第三章力学量检测技术3

1、信息采集技术3.2 3.2 力的测量力的测量3.2.13.2.1力的基本概念力的基本概念1 1、力：凡是能使物体的运动状态或物体所具有的动量发生改、力：凡是能使物体的运动状态或物体所具有的动量发生改变而获得加速度或者使物体发生变形的作用都称为力。变而获得加速度或者使物体发生变形的作用都称为力。2 2、力的单位、力的单位 力在国际单位制（力在国际单位制（SI)SI)中是导出量，单位为中是导出量，单位为牛顿牛顿（N N）。）。 我国法定计量单位制和国际单位制中，规定我国法定计量单位制和国际单位制中，规定力的单位为牛顿（力的单位为牛顿（N N），定义为：使），定义为：使1kg1kg质量的质量的物体产

2、生物体产生1 m/s1 m/s2 2加速度的力，即加速度的力，即1N=1kgm/s1N=1kgm/s2 2 。电子信息工程系信息采集技术3 3、力量值的传递、力量值的传递 标准标准砝码砝码的重力作为力的标准。的重力作为力的标准。 定度：定度：确定被校仪表刻度所对应的力值； 定度是根据基准和标准测力仪器设备所传递的力值确定被校 仪表刻度所对应的力值。 检定：确定被检定测力仪表的误差；检定：确定被检定测力仪表的误差； 检定是将准确度级别更高的基准和标准测力仪器设备与被检定测力仪表进行比对，以确定被检定测力仪表的误差。电子信息工程系信息采集技术3.2.2 3.2.2 力的测量方法力的测量方法 动力效

3、应：使物体产生加速度；动力效应：使物体产生加速度； 静力效应：使物体产生应力、发生变形。静力效应：使物体产生应力、发生变形。1 1、力平衡法、力平衡法 力平衡式测量法是基于比较测量的原理，用一个已知力来力平衡式测量法是基于比较测量的原理，用一个已知力来平衡待测的未知力，从而得出待测力的值。平衡待测的未知力，从而得出待测力的值。 平衡力可以是已知质量的重力、电磁力或气动力等。平衡力可以是已知质量的重力、电磁力或气动力等。电子信息工程系信息采集技术（1 1）机械式力平衡法）机械式力平衡法 图（图（a)a)为梁式天平，通过调整砝码使指针归零，将被为梁式天平，通过调整砝码使指针归零，将被测力测力FiF

4、i与标准质量与标准质量( (砝码砝码G)G)的重力进行平衡，直接比较得出的重力进行平衡，直接比较得出被测力被测力FiFi的大小。的大小。 图图 机械式力平衡装置机械式力平衡装置电子信息工程系信息采集技术（1 1）机械式力平衡法）机械式力平衡法 图图 ( (b)b)为机械杠杆式力平衡装置，可转动的杠杆支撑支为机械杠杆式力平衡装置，可转动的杠杆支撑支点点M M上，杠杆左端上面悬挂有刀形支承上，杠杆左端上面悬挂有刀形支承N N，在在N N的下端直接作的下端直接作用有被测力用有被测力FiFi；杠杆右端是质量杠杆右端是质量m m已知的可滑动砝码已知的可滑动砝码G G；另另在杠杆转动中心上安装有归零指针。

5、测量时，调整砝码的在杠杆转动中心上安装有归零指针。测量时，调整砝码的位置使之与被测力平衡。当达到平衡时，则有位置使之与被测力平衡。当达到平衡时，则有: : (3-15) (3-15) 式中式中: a: a，b b分别为被测力分别为被测力FiFi和砝码和砝码G G的力臂；的力臂；g g为当地重力加速度。为当地重力加速度。电子信息工程系mgabFi信息采集技术（1 1）机械式力平衡法）机械式力平衡法 可见，被测力可见，被测力FiFi的大小与砝码重力的大小与砝码重力mgmg的力臂的力臂b b成正比，因成正比，因此可以在杠杆上直接按力的大小刻度。这种测力计机构简单，此可以在杠杆上直接按力的大小刻度。这

6、种测力计机构简单，常用于材料试验机的测力系统中。常用于材料试验机的测力系统中。 上述测力方法的优点是简单易行，可获得很高的测量精上述测力方法的优点是简单易行，可获得很高的测量精度。度。 但这种方法是基于静态重力力矩平衡，因此但这种方法是基于静态重力力矩平衡，因此仅适用于作静态测量。仅适用于作静态测量。电子信息工程系磁电式力平衡测力系统（2 2）磁电式力平衡法）磁电式力平衡法 与机械杠杆式测与机械杠杆式测力系统相比较，磁力系统相比较，磁电式力平衡系统使电式力平衡系统使用方便，受环境条用方便，受环境条件影响较小，体积件影响较小，体积小、响应快，输出小、响应快，输出的电信号易于记录的电信号易于记录且

7、便于远距离测量且便于远距离测量和控制。和控制。信息采集技术电子信息工程系2. 2. 测位移法测位移法在力作用下，弹性元件产生变形，测位移法通过测量未知力所引起的位移，从而间接地测得未知力值。 图 电容式测力装置电子信息工程系信息采集技术通过测量未知力所应起的位移，间接地测量。 常用电容、电感位移传感器与弹性元件构成测力装置。 图示是电容传感器与弹性元件组成的测力装置。 图中，扁环形弹性元件内腔上下平面上分别固连电容传感器的两个极板。 在力作用下，弹性元件受力变形，使极板间距改变，导致传感器电容量变化。用测量电路将此电容量变化转换成电信号，即可得到被测力值。 通常采用调频调频或调相调相电路来测量

8、电容。这种测力装置可用于大型电子吊秤。信息采集技术电子信息工程系图 差动变压器式测力装置信息采集技术电子信息工程系3. 3. 利用某些物理效应测力利用某些物理效应测力 物体在力作用下会产生某些物理效应，如应变效应，压物体在力作用下会产生某些物理效应，如应变效应，压磁效应，压电效应等，可以利用这些效应间接检测力值。磁效应，压电效应等，可以利用这些效应间接检测力值。各种类型的测力传感器就是基于这些效应。各种类型的测力传感器就是基于这些效应。电子信息工程系信息采集技术信息采集技术3.2.3 3.2.3 测力传感器测力传感器 测力传感器通常将力转换为正比于作用力大小的电信号。测力传感器通常将力转换为正

9、比于作用力大小的电信号。1 1、应变式力传感器、应变式力传感器 与应变式压力传感器工作原理基本相同。与应变式压力传感器工作原理基本相同。特点：特点：1 1、应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器（位、应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器（位移、扭矩、加速度等）。移、扭矩、加速度等）。2 2、分辨率和灵敏度高，精度较高。、分辨率和灵敏度高，精度较高。3 3、结构轻小，对被试件影响小，对复杂环境适应、结构轻小，对被试件影响小，对复杂环境适应性强（高温、高压、强磁场）。性强（高温、高压、强磁场）。4 4、便于实现远距离、自动化测量。商品化，选用、便于实现远距离、自动化测量。商品化，

10、选用方便，占力传感器总量的方便，占力传感器总量的9090。电子信息工程系信息采集技术力传感器力传感器: :电子信息工程系 图给出了常见的柱形、筒形、梁形弹性元件及应变片的贴片方式。图3-25(a)为柱形弹性元件；图3-25(b) 为筒形弹性元件；图3-25(c) 为梁形弹性元件。 几种弹性元件及应变片贴片方式电子信息工程系信息采集技术信息采集技术2 2、压磁式力传感器、压磁式力传感器当铁磁材料在受到外力的拉、压作用而在内部产生应力时，当铁磁材料在受到外力的拉、压作用而在内部产生应力时，其导磁率会随应力的大小和方向变化，这就是其导磁率会随应力的大小和方向变化，这就是压磁效应压磁效应。特点：特点：

11、1 1、具有输出功率大，抗干扰能力好，过载能力强的特点。、具有输出功率大，抗干扰能力好，过载能力强的特点。2 2、适于在恶劣环境条件下长期可靠地工作。、适于在恶劣环境条件下长期可靠地工作。3 3、测量精度不高（通常低于、测量精度不高（通常低于1 1），频率范围小），频率范围小（1 110KHz )10KHz )。4 4、用于冶金、矿山、运输等工业部门作为测力和、用于冶金、矿山、运输等工业部门作为测力和称重传感器。称重传感器。5 5、还可用于测量温度、扭矩等非接触测量。、还可用于测量温度、扭矩等非接触测量。电子信息工程系信息采集技术压磁式传感器：压磁式传感器：电子信息工程系图 压磁式传感器电子信

12、息工程系信息采集技术信息采集技术3.3 3.3 转矩的测量转矩的测量3.3.1 3.3.1 转矩的概念转矩的概念 转矩是各种工作机械传动轴的基本载荷形式，与动力机转矩是各种工作机械传动轴的基本载荷形式，与动力机械的工作能力、能源消耗、效率、运转寿命及安全性能等械的工作能力、能源消耗、效率、运转寿命及安全性能等因素紧密联系。因素紧密联系。1 1、转矩的定义及单位、转矩的定义及单位定义：使机械元件定义：使机械元件转动的力矩或力偶转动的力矩或力偶称为转动力矩。称为转动力矩。单位：牛顿单位：牛顿. .米米(N.m)(N.m)。（国际单位制。（国际单位制SISI） 转矩的测量对传动轴载荷的确定与控制、传

13、转矩的测量对传动轴载荷的确定与控制、传动系统工作零件的强度设计以及原动机容量的选动系统工作零件的强度设计以及原动机容量的选择等都具有重要的意义。择等都具有重要的意义。电子信息工程系信息采集技术2 2、转矩的类型、转矩的类型静态转矩：不随时间变化或变化很小、很缓慢的转矩。静态转矩：不随时间变化或变化很小、很缓慢的转矩。静态转矩包括静止转矩、恒定转矩、缓变转矩和微脉动转矩。静止转矩的值为常数，传动轴不旋转；恒定转矩的值为常数，但传动轴以匀速旋转，如电机稳定工作时的转矩；缓变转矩的值随时间缓慢变化，但在短时间内可认为转矩值是不变的；微脉动转矩的瞬时值有幅度不大的脉动变化。动态转矩：随时间变化很大的转

14、矩。动态转矩：随时间变化很大的转矩。动态转矩包括振动转矩、过渡转矩和随机转矩三种。振动转矩的值是周期性波动的；过渡转矩是机械从一种工况转换到另一种工况时的转矩变化过程；随机转矩是一种不确定的、变化无规律的转矩。电子信息工程系信息采集技术3 3、转矩的测量方法、转矩的测量方法 转矩的测量方法可以分为平衡力法、能量转换法和传递转矩的测量方法可以分为平衡力法、能量转换法和传递法。其中传递法涉及的转矩测量仪器种类最多，应用也最法。其中传递法涉及的转矩测量仪器种类最多，应用也最广泛。广泛。（1 1）平衡力法及平衡力类转矩测量装置）平衡力法及平衡力类转矩测量装置 测量机体上的平衡力矩。又称测功器。测量机体

15、上的平衡力矩。又称测功器。 有电力测功和水力测功，只能测静态。有电力测功和水力测功，只能测静态。 通过测量机体上的平衡力矩通过测量机体上的平衡力矩( (实际上是测量力和力臂实际上是测量力和力臂) )来来确定动力机械主轴上工作转矩的方法称为平衡力法。确定动力机械主轴上工作转矩的方法称为平衡力法。 平衡力法直接从机体上测转矩，不存在从旋平衡力法直接从机体上测转矩，不存在从旋转件到静止件的转矩传递问题。但它仅适合测量转件到静止件的转矩传递问题。但它仅适合测量匀速工作情况下的转矩，不能测动态转矩。匀速工作情况下的转矩，不能测动态转矩。电子信息工程系(2) (2) 能量转换法能量转换法 依据能量守恒定律

16、，通过测量其他形式能量如电能、热能参数来测量旋转机械的机械能，进而求得转矩的方法即能量转换法。 从方法上讲，能量转换法实际上就是对功率和转速进行测量的方法。能量转换法测转矩一般只在电机和液机方面有较多的应用。 间接测量方法，应用于电机方面。间接测量方法，应用于电机方面。电子信息工程系信息采集技术(3) (3) 传递法传递法 递法是指利用弹性元件在传递转矩时物理参数的变化与转矩的对应关系来测量转矩的一类方法。 本节介绍基于传递法原理的几种转矩测量方法和仪器。信息采集技术电子信息工程系3.3.2 3.3.2 传递法转矩测量传递法转矩测量 转矩测量仪器及装置很多，应根据使用环境、测量精度等要求来选择

17、。31. 31. 应变式转矩测量应变式转矩测量 应变式转矩测量仪通过测量由于转矩作用在转轴上产生的应变式转矩测量仪通过测量由于转矩作用在转轴上产生的应变来测量转矩应变来测量转矩。 根据材料力学的理论，转轴在转矩M的作用下，其横截面上最大剪应力max与轴截面系数W和转矩M之间的关系为: 信息采集技术电子信息工程系 式中 D为轴的外径；d为空心轴的内径。WMmax443116DdDWmax无法用应变片来测量，但与转轴中心线成45夹角方向上的正负主应力和的数值等于max，即 ）（44max3116dDDM信息采集技术电子信息工程系 图为应变片式转矩传感器，在沿轴向45方向上分别粘贴有四个应变片，感受

18、轴的最大正、负应变，将其组成全桥电路，则可输出与转矩M成正比的电压信号。这种接法可以消除轴向力和弯曲力的干扰。应变片式转矩传感器信息采集技术电子信息工程系 应变式转矩传感器结构简单，精度较高。贴在转轴上的电阻应变片与测量电路一般通过集流环连接。集流环有电刷电刷- -滑环滑环式式、水银式水银式和感应式感应式等。集流环存在触点磨损和信号不稳定等问题，不适于测量高速转轴的转矩。 近年来，巳研制出遥测应变式转矩仪，它在上述应变电桥后，将输出电压用无线发射的方式传输，有效地解决了上述问题。信息采集技术电子信息工程系2. 2. 压磁式转矩传感器压磁式转矩传感器 铁磁材料制成的转轴，具有压磁效应，在受转矩作

19、用后，沿拉应力+ 方向磁阻减小，沿压应力- 方向磁阻增大。压磁式转矩传感器 信息采集技术电子信息工程系 在铁芯线圈A中通以50Hz的交流电，形成交变磁场。 转轴未受转矩作用时，其各向磁阻相同，BB方向正好处于磁力线的等位中心线上，因而铁芯B上的绕组不会产生感应电势。 当转轴受转矩作用时，其表面上出现各向异性磁阻特性，磁力线将重新分布，而不再对称，因此在铁芯B的线圈上产生感应电势。转矩愈大，感应电势愈大，在一定范围内，转矩愈大，感应电势愈大，在一定范围内， 感应感应电势与转矩成线性关系。电势与转矩成线性关系。这样就可通过测量感应电势e来测定轴上转矩的大小。信息采集技术电子信息工程系3. 3. 扭

20、转角式转矩测量扭转角式转矩测量 扭转角式转矩测量法是通过扭转角来测量转矩的。 根据材料力学，在转矩M作用下，转轴上相距L的两横截面之间的相对转角为:式中 G为轴的剪切弹性模量。GdDML4432信息采集技术电子信息工程系 由上式可知，当转轴受转矩作用时，其上两截面间的相对扭转角与转矩成比例，因此可以通过测量扭转角来测量转矩。 根据这一原理，可以制成光电式光电式、相位差相位差式式、振弦式振弦式转矩传感器等。(1)(1)光电式转矩传感器光电式转矩传感器信息采集技术电子信息工程系 光电式转矩传感器如图3-30所示。在转轴上安装两个光栅圆盘，两个光栅盘外侧设有光源和光敏元件。 无转矩作用时，两光栅的明暗条纹相互错开，完全遮挡住光路，因此放置于光栅一侧的光敏元件接收不到来自光栅盘另一侧的光源的光信号，无电信号输出。 当有转矩作用于转轴上时，由于轴的扭转变形，安装光栅处的两截面产生相对转角，两片光栅的暗条纹逐渐重合，部分光线透过两光栅而照射到光敏元件上，从而输出电信号。转矩越大，扭转角越大，转矩越大，扭转角越大，照射到光敏元件上的光越多，因而输出电信号也照射到光敏元件上的光越多，因而输出电信号也越大。越大。信息采集技术电子信息工程系(2) (2) 相位差式转矩传感器相位差