力、扭矩、压力的测量

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6.1 应力应变的测量
应变片的选择：
1、试件测试要求：精度、应变均匀性等
2、试件工况：高温、高湿 3、应变片的粘贴：录像
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6.1力的测量
•测量方Fra Baidu bibliotek可归纳为利用力的静力效应和动力效应两种。 •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。如 可用 差动变压器 、激光干涉 等方法测定弹性体变形达到测力的目 的；也可利用与力有关的物理效应如压电效应、压磁效应等。
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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。
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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。
吨的载荷，常用于大型轧钢设备 的轧制力测量。
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梁式弹性元件
• 类型有等截面梁、等强度梁和双端固定梁等，通过梁的
弯曲变形测力，结构简单，灵敏度较高。
等截面梁式弹性元件
等截面梁式弹性元件为一端固定的悬 臂梁，当力作用在自由端时，刚性端 截面的应力最大，而自由端挠度最大， 在距受力点为 l0 的上下表面，沿 l 向贴
•应变片的布置和电桥组接(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。
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测量拉伸(压缩)布片组桥方式
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(测轴向拉(压)时的温度补偿)
• 消除弯矩影响(用双工作片消除弯矩的影响)
e
E

b0 h2 E
用梁式弹性元件制作的力传感器 适于测量 5,000N 以下的载荷，最小 可测几克重的力。这种传感器结构 简单，加工容易，灵敏度高，常用 于小压力测量中。
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双端固定梁
双端固定梁的二端都固定，中间加载荷F，梁宽 为b，梁厚为h，梁长为l，应变片粘贴在中间位置，
则梁的应变为
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，在轴体表面展开 图中四个敏感栅的中心共线。 (e) 四片均布的双竖八字布置， (d)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
与(d)的区别仅在于四片圆周均布。
能同(c)。
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6.2.2 扭矩测量信号的传输
•动力效应测力
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。在重力场中地球 的引力使物体产生重力加速度，因而可以用已知质量的物体在重 力场某处的重力来体现力值。例如基准测力机等。
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6.1.2 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，
电阻应变片 R1 ， R2 和 R3 ， R4 。粘贴应
变片处的应变为
6Fl 0 e 2 E bh E

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等强度梁
( 等强度梁式力传感器 ) ，梁厚为 h ， 梁长为 l ，固定端宽为 b0 ，自由端宽 为b。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，表面上任 意位置的应变也相等，因此称为等 强度梁，其应变为 6Fl
•
•
充分利用电桥和差特性进行补偿，并保证灵敏度和线性度
是贴片位置应变与外载荷成线性关系
详细讲解表9-2
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6.1 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。 •应变仪采用交流电桥时，输出特性与直流电桥(直流电桥 的输出特性)类似。
e
3F [ R ( h / 2)] 2 1 2 bh E R为圆环外径，h为圆环壁厚，b为圆环宽度
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圆环式和八角环式
将应变片贴在1、2、3和4处，
1、3处受拉；2、4处受压。
如果圆环一侧固定，另一侧 受切向力Fx时，与受力点成 90°处(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，6、8处受压。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。
的方法最常用
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6.2.1 应变式扭矩测量
当受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力tmax。轴
表面为纯剪应力状态，与轴线成45°的方向上有最
大正应力1和2，其值为1 = 2 = tmax。相应的变
形为e1和e2，当测得应变后，便可算出tmax。测量时 应变片沿与轴线成45°的方向粘贴。 若测得沿45°方向的应变e1，则相应的剪应变为
3Fl e E 4bh2 E

这种梁的结构在相同力F的作用下产生的挠度比 悬臂梁小。
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环式弹性元件
分为圆环式和八角环式。它也是通过元件的弯曲变 形测力，结构较紧凑。实际应用如切削测力仪。
圆环式
在圆环上施加径向力Fy 时，圆环各处的应变不同， 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
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。
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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
Ee 1 t 1
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6.2.1 应变式扭矩测量
于是，轴的扭矩为
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。
Ee 1 T t Wn Wn 1
• 提高测量灵敏度(用四工作片提高测量的灵敏度)
的目的。
• 常用应力测量的布片和组桥方式:
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温度补偿
•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， 组成半桥即可测得轴向应变e。电 桥的输出为 R R
1 U BD U 0 ( 4
1p 1t
R1

R2 t ) R2
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6.1.3 其它测力传感器
电容式力传感器
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。
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压电式力传感器
传感器的高径比应较小。
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弯矩测量
• 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。
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6.2 扭矩的测量
以 测量转轴应变 测量转轴两横截面相对扭转角
组交链，并在绕组中产生感应电势，且作
用力愈大，感应电势愈大。 硅钢材料受力面加大后，可测量数千吨的力，且输出电势较
大，无需放大处理。常用于大型轧钢机的轧制力测量。
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差动变压器式测力传感器
差动变压器式力传感器的弹性
元件是簿壁圆筒，在外力作用下，
变形使差动变压器的铁芯介质微
位移，变压器次极产生相应电信 号。 其特点是工作温度范围较宽, 为了减小横向力或偏心力的影响，
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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 下表面对称粘贴，由加减
拉(压)应变。工作片在上、 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。
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用多工作片提高应变测量的灵敏度
•左图( 用四工作片测拉 (压)应变)中，布片时省 去了温度补偿板。这种 方法可得到最大输出应 变值，即 e仪 2 （ 1 ）e 1 •也可以消除因加载偏心 而造成的附加弯矩。
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6.1 应力应变的测量
测量应变需用电阻应变仪： 1、功能：调幅放大、解调、滤波等 2、可接由电阻、电容和电感组成的电桥 3、分类：
静态电阻应变仪（200Hz以下）
动态电阻应变仪（0-2kHz）
超动态电阻应变仪（0-20kHz）
4、应变仪的电桥特性与电桥的和差特性相似
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6.1 应力应变的测量
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第六章 应变、应力、力、扭矩、压力的测量
6.0 应力应变的测量
6.1 力的测量
6.2 扭矩的测量 6.3 压力的测量
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6.1 应力应变的测量
•应变、应力、力之间存在函数关系
•常用敏感元件为电阻应变片，测量应变，
输出电压 •通过标定可计算出应力、力与电压之间的
关系
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扭矩测量的集电装置
旋转件的应变测量，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。
无线传输方式
分为电波收发方式和光电脉冲传输方式，这两种方式取消了中 间接触环节。电波收发方式测量系统要求可靠的发射、接收和遥 测装置，且其信号容易受到干扰(数字化后传输可解决)；光电脉 冲测量抗干扰能力较强，将测试数据数字化后以光信号的形式从 转动的测量盘传送到固定的接收器上，然后经解码器后还原为所 需的信号。
•温度补偿满足条件：补偿板和试 件的材料相同；工作片、补偿片完 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 U K (e 1 e 1 ) 0 K (1 )e 1 4 4
U 0 R1 p 1 U 0 Ke p 4 R1 4
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。
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压磁式测力装置
在硅钢叠片上开4个对称的通孔，孔中
分别绕互相垂直的两个线圈，一个线圈为
励磁绕组，另一个为测量绕组。无外力作 用时，磁力线不和测量绕组交链，测量绕 组不产生感应电势。当受外力作用时，磁 力线分布发生变化，部份磁力线和测量绕
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测量扭矩时应变片的布置和组桥方式
(c) 四片径端对称的双横八字布
置，互相垂直的两个应变片的中
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)及弯曲的影响及横向 剪力。
心共线，四片可组成半桥或全桥。
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测量扭矩时应变片的布置和组桥方式
(d) 四片径端对称的双竖八字布
前面章节介绍过压电式传感器的原理和压
电式振动加速度传感器，测力传感器的结构
类似。其特点是体积小，动态响应快，但是
也存在电荷泄漏，不适宜静态力的测量。使
用中应防止承受横向力和施加予紧力。
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压磁式测力装置
某些铁磁材料受到外力作用时，
引起导磁率变化现象，称作压
磁效应，其逆效应称作磁致伸
缩效应。硅钢受压缩时其导磁
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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，但不能完全抵消横 向剪力影响。 (b) 双集中径向对称(竖八字)布 置，与(a)之不同之处仅在于R1及 R2处于同一截面周边的邻近两个 点上，其适用条件同(a)。
应变片的布置与桥接方式 基本原则： • 选择主应力最大部位贴片
•
充分利用电桥和差特性进行补偿，并保证灵
敏度和线性度
•
是贴片位置应变与外载荷成线性关系
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6.1 应力应变的测量
应变片的布置与桥接方式 基本原则： • • 选择主应力最大部位贴片，同时考虑应力状态 主应力方向不定，可采用花片（报告）