第六章 测试技术的工程应用

第六章测试技术的工程应用6.1

应变、力、力矩的测量6.2

温度的测量6.3

流体参数的测量教学目标：1、掌握单向应力的测量方法（布片与接桥）；2、了解平面应力和扭矩的测量；3、掌握温度的测量方法；4、了解流量的测量方法。一、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。应变电桥组桥是在应变仪上实现。

1．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。6.1应变、力与力矩的测量（1）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YJ-5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测量静态应变为主，也可测量频率较低的动态应变。YJD-1和YJD-7型静动态电阻应变仪工作频率分别为0～10Hz和0～100Hz。（3）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。测量的工作频率可达0～2000Hz。个别可达10kHz。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“偏位法”进行测量，可测量周期或非周期性的动态应变。如YD-15型动态电阻应变仪。（4）超动态电阻应变仪工作频率高于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，要求载波频率就更高，因此，多采用直流放大器。

2．直流电桥的输出加减特性直流电桥的输出电压为：若在力作用下所产生的电阻变化分别为ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4，初始状态电桥的各臂阻值又相等，即R1=R2=R3=R4=R，且考虑到ΔR<<R，忽略ΔR的高次项，则上式可写成：当各桥臂应变片的灵敏度K相同时，上式可改写为：

3．单向应力状态应变测量中组桥及温度补偿在轴向力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片R1,在温度补偿板上贴补偿片Rt，将二者组成半桥即可测得轴向应变。电桥的输出为：新产品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；工作片、补偿片完全相同；放在完全相同温度场中；接在相邻桥臂。4．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，由加减特性可知，这样可以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。5．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：

6．平面应力状态下主应力测量数据采集⑴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

⑵主应力方向未知平面应力状态

当平面应力的主应力1和σ2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1和2及主方向角三个未知量。下图表示边长为x和y、对角线长为l的矩形单元体。设在平面应力状态下，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l的相对变化量。由于主应力x、y的作用，该单元体在X、Y方向的伸长量为Δx、Δy，如图6-6(a)、(b)所示，该方向的应变为x=Δx/x、y=Δy/y；在切应力τxy作用下，使原直角∠XOY减小xy，如图6-6(c)所示，即切应变xy=Δx/y。这三个变形引起单元体对角线长度l的变化分别为Δxcos、Δysin、yxycos，其应变分别为xcos2、ysin2、xysincos。当x、y、xy同时发生时，则对角线的总应变为上述三者之和，可表示为二、力参数测量的应用1．轧制力测量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；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。闭口牌坊，轧制时轧机牌坊力柱同时受拉应力σp和弯曲应力σN，其应力分布图如下图：2．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信号，一般情况下是随机信号。三、

扭矩的测量(1)电阻应变式扭矩传感器图9.5压电式切削力测量装置

应变片式扭矩测量法(2)扭转角式转矩传感器1)数字式光电扭矩测量仪

数字式光电扭矩仪2)磁电式扭矩测量仪

磁电式扭矩测量仪(3)压磁式扭矩传感器

非接触型压磁式扭矩传感器6.2温度的测量6.2.1温度的测量方法：1）接触式测温法：适宜于静态测量、多点及集中测量、1000℃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。2）非接触式测温法：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。6.2.2热电偶和热电阻一、热电偶1.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。2.热电偶的基本参数1）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。2）热电偶最小置入深度：热电偶的最小置入深度应不小于其保护管外径的8～10倍。（特殊产品例外）3）测温范围4）绝缘电阻

a.对于长度超过1米的热电偶,它的常温绝缘电阻值与其长度的乘积不小于100MΩ.m

b.对于长度等于或不足1米的热电偶,它的常温绝缘电阻值应不小于100MΩ5）热响应时间在温度出现阶跃变化时,热电偶的输出变化至相当于该阶跃变化的50[%]所需要的时间,通常用τ0.5表示。6）精度等级等3.常用热电偶的基本要求1）物理化学性能稳定；2)测量温度范围宽；3）热电性能好；4)电阻温度系数小；5）有良好的机械加工性能；6）价格便宜，并尽量少用稀有及贵重金属4.热电偶的温度补偿法分度表按参比端温度为0℃制定，当参比端不为0℃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，而与参比端的温度无关。使用补偿导线的优点在于：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线，可以增加一部分回路的柔软可挠性；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；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定的场所。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，简称为“分度表”。分度表是通过大量的实验，测试并经过数据处理以后获得。

见P81表3-5，3-6

三、不同环工作境对热电偶及热电阻的要求1.冶金工业：高温、腐蚀、多尘、潮湿、低温等2.电力工业：精度高、热响应快3.石油和化学工业：测量范围宽（-200~1300℃）、被测介质形态及酸碱性多样、腐蚀及易燃易爆等4.机械工业：温度范围通常在1300℃以下、腐蚀性大四、安装要求（略）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。主要考虑因素：

1）被测温度范围及精度；2）所需响应时间；3）使用气氛及测定对象性能4）连接点类型；5）热电偶或护套材料的抗化学腐蚀能力；6）抗磨损或抗振动能力；7）安装及限制要求；8）经济性等。选型流程：型号--分度号—防爆等级—精度等级—安装固定形式—保护管材质—长度或插入深度6.2.3非接触式温度计1．全辐射温度计

2．光学高温计和光电高温计3．比色高温计4.红外测温6.3流体参数的测量1．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道某一截面处流体的体积或质量。2．流量计的分类1）差压式流量计2）流体阻力式流量计3）测速式流量计4）流体振动式流量计5）超声波流量计。。。。。。（1）流速方程式如上图所示，超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速所减慢，为：2)多普勒（效应）法多普勒（效应）法USF是利用在静止（固定）点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象。

3.多普勒法优缺点和局限性1）优点USF可作非接触测量多普勒USF可测量固相含量较多或含有气泡的液体。2)缺点和局限性传播时间法USF只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡超