响应高，动态特性好；灵敏度高，频率

43、响应高，动态特性好； (2) 测量范围宽，可测低至测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至的微压到高至60MPa的高压；的高压； (3) 精度高，工作可靠，其精度可达精度高，工作可靠，其精度可达0.20.02； (4) 易于微小型化，国内已有直径易于微小型化，国内已有直径1.82mm的传感器。的传感器。 (5)敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小。敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小。 第8章力、力矩和压力 工作原理：压电效应 材 料：压电晶体和压电陶瓷 c) 压电式压力传感器 压电式压力传感器特点: (1) 体积小，结构简单，工作可靠，测量精度较高； (2) 测量范围宽，

44、可测100MPa以下的压力； (4) 频率响应高，可达30KHz，是动态压力检测中常用的传感 器，但由于压电元件存在电荷泄漏，不宜测量缓变压力和静 态压力。 工作过程：压电元件夹于两弹性膜片 之间，一面与膜片接触并接地，另一 面用引线引出。被测压力均匀作用在 膜片上，使压电元件受力而产生电荷。 用电荷（电压）放大器放大，转换为 电压或电流输出。 第8章力、力矩和压力 工作原理：变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的 位移变形转变为电容的变化，用测量电容的方法测 出电容量，便可知道被测压力的大小。 方 法：变极距式和变面积式 d) 电容式压力传感器 1）差动变极距式电容压差传感器）差动变极

45、距式电容压差传感器 改变电容两平行板间距 d 的 测量方式有较高灵敏度，但当位 移较大时非线性严重。采用差动 电容法可以改善非线性、提高灵 敏度、并可减小因受温度影响引 起的不稳定性。 第8章力、力矩和压力 被测压力作用在金属膜片上，通被测压力作用在金属膜片上，通 过中心柱和支撑簧片，使可动电极随过中心柱和支撑簧片，使可动电极随 簧片中心位移而动作。可动电极与固簧片中心位移而动作。可动电极与固 定电极均是金属同心多层圆筒，断面定电极均是金属同心多层圆筒，断面 呈梳齿形，其电容量由两电极交错重呈梳齿形，其电容量由两电极交错重 叠部分的面积所决定。固定电极与外叠部分的面积所决定。固定电极与外 壳之

46、间绝缘，可动电极与外壳导通。壳之间绝缘，可动电极与外壳导通。 2）变面积式电容压差传感器）变面积式电容压差传感器 优点： 结构坚实，灵敏度高，过载能力大； 精度高，其精确度可达0.250.05； (1)可以测量压力和差压。 第8章力、力矩和压力 （2）压力变送器 为实现信号的距离传送，由弹性测压元件与电气传感器相结 合构成，工业常称压差变送器，以统一的信号传输至控制点进行 信息处理控制及显示。 分类：位移式和力平衡式 第8章力、力矩和压力 弹性力平衡式压力测量系统的原理弹性力平衡式压力测量系统的原理 第8章力、力矩和压力 弹性压力计信号远传方式 一般可以在已有的弹性压力计结构上增加转换部件实现

47、信 号的远距离传送。 弹性压力计信号多采用电远传方式，即把弹性元件的变形 或位移转换为电信号输出。 常见的转换方式有电位计式、霍尔元件式、电感式、差动 变压器式等。 (a) 滑线变阻器式 (b)霍尔元件式 两种电远传弹性压力计结构原理 第8章力、力矩和压力 特点：(a) 滑线变阻器式比较简单，可以有很好的线性输出，但 是滑线电位器的结构可靠性较差。 (b) 霍尔元件式结构简单，灵敏度高，寿命长，但对外部 磁场敏感，耐振性差。 片状霍尔元件固定在弹性元件自由端，并处于两对磁场方 向相反的磁极组件构成的线性不均匀磁场间隙中。若霍尔元件 通以恒流，会产生对应于自由端位移的霍尔电势，从而求出被 测压力

48、值。 第8章力、力矩和压力 3 3）电容式压差变送器）电容式压差变送器 第8章力、力矩和压力 六、压力检测仪表的选择 1. 仪表量程的选择 (1) 被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4 (2) 被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪 表满量程的2/3 (3) 为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的1/3 (4) 优先满足最大工作压力条件 2. 仪表精度的选择 压力检测仪表的精度主要根据生产允许的最大误差确定， 即要求实际被测压力允许的最大绝对误差小于仪表基本误差。 3. 仪表类型的选择 (1) 从被测介质压力大小来考虑 (2) 被测介质的性质 (3) 对

49、仪表输出信号的要求 (4) 使用的环境 第8章力、力矩和压力 七、压力测量仪表的调校和使用 意义：压力检测仪表在出厂前均需经过校准，使之符合精度意义：压力检测仪表在出厂前均需经过校准，使之符合精度 等级要求。等级要求。 原因：原因：(1) 使用中的仪表会因弹性元件疲劳、传动机构磨损及使用中的仪表会因弹性元件疲劳、传动机构磨损及 腐蚀、电子元器件的老化等造成误差，所以必须定期腐蚀、电子元器件的老化等造成误差，所以必须定期 校准，以保证测量结果有足够的准确度；校准，以保证测量结果有足够的准确度； (2) 新的仪表在安装使用前，为防止运输过程中由于新的仪表在安装使用前，为防止运输过程中由于 振动或碰

50、撞所造成的误差，也应对新仪表进行校准，振动或碰撞所造成的误差，也应对新仪表进行校准， 以保证仪表示值的可靠性。以保证仪表示值的可靠性。 仪器：常用的校验仪器是活塞式压力计，它由压力发生部分仪器：常用的校验仪器是活塞式压力计，它由压力发生部分 和测量部分组成，它的精度等级有和测量部分组成，它的精度等级有0.02、0.05和和0.2 级，可用来校准级，可用来校准0.25级精密压力表，也可校准各种工级精密压力表，也可校准各种工 业用压力表，被校压力的最高值为业用压力表，被校压力的最高值为60MPa。 第8章力、力矩和压力 (1) 静态校准 定义：压力检测仪表的静态校准是在静态标准条件下（温度 205

51、，湿度80，大气压力为76080mmHg，且无振动冲 击的环境），采用一定标准等级（其精度需为被校仪表的35 倍）的校准设备，对仪表重复（不少于3次）进行全量程逐级加 载和卸载测试，获得各次校准数据，以确定仪表的静态基本性 能指标和精度的过程。 方法： ）将被校表与标准表的示值在相同条件下进行比较； ）将被校表的示值与标准压力比较。 无论是压力表还是压力传感器、变送器，均可采用上述两 种方法。一般在被校表的测量范围内，均匀地选择至少5个以上 的校验点，其中应包括起始点和终点。 第8章力、力矩和压力 (2)动态校准 意义：在一些工程技术领域常会遇到压力动态变化的情况， 例如，火箭发动机的燃烧室压

52、力在启动点火后的瞬 间，有极为快速地变化；在产生振荡燃烧时，压力 变化频率从几赫到数千赫。 要求：为了能够准确测量压力的动态变化，要求压力传感 器的频率响应特性要好。实际上压力传感器的频率 响应特性决定该传感器对动态压力测量的适用范围 和测量精度。 内容：测试频率响应函数、固有频率、阻尼比等，以确定 其动态特性参数。 第8章力、力矩和压力 稳态校准 下图所示为产生稳态周期性校准电磁式正弦 压力源的装置。当流过电磁式力发生器中的电流 成正弦规律变化时便产生正弦力，使输给传感器 的介质压力按正弦规律变化。 电磁式正弦压力发生器 第8章力、力矩和压力 分析： 上述装置只提供了可变的压力源，主要适用于

53、 将未知特性的被校传感器与已知特性的标准传感器 进行比较。也可以通过改变压力源频率，同时监测 被校仪表或传感器输出的方法求出被校仪表的频率 特性。 这类方法的主要优点是结构简单，易于实现。 但由于难以提供高频高振幅的压力信号，仅适用于 低压和低频的压力校准中，不能用于压力检测仪表 的高频动态特性校准。 第8章力、力矩和压力 非稳态校准 激波管是测定压力传感器频率响应特性的最 常用的方便而简单的设备。 激波管校准传感器动态特性的基本原理是： 用激波管产生的阶跃压力来激励被校压力传感器， 并用适当的设备记录在这一阶跃压力激励下被校 传感器所产生的瞬时响应，根据其过渡过程曲线， 运用适当的计算方法，求得被校压力传感器的频 率响应特性。 第8章力、力矩和压力 激波管法校准压力传感器动态特性系统图。整 个试验装置包括激波管、气源、测量和记录部分。 激波管校准系统图 第8章力、力矩和压力 六、真空的测量 真空划分（10510-12）Pa： 粗真空： （105103）Pa 低真空： 10310-1 Pa 高真空： 10-110-6 Pa 超高真空：10-610-12 Pa 极高真空：10-12 Pa 按测量方法的原理分类： 基于力的作用原理：U形管，波登管式，波纹管式，膜片式； 基于压缩作用原理：麦氏真空计； 基于导热作用原理：电阻真空计，热电偶真空计； 基于电离