第19章力学量检测技术

1、第第14章章 力学量检测技术力学量检测技术 在工业生产、科学研究等各个领域中，压力、力和转矩是经常需要测量的重要参数，而这些参数都是力的现象，因此在测量方法和所用仪器设备上有很多相同的地方。 本章将介绍压力、力和转矩的测量方法、测量中所用的仪器设备及所用典型传感器的基本原理及结构。14.1 压力的测量压力的测量一、压力的基本概念1压力的定义 垂直作用于单位面积上的力，这就是物理学上的压强，在工程上常称为压力。压力表示为：2压力的单位 在国际单位制，压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。 即1N（牛顿）的力垂直均匀作用在1m2的面积上所形成的压力值为1Pa，即1帕斯卡=1牛顿/米2

2、。pF S21 Pa1 N / m3压力的表示方法 绝对零压力：完全真空的容器，无压力作用于器壁，称为绝对零压力。 绝对压力：绝对压力是以绝对零点压力为起点计算的压强，单位也用帕斯卡，符号为Pa。 大气压力：自绝对零压力起，大气作用下的压力称为大气压力；大气压力随地区和高度的不同而变化。 标准大气压：把作用于海平面处的大气压定义为标准大气压。 表压力：表压力是以大气压力为基准，压力测量仪表测压元件内部压力与周围大气压的差值。为了得到绝对压力需将大气压力附加在压力表的读数上。 真空度（负压）：以大气压力为基准，低于大气压力的压力读数。 差压（压差）：两个压力之间的差值称为差压。 这几种表示法的关

3、系如图所示。此外，工程上按压力随时间的变化关系还有静态压力和动态压力之分。4压力检测的基本方法压力检测的基本方法（1）重力平衡方法 利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理，将被测压力转换为液柱高度或平衡砝码的重量来测量。（2）弹性力平衡方法 利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理来检测压力。（3）机械力平衡法 将被测压力经变换元件转移成一个集中力，用外力与之平衡，通过测得平衡时的外力来得到被测压力。（4）物性测量方法二、常用压力检测仪表二、常用压力检测仪表1液柱式压力计（1）U形管压力计（2）单管压力计（3）斜管压力计12p Ap A

4、ghA12pppgh 21221dpppghD ph g sinpL g 2弹性压力计弹性压力计 当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。弹性元件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和设计。（1）弹性元件 弹性元件是一种简单可靠的测压敏感元件。利用弹性元件受压后产生弹性变形的原理进行测压，随着压力的测量范围不同，所用弹性元件形式也不一样。 弹簧管：把截面积为椭圆形的金属管弯成弧形，当内部通入压力后，由于金属管的变形，其自由端会产生位移，利用该位移可以测量出压力的大小。 波纹管：波纹管是一个

5、周围为波纹状的薄壁金属筒体。 薄膜：薄膜有弹性膜片和膜盒两种形式，是由金属或非金属弹性材料做成的膜片。（2）弹簧管压力计 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。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灵敏度调整槽3力平衡式压力计力平衡式压力计 力平衡式压力计采用反馈力平衡的原理，反馈力的平衡方式可以是弹性力平衡或电磁力平衡等。力平衡式压力计的基本构成如图所示。4压力传感器压力传感器（1）应变片式 常见压力传感器（2）压阻式压阻式压力传感器的特点如下所述。灵敏度高，频率响应高。测量范围宽，可测

6、10Pa到高60MPa的高压。精度高，工作可靠。（0.20.02）。易于微小型化，目前国内生产出直径1.82mm的压阻式压力传感器。（3）压电式 某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形（压缩或伸长）时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。（4）电容式 电容式压力传感器采用变电容测量原理，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。（5）谐振式 谐振式压力传感器是靠被测压力所形成的应力改变弹性元件的谐振频率，通过测量频率信号的变化来检测压力。这种传感器

7、特别适合与计算机配合使用，组成高精度的测量、控制系统。图14-9 振筒式压力传感器图14-10 振膜式压力传感器14.2 力的测量力的测量一、力的基本概念1力的定义 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。2力的单位 国际单位制中，规定力的单位为牛顿（N），定义为：使1kg质量的物体产生1 m/s2加速度的力，即1N=1kgm/s2。二、力的测量方法二、力的测量方法 力的测量方法可归纳为力平衡法，测位移法和利用某些物理效应测力等。1平衡法 力平衡式测量法是基于比较测量的原理，用一个已知力来平衡待测的未知力，从而得出待测力的值。平衡力可以是已

8、知质量的重力、电磁力或气动力等。（1）机械式力平衡法ibFmga图14-11 机械式力平衡装置（2）磁电式力平衡装置 图14-12 磁电式力平衡测力装置它由光源、光电式零位检测器、放大器和一个力矩线圈组成它由光源、光电式零位检测器、放大器和一个力矩线圈组成的一个伺服测量系统。的一个伺服测量系统。2位移法位移法 在力的作用下，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，如电容式、差动变压器与弹性元件。3物理效应物理效应 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。三、测力的传感器三、测力的传感器1应变式力传感

9、器 应变式力传感器的工作原理与应变式压力传感器基本相同，它也是由弹性敏感元件和贴在其上的应变片组成。图14-15 几种弹性元件及应变片贴片方式2压磁式力传感器压磁式力传感器一般由压磁元件、传力机构组成。图14-16 压磁式传感器14.3 转矩的测量转矩的测量一、转矩的基本概念1转矩的定义及单位使机械元件转动的力矩或力偶称为转动力矩，简称转矩。机械元件在转矩作用下都会产生一定程度的扭转变形，故转矩有时又称为扭矩。在国际单位制（SI）中，转矩的计量单位为牛顿米（Nm）。2转矩的类型 转矩可分为静态转矩和动态转矩。二、转矩的测量方法二、转矩的测量方法1平衡力法通过测量机体上的平衡力矩（实际上是测量力

10、和力臂）来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。2能量转换法 依据能量守恒定律，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。3传递法 应变式转矩测量通过测量由转矩作用在转轴上产生的应变来测量转矩。 扭转角式转矩测量是通过扭转角来测量转矩的。 光电式转矩传感器。图14-18 光电式转矩传感器 相位差式转矩传感器。图14-19 相位差式转矩传感器 振弦式转矩传感器振弦自振频率fg与振弦中的张力F的平方根成正比：g12FfLm图

11、14-20 振弦式转矩传感器14.4 称重系统称重系统一、电子皮带秤 电子皮带秤是一种能连续称量散状颗粒物料重量的装置，它不但可以对某一瞬间在输送带上的输送物料重量进行称重，还可以在某段时间内对输送的物料总重进行称重。 因此，电子皮带秤在建材、水泥、煤矿、冶金化工和粮仓、码头等场合中得到了普遍的应用。 电子皮带秤由秤架、测速传感器、高精度测重传感器、电子皮带秤控制显示仪表等组成，能对固体物料进行连续动态计量。1电子皮带秤的基本组成部分电子皮带秤的基本组成部分 电子皮带秤的基本组成主要包括：皮带输送机及其驱动单元；称重单元；测速单元；信号采集、处理与控制单元。电子皮带秤的实物图如图所示。2电子皮

12、带秤原理电子皮带秤原理将装有称重传感器的称重桥架固定于皮带输送机的纵梁上，通过称重传感器支承或悬挂的称重桥架及皮带托辊检测皮带上的物料重量，产生一个正比于皮带载荷的电输出信号，同时速度传感器通过滚轮与输送皮带的同步转动产生一系列脉冲信号，每个脉冲代表一个皮带长度，脉冲的长度正比于皮带速度，积算器将以下两种信号用积分方法对皮带速度和皮带负荷进行积算，并转换成选项定的工程单位。物料在皮带上运行至皮带秤位置时，对皮带秤称重托辊产生向下的作用力，通过秤体，将作用力作用至称重传感器上。物料通过皮带秤上方的皮带时对皮带有相对的压力，压力通过皮带传递：托辊秤架称重传感器，称重传感器受力变化，其信号电压mV信号也发生相应的变化，其变化值传到仪表。物料通过皮带的速度等于皮带的速度，皮带的运动带动速度滚筒同速运转，此时测速滚筒传感器将测得的速度信号传到仪表。根据皮带速度的不同，皮带电子秤有两种工作模式，一是定速传送，二是变速传送。图14-22 变速传送皮带电子秤的原理框图电子皮带秤的核心部分如图14-23所示。图14-23 皮带秤是定量给料机的核心部分二、地磅二、地磅 汽车衡俗称地磅，是大宗货物计量的主要称重设备。电子汽车衡利用应变电测原理称重。（1）结构组成 电子汽车衡主要由承载器、