第4章-力學量檢測技術

1、第四章 力學量檢測技術,力學量檢測技術,4.1 壓力的測量,4.1.1壓力的基本概念4.1.2常用壓力檢測技術4.1.3壓力檢測儀表的校準4.1.4動態(tài)壓力檢測管道4.1.5壓力檢測儀表的選擇與安裝,壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的工藝參數(shù)之一，正確地測量和控制壓力是保證工業(yè)生產(chǎn)過程良好地運行，達到高產(chǎn)優(yōu)質低耗及安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。,1. 壓力的定義,壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力，即物理學中常稱的壓強。工程上，習慣把

2、壓強稱為壓力。由此定義，壓力可表示為:,4.1.1壓力的基本概念,(4-1),4.1.1壓力的基本概念,2. 壓力的表示方法,絕對壓力——以完全真空(絕對壓力零位)作參考點的壓力稱 為絕對壓力,大氣壓力——由地球表面大氣層空氣柱重力所形成的壓力稱為大氣壓力,表壓力—— 以大氣壓力為參考點，大于或小于大氣壓力的壓力稱為表壓力,差壓(壓差)——任意兩個壓力之差稱為差壓,4.1.1壓力的基本概念,這幾種表示法的關系如圖4-1所示。,

3、工程上按壓力隨時間的變化關系還有靜態(tài)壓力和動態(tài)壓力之分。,4.1.1壓力的基本概念,3. 壓力的計量單位,壓力是力和面積的導出量。在國際單位制中，取力的單位為牛頓，面積單位為米2，則壓力單位為牛頓/米2，用符號N/m2表示；壓力單位又稱為帕斯卡或簡稱帕，符號為Pa。1Pa＝1N/m2。因帕單位太小，工程上常用kPa(103Pa)和MPa (106 Pa) 表示。我國已規(guī)定帕斯卡為壓力的法定單位。,目前工程技術部門仍在使用的壓力單位有工程

4、大氣壓、物理大氣壓、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。,4.1.1壓力的基本概念,4. 壓力檢測的基本方法,根據(jù)不同工作原理，壓力檢測方法可分為如下幾種：,（1） 重力平衡方法——利用一定高度的工作液體產(chǎn)生的重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡的原理，將被測壓力轉換為液柱高度或平衡砝碼的重量來測量。,（2） 彈性力平衡方法 ——利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性變形而產(chǎn)生的彈性力與被測壓力相平衡的原理來檢測壓力。,4.1.1壓力的基本概念,（3） 機械

5、力平衡方法——將被測壓力經(jīng)變換元件轉換成一個集中力，用外力與之平衡，通過測量平衡時的外力測知被測壓力。,（4） 物性測量方法——利用敏感元件在壓力的作用下，其某些物理特性發(fā)生與壓力成確定關系變化的原理，將被測壓力直接轉換為各種電量來測量。,4.1 壓力的測量,4.1.1壓力的基本概念4.1.2常用壓力檢測技術4.1.3壓力檢測儀表的校準4.1.4動態(tài)壓力檢測管道4.1.5壓力檢測儀表的選擇與安裝,4.1.2 常用壓力檢測

6、儀表,1. 液柱式壓力計,應用液柱測量壓力的方法是以流體靜力學原理為基礎的。一般是采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管、單管或斜管進行壓力測量的，其結構形式如圖4-2所示。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,（1） U形管壓力計,圖4-2(a)所示的U形管是用來測量壓力和壓差的儀表。在U形管兩端接入不同壓力p1和p2時，根據(jù)流體靜力平衡原理可知，U形管兩邊管內液柱差h與被測壓力p1和p2的關系為,,(4-2),由式(4-2)可求得兩壓力的差值

7、?p或在己知一個壓力的情況下（例如壓力p2），求出另一壓力值：,,(4-3),4.1.2 常用壓力檢測儀表,（2）單管壓力計,單管壓力計如圖4-2(b)所示。當大容器一側通入被測壓力p1，管一側通入大氣壓p2時，滿足下列關系,,(4-4),4.1.2 常用壓力檢測儀表,由于D>>d，故d2/D2可以忽略不計，則式(4-4)可寫成,,(4-5),（3）斜管壓力計,將單管壓力計的玻璃管制成斜管，如圖4-2(c)所示。則p1與液柱

8、之間的關系仍然與式(4-5)相同（目的：提高靈敏度，減小誤差）,,(4-6),4.1.2 常用壓力檢測儀表,2. 彈性壓力計,彈性壓力計基本組成環(huán)節(jié)如圖4-3所示。,彈性元件是核心部分，用于感受壓力并產(chǎn)生彈性變形；指示機構用于給出壓力示值；調整機構用于調整壓力計的零點和量程。,（1） 彈性元件,工業(yè)上常用的彈性元件如表4-2所示。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,表4-2 彈性元件的結構和特性,4.1.2 常用壓力檢測儀表,4.1.2

9、常用壓力檢測儀表,（2） 彈簧管壓力計,彈簧管式壓力計是工業(yè)生產(chǎn)上應用很廣泛的一種直讀式測壓儀表，以單圈彈簧管結構應用最多。其一般結構如圖4-4所示。,1-彈簧管；2-扇形齒輪；3-拉桿；4-底座；5-中心齒輪；6-游絲；7-表盤； 8-指針； 9-接頭；10-彈簧管橫截面；11-調節(jié)開口槽,4.1.2 常用壓力檢測儀表,工作過程：被測壓力由接口引入，使彈簧管自由端產(chǎn)生位移，通過拉桿使扇形齒輪逆時針偏轉，并帶動嚙合的中心齒輪轉動，與中心

10、齒輪同軸的指針將同時順時針偏轉，并在面板的刻度標尺上指示出被測壓力值。,特點：結構簡單，使用方便，價格低廉，測壓范圍寬，精度最高。,（3）波紋管壓力計,波紋管壓力計以波紋管作為壓力-位移轉換元件，由于金屬波紋管在壓力作用下容易變形，所以測壓靈敏度很高。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,圖4-5是一種采用雙波紋管測量差壓的雙波紋管差壓計的結構示意圖。,1-連接軸；2-保護閥；3-阻尼環(huán)；4-推板；5-扭力管；6-心軸；7-量程彈簧；8-平衡

11、閥；9-低壓波紋管；10-擺桿；11-阻尼閥；12-中心基座；13-高壓波紋管；14-填充液,4.1.2 常用壓力檢測儀表,（4）彈性壓力計信號遠傳方式,彈性壓力計一般為直讀式儀表。增加轉換部件，就可使之兼有信號遠傳的功能。常見的轉換方式有電位計式、霍爾元件式、差動變壓器式等，如圖4-6所示。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,圖4-6(a)為電位器式，在彈性元件的自由端處安裝有滑線電位器，其滑動觸點與自由端連接并隨之移動。,特點：比較簡單

12、，有較好的線性，但滑動觸點會有磨損，可靠性較差。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,圖4-6(b)為霍爾元件式，其轉換原理基于半導體材料的霍爾效應。當壓力為零時，因霍爾元件處于方向相反的兩對磁極間隙中的面積相等，故沒有霍爾電勢產(chǎn)生。當壓力變化時，霍爾元件被彈性元件自由端帶動在磁場中移動而使其處在兩對磁極中的面積不相等，則霍爾元件在垂直于磁場和電流方向的另兩側將產(chǎn)生霍爾電勢，此輸出電勢與自由端位移大小對應，即與被測壓力值相對應。,特點：結構簡

13、單，靈敏度高，壽命長，但對外部磁場敏感，耐振性差。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,3. 力平衡式壓力計,力平衡式壓力計采用反饋力平衡的原理，反饋力的平衡方式可以是彈性力平衡或電磁力平衡等。力平衡式壓力計的基本構成如圖4-7所示,4.1.2 常用壓力檢測儀表,圖4-8是一種彈性力平衡式壓力測量系統(tǒng)的原理示意圖。,它由彈性敏感元件—測壓波紋管、杠桿、差動電容變換器、伺服放大器A、伺服電機M、減速器和反饋彈簧等元部件組成。,4.1.2 常用壓

14、力檢測儀表,4. 壓力傳感器,能夠測量壓力并提供遠傳電信號的裝置稱為壓力傳感器，如果裝置內部還設有適當處理電路，能將將壓力信號轉換成工業(yè)標準信號（如4~20mA直流電流）輸出，則稱為壓力變送器。,（1） 應變式壓力傳感器,應變元件的工作原理基于導體和半導體的“應變效應”，即當導體和半導體材料發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化。電阻值的相對變化與應變有以下關系：,4.1.2 常用壓力檢測儀表,,(4-7),式中，ε—材料的應變；K—材料的

15、電阻應變系數(shù),金屬電阻應變片有絲式應變片和箔式應變片兩種。如圖4-9所示。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,絲式應變片由金屬絲柵(亦稱敏感柵)、基底、引線、保護膜等組成。,優(yōu)點：散熱條件好，能承受較大電流和較高電壓，輸出靈敏度高，可制成各種需要的形狀，便于大批量生產(chǎn)。,箔式應變片逐漸取代絲式應變片,箔式應變片的敏感柵是用厚度為0.003~0.01mm的金屬箔經(jīng)光刻、腐蝕等工藝制成的。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,應變片與彈性元件的裝配可

16、以采用粘貼式或非粘貼式。,圖4-10所示為應變筒式壓力傳感器結構。當應變筒內腔承受壓力時，薄壁筒表面的周向應力最大，相應的周向應變ε為：,(4-8),p—被測壓力； E—應變筒材料的彈性模量； μ—應變 筒材料的泊松比； D—應變筒外徑；d—應變筒內徑。,式中，,4.1.2 常用壓力檢測儀表,,分析：四片應變片接成全橋。當沒有壓力作用時，電橋是平衡的；當有壓力作用時，應變筒產(chǎn)生形變，工作應變片電阻變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生與壓力變化相

17、應的電壓輸出。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,圖4-11所示為平膜片式壓力傳感器結構，其上粘貼有如圖4-12(a)所示的箔式組合應變片。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,對于邊緣固定的平圓膜片，當受壓力作用時，膜片上任意一點的應變可分為徑向應變εr和切向應變εt，如圖4-13(a)所示，其值與壓力p的大小和該點到膜片中心的距離r有關：,,(4-9),式中：,p—被測壓力；E—膜片材料彈性模量；μ—膜片材料的泊松比；r0—膜片半徑；r—膜片

18、上任意點半徑； h—膜片厚度。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,根據(jù)式(4-9)分析可知，在膜片中心處(r=0)，徑向應變εr和切向應變εt均達到最大值，,,(4-10),在膜片邊緣處(r= r0)，切向應變εt=0，而徑向應變εr達到負最大值(壓縮應變),,(4-11),在 處，徑向應變εr=0。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,根據(jù)上述分析，平圓膜片上應變分布規(guī)律如圖4-13(b)所示。,4.1.2 常

19、用壓力檢測儀表,（2）壓阻式壓力傳感器,壓阻式壓力傳感器是基于半導體材料(單晶硅)的壓阻效應制成的傳感器。,圖4-14為一種壓阻式壓力傳感器的結構示意圖 。,特點：是靈敏度高，頻率響應高；測量范圍寬，精度高，工作可靠。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,（3） 應變式壓力傳感器的變送電路,電流輸出型變送器有4線制、3線制、2線制等幾種。圖4-15是一種2線制的壓阻式差壓傳感器的變送器電路原理圖。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,（4）壓電式壓

20、力傳感器,壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應將被測壓力轉換為電信號的。由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關系：,,(4-12),式中，Q—電荷量；k—壓電常數(shù)；S—作用面積；p—壓力。,圖4-16為一種壓電式壓力傳感器的結構示意圖。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,特點：體積小，結構簡單，工作可靠；測量精度較高；頻率響應高，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。,4.1.

21、2 常用壓力檢測儀表,（5）電容式壓力傳感器,電容式壓力傳感器采用變電容測量原理，根據(jù)平行板電容器的電容量表達式：,,(4-13),式中，ε —電容極板間介質的介電常數(shù)；A—兩平行板相對面積；d—兩平行板間距。,①差動變極距式電容壓力傳感器,圖4-17是一種電容式差壓傳感器示意圖。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,對于差動平板電容器，其電容變化與板間距離變化的關系可表示為：,,(4-14),式中 C0—初始電容值；d0—極板間初始距離；

22、?d—距離變化量。,特點：結構堅實，靈敏度高，過載能力大；精度高；可以測量壓力和差壓。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,②變面積式電容壓力傳感器,圖4-18所示為一種變面積式電容壓力傳感器。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,（6）諧振式壓力傳感器,諧振式壓力傳感器是靠被測壓力所形成的應力改變彈性元件的諧振頻率，通過測量頻率信號的變化來檢測壓力。,圖4-19為一種振筒式壓力傳感器的結構示意圖。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,被測壓力由引壓孔引

23、入振筒內，筒外為大氣壓。被測壓力作用于筒壁，筒壁受壓張緊后剛度發(fā)生變化，振筒固有頻率相應改變。振筒的固有頻率與作用壓力的關系可近似表示為：,,(4-15),式中，fp—受壓后的振筒固有頻率；f0—筒內外壓力相等時的固有頻率；α—振筒結構系數(shù)；p—被測壓力。,4.1.2 常用壓力檢測儀表,圖4-19為一種振筒式壓力傳感器的結構示意圖。,特點：適用于氣體壓力的測量，其體積小，輸出頻率信號，重復性好，耐振；精度高，且有良好的穩(wěn)定性。,4.1

24、壓力的測量,4.1.1壓力的基本概念4.1.2常用壓力檢測技術4.1.3壓力檢測儀表的校準4.1.4動態(tài)壓力檢測管道4.1.5壓力檢測儀表的選擇與安裝,4.1.3 壓力檢測儀表的校準,壓力檢測儀表的校準分為靜態(tài)校準和動態(tài)校準兩種。,校準的基本方法是，利用標準裝置產(chǎn)生的壓力作為輸入量，輸入待校準的壓力傳感器或儀表，并將其輸出量與輸入的標準量作比較，獲得一系列校準數(shù)據(jù)或曲線。,1. 靜態(tài)校準,靜態(tài)校準方法有標準壓力法與標準表

25、法兩種。,標準壓力法是將被校表的示值與標準壓力值比較，主要用于校驗0.25級以上的精密壓力表，亦可用于校驗各種工業(yè)用壓力表。,4.1.3 壓力檢測儀表的校準,a、b、c—截止閥；1—標準砝碼；2—測量活塞；3—活塞筒；4—油杯；5—進油閥；6—被校壓力表；7—油；8—工作活塞；9—手搖壓力發(fā)生器；10—絲杠；11—手輪,4.1.3 壓力檢測儀表的校準,2. 動態(tài)校準,產(chǎn)生標準動態(tài)壓力信號的裝置有多種形式，根據(jù)其所提供的信號的性質可分為兩

26、類，一是穩(wěn)態(tài)周期性壓力信號源（機械正弦壓力發(fā)生器、凸輪控制噴嘴、電磁諧振器等）；一是非穩(wěn)態(tài)壓力信號源（激波管、閉式爆炸器、快速卸載閥及落錘液壓動態(tài)校準裝置）。,（1）穩(wěn)態(tài)校準,穩(wěn)態(tài)周期性壓力信號源能夠提供幅值穩(wěn)定、頻率可調的正弦壓力信號。,4.1.3 壓力檢測儀表的校準,圖4-22是電磁式正弦壓力發(fā)生器 ；圖4-23為機械式正弦壓力發(fā)生器 。,特點：結構簡單，易于實現(xiàn)，但難以提供高頻高振幅的壓力信號。,4.1.3 壓力檢測儀表的校準

27、,（2）非穩(wěn)態(tài)校準,激波管是校準壓力傳感器動態(tài)性能時常用的標準裝置。圖4-24是激波管動態(tài)校準裝置示意圖。,4.1.3 壓力檢測儀表的校準,原理：激波陣面在到達低壓腔端面后將反射回來，反射激波陣面后的壓力將再次升高到P5，形成新壓力階躍?P5=P5- P1。激波管內氣體壓力的變化如圖4-25所示。,4.1.3 壓力檢測儀表的校準,由測速系統(tǒng)測出激波速度V，即可根據(jù)式(4-16)~ (4-18)計算出階躍壓力?P2、?P5,,(4-16)

28、,,,(4-17),(4-18),式中，,Ms—激波馬赫數(shù)；a—校準時的當?shù)匾羲?，a=331.3+0.54T m/s， T—校準時低壓腔溫度(℃)；P1—低壓室的充氣壓力；P2—入射激波壓力；P5—反射激波壓力。,4.1.3 壓力檢測儀表的校準,被校壓力傳感器在激波管階躍壓力的激勵下做衰減振蕩，其波形由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下來，如圖4-26所示。,4.1.3 壓力檢測儀表的校準,4.1 壓力的測量,4.1.1壓力的基本概念4.1

29、.2常用壓力檢測技術4.1.3壓力檢測儀表的校準4.1.4動態(tài)壓力檢測管道4.1.5壓力檢測儀表的選擇與安裝,4.1.4 動態(tài)壓力檢測的管道效應,測量快速變化的壓力時，壓力傳感器的感壓膜片在測壓點處應與壓力容器壁面保持齊平，如圖4-27(a)所示。但在許多情況下，往往需要采用引壓管道，形成如圖4-27(b)所示安裝方式，這就是動態(tài)壓力測量的管道效應。有引壓管道和空腔的壓力檢測系統(tǒng)可等效為圖4-27(c)所示的壓力傳輸系統(tǒng)。,

30、4.1.4 動態(tài)壓力檢測的管道效應,引壓管道、空腔這一壓力傳輸系統(tǒng)的固有頻率f可用下面的近似公式來估算：,,（4-19）,c—流體聲速；d—引壓管內徑；L—引壓管長度；V—空腔體積。,式中，,4.1 壓力的測量,4.1.1壓力的基本概念4.1.2常用壓力檢測技術4.1.3壓力檢測儀表的校準4.1.4動態(tài)壓力檢測管道4.1.5壓力檢測儀表的選擇與安裝,4.1.5 壓力檢測儀表的選擇與安裝,1. 壓力檢測儀表的選擇,選擇壓力

31、檢測儀表應根據(jù)具體情況，在滿足生產(chǎn)工藝對壓力檢測要求的情況下，本著節(jié)約的原則，合理地選擇壓力儀表的類型、量程、精度等級等。,壓力儀表類型的選擇主要應從以下幾個方面考慮：,應考慮被測介質情況,,應考慮生產(chǎn)過程對儀表的要求,要考慮壓力儀表使用現(xiàn)場環(huán)境條件,（1）類型選擇,4.1.5 壓力檢測儀表的選擇與安裝,（2）量程選擇,壓力儀表的量程要根據(jù)被測壓力的大小及在測量過程中被測壓力變化的情況等條件來選取，為保證測壓儀表安全可靠地工作，選擇量程

32、時必須留有足夠的余地。,（3）精度等級選擇,壓力檢測儀表的精度等級應根據(jù)生產(chǎn)過程對壓力測量所允許的最大誤差，在規(guī)定的儀表精度等級中選擇確定。,[例4.1] 某壓力容器內介質的正常工作壓力范圍為0.4~0.6MPa，用彈簧管壓力表進行檢測。要求測量誤差不大于被測壓力的5％，試確定該壓力表的量程和精度等級。,4.1.5 壓力檢測儀表的選擇與安裝,解：由題意知，被測對象的壓力比較穩(wěn)定，設彈簧管壓力表的量程為A，則根據(jù)最大工作壓力有：,A>

33、;0.6÷2/3=0.9MPa,根據(jù)最小工作壓力有：,A＜0.4÷1/3=1.2MPa,故根據(jù)儀表的量程系列，可選用量程范圍為0~1.0MPa的彈簧管壓力表。由題意，被測壓力允許的最大絕對誤差為：,?max＝0.4×5％＝0.02MPa,4.1.5 壓力檢測儀表的選擇與安裝,儀表精度等級的選取應使得其最大引用誤差不超過允許測量誤差。對于測量范圍0~1.0MPa的壓力表，其最大引用誤差為：,γ＝±

34、0.02MPa×100％/1.0MPa＝±2％,故應選取1.6級的壓力表。,表4-3 常用壓力計及壓力傳感器的性能和用途,4.1.5 壓力檢測儀表的選擇與安裝,4.1.5 壓力檢測儀表的選擇與安裝,2. 壓力檢測儀表的安裝,（1）取壓點選擇,1.取壓點不能處于流束紊亂的地方，要選在直管段上 ；2.取壓點上游側不應有突出管路或設備的阻力件；3.取壓口開孔軸線須與介質流動方向垂直，引壓管口端面應與 設備連接處的內

35、壁保持平齊 ；4.測量液體壓力時，取壓點應在管道下側；5.測量氣體壓力時，取壓點應在管道上側。,原則：,4.1.5 壓力檢測儀表的選擇與安裝,（2）引壓管的敷設,1.引壓管的粗細、長短均應選取合適 ；2.水平安裝的引壓管應保持有1:10~1:20的傾斜度 ； 3.測量氣體時，向取壓口方向傾斜，并在最低處設排積液裝置 ；4 .當被測介質易冷凝或凍結時，還應增加保溫伴熱措施。,引壓管的敷設應注意以下幾點：,4.1.5 壓力檢測

36、儀表的選擇與安裝,（3）壓力儀表的安裝,1.壓力儀表應安裝在能滿足規(guī)定的使用環(huán)境條件和易于觀察、維修之處；2.當測量高溫介質時，應裝冷凝管或冷凝器；3.測量有腐蝕性、有結晶或沉淀物等介質壓力時，應采取適當保護措施以防腐蝕、堵塞；4.當壓力儀表與取壓點不在同一高度時，應考慮修正液體介質的液柱靜壓對儀表示值的影響。,壓力儀表的安裝要注意以下方面：,4. 2力的測量,4.2.1力的基本概念4.2.2力的測量方法4.2.3測力傳感

37、器,4.2.1力的基本概念,1. 力,力體現(xiàn)了物質之間的相互作用，凡是能使物體的運動狀態(tài)或物體所具有的動量發(fā)生改變而獲得加速度或者使物體發(fā)生變形的作用都稱為力。,按照力產(chǎn)生原因的不同分重力、彈性力、慣性力、膨脹力、摩擦力、浮力、電磁力等。按力對時間的變化性質分靜態(tài)力和動態(tài)力兩大類。,4.2.1力的基本概念,2. 力的單位,力在國際單位制(SI)中是導出量，牛頓第二定律(F=ma)揭示了力(F)的大小與物體質量(m)和加速度(a)的關系，

38、即力是質量和加速度的乘積。,3. 力量值的傳遞,力的傳遞方式有定度和檢定兩種：定度是根據(jù)基準和標準測力儀器設備所傳遞的力值確定被校儀表刻度所對應的力值；檢定是將準確度級別更高的基準和標準測力儀器設備與被檢定測力儀表進行比對，以確定被檢定測力儀表的誤差。,4. 2力的測量,4.2.1力的基本概念4.2.2力的測量方法4.2.3測力傳感器,4.2.2力的測量方法,力的測量方法,,力平衡法,測位移法,利用某些物理效應測力,1. 力平衡

39、法,力平衡式測量法是基于比較測量的原理，用一個已知力來平衡待測的未知力，從而得出待測力的值。,（1） 機械式力平衡裝置,圖4-28給出了兩種機械式力平衡裝置。圖4-28(a)為梁式天平，圖4-28(b)為機械杠桿式力平衡裝置 。,4.2.2力的測量方法,（2） 磁電式力平衡裝置,特點：優(yōu)點是簡單易行，可獲得很高的測量精度。但這種方法是基于靜態(tài)重力力矩平衡，因此僅適用于作靜態(tài)測量。,4.2.2力的測量方法,圖4-29所示為一種磁電式力平

40、衡測力系統(tǒng)。,特點：使用方便，受環(huán)境條件影響較小，體積小、響應快，輸出的電信號易于記錄且便于遠距離測量和控制。,4.2.2力的測量方法,（3） 液壓和氣壓式測力系統(tǒng),圖4-30(a)給出了液壓活塞式測力系統(tǒng)的原理。,圖4-30(b)是氣壓式測力系統(tǒng)原理。,氣體壓力p0與被測力Fi的關系為,,(4-21),式中，Kd—膜片柔度(m/N)；Kn—噴嘴擋板機構的增益。由式(4-21)可得,,(4-22),Kn實際并非嚴格為常數(shù)，但由于乘積K

41、d·Kn >>S，這(Kd·Kn)-1與S相比便可忽略不計，于是式(4-22)變?yōu)椋?,(4-23),4.2.2力的測量方法,4.2.2力的測量方法,2. 測位移法,在力作用下，彈性元件產(chǎn)生變形，測位移法通過測量未知力所引起的位移，從而間接地測得未知力值。,圖4-31所示是電容傳感器與彈性元件組成的測力裝置 。,4.2.2力的測量方法,圖4-32為兩種常用的由差動變壓器與彈性元件構成的測力裝置。,3. 利

42、用某些物理效應測力,物體在力作用下會產(chǎn)生某些物理效應，可以利用這些效應間接檢測力值。,4. 2力的測量,4.2.1力的基本概念4.2.2力的測量方法4.2.3測力傳感器,4.2.3測力傳感器,1. 應變式力傳感器,應變式力傳感器應用最為廣泛 ，應變式力傳感器的工作原理與應變式壓力傳感器基本相同，它也是由彈性敏感元件和貼在其上的應變片組成。,圖4-33給出了常見的彈性元件及應變片的貼片方式。圖4-33(a)為柱形彈性元件，圖4-3

43、3(b) 為筒形彈性元件，圖4-33(c) 為梁形彈性元件，圖4-33(d)為薄壁圓環(huán)，圖4-33(e)為S形彈性元件。,4.2.3測力傳感器,（1）柱形應變式力傳感器,柱形彈性元件通常都做成圓柱形和方柱形，用于測量較大的力。如圖4-33(a)所示。,4.2.3測力傳感器,,（2） 輪輻式力傳感器,圖4-34是較常用的輪輻式切應力傳感器的結構簡圖。,輪輻式力傳感器由輪圈、輪轱、輻條和應變片組成。如圖4-34(b)所示，形成與外力成正比的

44、切應變。,4.2.3測力傳感器,2. 壓磁式力傳感器,壓磁式力傳感器一般由壓磁元件、傳力機構組成，如圖4-35(a)所示。其中主要部分是壓磁元件，它由其上開孔的鐵磁材料薄片疊成。,4. 3轉矩的測量,4.3.1轉矩的概念4.3.2傳遞法轉矩測量,4.3.1轉矩的概念,1. 轉矩的定義及單位,使機械元件轉動的力矩或力偶稱為轉動力矩，簡稱轉矩。,在國際單位制(SI)中，轉矩的計量單位為牛頓·米(N·m) ，工程技術中

45、也曾用過公斤力·米等作為轉矩的計量單位。,2. 轉矩的類型,轉矩可分為靜態(tài)轉矩和動態(tài)轉矩。,4.3.1轉矩的概念,靜態(tài)轉矩是值不隨時間變化或變化很小、很緩慢的轉矩，包括靜止轉矩、恒定轉矩、緩變轉矩和微脈動轉矩。,動態(tài)轉矩是值隨時間變化很大的轉矩，包括振動轉矩、過渡轉矩和隨機轉矩三種。,3. 轉矩的測量方法,轉矩的測量方法可以分為平衡力法、能量轉換法和傳遞法。其中傳遞法涉及的轉矩測量儀器種類最多，應用也最廣泛。,4.3.1轉矩的

46、概念,（1） 平衡力法及平衡力類轉矩測量裝置,平衡力法轉矩測量裝置又稱作測功器。圖4-36為平衡力法測量轉矩的原理。,特點：平衡力法直接從機體上測轉矩，不存在從旋轉件到靜止件的轉矩傳遞問題。但它僅適合測量勻速工作情況下的轉矩，不能測動態(tài)轉矩。,4.3.1轉矩的概念,（2） 能量轉換法,依據(jù)能量守恒定律，通過測量其他形式的能量如電能、熱能參數(shù)來測量旋轉機械的機械能，進而獲得與轉矩有關的能量系數(shù)來確定被測轉矩大小的方法即能量轉換法。,（3）

47、 傳遞法,傳遞法是指利用彈性元件在傳遞轉矩時物理參數(shù)的變化與轉矩的對應關系來測量轉矩的一類方法。,4. 3轉矩的測量,4.3.1轉矩的概念4.3.2傳遞法轉矩測量,4.3.2傳遞法轉矩測量,1. 應變式轉矩測量,根據(jù)材料力學的理論，轉軸在轉矩M的作用下，其橫截面上最大剪應力τmax與軸截面系數(shù)W和轉矩M之間的關系為,,(4-25),,(4-26),式中，D—軸的外徑；d—空心軸的內徑。,4.3.2傳遞法轉矩測量,τmax無法用應變片

48、來測量，但與轉軸中心線成±45?夾角方向上的正負主應力σ1和σ3的數(shù)值等于τmax，即,,(4-27),根據(jù)應力應變關系，應變?yōu)?,(4-28),,(4-29),式中，E—材料的彈性模量(Pa)；μ—材料的泊松比。,4.3.2傳遞法轉矩測量,2. 壓磁式轉矩傳感器,特點：壓磁式轉矩傳感器是非接觸測量，使用方便，結構簡單可靠，基本上不受溫度影響和轉軸轉速限制，而且輸出電壓很高(可達10V)。,,4.3.2傳遞法轉矩測量,3. 扭

49、轉角式轉矩測量,扭轉角式轉矩測量法是通過扭轉角來測量轉矩的。,根據(jù)材料力學，在轉矩M作用下，轉軸上相距L的兩橫截面之間的相對轉角?為,,(4-30),式中，G—軸的剪切彈性模量。,由(4-30)式可知，當轉軸受轉矩作用時，其上兩截面間的相對扭轉角與轉矩成比例，因此可以通過測量扭轉角來測量轉矩。,4.3.2傳遞法轉矩測量,（1） 光電式轉矩傳感器,光電式轉矩傳感器如圖4-39所示。在轉軸上安裝兩個光柵圓盤，兩個光柵盤外側設有光源和光敏元件

50、。,特點：這是一種非接觸測量方法，結構簡單，使用方便可靠，且測量精度不受轉速變化的影響。,4.3.2傳遞法轉矩測量,（2） 相位差式轉矩傳感器,圖4-40所示是基于磁感應原理的磁電相位差式轉矩傳感器。,,特點：相位差式轉矩傳感器是非接觸測量，結構簡單，工作可靠，對環(huán)境條件要求不高，精度一般可達0.2％。,4.3.2傳遞法轉矩測量,（3） 振弦式轉矩傳感器,圖4-41所示是振弦式轉矩傳感器。振弦自振頻率fg與振弦中的張力F的平方根成正比：