第7章应变、力和转矩的测量
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转矩是旋转机械的重要参数之一。
转矩的测试方法,按其基本原理可以分为三种:传递法(扭轴法)、平衡力(反力)法及能量转换法。
传递法是根据弹性元件在传递转矩时所产生的变形、应力或应变来测试转矩的方法(因为常用的弹性元件是扭轴,所以又称扭轴法)。
变化的参数可以是变形、应力或应变等,使用的弹性元件是扭轴,等截面圆柱形扭轴的应变可按下式计算:它所产生的应变可以引起贴在表面的电阻应变片阻值的变化而形成应变型转矩传感器。
电机主轴旋转时,将转矩传递到扭轴上,扭轴上所产生的应变,通过转矩传感器的电阻应变片转换成相应的电信号,该信号通过处理后送显示器显示转矩数值。
这种传感器使用方便,精度高,易于集成。
平衡力法是通过外加己知的与被测转矩方向相反的转矩,当传动轴静止或匀速转动时,外加转矩与被测转矩相等。
这种方法简单,但必须通过另外一种方法测量外加的转矩或力及力臂,这样会对测量引入一定的累计误差。
能量转换法则是一种间接测量方法,根据对应于转矩大小而变化的其他能量参数来测试转矩的方法,是通过利用能量守恒的原理间接测量转矩,不易实现。
这三种转矩测试方法的原理示意图,分别如图7.8(a),(b),(c)所示。
本节对这三种转矩测试方法分别进行讨论。
一、传递法测试转矩传递法所用转矩传感器是多种多样的,例如:(1)变形型转矩传感器,反映机械、液压、气动、电阻、电容、电感、光学、光电等参数的变化。
(2)应力型转矩传感器,反映材料磁阻变化或透光材料的双折射现象(磁弹或光弹转矩传感器)。
(3)应变型转矩传感器,反映轴的应变引起电阻应变片的电阻变化。
转矩测试仪因所用传感器不同而有较大差别,为此,分别举例讨论如下:1.相位转矩测量仪(采用变形型转矩传感器)近年来,随着电子测试技术的迅速发展,信号的相位测试方法也日趋完善。
利用相位测试原理制成的相位转矩测试仪,也得到广泛应用。
特别是数字显示相位转矩测试仪,由于具有读数直观,信号可远传,不易受干扰,测试准确度高,测试结果便于自动记录或输入计算机进行数据处理等优点,在现代科学实验工作中的应用日益广泛。
力和力矩的测量力的定义:力是物体之间的相互作用。
大小、方向、作用点是力的三要素。
牛顿第二定律表述:动量对时间的变化率。
F dp /d t =国际单位:牛顿,简称牛,符号是N 。
211/N kg m s =⋅力矩定义:位矢和力的叉乘。
物理学上指使物体转动的力乘以到转轴的距离。
力矩单位是牛顿·米(N ·m )对力的测量问题有两种基本方法:(1)直接比较(2)使用标准传感器进行间接比较 直接比较方法利用某种形式的梁式天平,并且使用零位平衡技术。
1 力的测量1.1等臂天平(如图中分析天平,精度可达0.1mg )或非等臂天平。
最简单的重量或力的测量系统。
基于力矩比较原理工作的。
由未知的重量或力产生的力矩,和一个已知量产生的力矩进行比较。
1.2摆式测力机构如摆式秤。
输入量施加到负载杆上,使配重旋转向外移动。
该移动使得配重作用力矩增加,直到负载力矩和摆秤力矩相等。
1.3 弹性传感器很多力传感器系统利用某种机械弹性件或弹性件的组合,对弹性件施加载荷导致一种类似的变形,通常是线性的,然后对该变形直接观察并且用于力的测量,或者使用另一个传感器来将该位移转换成另一种形式的输出,通常是电的形式。
通常要对弹性件进行标定,如调整螺旋弹簧的有效圈数等。
1.4应变片测力计与将总变形用于测量载荷不同的是,应变片测力计根据单位应变来测量负载。
电阻型应变片非常适合于这一用途。
若要测量的是大载荷,可以使用直接拉压型元件。
如果是小载荷,则可通过弯曲来放大应变。
金属电阻应变片的原理:当金属丝或金属箔片被机械地拉长时,导体的长度将变长,截面将变小,因此其电阻发生变化。
如果电阻元件长度紧密附着在发生这样应变的构件上,使得电阻元件也产生应变,那么测出的电阻变化可以根据应变来定标。
金属应变片的应变片因子F 在通常要求的应变范围内基本上是个常数,而由实验确定的应变片因子F 的值,对于一种给定的材料是相当一致的。
1R F Rε∆=在实际应用中,F 和R 的值是由应变片制造商提供的,使用者要根据被测的输入量情况确定R ∆图中所示的拉压型电阻应变片测力计的电桥常数是2(1+u),其中u是材料的泊松比。