第六章测试技术的工程应用

1、测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪第六章第六章 测试技术的工程应用测试技术的工程应用6.1 应变、力、力矩的测量应变、力、力矩的测量6.2 温度的测量温度的测量6.3 流体参数的测量流体参数的测量测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪教学目标：教学目标：1 1、掌握单向应力的测量方法（布片与接桥）；、掌握单向应力的测量方法（布片与接桥）；2 2、了解平面应力和扭矩的测量；、了解平面应力和扭矩的测量；3 3、掌握温度的测量方法；、掌握温度的测量方法；4 4、了解流量的测量方法。、了解流量的测量方法。测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显

2、示仪记录及显示仪一、一、应力、应变测量的组桥原则应力、应变测量的组桥原则 常用的力测量方法是用应变片和应变仪测量构件的表面应变，根据常用的力测量方法是用应变片和应变仪测量构件的表面应变，根据应变和应力、力之间的关系，确定构件的受力状态。应变和应力、力之间的关系，确定构件的受力状态。 应变片的布置和电桥组接（简称布片组桥）应根据被测量和被应变片的布置和电桥组接（简称布片组桥）应根据被测量和被测对象受力分布来确定。还应利用适当的布片组桥方式来消除温度变测对象受力分布来确定。还应利用适当的布片组桥方式来消除温度变化、复合载荷作用的影响和达到提高测量灵敏度的目的。应变电桥组化、复合载荷作用的影响和达到

3、提高测量灵敏度的目的。应变电桥组桥是在应变仪上实现。桥是在应变仪上实现。 1应变仪应变仪 电阻应变片的电阻变化很小，测量电桥的输出信号也很小，不足以推电阻应变片的电阻变化很小，测量电桥的输出信号也很小，不足以推动显示和记录装置，因此需将电桥的输出信号用一个高增益的放大器动显示和记录装置，因此需将电桥的输出信号用一个高增益的放大器进行放大，以实现将应变信号转变成有一定驱动能力的电压或电流信进行放大，以实现将应变信号转变成有一定驱动能力的电压或电流信号输出，以便连接计算机进行数据处理和便于连接各种记录仪器，完号输出，以便连接计算机进行数据处理和便于连接各种记录仪器，完成这一任务的仪器称应变仪。成这

4、一任务的仪器称应变仪。 6.1 6.1 应变、力与力矩的测量应变、力与力矩的测量测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪（1）静态电阻应变仪）静态电阻应变仪 主要测量静载荷作用下物理量的变化，其应变信号变化十分缓慢或变主要测量静载荷作用下物理量的变化，其应变信号变化十分缓慢或变化一次后能相对稳定。静态应变仪一般是载波放大式的，使用零位法化一次后能相对稳定。静态应变仪一般是载波放大式的，使用零位法进行测量，进行多点测量时需选配一个预调平衡箱。各传感器和箱内进行测量，进行多点测量时需选配一个预调平衡箱。各传感器和箱内电阻一起组桥，并进行预调平衡。预调或实测时需另配一手动或自动

5、电阻一起组桥，并进行预调平衡。预调或实测时需另配一手动或自动的多点转换开关，依次接通测量。如的多点转换开关，依次接通测量。如YJ-5型静态电阻应变仪。型静态电阻应变仪。（2）静动态电阻应变仪）静动态电阻应变仪 静动态电阻应变仪测量静态应变为主，也可测量频率较低的动态应变。静动态电阻应变仪测量静态应变为主，也可测量频率较低的动态应变。YJD-1和和YJD-7型静动态电阻应变仪工作频率分别为型静动态电阻应变仪工作频率分别为010Hz和和0100Hz。（3）动态电阻应变仪）动态电阻应变仪 动态应变仪与各种记录仪配合用以测量动态应变。测量的工作频率可动态应变仪与各种记录仪配合用以测量动态应变。测量的工

6、作频率可达达02000Hz。个别可达。个别可达10kHz。动态应变仪具有电桥、放大器、相。动态应变仪具有电桥、放大器、相敏检波器和滤波器等。动态应变仪用敏检波器和滤波器等。动态应变仪用“偏位法偏位法”进行测量，可测量周进行测量，可测量周期或非周期性的动态应变。如期或非周期性的动态应变。如YD-15型动态电阻应变仪。型动态电阻应变仪。（4）超动态电阻应变仪）超动态电阻应变仪 工作频率高于工作频率高于10kHz的应变仪称超动态应变仪，用于测量冲击等变化的应变仪称超动态应变仪，用于测量冲击等变化非常剧烈的瞬间过程。超动态电阻应变仪工作频率比较高，要求载波非常剧烈的瞬间过程。超动态电阻应变仪工作频率比

7、较高，要求载波频率就更高，因此，多采用直流放大器。频率就更高，因此，多采用直流放大器。 测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪2直流电桥的输出加减特性直流电桥的输出加减特性直流电桥的输出电压为：直流电桥的输出电压为：132401234()()yR RR RUURRRR测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪若在力作用下所产生的电阻变化分别为若在力作用下所产生的电阻变化分别为R1、R2、R3和和R4，初始状态电桥的各臂阻值又相等，即，初始状态电桥的各臂阻值又相等，即R1=R2=R3=R4=R，且考虑到，且考虑到RR，忽略，忽略R的高次项，的高次项，则

8、上式可写成：则上式可写成：031244yURRRRURRRR当各桥臂应变片的灵敏度当各桥臂应变片的灵敏度K K相同时，上式可改写为：相同时，上式可改写为： 012344yUUK测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪3 3单向应力状态应变测量中组桥及温度补偿单向应力状态应变测量中组桥及温度补偿 在轴向力在轴向力P P作用下。试件为单向应力状态。沿构件表面的轴线方向贴工作用下。试件为单向应力状态。沿构件表面的轴线方向贴工作片作片R1,R1,在温度补偿板上贴补偿片在温度补偿板上贴补偿片RtRt，将二者组成半桥即可测得轴向应，将二者组成半桥即可测得轴向应变变 。电桥的输出为：新

9、产品。电桥的输出为：新产品p11201BD0012111U = U444PttPpRRRURU KRRR测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪实现温度补偿必须满足以下条件：实现温度补偿必须满足以下条件：补偿板和试件的材料相同；补偿板和试件的材料相同；工作片、补偿片完全相同；工作片、补偿片完全相同；放在完全相同温度场中；放在完全相同温度场中；接在相邻桥臂。接在相邻桥臂。4 4拉（压）应变测量中弯矩影响的消除拉（压）应变测量中弯矩影响的消除工作片在上、下表面对称粘贴，由加工作片在上、下表面对称粘贴，由加减特性可知，这样可以消除因加载偏减特性可知，这样可以消除因加载偏心而造成

10、的附加弯矩。其中全桥接法心而造成的附加弯矩。其中全桥接法的输出是半桥接法的二倍。的输出是半桥接法的二倍。测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪5 5用全桥提高应变测量的灵敏度用全桥提高应变测量的灵敏度这样布片实现了温度自补偿，又得到这样布片实现了温度自补偿，又得到了最大输出应变值，还消除了因加载了最大输出应变值，还消除了因加载偏心而造成的附加弯矩。此时：偏心而造成的附加弯矩。此时： 6 6平面应力状态下主应力测量数据采集平面应力状态下主应力测量数据

11、采集 已知主应力方向已知主应力方向 例如承受内压的薄壁圆筒形容器的筒体，其主应力方向是已例如承受内压的薄壁圆筒形容器的筒体，其主应力方向是已知的。这时只需要沿两个互相垂直的主应力方向各贴一片应变片，知的。这时只需要沿两个互相垂直的主应力方向各贴一片应变片，另外再采取温度补偿措施，就可以直接测出主应变。其贴片和接桥另外再采取温度补偿措施，就可以直接测出主应变。其贴片和接桥方法如下图所示。先测出应变值，再由虎克定律计算出主应力，方法如下图所示。先测出应变值，再由虎克定律计算出主应力，即即 12 1 仪测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪 主应力方向未知平面应力状态主应力方

12、向未知平面应力状态 当平面应力的主应力当平面应力的主应力 1 1和和22的大小及方向都未知时，需对一个测点贴三的大小及方向都未知时，需对一个测点贴三个不同方向的应变片，测出三个方向的应变，才能确定主应力个不同方向的应变片，测出三个方向的应变，才能确定主应力 1 1和和 2 2及及主方向角主方向角 三个未知量。三个未知量。 下图表示边长为下图表示边长为x x和和y y、对角线长为、对角线长为l l的矩形单元体。设在平面应力状态下，的矩形单元体。设在平面应力状态下，与主应力方向成与主应力方向成 角的任一方向的应变为，即图中对角线长度角的任一方向的应变为，即图中对角线长度l l的相对变化的相对变化量

13、。量。11221E22121E测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪由于主应力由于主应力 x x、 y y的作用，该单元体在的作用，该单元体在X X、Y Y方向的伸长量为方向的伸长量为xx、yy，如图，如图6-6(a)6-6(a)、(b)(b)所示，该方向的应变为所示，该方向的应变为 x=x/xx=x/x、 y=y/yy=y/y；在切应力；在切应力xyxy作用下，使原直角作用下，使原直角XOYXOY减小减小 xyxy，如，如图图6-6(c)6-6(c)所示，即切应变所示，即切应变 xy=x/yxy=x/y。这三个变形引起单元体。这三个变形引起单元体对角线长度对角线长度l

14、 l的变化分别为的变化分别为xcosxcos 、ysinysin 、y y xy cosxy cos ，其，其应变分别为应变分别为 xcos2xcos2 、 ysin2ysin2 、 xysinxysin coscos 。当。当 x x、 y y、 xyxy同时发生时，则对角线的总应变为上述三者之和，可表示为同时发生时，则对角线的总应变为上述三者之和，可表示为cossinsincos22xyyx测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪二、力参数测量的应用二、力参数测量的应用1 1轧制力测量轧制力测量广泛采用两种

15、测量轧制力的方法：广泛采用两种测量轧制力的方法：一、通过测量基架立柱的拉伸应变测量轧制力，又称应力测量法；一、通过测量基架立柱的拉伸应变测量轧制力，又称应力测量法；二、用专门设计的测力传感器直接测量轧制压力，至于所用的变换原理及二、用专门设计的测力传感器直接测量轧制压力，至于所用的变换原理及传感器形式，则有电阻应变式、压磁式、电容式及电感式等。传感器形式，则有电阻应变式、压磁式、电容式及电感式等。 闭口牌坊，轧制时轧机牌坊力柱同时受拉应力闭口牌坊，轧制时轧机牌坊力柱同时受拉应力 p p 和弯曲应力和弯曲应力 NN，其应力分布图如下图：，其应力分布图如下图：测试技术基础测试技术基础第七章第七章

16、记录及显示仪记录及显示仪2 2切削力测量切削力测量切削力的测量是一种比较典型的多向动态力测量。切削力信号是复杂的切削力的测量是一种比较典型的多向动态力测量。切削力信号是复杂的信号，一般情况下是随机信号。信号，一般情况下是随机信号。 测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪 三、三、 扭矩的测扭矩的测量量 (1)电阻应变式扭矩传感器电阻应变式扭矩传感器图图9.5 9.5 压电式切削力测量装置压电式切削力测量装置测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪 应变片式扭矩测量法应变片式扭矩测量法测试

17、技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪 (2)扭转角式转矩传感器扭转角式转矩传感器 1)数字式光电扭矩测量仪数字式光电扭矩测量仪 数字式光电扭矩仪数字式光电扭矩仪测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪 2)磁电式扭矩测量仪磁电式扭矩测量仪 磁电式扭矩测量仪磁电式扭矩测量仪测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪 (3)压磁式扭矩传感器压磁式扭矩传感器 非接触型压磁式扭矩传感器非接触型压磁式扭矩传感器测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪6.26.2 温度的测量温度的测量6.2.1 6.2.1 温度的测量方

18、法温度的测量方法：1 1）接触式测温法：接触式测温法：适宜于静态测量、多点及集中测量、适宜于静态测量、多点及集中测量、1000 1000 以下的温度测量和自动控制，精度较高；但不适以下的温度测量和自动控制，精度较高；但不适于小物体的温度测量，且滞后较大。于小物体的温度测量，且滞后较大。2 2）非接触式测温法：非接触式测温法：适宜于动态测量、表面温度测量及适宜于动态测量、表面温度测量及高温测量，滞后小；但精度较低。高温测量，滞后小；但精度较低。测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪6.2.2 6.2.2 热电偶和热电阻热电偶和热电阻一、热电偶一、热电偶1.1.分度表：热电

19、偶的热电动势与温度的关系特性用列分度表：热电偶的热电动势与温度的关系特性用列表来表示。表来表示。2.2.热电偶的基本参数热电偶的基本参数1 1）公称压力：一般是指在工作温度下保护管所能承受）公称压力：一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而不破裂。容许的工作压力不仅与保护的静态外压而不破裂。容许的工作压力不仅与保护管材料、直径、壁厚有关，还与其结构形式、安装管材料、直径、壁厚有关，还与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质的流速、种类等有关。方法、置入深度以及被测介质的流速、种类等有关。2 2）热电偶最小置入深度：热电偶的最小置入深度应不）热电偶最小置入深度：热电偶的最小置入深度应不

20、小于其保护管外径的小于其保护管外径的8 81010倍。（特殊产品例外）倍。（特殊产品例外）3 3）测温范围）测温范围测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪4 4）绝缘电阻）绝缘电阻a.a.对于长度超过对于长度超过1 1米的热电偶米的热电偶, ,它的常温绝缘电阻值与其它的常温绝缘电阻值与其长度的乘积不小于长度的乘积不小于100M.m100M.mb.b.对于长度等于或不足对于长度等于或不足1 1米的热电偶米的热电偶, ,它的常温绝缘电阻它的常温绝缘电阻值应不小于值应不小于100M100M5 5）热响应时间）热响应时间在温度出现阶跃变化时在温度出现阶跃变化时, ,热电偶的输出

21、变化至相当于热电偶的输出变化至相当于该阶跃变化的该阶跃变化的50%50%所需要的时间所需要的时间, ,通常用通常用0.50.5表示。表示。6 6）精度等级等）精度等级等测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪3 3. .常用热电偶的基本要求常用热电偶的基本要求1 1）物理化学性能稳定；）物理化学性能稳定；2)2) 测量温度范围宽；测量温度范围宽；3 3）热电性能好；）热电性能好；4)4) 电阻温度系数小；电阻温度系数小；5 5）有良好的机械加工性能；）有良好的机械加工性能； 6 6）价格便宜，并尽量少用稀有及贵重金属）价格便宜，并尽量少用稀有及贵重金属测试技术基础测试技术

22、基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪4 4. .热电偶的温度补偿法热电偶的温度补偿法分度表按参比端温度为分度表按参比端温度为0 0 制定，当参比端不为制定，当参比端不为0 0 时，会时，会产生测量误差，消除该误差的方法就是温度补偿法，如补偿产生测量误差，消除该误差的方法就是温度补偿法，如补偿导线法。导线法。补偿导线的作用原理是中间温度定理，即当连接导线和热电补偿导线的作用原理是中间温度定理，即当连接导线和热电极的热电特性相同时，补偿导线连接回路的总热电势只与测极的热电特性相同时，补偿导线连接回路的总热电势只与测量端、补偿导线与显示仪表连接处的温度有关，而与参比端量端、补偿导线与显示仪表连

23、接处的温度有关，而与参比端的温度无关。的温度无关。使用补偿导线的优点在于：使用补偿导线的优点在于：1 1）可以改善热电回路的机械和物理特性，如使用软的或硬而细的补偿导）可以改善热电回路的机械和物理特性，如使用软的或硬而细的补偿导线，可以增加一部分回路的柔软可挠性；线，可以增加一部分回路的柔软可挠性；2 2）补偿导线同样还可以用来调整回路的电阻值和屏蔽外界干扰；）补偿导线同样还可以用来调整回路的电阻值和屏蔽外界干扰；3 3）补偿导线还可以把温度测量的信号从现场传送到集中控制室或温度恒）补偿导线还可以把温度测量的信号从现场传送到集中控制室或温度恒定的场所。定的场所。测试技术基础测试技术基础第七章第

24、七章 记录及显示仪记录及显示仪二、热电阻二、热电阻 分度表：热电阻感温元件的电阻与温度关系特性可以用列表法来表示，分度表：热电阻感温元件的电阻与温度关系特性可以用列表法来表示，简称为简称为“分度表分度表”。分度表是通过大量的实验，测试并经过数据处理以。分度表是通过大量的实验，测试并经过数据处理以后获得。后获得。 见见P81 P81 表表3-5，3-6三、不同环工作境对热电偶及热电阻的要求三、不同环工作境对热电偶及热电阻的要求 1. 1.冶金工业：高温、腐蚀、多尘、潮湿、低温等冶金工业：高温、腐蚀、多尘、潮湿、低温等 2. 2.电力工业：精度高、热响应快电力工业：精度高、热响应快 3. 3.石油

25、和化学工业：测量范围宽（石油和化学工业：测量范围宽（-200-2001300 ）、）、被测介质形态及酸碱性多样、腐蚀及易燃易爆等被测介质形态及酸碱性多样、腐蚀及易燃易爆等 4. 4.机械工业：温度范围通常在机械工业：温度范围通常在13001300以下、腐蚀性大以下、腐蚀性大四、安装要求（略）四、安装要求（略）测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪五、热电偶的选用五、热电偶的选用 选择热电偶要根据使用温度范围、所需精度、使用选择热电偶要根据使用温度范围、所需精度、使用气氛、测定对象的性能、响应时间和经济效益等综合气氛、测定对象的性能、响应时间和经济效益等综合考虑。主要考虑

26、因素：考虑。主要考虑因素： 1 1）被测温度范围及精度；）被测温度范围及精度；2 2）所需响应时间；）所需响应时间；3 3）使用气氛及测定对象性能）使用气氛及测定对象性能4 4）连接点类型；）连接点类型；5 5）热电偶或护套材料的抗化学腐蚀能力；）热电偶或护套材料的抗化学腐蚀能力；6 6）抗磨损或抗振动能力；）抗磨损或抗振动能力；7 7）安装及限制要求；）安装及限制要求；8 8）经济性等。）经济性等。选型流程：型号选型流程：型号-分度号分度号防爆等级防爆等级精度等级精度等级安安装固定形式装固定形式保护管材质保护管材质长度或插入深度长度或插入深度测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪6.2.6.2.3 3 非接触式温度计非接触式温度计 1 1全辐射温度计全辐射温度计2 2光学高温计和光电高温计光学高温计和光电高温计3 3比色高温计比色高温计4.4.红外测温红外测温测试技术基础测试技术基础第七章第七章 记录及显示仪记录及显示仪6.36.3 流体参数的测量流体参数的测量 1 1流量计流量计流体的流量分为体积流量和质量流量，分别表示某瞬时单位时间内流过管流体的流量分为体积流量和质量流量，分别表示某瞬