机械工程测试技术第六章-力、扭矩、压力的测量

1、第六章 力、扭矩、压力的测量6.1 力的测量 6.2 扭矩的测量6.3 压力的测量 6.1力的测量测量方法可归纳为利用力的静力效应和动力效应两种。静力效应测力 力的静力效应使物体产生变形，通过测定物体的变形量或用与内部应力相对应参量的物理效应来确定力值。如可用差动变压器、激光干涉等方法测定弹性体变形达到测力的目的；也可利用与力有关的物理效应如压电效应、压磁效应等。动力效应测力 力的动力效应使物体产生加速度，测定了物体的质量及所获得的加速度大小就测定了力值。在重力场中地球的引力使物体产生重力加速度，因而可以用已知质量的物体在重力场某处的重力来体现力值。例如基准测力机等。 6.1.1 应力、应变的

2、测量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。应变仪采用交流电桥时，输出特性与直流电桥类似。应变片的布置和电桥组接(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消除温度变化和复合载荷作用的影响。测量拉伸(压缩)布片组桥方式 测量拉伸(压缩)应变时要采用适当的布片组桥方式，以便达到：温度补偿(测轴向拉(压)时的温度补偿)消除弯矩影响(用双工作片消除弯矩的影响)提高测量灵敏度(用四工作片提高测量的灵敏度)的目的。 常用应力测量的布片和组桥方式: 温度补偿沿构件表面的轴线方向贴工作片R1，在温度补偿板上贴补偿

3、片Rt，组成半桥即可测得轴向应变e。电桥的输出为温度补偿满足条件：补偿板和试件的材料相同；工作片、补偿片完全相同，放在完全相同温度场中，接在相临桥臂。 图中沿轴向贴一片应变片,沿横向贴另一片,为工作片补偿法。在拉(压)应变测量中消除弯矩的影响 用对称双工作片测轴向拉(压)应变。工作片在上、下表面对称粘贴，由加减特性可知，这样可消除因加载偏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。 用多工作片提高应变测量的灵敏度左图( 用四工作片测拉(压)应变)中，布片时省去了温度补偿板。这种方法可得到最大输出应变值，即也可以消除因加载偏心而造成的附加弯矩。 弯矩测量当试件受到弯矩作用时，其上、下

4、表面会分别产生拉应变或压应变。可通过应变测量求得弯矩，布片接桥时要注意利用电桥特性，在输出中保留弯应变的影响，消除轴向拉、压力产生的应变成分。6.1.2 电阻应变式测力装置测量力时可以直接在被测对象上布片组桥，也可以在弹性元件上布片组桥，使力通过弹性元件传到应变片。常用的弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐等多种形式。 柱式弹性元件 通过柱式弹性元件表面的拉(压)变形测力。应变片的粘贴和电桥的连接应尽可能消除偏心和弯矩的影响，一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部。柱式力传感器可以测量0.13000吨的载荷，常用于大型轧钢设备的轧制力测量。 梁式弹性元件 类型有等截面梁、等强度梁和双端固定梁

5、等，通过梁的弯曲变形测力，结构简单，灵敏度较高。等截面梁式弹性元件等截面梁式弹性元件为一端固定的悬臂梁，当力作用在自由端时，刚性端截面的应力最大，而自由端挠度最大，在距受力点为l0的上下表面，沿l向贴电阻应变片R1，R2和R3，R4。粘贴应变片处的应变为等强度梁(等强度梁式力传感器)，梁厚为h，梁长为l，固定端宽为b0，自由端宽为b。梁的截面成等腰三角形，集中力F作用在三角形顶点。梁内各横截面产生的应力是相等的，表面上任意位置的应变也相等，因此称为等强度梁，其应变为用梁式弹性元件制作的力传感器适于测量5,000N以下的载荷，最小可测几克重的力。这种传感器结构简单，加工容易，灵敏度高，常用于小压

6、力测量中。双端固定梁 双端固定梁的二端都固定，中间加载荷F，梁宽为b，梁厚为h，梁长为l，应变片粘贴在中间位置，则梁的应变为这种梁的结构在相同力F的作用下产生的挠度比悬臂梁小。环式弹性元件 分为圆环式和八角环式。它也是通过元件的弯曲变形测力，结构较紧凑。实际应用如切削测力仪。圆环式在圆环上施加径向力Fy时，圆环各处的应变不同，与作用力成39.6处(图中B点)应变等于零。在水平中心线上则有最大的应变R为圆环外径，h为圆环壁厚，b为圆环宽度 圆环式 将应变片贴在1、2、3和4处，1、3处受拉；2、4处受压。如果圆环一侧固定，另一侧受切向力Fx时，与受力点成90处(A点)应变等于零。将应变片贴在与垂

7、直中心线成39.6的5、6、7、8处，则5、7处受拉，6、8处受压。这样，当圆环上同时作用着Fx和Fy时，将14处和58处的应变片分别组成电桥，就可以互不干扰地测力Fx和Fy。八角环式 圆环方式不易加紧固定, 实际上常用八角环代替, 如图所示。八角环厚度为h, 平均半径为r。当h/r较小时, 零应变点在39.6附近。当h/r=0.4时，零应变点在45处，故一般八角环测力Fx时，应变片贴在45处。切削测力仪当测力仪受进给抗力Fx作用，则应变片R5、R7受拉应力，R6、R8受压应力。当圆环同时受Fy、Fx作用时，把应变片R1R4，R5R8组成如图所示的电桥，就可互不干扰地分别测得Fy和Fx。当测力

8、仪受主切削力Fz的作用时，其八角环既受到垂直向下的力，又受到由于Fz引起的弯矩Mz的作用。力Fz与各应变片轴向垂直不起作用，Mz使测力仪上部环受拉应力，下部环受压应力，因此将应变片组成如图所示电桥就可测出Fz。6.1.3 其它测力传感器电容式力传感器在矩形的特殊弹性元件上，加工若干个贯通的圆孔，每个圆孔内固定两个端面平行的丁字形电极，每个电极上贴有铜箔，构成由多个平行板电容器并联组成的测量电路。在力F作用下，弹性元件变形使极板间矩发生变化，从而改变电容量。 压电式力传感器 前面章节介绍过压电式传感器的原理和压电式振动加速度传感器，测力传感器的结构类似。其特点是体积小，动态响应快，但是也存在电荷

9、泄漏，不适宜静态力的测量。使用中应防止承受横向力和施加予紧力。 某些铁磁材料受到外力作用时，引起导磁率变化现象，称作压磁效应，其逆效应称作磁致伸缩效应。硅钢受压缩时其导磁率沿应力方向下降，而沿应力的垂向增加；在受拉伸时，导磁率变化正好相反。压磁式测力装置 在硅钢叠片上开4个对称的通孔，孔中分别绕互相垂直的两个线圈，一个线圈为励磁绕组，另一个为测量绕组。无外力作用时，磁力线不和测量绕组交链，测量绕组不产生感应电势。当受外力作用时，磁力线分布发生变化，部份磁力线和测量绕组交链，并在绕组中产生感应电势，且作用力愈大，感应电势愈大。 硅钢材料受力面加大后，可测量数千吨的力，且输出电势较大，无需放大处理

10、。常用于大型轧钢机的轧制力测量。压磁式测力装置差动变压器式测力传感器 差动变压器式力传感器的弹性元件是簿壁圆筒，在外力作用下，变形使差动变压器的铁芯介质微位移，变压器次极产生相应电信号。其特点是工作温度范围较宽,为了减小横向力或偏心力的影响，传感器的高径比应较小。 6.2 扭矩的测量以 测量转轴应变测量转轴两横截面相对扭转角的方法最常用 6.2.1 应变式扭矩测量当受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力tmax。轴表面为纯剪应力状态，与轴线成45的方向上有最大正应力s1和s2，其值为s1 = s2 = tmax。相应的变形为e1和e2，当测得应变后，便可算出tmax。测量时应变片沿与轴线成45的方向

11、粘贴。 若测得沿45方向的应变e1，则相应的剪应变为6.2.1 应变式扭矩测量于是，轴的扭矩为对于实心圆轴 Wn= p D3/16测扭时，电阻应变计须沿主应变e1及e2的方向(与轴线成45及135夹角)。应变计的布置及组桥方式应考虑灵敏度、温度补偿及抵消拉、压及弯曲等非测量因素干扰的要求。测量扭矩时应变片的布置和组桥方式 (a) 双片集中轴向对称(横八字)布置，应变片R1及R2互相垂直，组成半桥的相邻两臂。贴片及引线较为简单，但不能完全抵消弯曲影响，可用于轴体不受弯曲的场合。(b) 双集中径向对称(竖八字)布置，与(a)之不同之处仅在于R1及R2处于同一截面周边的邻近两个点上，其适用条件同(a

12、)。测量扭矩时应变片的布置和组桥方式 (c) 四片径端对称的双横八字布置，互相垂直的两个应变片的中心共线，四片可组成半桥或全桥。组成全桥时，输出灵敏度为(a)的二倍。无论组成半桥或全桥皆可抵消拉(压)及弯曲的影响。测量扭矩时应变片的布置和组桥方式 (d) 四片径端对称的双竖八字布置，可视为(b)的复合。应变片分别处于同一截面同一直径两个端点的邻近部位，在轴体表面展开图中四个敏感栅的中心共线。(e) 四片均布的双竖八字布置，与(d)的区别仅在于四片圆周均布。(d)与(e)可组成全桥或半桥方式，其灵敏度及抵抗非测力因素的性能同(c)。6.2.2 扭矩测量信号的传输 扭矩测量的集电装置 旋转件应变测

13、量，要解决信号传送问题。除采用遥测方式以外，需要有集电装置。无线传输方式 电波收发方式和光电脉冲传输。电波收发方式测量系统要求可靠的发射、接收和遥测装置，信号易受到干扰(数字化后传输可解决)；光电脉冲测量抗干扰能力较强，测试数据数字化后以光信号的从转动的测量盘传送到固定的接收器，解码器后还原为所需的信号。 6.2.3其它扭矩测量方法 压磁式扭矩传感器 磁电感应式扭矩传感器 光电式扭矩传感器 压磁式扭矩传感器 铁磁材料的转轴受扭矩作 用时，导磁率发生变化。压 磁式扭矩传感器中铁芯的开 口端与转轴表面保持1-2mm 空隙，当A-A线圈通入交流 电，形成过转轴的交变磁场。 当转轴不受扭矩时，磁力 线

14、和B-B线圈不交链；转轴 受扭矩作用时，转轴材料导磁率变化，沿正应力方向磁阻减小，沿负应力方向磁阻增大，从而使磁力线分布改变，使部分磁力线与B-B线圈交链，在B-B线圈产生感应电势。磁电感应式扭矩传感器 磁电感应式扭矩传感器中， 在转轴上固定两个齿轮1和2， 它们的材质、尺寸、齿形和 齿数均相同。永久磁铁和线 圈组成的磁电式检测头3和4 对着齿顶安装。当转轴不受 扭矩时，两线圈输出信号相 同，相位差为零。转轴承受 扭矩后，相位差不为零，且随两齿轮所在横截面之间相对扭转角的增加而加大，其大小与相对扭转角、扭矩成正比。 光电式扭矩传感器 光电式扭矩传感器在转轴4上 固定两只圆盘光栅3，在不承受 扭

15、矩时，两光栅的明暗区正好 互相遮挡，光源1的光线没有透 过光栅照射到光敏元件2，无输 出信号。当转轴受扭矩后，转 轴变形将使两光栅出现相对转 角 ，部份光线透过光栅照射到 光敏元件上产生输出信号。扭 矩愈大，扭转角愈大，穿过光栅的光通量愈大，输出信号愈大，从而可实现扭矩测量。通过两光栅之间相对扭转角来测量扭矩。 6.3 压力的测量 6.3.1 压力测量的弹性元件压力测量弹性元件通常有波登管、膜片、波纹管等。在流体压力作用下，弹性元件产生应变，其应变可以由应变片或微位移传感器及相应测量电路转换成电信号输出，有时也可通过杠杆或齿轮副把应变转化成指针偏转角来表示被测压力的大小。 弹性元件的结构形式及

16、输出特性 波登管 波登管，是横截面为空心椭圆形或扁圆形的金属管。当管的固定端通入有一定压力的流体时，管内外的压力差(管外一般为大气压力)迫使管截面趋于圆形，这种变形导致波登管封闭的自由端产生线位移或角位移。 a C型波登管b 螺旋型波登管c 扭转型波登管6.3.2 压力测量装置 应变式压力传感器 膜片应变式压力传感器的主要元件是采用扩散工艺制成的含有半导体应变片的特殊膜片，利用压阻效应工作。常用作局部区域（如油路、气路中的某部位）的压力测量。膜片灵敏度高、体积小、动态响应快。膜片直径甚至可以小到零点几毫米，频率特性可以达到几十千赫。但温度对膜片性能影响较大，流体温度变化会改变膜片的弹性模量及泊

17、桑比，引起附加应变和应力，改变工作状态和灵敏度。压电式压力传感器压电式压力传感器是利用压电晶体(如石英、云母等)的压电效应而制成的。压电式压力传感器对温度变化较为敏感，因此必须采取补偿措施防止温度的影响。目前常用的办法有两种：一种是用水冷的办法；另一种是在晶片的前面安装一块用线膨胀系数大的如纯铝等金属制成的薄片，当温度变化时补偿片的线膨胀可以弥补晶体与金属线膨胀之间的差值，以保证预紧力的稳定。两种办法常同时使用。压电式压力传感器具有灵敏度高、线性好、刚度大、频率范围宽、稳定性好等特点。电阻应变仪按所测应变信号频率范围不同分为：1) 静态电阻应变仪 用以测量静态载荷下的应变，以及变化十分缓慢或变化后能很快稳定下来的应变；2) 静动态电阻应变仪 工作频率为0-200Hz，用以测量静态应变或频率在200Hz以下的低频动态应变；3) 动态电阻应变仪 工作频