测试技术第八章 测试系统及其工程应用

工作方式
单臂
双臂
四臂
应变片所在桥臂 输出电压uy
R1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 4
u
0
S
g

R1 , R2
1 2
u
0
S
g

R1 , R2 , R3 , R4 u0Sg
（2）应变片在构件上的布置和接桥方法
测量电桥可根据电桥特性组成多种形式，如选用恰当，不但 能提高电桥灵敏度和达到温度补偿的效果，而且还能从复合 受力中排除应变的相互干扰，只测出某一要求测取的外力。
b）
三向测力传感器
3、扭矩的测量
常见的扭矩测量方法可分为应力或应变式及相对转角式。 （1）电阻应变式扭矩传感器
当轴类零件受扭矩作用时，在其表面产生剪应变，这一应变 可用电阻应变片来测量。图8-6 应变片式扭矩测量法
图8-6 应变片式扭矩测量法
（2）扭转角式转矩传感器 转轴受扭矩作用后，产生扭转变形，两横截面的相对扭转角 与扭矩成正比。利用光电式、磁电式等传感器可以测得相对 扭转角，从而测得扭矩。 1）磁电式扭矩测量仪 图8-7是其原理图。

1)
2）主应力方向未知 当应变应力的主应力、的大小及方向都是 未知时，需要对一个测点贴3个不同方向的应变片，测出3个 方向的应变，才能确定主应力、及主方向角3个未知量。表
8-3列举了几种常用的应变花及其主应力计算公式。
表8-3 应变花计算公式
2、切削力的测量
（1）八角环测力仪
切削力是机械加工过程中的一个重要参量，其测量方法 是比较典型的多向动态力测量。常用的仪器有八角环测力仪。
Fx
（Fy图8-2e和f）。
图8-3是八角环用于测量车床切削力的情况。
Fz Fy
Fx
R1 R6
R5 R9
R10
图8-3 八角环式车床切削测力
（2）压电式测力仪
压电式测力仪的核心部件是压电式力传感器。图8-4a为单向 压电式力传感器，图8-4b为三向压电式测力传感器。
a）
图8-4 压电式测力传感器
单向测力传感器
第八章 测试系统及其工程应用
8.1应变、力和扭矩的测量 8.2振动测试 8.3温度测试 8.4湿度测试 8.5位移的测量 8.6流体参量的测量 8.7本章典型例题详解
8.1应变、力和扭矩的测量
在机械工程中，应变、力和扭矩的测量甚为重要。测定 构件中的应力与应变是解决工程强度问题的主要手段，扭矩 的测量对传动轴载荷的确定和控制以及对传动系统各工作零 件的强度设计等都有重要意义。此外工程中其他与应变和力 有关的量，如应力、力矩、功率、压力等的测量，都与应变、 力和转矩的测量密切相关。
Fy
如果把圆环的下端固定，上端受切向力Fx的作用（图8-2 b），
这时应变节点将位于与着力点成90°的地方（图中A处）。
若将应变片贴在与垂直中心线成39.6°处，则 和 产生R拉5 应R7
变， 和 产生R压6 应R变8 。当 和 同时作F用x 时F，y 只要将 与
分别组R1成~ R电4 桥R，5 ~ R就8 可互不干扰地测出 和
1、振动基本知识
机械振动的分类方法有多种： 按振动产生的原因分为自由振动（系统受到初始干扰或原有
外激力取消后产生的振动）、强迫振动（在外激力作用下的 振动）； 按振动的自由度分为单自由度系统振动和多自由度系统振动； 按振动规律分为简谐振动、周期振动、瞬态振动和随机振动 等。
其中简谐振动是最简单的周期振动，也是最基本的振动形式， 是研究其他形式振动的基础。简谐振动的时间历程是正弦或 余弦函数，它的位移可表示为：
为了准确测出各种载荷，应根据构件载荷分布情况或复合载 荷的特点及利用电桥特性进行适当的布片和接桥。表8-2列 出了在几种载荷下，单独测取一种载荷（或应变）的布片、 接桥方法。
表8-2 各种受力状态下的布片、接线图例
（3）平面应力状态下主应力的测定 1）主应力方向已知 当构件内的一个点在两个互相垂直的方向
图8-7 磁电式扭矩测量仪
2）压磁式扭矩传感器 非接触式的压磁式扭矩传感器是用交
流磁场使磁性扭轴沿轴向磁化，并与线圈耦合。在不受力状 态下，调整电桥平衡，输出为零。在扭矩作用下，扭轴导磁 率变化，因而使耦合线圈自感发生变化，电桥将有一个正比 于扭矩的输出。这种非接触测扭矩的方法可用于大型旋转轴。
8.2振动测试
由力学分析表明（图8-2a），当圆环上A点受到径向力 作用时，圆环上各处将产生不同的应变。在与力作用线成 Fy 39.6°处应变为零。构件上应变为零的点称为应变节点。在 水平中心线上应变最大，如在此处贴上应变片 ，则 和
将产生拉应变， 和 产生压应变。将它们以R适1 ~当R4 的方式R1 接R3入应变电桥即可R测2 量R出4 径向力 。
对于线性系统，产品受到振动的响应大小可用传递率表示。传 递率定义为产品振动的振幅与支座振动的振幅之比（输入与
x Asin(t )
—A 振动位移的最大值，称为振幅； — 振动角频率，rad/s； — 初相位
在研究物体的振动时，通常将其简化为图8-8所示的质量、弹 性、阻尼的单自由度系统振动力学模型。
m
m
x(t)
K
C
xs(t)
图8-8质量块振动模 型
Fk Fc
根据物理学知识可知，弹性力与位移成正比，阻尼力与速度成 正比，即
上受到拉伸（或压缩）作用而产生的应力状态，这时只需要 沿两个互相垂直的主应力方向各贴一片应变片，另外再采取 温度补偿措施，就可以直接测出主应变和。其贴片和接桥方 法如图8-1所示。
图8-1 用半桥单点测量桥测量主应变
可按下式计算出主应力：
1

1
E
2
( 1


2
)
2

E 1
2
( 2
Fk k ( x xs ) Fc c(x xs )
由牛顿定律列出系统振动微分方程
或
微分方程的稳态解为 x Bsin(t )
式中
Ba
k 2 c2 2 (k m)2 c2 2
a
1 (2 )2 (1 2 )2 (2 )2
arctan122
1、 应变、应力的测量
（1）应变的测量电路
应变的测量电路大多采用电桥，应变电桥一般采用等电阻臂，
对于等臂电桥，当各桥臂应变片的灵敏度
输出电压为
uy

u0 4
Sg (1
2
3
4)
相同S g时，电桥的
当电桥处于单臂、双臂、四臂等工作方式时，其输出电压如表
8-1所示。
表8-1 应变电桥工作方式和输出电压