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传感与检测技术ch18-力、压力和力矩测量

第18章力、压力和转矩的测量
1
18. 力、压力和转矩的测量
18.0 概念
1）什么是力? 力是物体之间的相互作用。各种机械运动是力或力矩传递的结果，因此力是最重要的物理量之一；力的动力效应：力改变物体的机械运动状态；力的静力效应：造成物体的变形。力值的计量单位：牛顿（N）。
2）力矩、扭矩、转矩力矩是力和力臂的乘积。力矩能使物体转动，也称为转矩 (torque) 。对于一个旋转轴，转矩 T= F×r，F是在半径r处的切向力。轴在转矩作用下会发生扭曲变形，材料内部会产生剪切应力和应变，也称为扭矩。计量单位：牛顿米（N.m）
下图是测量拉压力的传感器的典型弹性元件。为获得较大的灵敏度，采用梁式结构。如果结构和粘贴都对称，应变片参数又相同，则这种传感器除了具有较高的灵敏度外，并能实现温度补偿和消除x和y方向力的干扰。
12
18.1 力的测量
18.1.3 其他方式的测力方法
1）差动变压器式测力传感器
事实上，大多数位移传感器只要在结构上作相应变化，就可转变为测力传感器。如差动变压器式、电容式、电感式等。右图为差动变压器式测力传感器的
大气压力、表压与绝对压力的3关系
18. 力、压力和转矩的测量
18.1 力的测量
18.1.1 力的测量方法 1）测力原理力值测量所依据的原理是力的静力效应和动力效应。静力效应：弹性物体受力作用后产生相应变形的物理现象。由虎克定律知：弹性体在力作用下变形时，在弹性范围(严格说是比例极限)内，物体产生的变形量与所受力成正比。因此，只要测出物体的弹性变形量，就可间接确定物体所受力的大小。以静力效应测力的特征是间接测量力传感器中弹性元件的变形量。动力效应：具有一定质量的物体受力作用时，其动量变化，从而产生相应加速度的现象。由牛顿第二定律知：物体质量已知时，该物体所受力与由此力产生的加速度之间有确定的对应关系。因此，只需测出加速度，就可间接测得力。用动力效应测力的特点是间接测量力传感器中质量块的加速度。

力、力矩、压力测量共64页

自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
力、力矩、压力测量
21、没有人陪你走一辈子，所以你要适应孤独，没有人会帮你一辈子，所以你要奋斗一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该是坚强。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之首，因为这种德性保证了所有其余的德性。--温斯顿．丘吉尔。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的，它只是让人们的脚放上一段时间，以便让别一只脚能够再往上登。

9力、扭矩、压力的测量

弯曲应变测量
序号
受力状态简图
应变电桥组合形式
片数电桥量形式
电桥接法
温度补偿情况
电桥输出电压
测量项目及应变值
特点
R1
R1
1M
M2
R1
半
R2
R2
与 R2
uo
1 4
ui Sg
弯曲最大不能消应变除拉伸的
同
＝r 影响
R2 R1
a 桥
b
c温互
输出电弯曲最大压提高到
2M
M2 式
R2 R1
第9章力、扭矩、压力的测量
Measurement of Force, Torque and Pressure
9.0 序 (Introduction) 9.1 力的测量(Measurement of Force) 9.2 扭矩的测量(Measurement of Torque) 9.3 压力的测量(Measurement of Pressure)
9.1 力的测量 (Measurement of Force)
9.1.0 力的测量方法
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。例如，用差动变压器、激光干涉等方法来测定弹性体变形或利用与力有关的物理效应，如压电效应、压磁效应等达到测力的目的。
为补
uo
1 4
ui
S
g
(1
)
应变 r
(1+)倍，不能消除
偿
(1 ) 拉伸的影
响
表中符号说明：Sg — 应变片的灵敏度；ui — 供桥电压； — 被测件的泊松比； r — 应交仪读数，即指示应变； — 所要测量的机械应变值。

力力矩压力测量课件

力矩
定义
力矩是力和力臂的乘积，是描述力对物体转动效应的物理量。
计算公式
力矩 = 力 × 力臂
单位
国际单位制中的力矩单位是牛顿米（Nm），简称牛米。
力的单位和换算
国际单位制中的基本单位
换算关系
在国际单位制中，力的基本单位是牛顿（N）。
例如，1千克力等于9.8牛顿，1磅力等于0.4536牛顿等。
使用环境等因素。
电子测力矩计
电子测力矩计是一种利用电子传感器和微处理器技术测量扭矩或力矩的仪器。
电子测力矩计广泛应用于汽车、航空、能源等领域，是现代工业生产中不可或缺的测量仪器之一。
电子测力矩计通常由传感器、信号处理电路、微处理器等组成，具有测量精度高、响应速度快、自动化程度高等优点。
04
压力的测量方法
压力表
01
02
03
04
原理
压力表通过弹性元件的形变来测量压力。
应用
广泛应用于工业生产中，如气瓶压力、管道压力等。
优点
结构简单、价格便宜、易于维护。
缺点
精度较低，受温度、振动等因素影响较大。
压力传感器
原理
利用某些材料的压阻效应，将压力转换为电信号进行测量。
应用
广泛应用于各种压力测量场合，如汽车发动机、气瓶压力等。
力力矩压力测量课件
目录
• 力与力矩的基本概念 • 压力的基本概念 • 力矩的测量方法 • 压力的测量方法 • 力矩和压力测量的应用
01
力与力矩的基本概念
力
01
02
03
定义
力是物体之间的相互作用，是改变物体运动状态的原因。
矢量性

第8章-力、力矩和压力PPT课件

加速度值积分或弹性力微分得到速度值作为补偿，消除阻尼力。
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14
以阶跃力为例：
f (t ) F0 t 0 0 t0
它的全解：
x(t)Βιβλιοθήκη F0 kA exp(
nt ) sin(
1 2nt )
将初始条件 t 0, x 0, dx 0代入： dt
x (t ) F0 kk
解：(1) 求应变。由ΔUo/Ui=1mV/V，k=2，并设应变片按全桥连接，μ=0.3，有
实 0/n4 (U o/U i)/kn
4 (U o/U i)/2 [(1)k]0.79 6 mm
(2) 强度校核：选Cr40作为弹性体材料，则E=2.1×105MPa，
σs=785.1MPa，有
[]s/326M 1.P 7 aE实16M 1 Pa
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22
1.力值计量器具的传递系统图8-11
传递方法：定度、比对
组成：由基准、标准测力机和标准测力仪组成。
检定系统的力标准器具分类：
1）产生力值的固定式标准器具；按结构分为静重式、杠杆式、液压式和叠加式；
2）传递力值的各种便携式标准器具。
2.静态定度
对力传感器施加标准力，将相应输出经数据处理求得各项
设超载系数kn为120%，则 ma x kn19 M 3 P []a
故强度符合要求。
(3) 截面设计：取Fmax=1.5F，则截面边长 a 为
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a Fma/xma x 0.01m 9819.8mm11
3.应变式测力仪电路
一般采用电桥电路，有载波调制型和直流电路型。（由于电桥输出信号小，要求精度高，应选用高增益、低阻抗、小失调的测量电路，多采用集成模块）信号调理电路进行缓冲、放大、滤波、压—频转换等。信号补偿问题：如初始不平衡、零漂、非线性等。

力力矩压力测量

力矩测量的基本方法：（1）传递法（Transmission method ）（扭轴法）：转矩使弹性轴产生扭转变形（2）力平衡法（Force balance method ）（3）能量转换法（Power transformation method）: E1=E2+ΔE，测量各种电机的转矩；
7.1 概念 7.1.1 力（1）什么是力? 力是物体之间的相互作用。各种机械运动是力或力矩传递的结果，因此力是最重要的物理量之一；力的动力效应：力改变物体的机械运动状态；力的静力效应：造成物体的变形。
（2）力矩、扭矩、转矩（torque ）力矩是力和力臂的乘积。力矩能使物体转动，也称为转矩。对于一个旋转轴，转矩 T= F×r，F是在半径r处的切向力。轴在转矩作用下会发生扭曲变形，材料内部会产生剪切应力和应变，也称为扭矩。
电动机：发电机：
P为输入功率，k为单位系数，n为转速，η为电动机效率
P2为输出功率
（1）当力矩作用在弹性轴上，轴会产生扭曲变形、剪切应变和应力
G: 材料的切变模量；: 扭转角；IP : 极惯性矩
一、传递法测力矩
测量扭转角: 测量剪切应力 : 测量轴的应变:
（3）压力垂直作用于单位面积上的力 P=F/A 单位 : 帕斯卡（Pa） 1Pa=1N/m2 大气压力: 由于大气重力，包围地球的大气对单位面积的地球表面施加的压力。简称气压。它随天气情况，海拔高度和纬度而变。
:
表压（Gauge pressure）: 相对于大气压力的差压。绝对压力和大气压力之间的差压。正压力（ Positive pressure ）：绝对压力高于大气压力时的表压，简称正压。负压力（ Negative pressure ）：绝对压力低于大气压力时的表压，简称负压。真空（ Vacuum ）：低于大气压力的绝对压力。

2021年现代测试技术之力、扭矩、压力的测量PPT课件

若测得沿45°方向的应变ε1，则相应的剪应变为
式中： E—材料的弹性模量； μ—材料的泊松比；
于是，轴的扭矩为
式中： Wn—材料的抗扭模量。
对于实心圆轴
测扭时，电阻应变计须沿主应变ε1及ε2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。
对空心圆柱则取 H D d l
我国的BLR-1型电阻应变式拉力传感器、BHR型荷重传感器
都采用这种结构，其量程在0.1~100t之间。
弹性元件的粘贴应变片和桥路的连接，应尽可能消除偏心和弯矩的影响，如图所示。
梁式力传感器
• 等截面梁式力传感器
对端点的弯矩 M=F l
对端点的应力
M
W
抗弯截面系数
10.2.2 扭矩测量信号的传输
1. 扭矩测量的集电装置旋转件如转轴的应变测量，需要解决信号传送的问题。粘贴在旋转件上的应变片和电桥导线随旋转件转动，而应变仪等测量记录仪器是固定的。除采用遥测方式以外，需要有集电装置。
集电装置由两部份组成：与应变片相连，随旋转件转动的集流环（滑环）和与外部测量仪器相连，压靠在滑环上的电刷（拉线）。集流装置应准确可靠地传递应变信号，防止干扰减少测量误差。集流环与电刷之间接触电阻的变化是产生干扰，影响正常测量的主要因素。
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（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消除温度变化和复合载荷作用的影响。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、消除弯矩影响和提高测量灵敏度的目的。当试件受到弯矩作用时，其上、下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。

力扭矩压力的测量

等截面双端固定梁这种梁的结构在相同力F的作用下产生的挠度比悬臂梁的要小。
PPT文档演模板
力扭矩压力的测量
环式弹性元件
圆环式
39.6° Fy B=0
B
B
R1 R2
R4 R3
力的测量 (16/23)
R2
R1
uy
R3
R4
uo 测Fy
在圆环上施加径向力 Fy 时，圆环各处的应变不同，在与作用力成39.6°处（图中B点）应变等于零，称为应变节点，而在水平中心线上应变最大。将应变片 R1、R2、R3和 R4贴在水平中心线上， R1、 R3受拉应力， R2、R4受压应力。
PPT文档演模板
力扭矩压力的测量
等强度梁
b0 R2R1
b
x l
力的测量 (15/23)
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
F
上任意位置的应变也相等，因此
Байду номын сангаас称为等强度梁。
h 等强度梁的各点由于应变相等，
故粘贴应变片的位置要求不严格。
在粘贴应变片处的应变为
T
R1
R3
T
R2 R4
电桥连接方法
测量应变与仪器读数应变
备注
r间的关系
R1 a
F
b
R1和R2均为工作片
c R2
R2 R1 a
b
c
F
R3 R4
R1 b R3
R1、R2 、R3、 R4均为工作片
a
c
PPT文档演模板
R4 d R2
力扭矩压力的测量
变形需测形式应变

力、力矩、压力测量-Read

类别：压电式、压阻式、应变式。
精确度可达0.02级，测量范围从数十帕至 700兆帕不等。
7.2.3真空测量 (vacuum)
真空：小于大气压力的压力。即低于 1.013×105 Pa的压力。单位是托(torr)。
1mmHg=133.322Pa=1 torr 绝对压力越低，真空度越高。
真空划分(10-12~105)
pV1=(p+h)V2 其中p为真空系统中压强。
（3）热导式真空计
原理：基于气体压强低于某一定值时，气体的导热系数 K 与 P 成正比。
即： K = b P b：比例常数
热导式真空计是一种测量低真空的真空计。
假设灯丝由导热损失的热量与加热电流I所产生的热量平衡时，灯丝温度不变。其平衡方程为．
悬臂梁
Applied force
测力环
应变片的相对变形 :
l F
l AE E
Δl-------应变片的总变形 l--------应变片的基长 F------作用力 A------弹性元件的工作面积 E------弹性元件的弹性模量 σ------弹性元件的工作应力
应变片的灵敏度
k R / R R / R
l / l
R1 R3 k k F
R1
R3
AE
R2 R4 k k F
R2
R4
AE
----弹性元件的泊松系数
弹性体的总应变：
0

1
2
3
4

2(1 )
AE
F
U0

U 4
( R1 R

R2 R

E实＝161MPa, max
k n

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力矩测量的基本方法：
（1）传递法（Transmission method ）（扭轴法）：转矩使弹性轴产生扭转变形
（2）力平衡法（Force balance method ）
（3）能量转换法（Power transformation method）: E1=E2+ΔE，测量各种电机的转矩；
•电动机：MP/(kn) P为输入功率，k为单位系数，
利用压电材料(石英晶体、压电陶瓷）的压电效应，将被测力转换为与其成正比的电荷量输出；
石英晶体：性能稳定、动态响应好，机械强度高，线性范围宽，多用于高精度高大量程测量, mN~MN。
压电陶瓷：压电常数远高于压电晶体，价格便宜，用途广泛
Q dij F
dij: 压电常数主要用于动态力测量
•多分量式
压磁式测力仪（Piezomagnetic dynamometry）
压磁效应：工业纯铁、硅钢等铁磁材料在机械力的作用下磁导率发生变化；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。
U0FkUiN1/N2
可测很大负荷，达 1M 牛以上，精度1％。
7.2.3 压力测量
定义：垂直均匀地作用于单位面积上的力称为压力，又称压强。压力测量仪表用来测量气体或液体压力，又称压力表或压力计。
压力测量方法的分类
1. 液体式压力计（Manometers） – U形管（U-tube manometer） – 槽式压力计（ The cistern manometer ） – 倾斜式U形管（The inclined tube manometer）
E实＝161MPa, max
k n
1.2 161 193Mpa s 3
261.7MPa
尺寸确定： max
F max A
, Fmax
1.2
~ 1.5Fa F 19.8mmFra bibliotekmax
max
悬臂梁
Applied force
测力环
电阻应变式测力仪原理框图
其他测力的方法
(1) 压电式测力仪
n为转速，η为电动机效率
•发电机：MP2/(kn)P2为输出功率
一、传递法测力矩
（1）当力矩作用在弹性轴上，轴会产生扭曲变形、剪切应变和应力
Ml G Ip
M I pG / l
Ip
d4 32
G: 材料的切变模量；: 扭转角；IP : 极惯性矩
测量扭转角:
测量剪切应力 :
测量轴的应变: 45、135 : 沿着和轴成45o、135o 夹角方向的主应变。
z 2 z 10 ~ 100
θ为两齿轮的相对转角
z为齿数
➢ 测量范围可达0.2-105 N·m，精度±（0.1-0.2）%
二、力平衡法测力矩
利用平衡力矩M0去平衡被测力矩M，从而求得M的方法。
•只能测量匀速工作情况的转矩，不能测量动态转矩。
由测量轴2、静压空气支承3、角位移传感器5、力矩电动机4和标准电阻Ro及电路组成。
应变片的灵敏度
kR/RR/R
l/l
R1 R3 k k F
R1
R3
AE
R2 R4 k k F
R2
R4
AE
----弹性元件的泊松系数
弹性体的总应变：
012342(1 A E )F
U 0 U 4 ( R R 1 R R 2 R R 3 R R 4 ) U 4 k (1 2 3 4 )
力力矩压力测量ppt课件
7.1 概念 7.1.1 力（1）什么是力? 力是物体之间的相互作用。各种机械运动是力或力矩传递的结果，因此力是最重要的物理量之一；
力的动力效应：力改变物体的机械运动状态；力的静力效应：造成物体的变形。
弹性元件的方法
力、力矩弹性元件
机械变形
电信号传感器
一、液体式压力计
P2 根据流体静力学原理
P1
P1P2 gh
U形管
水、酒精和水银是常用的液体。
测量范围： 20 Pa to 140KPa 精度： 1%.
应变
各种弹性元件：最简单的就是弹簧。
电阻应变计是广泛使用的一种方法。
典型的弹性体结构: 柱状测力仪
应变片的相对变形 :
l F
l AE E
Δl-------应变片的总变形 l--------应变片的基长 F------作用力 A------弹性元件的工作面积 E------弹性元件的弹性模量 σ------弹性元件的工作应力
7.2.2 力矩测量
对旋转轴测量力矩，可以确定输出的功也可以监测剪切应力下的材料失效。
力矩（转矩）测量常常和功率、转速测量联系在一起。
力所作的功=力×在力方向上的位移每秒所作的功 P=F×2rn= T 2rn 2nT
r
旋转轴所传递的功率 P=2nT=T，= 2n
F: 半径 r处的切向力 T: 作用在轴上使其旋转的力矩
2. 弹性式压力计（Diaphragms） – 波顿管（Bourdon tubes）
3、力平衡式（Force-balance ）负荷式压力计（Dead-weight tester）
4、电气式压力仪（Electrical pressure gauge）电阻应变式压电式压阻式电容式电感式
测力仪电压灵敏度（mv/v）:
U0 Ui
k40
k(1)F
2AE
通常选k=2
实＝ 0 / n n为桥臂系数，全桥电路中 n=2(1+ )
[ ] =E 实
max
k n
[ ]
s 3
m
＝
ax
Fmax A
,A
Fmax k n
[σ]：材料的许用应力 [σs]：材料的屈服极限 kn：超载系数
1.电阻应变式转矩仪在被测轴上，沿轴线的45。或135。方粘贴应变片，当转轴受转矩M作用时，应变片产生应变，其应
变量与转矩M成线性关系。
• 对空心圆柱形轴：
•对方形截面轴：
G为转轴的切变模量
精度高±(0.2-0.5)%，重复性好，测量范围宽 5～50000N·m
2、相位差式转矩测量仪
•强度校核或弹性体截面设计
例题：电压灵敏度1mV/V，负荷力50KN，应变片灵敏度系数k为2，求正方形截面的柱式弹性体的截面尺寸。
U 0 U
1mV
/V,k
2; 0
2 103 ,
0.3,
＝0.769
实
i
强度校核：
弹性材料为40Cr,E=2.1105 MPa, 785.1MPa; s