现代测试技术之力扭矩压力的测量
扭矩的测量方法和原理
扭矩的测量方法和原理扭矩是物体受到外力作用时发生转动的力矩，是描述物体转动能力的物理量。
在工程和科学领域中，扭矩的测量是非常重要的，因为准确测量扭矩可以用于设计、制造和维护各种设备。
测量扭矩的方法和原理有多种，下面将详细介绍其中几种常用的方法。
1.力臂法：力臂法是最常用的一种测量扭矩的方法。
它基于杠杆原理，通过施加一定的力在一个确定的力臂上来测量扭矩。
具体步骤如下：a.将扭矩传感器插入被测物体上，确定感应轴与被测物体的旋转中心相切。
b.施加一定大小的力在感应轴上，记录所需的力臂长度。
c.扭矩的大小可以通过施加的力乘以力臂长度来计算。
2.应变计法：应变计法是一种基于材料的变形特性来测量扭矩的方法。
它利用了材料在受力时会发生应变的原理，通过测量这种应变来计算扭矩大小。
具体步骤如下：a.将应变计固定在被测物体上，以使其能测量所需位置的应变。
b.当扭矩施加在被测物体上时，应变计会产生相应的应变。
c.测量应变计输出的电压或电阻值，利用应变计的灵敏度和校准数据来计算扭矩大小。
3.电磁法：电磁法是一种利用电磁感应原理来测量扭矩的方法。
它通过感应电流的变化来计算扭矩大小。
具体步骤如下：a.在被测物体上安装扭矩传感器，传感器的结构中包含一个用于感应磁场变化的线圈。
b.当扭矩施加在被测物体上时，传感器中的线圈会感应到磁场的变化。
c.感应电流的大小与扭矩成正比，通过测量感应电流的大小来计算扭矩。
4.平衡法：平衡法是一种通过平衡两个力矩来测量扭矩的方法。
它基于力矩平衡原理，通过调整一个质量和距离的平衡来测量未知扭矩的大小。
具体步骤如下：a.将被测物体与一个已知扭矩的校准装置相连，使其达到力矩平衡。
b.在校准装置上调整质量和距离，直到力矩平衡，并记录所需的质量和距离值。
c.将被测物体与校准装置断开，使用相同的质量和距离值来平衡新的未知扭矩，通过分析平衡状态来计算未知扭矩的大小。
总结起来，扭矩的测量方法包括力臂法、应变计法、电磁法和平衡法等。
现代测试技术第10章力扭矩压力的
等强度梁应变式传感器
这种弹性元件的特点是：其截面沿梁强度方向按一定规 律变化，当集中力F作用在自由端时，距作用力任何距 离的截面上的应力均相等。因此，沿之中梁的程度方 向上的截面抗弯模量W的变化与弯矩的变化成正比， 即
常数
在等强度两的设计中，往往采用矩形截面，保持截面 厚度h不变，只改变梁的宽度b。设沿梁长度方向上某 一截面到力的作用点的距离为x，则
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 对端点的应力 抗弯截面系数 联立以上各式解得：
端点的应变为： 贴片处的应变为
其中S=bh 为梁的截面积。
电阻变化为
当结构确定后，令
常数
悬臂梁力传感器的应变电阻的相对变化与外力成正比。 梁式弹性元件制作的力传感器，适用于测量500kg以下的载荷 ，最小可测几十克重的力，这种传感器具有结构简单、加工容 易、应变片易粘贴、灵敏度高等优点。
现代测试技术第10章力扭矩 压力的
10.1.1 应力(stress) 的测量
应力是重要的机械量，应力状况可由 某点主应力的大小和方向来表示。
测量应力可以分析研究零件、机构的 受载情 况、负荷水平和强度能力，验 证设计计算结果的正确性。
应力测试任务是正确确定零件主应力 的大小、方向及分布规律。
应力测试方法采用电阻应变测量法。
当测力仪受进给抗力Fx作用，则应变片R5、R7受 拉应力，R6、R8受压应力。
当圆环同时受Fy、Fx作用时，把应变片R1～R4， R5～R8组成如图所示的电桥，就可互不干扰地分 别测得Fy和Fx。
由于八角环易于固定夹紧，所以常用它代替圆环 。
扭矩的测量方法和原理
扭矩的测量方法和原理扭矩是物体绕轴旋转时受到的力矩，它是描述旋转力大小和作用位置的物理量。
在工程和科学研究中，测量扭矩是非常重要的。
本文将介绍扭矩的测量方法和原理。
常见的扭矩测量方法有静态法、动态法和电信号法。
静态法主要是通过杠杆原理，将扭矩传感器固定在被测物体上，然后根据测得的传感器输出信号计算出扭矩值。
动态法则是测量物体在旋转过程中的扭转角度和加速度，通过牛顿第二定律推导出扭矩值。
电信号法则是利用电极或电阻应变片等装置，将扭矩转化为电信号，再通过电路进行测量。
下面从静态法和电信号法两个方面详细介绍扭矩的测量原理。
一、静态法静态法是一种利用杠杆原理进行扭矩测量的方法。
其原理可由下式表示：M=F×l式中，M是扭矩，单位是牛顿米（N·m）；F是施加在杠杆上的力，单位是牛顿（N）；l是施力点到旋转中心的距离，单位是米（m）。
在实际测量中，需要将扭矩传感器固定在被测物体上，使其与旋转轴平行。
当物体受到扭矩时，扭矩传感器会产生相应的变形，进而输出电信号。
通过测量传感器的输出信号，可以计算出施加在物体上的扭矩大小。
静态法的优点是测量精度高，并且适用于不同形状和材料的物体。
然而，静态法只适用于低速旋转的物体，因为在高速旋转时，由于离心力的影响，无法准确测量扭矩值。
二、电信号法电信号法是一种常用的扭矩测量方法。
其原理是利用电阻应变片的变形来测量扭矩。
当物体受到扭矩作用时，电阻应变片会产生相应的应变，从而引起电阻值的变化。
通过测量电阻值的变化，可以间接得到扭矩变化的大小。
电信号法的基本原理如下：1.将电阻应变片安装在固定的位置上，使其与旋转轴垂直。
2.当物体受到扭矩作用时，电阻应变片的传感网格发生形变，导致电阻值的变化。
3.将电阻值变化转化为电信号输出。
4.通过测量电信号的强度，可以得到扭矩的大小。
电信号法的优点是测量范围广，可适用于高速旋转的物体。
此外，电信号法具有快速响应、准确可靠等特点。
第九章 应变、力和扭矩的测量
应变,无量纲 F
弹性模量（Pa)
EA
拉(压)力(N) 截面积（m2)
（2）薄壁环型弹性元件
★当拉（压）力作 用下，圆环各截面所 受的弯矩为：
截面的方位角
M F R 0 (0 .3 1 8 3 0 .5 c o s)
拉(压)力（N）
环的平均半径（m)
中就会产生磁场。若把孔间空间分成A、 B、C、D四个区域，在无外力作用的情 况下，A、B、C、D四个区域的磁导率是
A
C
D
相同的。这时合成磁场强度平行于输出
绕组的平面，磁力线不与输出绕组交链，
B
W34不产生感应电动势。
在压力F作用下，A、B区域将受到一定的应力，而C、D区域基
本处于自由状态，于是A、B区域的磁导率下降、磁阻增大，C、
磁元件施加一定的预压力，并保
证在长期使用过程中压磁元件受 压磁
力作用点不变。
元件
★传力元件 能保证被测力垂直集中地作用于传感器上。
4、压磁式测力传感器测量电路
① 传感器输出信号较大，不需再放大 ④用于消除传感器输出的高次谐波
②交流电源频率
按传感器响应速
度要求选择
③保护电源频率的单一性
⑤匹配变压器用于阻抗匹 配和升高信号电压
对应于φ角处截面上的弯矩(N·m)
★在截面A和B处分 别出现两个方向相反 的最大弯矩。两处的 应变值分别为：
A 1.908EFbRh02
M B0.1817FR0 M A0.3183FR0
B 1.092EFbRh02
b—环的宽度（m) h—环的宽度（m)
★在截面A和B之间，有一截面弯矩为零，其对应的φ角为55.50
测试技术9力扭矩压力的测量
R3
补
桥a
式
R2
c偿
R4
d
弯曲最大 输出电压 应变 提高一倍， 且可消除 拉伸的影 响
弯曲最大 应变
输出电 压提高到
2(1+)
倍，且可
消除拉伸
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。
测试技术9力扭矩压力的测量
测试技术9力扭矩压力的测量
力的测量 (2/23)
9.1.1 应力、应变的测量 (Measurement of Stress and Strain)
应力、应变测量方法 应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。
电阻应变仪的分类 静态电阻应变仪 用以测量静态载荷下的应变，以及变化十分缓 慢或变化后能很快稳定下来的应变； 静动态电阻应变仪 工作频率为0～200 Hz，用以测量静态应变或 频率在200 Hz以下的低频动态应变； 动态电阻应变仪 工作频率为0～2 000 Hz，用以测量2 000 Hz以下 的动态应变； 超动态电阻应变仪 工作频率为0～20 000 Hz，用以测量爆炸冲击 等瞬态变化过程下的超动态应变。
测试技术9力扭矩压力的 测量
2020/11/25
测试技术9力扭矩压力的测量
9.0 序 (Introduction)
力、扭矩、压力测量的目的：
力是最基本和最常见的工作载荷，也是其他载荷形式和有关 物理量（弯矩、扭矩、应力、功、功率及刚度等）的基本因 素；
通过力、扭矩和压力的测量，分析构件的受力状况和工作状 态，验证设计计算，确定工作过程和某些物理现象的机理。
应变力和扭矩的测试
力---变形---电阻
3.1.1电阻应变片旳工作原理
电阻应变片是利用电阻应变效应测量应变 旳传感器。
电阻应变效应，就是导体或半导体在受到 外力旳作用下，会产生机械形变，从而造成其 电阻值发生变化旳现象。
应变：单位长度上旳变形。
选择应变片旳材料得当,能够使应变片旳输入(应变值)和它 旳输出(电阻变化率)成线性关系.
若导体的长度为L，截面积为A，电阻率为，则电阻R为
R=
L A
式中L、A、三个参数的变化都会引起电阻的变化，其变化值为dR
dR
dL
A
L A
d
L
A2
dA
方程式两边都除以R，由于R L ,则可得
A
dR dL d dA R L A
若导体截面为圆形，则A r 2 , dA 2 rdr,
例单晶体半导体在外力作用下，原子点阵排列 规律发生变化，导致载流子迁移率及载流浓度 的变化，从而引起电阻率的变化。
• 半导体应变计
•优点：应变敏捷度大;体积小 •缺陷：温度稳定性和可反复性不如金属应变片
金属应变片和半导体应变片主要区别： 前者是利用导体变形引起电阻的变化； 后者利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。
• 故电压输出仅与F引起旳弯曲变形有关。F作用使
上 压面应R1应变变，R片其1=电阻R 变产化生R量拉2 =应-变RR2，下面旳
产生
为
，
，则反应力F大小旳
输出电压为:
R u0 2R0 ui
• 如要进一步提升电桥旳敏捷度，可采用全桥。
当 R1 R2 R3 R4 R0
R1 =R2 =R3 =R4 R
1
测试技术 第十章 力、扭矩和压力的测量
三、压力——静止的流体垂直作用在单位面积上的力
单位：帕斯卡（Pa） 1 Pa = 1N / m2 1、大气压力：大气自重所产生的压力，即气压。 2、表压力：在环境大气压力作参考压力的差压。 3、绝对压力：相对绝对真空所测得的压力。 4、正压力：绝对压力高于大气压的表压力 5、负压力：…………低于……压力时，大气压力与绝对压力之差。 6、真空度：低于大气压力的绝对压力
§1 力的测量 一、力的测量方法
1、利用动力效应测力 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。 2、利用静力效应测力 静力效应是物体产生变形，通过测量物体的变形量 或用与内部应力相对应参量的物理效应来确定力值。 如：测量变形用差动变压器、激光干涉等方法 利用与力有关的物理效应：压电效应、压磁效应等
两种常用方法：
– 转轴应变测量。如应变式、压磁式 – 转轴两横截面相对扭转角测量。如磁电式、光电式
一、应变式扭矩测量
二、压磁式扭矩测量
三、磁电式扭矩测量
四、光电式扭矩测量
§3 压力的测量
一、压力的量值传递系统 见表7-5
二、压力的测量方法
1、液压式测压法 如：液体式压力计 2、弹性变形测压法 如：膜盒压力计 3、负荷测压法 如：活塞式压力计 4、电学量测压法 如：将压力转换成电阻、电容、电感等。 各类型电学量压力表见下表：
电子皮带称方法见图7-18
W G ( t )v ( t ) / Ldt
0 T
– L =（L1+L2）/2 ——有效称量段 – G（t）——作用于称重框架上的瞬时物料重量
B、测长法
每当皮带移动一端距离S时，测量一次称重辊上的重量， 在某段时间内，皮带移动距离为nS时，运送物料的总 n 重量为：
扭矩的测量方法
扭矩的测量方法
扭矩的测量方法主要有以下几种：
1.扭力扳手：通过扭力扳手可以测量扭矩，根据扭力扳手的读数
和所使用的力矩，可以计算出扭矩。
2.扭矩传感器：通过在转动轴上安装扭矩传感器，可以实时测量
扭矩。
传感器将扭矩转换为电信号或数字信号，然后通过仪表或计算机进行读取和处理。
3.扭力计：扭力计是一种专用的测量扭矩的仪器，它通常由一个
固定部分和一个可以转动的部分组成。
通过测量转动部分相对于固定部分的扭角或转角，可以计算出扭矩。
4.扭力天平：扭力天平是一种用于测量扭矩的精密仪器，它可以
测量微小的扭矩。
扭力天平通常由一个可以在转轴上旋转的称重元件和一个固定元件组成。
通过测量旋转过程中产生的离心力或惯性的力，可以计算出扭矩。
总之，测量扭矩的方法有很多种，具体使用哪种方法取决于测量精度、测量范围和设备条件等因素。
扭力测试方法
扭力测试方法扭力测试是一种用来测量材料或零件在外力作用下的扭转性能的方法。
通过扭力测试，可以评估材料或零件的耐久性和可靠性，为产品设计和制造提供重要参考。
本文将介绍扭力测试的方法和步骤，以及在实际应用中的注意事项。
1. 测试设备准备。
首先，需要准备一台扭力测试机。
扭力测试机是用来施加扭转力并测量扭转角度的设备，通常包括电机、传感器、控制系统等组件。
在进行扭力测试之前，需要对扭力测试机进行校准和检查，确保其工作正常并符合测试要求。
2. 样品准备。
选择合适的样品进行扭力测试是非常重要的。
样品的选择应考虑其材料特性、形状尺寸以及测试要求。
在准备样品时，需要对其进行表面处理和固定，以确保测试过程中不会发生松动或滑动。
3. 测试方法。
在进行扭力测试时，首先将样品安装到扭力测试机上，并根据测试要求设置测试参数，如扭转速度、扭转角度范围等。
然后启动测试机，施加扭转力并记录扭转角度和扭转力的变化。
在测试过程中，需要注意监测样品的变形和破坏情况，及时记录和分析数据。
4. 数据分析。
完成扭力测试后，需要对测试数据进行分析和评估。
通过分析扭转角度和扭转力的变化曲线，可以评估样品的扭转性能和破坏特点。
同时，还可以计算扭转刚度、极限扭转角等参数，为产品设计和改进提供参考依据。
5. 注意事项。
在进行扭力测试时，需要注意以下事项：样品的选择应符合测试要求，避免因样品不合适而导致测试结果不准确。
在测试过程中，需要确保样品的固定和表面处理良好，避免因样品松动或滑动而影响测试结果。
对测试数据进行准确记录和分析，及时发现和解决问题。
在测试过程中，需要严格。
扭矩测量方法
扭矩测量方法扭矩是描述物体旋转状态的物理量，通常用于描述物体受到的扭转力。
在工程领域中，扭矩的测量是非常重要的，因为它直接影响到机械设备的运行和性能。
本文将介绍几种常见的扭矩测量方法，帮助读者更好地理解和应用扭矩测量技术。
一、动态扭矩测量方法。
动态扭矩测量方法是通过监测物体在旋转过程中所受到的力来计算扭矩的方法。
这种方法通常使用力传感器或扭矩传感器来实现。
当物体受到扭转力时，传感器会产生相应的电信号，通过测量这些信号的大小和变化，可以计算出物体所受的扭矩大小。
动态扭矩测量方法适用于需要实时监测扭矩变化的场合，如汽车发动机的扭矩输出检测等。
二、静态扭矩测量方法。
静态扭矩测量方法是通过施加一定的力矩到物体上，然后测量物体的变形或位移来计算扭矩的方法。
常见的静态扭矩测量方法包括梁式扭矩传感器、应变片传感器等。
这些传感器可以测量物体在扭转过程中产生的应变或位移，通过这些数据可以计算出物体所受的扭矩大小。
静态扭矩测量方法适用于需要高精度测量扭矩的场合，如实验室科研领域的扭矩测量等。
三、电磁式扭矩测量方法。
电磁式扭矩测量方法是通过在物体上安装一对电磁传感器，利用电磁感应原理来测量扭矩的方法。
当物体受到扭转力时，传感器会产生相应的电磁信号，通过测量这些信号的大小和变化，可以计算出物体所受的扭矩大小。
电磁式扭矩测量方法适用于需要在恶劣环境下进行扭矩测量的场合，如海洋工程、航空航天等领域。
四、光学式扭矩测量方法。
光学式扭矩测量方法是通过在物体表面安装一对光学传感器，利用光学原理来测量扭矩的方法。
当物体受到扭转力时，传感器会产生相应的光学信号，通过测量这些信号的大小和变化，可以计算出物体所受的扭矩大小。
光学式扭矩测量方法适用于需要在高温、高压等特殊环境下进行扭矩测量的场合，如石油钻探、核能工程等领域。
五、综合应用。
除了上述介绍的几种常见扭矩测量方法外，还有一些其他特殊的扭矩测量方法，如声学式扭矩测量、磁致伸缩式扭矩测量等。
第八讲 力及扭矩和压力的测量
若Δ即R在R2、1=力RΔ作2R=3用R和3下=ΔRR所44=，产R初，生始且的状考电态虑阻电到变桥Δ化R的分<<各别R臂，为阻则ΔR值：1、相等和 偿 要，连 和 依接提据R高电。4 电桥u桥及i 灵进敏行R3度温度的补主
uo
ui 4
R1 R
R2 R
R3 R
ui
Sg
(1
)
r
2(1+) 倍，且可
2(1 ) 消除弯矩
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。
偿
(1 ) 弯矩的影
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。
第一节 力的测量
（续）
序 号
受力状态简图
应变 电桥组合形式
片数 量
电桥 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
第一节 力的测量
第一节 力的测量
一、应力、应变的测量
常用的力测量方法是用应变片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。
第一节 力的测量
电桥的和差特性
应变片采用电桥时，输出电压为 ：
R1
R2
uo
R1R3
R1 R2
R2R4
R3 R4
ui
电桥和差特性 uo
将应变计安装在处于单向应力状态的试件表面，应变计电阻值的相对变 化（ΔR/R）与其轴向应变(ε)的比值称为应变计的灵敏系数（K）。K值由 抽样试验确定，试验精度要求较高时，可用等强度梁或等弯距梁标定。
测试技术扭矩的测量
u0
1 4
( R1
R
R2
R
R3
R
R4
R
)ue
当各桥臂应变片的灵敏度相同时，则上式可改写为
u0
1 4
S (1
2
3
4 )ue
（电桥和差特性）
半桥单臂 半桥双臂 全桥
u0
1 4
ue S
u0
1 2
ue S
u0 ueS
（R1产生+ΔR） （R1产生+ΔR 、R2产生-ΔR） （R1、R3产生+ΔR 、R2、R4产生-ΔR）
a）直角形应变花 b）等边三角形应变花 c）T-△形应变花 d）双直角形应变花
三、影响测量的因素及其消除方法
1．温度的影响及温度补偿 在测试操作中注意需满足以下三个条件： 1）工作片和补偿片必须是相同的。 2）补偿板和待测试件的材料必须相同。 3）工作片和补偿片的温度条件必须是相同的或位于同一温度 环境下。 2．减少贴片误差 3．力求应变片实际工作条件和额定条件的一致 4．排除测量现场的电磁干扰 5．测点的选择
关于在弯曲、扭转和拉（压）、弯、扭复合等其他典型载荷下， 应变片的布置和接桥方法可参阅有关专著。
轴向拉伸（或压缩）载荷下应变测试的应变片的布置和接桥方法
5．应变片的选择及应用 （1）试件的测试要求 应变片的选择应从满足测试精度、所测应变的性质等方面考虑。
（2）试验环境与试件的状况
试验环境对应变测试的影响主要是通过温度、湿度等因素起作 用。试件本身的状况同样是选用应变片的重要依据之一。
第二节 力的测量
当力施加于某一物体后，将产生两种效应：一是使物体变形的 效应，二是使物体的运动状态改变的效应。
由胡克定律可知：弹性物体在力的作用下产生变形时，若在弹 性范围内，物体所产生的变形量与所受的力值成正比。因此只 需通过一定手段测出物体的弹性变形量，就可间接确定物体所 受力的大小。
力扭矩压力的测量培训
压力是一个标量，表示物体单位面积上所受的正压力。它的大小等于施加在物体 上的力除以受力面积。压力可以由重力、弹性形变、流体动压等产生。在气体或 液体中，压力与流体的密度和速度有关。
02 力、扭矩、压力的测量工具
力测量工具
01
02
03
测力计
用于测量力的仪器，根据 力的作用原理，可分为弹 簧测力计、电子测力计等 。
04 力、扭矩、压力测量的应用场景
力测量的应用场景
01
工业生产
在生产线中，力是重要的参数之一，对产品的质量、生产效率和安全性
都有影响。通过力测量，可以监测和控制生产过程中的力，确保生产过
程的稳定性和产品质量。
02
交通运输
在交通运输领域，力测量对于车辆和船舶的性能优化、安全性和稳定性
至关重要。例如，对汽车发动机的输出扭矩进行测量，可以评估车辆的
力扭矩压力的测量培训
• 力、扭矩、压力的基本概念 • 力、扭矩、压力的测量工具 • 力、扭矩、压力的测量方法
• 力、扭矩、压力测量的应用场景 • 力、扭矩、压力测量的注意事项
01 力、扭矩、压力的基本概念
力
总结词
力是物体之间的相互作用，是改变物体运动状态的原因。
详细描述
力是一个矢量，具有大小和方向两个基本属性。根据牛顿第 三定律，力是物体之间的相互作用，作用力和反作用力大小 相等、方向相反。力可以改变物体的运动状态，包括速度和 加速度。
测量精度
选择具有足够测量精度的压力 测量仪器，以确保测量结果的 准确性。
校准
定期对压力测量仪器进行校准 ，以确保其准确性。
环境因素
注意环境因素（如温度、湿度 、压力等）对压力测量的影响 ，尽量在恒定环境下进行测量
第九章-应变、力、扭矩与压力测量
徐州工程学院机电学院
二、常用压力传感器
徐州工程学院机电学院
1、应变式压力传感器：利用应变片感测弹性元件 的应变。有平膜片式、圆筒式和组合式等
动态标定：输入一个动态激励力，测出相应的输出，然后 确定出传感器的频响特性等
9.3 扭矩的测量
徐州工程学院机电学院
扭矩由力和力臂的乘积来定义，单位是Nm。扭矩的测 量以测量转轴应变和测量转轴两横截面相对扭转角的方法 最常用。
一、 扭矩传感器的工作原理
对固定参数的弹性轴，转矩作用于弹性轴时，产生 的扭转角、应力、应变与转矩成正比，因此，只要测出扭 转角、应力或应变，即可得到扭矩的大小。按扭矩信号的 产生方式不同，可以将传感器设计为光电式、光学式、磁 电式、应变式、电容式、等各种形式。
在矩形的特殊弹性元件上，加工若干个贯通的圆孔，每个圆孔内固定两 个端面平行的丁字形电极，每个电极上贴有铜箔，构成由多个平行板电容 器并联组成的测量电路。在力F作用下，弹性元件变形使极板间矩发生变 化，从而改变电容量，如图(电容式力传感器)所示。
2、其它测力传感器 （1） 压电式力传感器
徐州工程学院机电学院
徐州工程学院机电学院
一个简化了的单向受拉件如图( 测轴向拉(压)时的 温度补偿)所示，在轴向力P作用下。试件为单向应力 状态。故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ε。电桥的输出为
其中 ΔR1t，ΔR2t分别为温 度对R1，R2的影响， ΔR1P是因力P而产生的电 阻变化。
(c)为四片径端对称的双 横八字布置，四片可组成 半桥或全桥。组成全桥时， 输出灵敏度为(a)的二倍。 无论组成半桥或全桥皆可 抵消拉(压)及弯曲的影响。
(d)为四片径端对称的双 竖八字布置，可视为(b)的 复合。应变片分别处于同 一截面同一直径两个端点 的邻近部位，且在轴体表 (e)为四片均布的双竖八字布置，与 面展开图中四个敏感栅的 (d)的区别仅在于四片圆周均布。(d) 中心共线。 与(e)可组成全桥或半桥方式，其灵 敏度及抵抗非测力因素的性能同(c)。
机械工程测试技术-应变力与扭矩测量
第一节 应变与应力的测量 第二节 力的测量 第三节 扭矩的测量
第一节 应变与应力的测量
一、应变的测量 1．应变测量原理
应变测试系统组成框图
基本原理： 把所使用的应变片按构件的受力情况，合理的粘贴在被测
构件变形的位置上，当构件受力产生变形时，应变片敏感栅也 随之变形，敏感栅的电阻值就发生相应的变化。其变化量的大 小与构件变形成一定的比例关系，通过测量电路（如电阻应变 测量装置）转换为与应变成比例的模拟信号，经过分析处理， 最后得到受力后的应力、应变值或其他的物理量。
（3）应变片的粘贴
应变片的粘贴是应变式传感器或直接用应变片作为传感器的成 败关键。
二、应力的测量
1．应力测量原理
应力测量原理：
先测量受力物体的变形量，然后根据胡克定律换算出待测力的 大小。这种测力方法只能用于被测构件（材料）在弹性范围内 的条件下。 2．应力状态与应力计算
某一测点的应变和应力间的量值关系是和该点的应力状态有关 的。 （1）单向应力状态
静动态电阻应变仪：以静态应变测量为主，兼作200Hz以下的低 频动态测量。
动态电阻应变仪：用于0～2kHz范围的动态应变测量。
超动态电阻应变仪：用于0～20kHz的动态过程和爆炸、冲击等 瞬态变化过程中的动态应变测量。
3．应变仪的电桥特性
应变仪中多采用交流电桥，电源以载波频率供电，四个桥臂均 为电阻组成，由可调电容来平衡分布电容。电桥输出电压：
u0
1 4
( R1
R
R2
R
R3
R
R4
RHale Waihona Puke )ue当各桥臂应变片的灵敏度相同时，则上式可改写为
u0
1 4
S (1
第六章 力、扭矩、压力的测量讲解
Ee 1 1
Wn
对于实心圆轴 Wn= D3/16
测扭时，电阻应变计须沿主应变e1及e2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。
测试技术基础
绪论
测量扭矩时应变片的布置和组桥方式
(a) 双片集中轴向对称(横八字) 布置，应变片R1及R2互相垂直， 组成半桥的相邻两臂。贴片及引 线较为简单，但不能完全抵消弯 曲影响，可用于轴体不受弯曲的 场合。
ห้องสมุดไป่ตู้
全相同，放在完全相同温度场中，
接在相临桥臂。
•图中沿轴向贴一片应变片,沿横向贴另一片,为工作片补偿法。
U BD
U0 4
K (e1
e1)
U0 4
K (1
)e 1
测试技术基础
绪论
在拉(压)应变测量中消除弯矩的影响
•用对称双工作片测轴向 拉(压)应变。工作片在上、 下表面对称粘贴，由加减 特性可知，这样可消除因 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。
测试技术基础
绪论
八角环式
圆环方式不易加紧固 定, 实际上常用八角环 代替, 如图所示。八角 环厚度为h, 平均半径
为r。当h/r较小时, 零
应变点在39.6°附近。 当h/r=0.4时，零应变点在45°处，故一般八角环测力Fx 时，应变片贴在45°处。
测试技术基础
绪论
切削测力仪
当测力仪受进给抗力Fx作用，则应变片R5、R7受拉应力，R6、R8受压应力。 当圆环同时受Fy、Fx作用时，把应变片R1～R4，R5～R8组成如图所示的电桥， 就可互不干扰地分别测得Fy和Fx。当测力仪受主切削力Fz的作用时，其八角 环既受到垂直向下的力，又受到由于Fz引起的弯矩Mz的作用。力Fz与各应变 片轴向垂直不起作用，Mz使测力仪上部环受拉应力，下部环受压应力，因此 将应变片组成如图所示电桥就可测出Fz。
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应力测试任务是正确确定零件主应力 的大小、方向及分布规律。
应力测试方法采用电阻应变测量法。
主应力方向已知时的应力测量
为测量简单应力状态下的主应力方向已
知的单向应力，可采用沿主应力方向粘贴电阻
应变片的方法。
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。
[ b ]
所以
D F d2 4 [ b ]
弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性都有影响，由材料
力学可知，高度对沿其横截面的变形有影响。当高度与直径之 比H/D》1时，沿其中间断面上的应力状态和变形状态与其端 面上作用的载荷性质和接触条件无关。试验研究结果建议：
H 2D l
l --为应变片的基长
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
6Fx
E bxh2E
相应的电阻变化量为：
R K 6l F
R
b0h2 E
当结构确定后，应变片的电阻 相对变化与外力F成正比。
双端固定梁应变式力传感器
梁的二端都固定，中间加载荷，应变片 R1、R2、R3、R4粘贴在中间位置，梁 的宽度为b．厚度为h，长度为l，梁的应 变为
这种梁的结构在相同力F的作用下产生的挠 度比悬臂粱小，并在梁受到过载应力后，容 易产生非线性。由于两固定端在工作过程中 可能滑动而产生误差，所以一般都是将梁和 壳体做成一体。
第10章 力、扭矩、压力的测量
10.1 力的测量 通过对机械零件和机械结构的力、
扭矩和压力的测量，可以分析其受力状 况和工作状态，验证设计计算，确定工 作过程和某些物理现象的机理。对设备 的安全运行、自动控制及设计理论的发 展等都有重要指导作用。
10.1.1 应力(stress) 的测量
应力是重要的机械量，应力状况可由 某点主应力的大小和方向来表示。
10.1.2 电阻应变式测力装置
测量力时可以直接在被测对象上布片组桥，也可以在弹 性元件上布片组桥，使力通过弹性元件传到应变片。 常用的弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐等多种形 式。
柱式弹性元件 通过柱式弹性元件表面的拉(压)
变形测力。应变片的粘贴和电桥的连接应尽可能消除 偏心和弯矩的影响，一般将应变片对称地贴在应力均 匀的圆柱表面中部。柱式力传感器可以测量 0.1~3000吨的载荷，常用于大型轧钢设备的轧制力 测量。
W bh2Βιβλιοθήκη 6联立以上各式解得：
6Fl
bh 2
端点的应变为： 贴片处的应变为
6Fl 6Fl
E Ebh2 EhS
0
6Fl0 Ebh 2
其中S=bh 为梁的截面积。
电阻变化为
R K K 6l0 F
R
bh2 E
当结构确定后，令
K ' K 6l0 常数 bh2 E
R K ' F R
由材料力学知 联立以上各式解得：
l
l
F
S
E
F
ES
令
K' K ES
则
R K K F
R
ES
称实心柱式力传感器的灵敏度。
R K ' F R
在设计柱式传感器时，圆柱的直径（主要参数）要根据 所选用的材料的许用应力 [ b ] 来计算：
F S
[ b ]
而
S d 2 / 4
因此
d 4 F
悬臂梁力传感器的应变电阻的相对变化与外力成正比。 梁式弹性元件制作的力传感器，适用于测量500kg以下的载荷 ，最小可测几十克重的力，这种传感器具有结构简单、加工容 易、应变片易粘贴、灵敏度高等优点。
等强度梁应变式传感器
这种弹性元件的特点是：其截面沿梁强度方向按一定规
律变化，当集中力F作用在自由端时，距作用力任何距
[ b ]
由上式可知，要想提高应变力传感器的灵敏度
K’=K/ES，必须减小截面积S，但S减小，抗弯能力
也减弱，并对横向干扰力敏感。为了解决此矛盾，在
对较小的集中力测量时，多采用空心圆筒或采用承弯
膜片，空心圆筒在相同横截面下，好象刚度大，横向
稳定性好
空心圆柱力传感器
由于
(D2 d 2) F
4
u
1 4
u0
k 1
2
3
4
测量前，要求电桥处于平衡状态，无输出。 测量时，电桥应愈不平衡愈好，这样可获得 最大的输出信号。组桥的同时，还需考虑电
桥的温度补偿。
10.1.1 应力、应变的测量
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。
点成0°处(图中A点)应变等于零。将应变片贴在与
垂直中心线成39.6°的5、6、7、8处，则5、7处 受拉应力，6、8处受压应力。这样，当圆环上同时
作用着Fx和Fy时，将1～4处和5～8处的应变片分 别组成电桥，就可以互不干扰地测力Fx和Fy。
环式弹性元件
环式弹性元件
在圆环上施加径向力Fy时，圆环各处的应变不同， 其中与作用力成39.6°处(图中B点)应变等于零。
在水平中心线上则有最大的应变
式中R为圆环外径，h为圆环壁厚，b为圆环宽度。
将应变片贴在1、2、3和4处，1、3处受拉应力；2、 4处受压应力。
如果圆环一侧固定，另一侧受切向力Fx时，与受力
离的截面上的应力均相等。因此，沿之中梁的程度方
向上的截面抗弯模量W的变化与弯矩的变化成正比，
即
M W
6Fl bh 2
常数
在等强度两的设计中，往往采用矩形截面，保持截面
厚度h不变，只改变梁的宽度b。设沿梁长度方向上某 一截面到力的作用点的距离为x，则
6Fx [ ]
bx h 2
bx
6Fx
h2[ ]
等强度梁的应变值为：