测试技术(第八章力、力矩和压力的测量)

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信息与控制学院仪器系
8.3 力矩的测量
传递法力矩测量装置
电阻应变式转矩仪
精度高,重复 性好,测量范围宽: 5~50000N.m
但它的安装要 求高,调试技术复 杂,易受温度影响, 告诉测量误差大。
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信息与控制学院仪器系
8.3 力矩的测量
传递法力矩测量装置
相位差式转矩测量仪
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信息与控制学院仪器系
第八章 力、力矩和压力的测量
8.1 概述
8.2 力的测量
8.3 力矩的测量
8.4 压力的测量
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Байду номын сангаас
信息与控制学院仪器系
8.1 概述

概念:力是物质之间的相互作用。各种机械运动实质都是力
或力矩传递的结果,因此力是最重要的物理量之一。
力的效应 1 2 动力效应:改变物体的机械运动状态或改变物体所具 有的动量使物体产生加速度 静力效应:使物体产生变形,在材料中产生应力
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
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
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8.2 力的测量
力的测量装置
电阻应变式测力计
压电式测力仪
压磁式测力仪
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当有压缩力F作用于铁心时,铁心磁导率改 变,磁感应线的分布发生变化,有部分磁感 应线与测量线圈相交,测量线圈被励磁线圈 中的磁场交链而输出与外力大小成比例的感 应电势,作用力越大,交链的磁通越多,感 应电势越大。
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信息与控制学院仪器系
8.2 力的测量
压磁式测力仪
压磁式测力仪可以测量很大的负荷,达1MN以上。 过载能力强,一般在300%左右,在极限负荷下静态测量 误差不超过示值的1%。
8.2 力的测量
电阻应变式测力仪
典型弹性体的结构型式
悬臂梁型
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固定梁型
信息与控制学院仪器系
8.2 力的测量
电阻应变式测力仪
柱型弹性体 在负荷作用下应变片处弹 性体的轴向应变为:
R1、R3沿轴向粘贴, R2、R4沿横向粘贴
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8.2 力的测量
电阻应变式测力仪
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信息与控制学院仪器系
8.3 力矩的测量
传递法
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信息与控制学院仪器系
8.3 力矩的测量
传递法力矩测量装置
电阻应变式转矩仪
在转轴上或直接在被测轴上,沿轴线的45°或135°方向将
应变片粘贴上,当转轴受转矩M作用时,应变片产生应变,其应
变量ε与转矩M成线性关系。
对空心圆柱形轴:
对方型截面轴: G为转轴的弹性模量
8.4 压力的测量
弹性式压力计
弹簧管压力表 基于弹性元件受压后产生的位移 与被测压力呈一定函数关系的原理制 成的
被测压力迫使弹簧管2自由端5位
移,位移量由曲柄连杆6、扇形齿轮4 和小齿轮1构成的机械式传动机构放大, 转换成指针的旋转在度盘上指示出被 测压力值。
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8.4 压力的测量
弹性变形测压法 基于静力平衡原理与作用在已知面积上重量相比较的负荷测 压法 通过弹性元件制成测力传感器将被测压力转换成电阻量、电 感量、电容量、频率量等各种电学量测压力的方法。
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8.4 压力的测量
测量仪表
液体式压力计
弹性式压力表
负荷式活塞压力计
电气式压力仪表
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划分:粗真空(>105~103)Pa, 低真空(>103~10-1) Pa 高真空(>10-1~10-6)Pa ,超高真空(>10-6~10-12)Pa 极高真空(<10-12)Pa
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8.4 压力的测量
真空的测量
测量仪器按用途的分类
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8.3 力矩的测量
能量转换法
根据能量转换法制作的测力矩仪一般多用于测量各种电机的
转矩。因其影响因素较多,测量误差大,所以只有测量电参
数的电机转矩测量仪应用较多。
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8.4 压力的测量
测量方法
以流体静力学原理为基础制成的液压式测压法
根据弹性元件受力变形原理并利用机械机构将变形量放大的
压力
常用的名词术语
负压力:绝对压力低于大气压时,大气压力与绝对压力之
差 真空:低于大气压力的绝对压力 当绝对压力小于大气压力时,表压力为负值,其绝对 值称为真空,此时绝对压力越小,真空度越高
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8.1 概述
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信息与控制学院仪器系
8.2 力的测量
力的测量方法
动力效应 静力效应
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信息与控制学院仪器系
8.2 力的测量
压电式测力仪
压电效应
当力的方向改变时,电荷的极性随之改变,输出电压的频率 与动态力的频率相同;当动态力变为静态力时,电荷将由于表面 漏电而很快泄漏、消失。
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信息与控制学院仪器系
8.2 力的测量
压电式测力仪
工作原理:利用压电材料的压电效应,将被测力经弹性元件
低于大气压力的绝对压力当绝对压力小于大气压力时表压力为负值其绝对值称为真空此时绝对压力越小真空度越高信息与控制学院仪器系81概述82力的测量力的测量方法信息与控制学院仪器系动力效应静力效应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82力的测量力的测量装置电阻应变式测力计压电式测力仪压磁式测力仪信息与控制学院仪器系82力的测量电阻应变式测力仪工作原理
8.4 压力的测量
负荷式压力计
当被校准的压力仪表 安装上后,转动手轮9, 使油压系统压力升高, 直至活塞2被顶起,这 时压力表的指示值应 等于砝码重力W和砝 码盘及活塞重力W0的 总重力处理活塞有效 面积A P=(W+W0)/A
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信息与控制学院仪器系
8.4 压力的测量
电气式压力仪表
电容式压力传感器 左图所示的是由圆形固定电极 和弹性膜片组成的平行平板电 容器。当弹性膜片在均匀的压 力p作用下,膜片产生位移,即 固定极板与膜片构成了变间隙 式电容测压传感器。
8.4 压力的测量
液体式压力计
U形管压力计
测量范围:20Pa~140KPa 精度:±1%
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信息与控制学院仪器系
8.4 压力的测量
弹性式压力计
工作原理:基于弹性元件(单圈/多圈弹簧管、膜盒、膜片、
波纹管等)受压后产生的位移与被测压力呈一定函数关系的
原理制成的。
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8.3 力矩的测量
力平衡法
当转轴受转矩作用时,机体上必定同时作用着方向相反的平
衡力矩,因此测量出机体上的平衡力矩就可以知道被测转矩
的大小M=M0=Fl。 利用杠杆式平衡力矩法测量转矩:以重力为W的砝码及臂长l 的杠杆去平衡被测力矩M 该方法只能用于测量匀速 工作情况的转矩,不能用 来测量动态转矩
柱型弹性体
R / R R / R k l / l
R1、R3沿轴向粘贴, R2、R4沿横向粘贴
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8.2 力的测量
电阻应变式测力仪
柱型弹性体
U 0 U i R1 R2 R3 R4 U U ( ) i (1 2 3 4 ) i 0 4 R1 R2 R3 R4 4 4
③强度校核:在满足电压灵敏度要求下,所产生的应力σ是否小 于材料的许用应用[σ],一般取[σ]= σs/3,σs为屈服极限
[ ] E 实 F / A, max kn s / 3 A Fmax / kn
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8.2 力的测量
压磁式测力仪
8.1 概述
压力
概念:由静止的流体垂直作用在给定单位面积A上的力F称为
该给定处的压力
单位:帕斯卡(Pa) 1Pa=1N/m2
常用的名词术语
大气压力:围绕地球的大气层对地球表面单位面积上所产 生的压力,即大气自重所产生的压力,也称气压
气压随气象情况、海拔高度、地理纬度不同而变化 标准大气压:温度为0℃,纬度为45°海平面上,重力加速度为 9.80665m/s2时的压力 4 信息与控制学院仪器系
信息与控制学院仪器系
8.3 力矩的测量
转矩的测量方法
传递法:利用转矩使弹性轴产生扭转变形的方法
力平衡法:利用平衡转矩去平衡被测转矩
能量转换法:按照能量守恒定律来测量力矩
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信息与控制学院仪器系
8.3 力矩的测量
传递法
根据弹性元件在传递扭矩时产生的物理参量的变化(变形、
应力或应变)来测量其转矩
信息与控制学院仪器系
8.2 力的测量
电阻应变式测力仪
工作原理:利用粘贴有电阻应变片的弹性体,在外力作用下
产生应变,将其应变量经电桥电路转换成电量,再经电路处
理显示出被测的作用力值。
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8.2 力的测量
电阻应变式测力仪
典型弹性体的结构型式
柱型
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薄壁环型
信息与控制学院仪器系
8.1 概述
压力
常用的名词术语
表压力:以环境大气压作参考压力的差压,它是绝对压力
与大气压力之差。 常用的压力测量仪表测得的压力值都是表压力 绝对压力:相对绝对真空所测得的压力,它是表压力和大 气压力之和 正压力:绝对压力高于大气压的表压力,通常称为压力
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8.1 概述
信息与控制学院仪器系
8.4 压力的测量
液体式压力计
工作原理:根据流体静力平衡原理,将被测压力与一定高度
的工作液体产生的重力相平衡,采用液柱的高度差来测量压
力的仪器 可用液体:水银、蒸馏水、乙醇 所用液体不能与被测介质起化学作用,并使其分界面具 有清晰的分界线,便于判别读数。
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信息与控制学院仪器系
转换为与其成正比的电荷量输出,通过测量电路测出输出电
荷,从而实现对力值的测量。
用途:适用于动态力的测量 石英晶体测力传感器的特点?
信息与控制学院仪器系
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8.3 力矩的测量
测量目的
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
力矩的测量常常和功率、转速测量联系在一起
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信息与控制学院仪器系
8.3 力矩的测量
能量转换法
它是通过测量其他与转矩有关的能量系数(如电能系数)来
确定被测力矩大小的。
E1=E2+△E E1:输入力矩产生的能量 E2:机构输出能量 △E :转换过程中损耗的能量 对电动机,其转矩M与输入能量或功率P、转速n、电动机 效率η的关系为M=P η/(kn)
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信息与控制学院仪器系
8.2 力的测量
压电式测力仪
压电效应
正压电效应:机械能转成电能
一些离子型晶体的电介质,在沿一定方向上受到外力的作用
时,不仅几何尺寸会发生变化,其内部会产生极化现象,从而导
致在它的两个相对表面上出现正负相反的束缚电荷。当外力去掉 后,又会恢复到不带电的原状。当作用力的方向改变时,电荷的 极性也随之改变。
Ui 为电桥供桥电压
通常取0.5~2.5mV/V,其意义是在单位供电桥电压Ui下传感 器的额定负荷的输出电压,它是测力传感器设计的原始依据。
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信息与控制学院仪器系
8.2 力的测量
电阻应变式测力仪
柱型弹性体
测力传感器的截面尺寸的设计步骤:
4 U 0 ①选定传感器电压灵敏度,得到 0: 0 k U ,k 2 i ②计算实际应变量 实:实 0 / n 0 / 2(1 )
弹性式压力计
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信息与控制学院仪器系
8.4 压力的测量
弹性式压力计
磁阻式弹性压力计
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信息与控制学院仪器系
8.4 压力的测量
弹性式压力计
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信息与控制学院仪器系
8.4 压力的测量
负荷式压力计
工作原理:基于静力平衡原理进行压力检测
校准压力表 20Pa~2000kPa
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信息与控制学院仪器系
压磁效应(磁弹性效应):由工业纯铁、硅钢等铁磁材料制
成的铁心在机械力的作用下磁导率发生变化
在铁心上安置一对线圈一励磁线圈(12) 和测量线圈(34),两线圈的平面相互垂 直。
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信息与控制学院仪器系
8.2 力的测量
压磁式测力仪
在励磁线圈中通以交变电流时,铁磁体中就 产生一定大小的磁场。若无外力作用,则磁 感应线相对于测量线圈对称分布,合成磁场 强度平行于测量线圈的平面,磁感应线不与 测量线圈相交,故无感应电势输出。
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信息与控制学院仪器系
8.4 压力的测量
电气式压力仪表
电容式压力传感器
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信息与控制学院仪器系
8.4 压力的测量
电气式压力仪表
电位计式压力仪
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信息与控制学院仪器系
8.4 压力的测量
真空的测量
定义:凡是低于标准大气压的称为低压或真空
单位:一般以绝对压力来表示,单位为托
绝对压力越小,真空程度越高
力的单位:牛顿(N)
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8.1 概述
力矩、转矩、扭矩
力矩:力矩是力和力臂的乘积
转矩:力矩会使机械零部件转动,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
扭矩:在转矩的作用下,机械零部件会发生一定程度的扭曲
变形,又称为扭转矩
单位:牛顿米(N.m)
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