测试技术扭矩的测量
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a）三向电极排列方式图 b）三向测力传感元件结构图
三、测力传感器的标定 测力传感器的标定分静态标定和动态标定两个方面：
第九章 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
E
E—被测件材料的弹性模量
（2）平面应力状态 1）已知主应力方向 用半桥单点测量薄壁压力容器的主应变
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2
E
(1
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)
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E
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1 )
a）应变片的粘贴位置 b）相应的接桥电路
2）主应力方向未知 一般采用贴应变花的办法进行测试。对于平面应力状态，如 能测出某点三个方向的应变、和，就可以计算出该点主应力 的大小和方向。应变花是由三个或多个按一定角度关系排列 的应变片组成，用它可测试某点三个方向的应变，然后按有 关实验应力分析资料中查得的主应力计算公式求出其大小及 方向。目前市场上已有多种复杂图案的应变花供应，可根据 测试要求选购，例如直角形应变花和三角形应变花。
2．应变测量装置
应变测量装置也称电阻应变仪。一般采用调幅放大电路，它由 电桥、前置放大器、功率放大器、相敏检波器、低通滤波器、 振荡器、稳压电源组成。电阻应变仪将应变片的电阻变化转换 为电压（或电流）的变化，然后通过放大器将此微弱的电压 （或电流）信号进行放大，以便指示和记录。
静态电阻应变仪：用于静态载荷作用下的应变测量，以及变化 十分缓慢或变化后能很快稳定下来的应变测量。
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
4．应变片的布置与接桥方法
布片和接桥的原则：
1）在分析试件受力的基础上选择主应力最大点为贴片位置。
2）充分合理地应用电桥和差特性，只使需要测的应变影响电 桥的输出，且有足够的灵敏度和线性度。
3）使试件贴片位置的应变与外载荷成线性关系。
下表列举了在轴向拉伸（或压缩）载荷下应变测试的应变片的 布置和接桥方法。从表中可以看出，应变片不同的布置和接桥 方法对灵敏度、温度补偿情况和消除弯矩影响是不同的。一般 应优先选用输出信号大、能实现温度补偿、贴片方便和便于分 析的方案。
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
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S (1
2
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4 )ue
（电桥和差特性）
半桥单臂 半桥双臂 全桥
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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）结构示意图 b）无外力作用时 c）有外力作用时
压磁式力传感器结构 1—压磁元件 2—基座 3—弹性梁 4—钢球
4．压电式力传感器 压电式力传感器结构
1—承力头 2—压电晶体片 3—导销 4—预紧螺栓 5—基座
二、空间力系测量装置 一般空间力系包括三个互相垂直的分力和三个互相垂直的力 矩分量。对未知作用方向的作用力，如需完全测定它，也需 按空间力系来处理。
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。
物体受到力的作用时，产生相应的加速度。由牛顿第二定律 可知：当物体质量确定后，该物体所受的力和所产生的加速 度，二者之间具有确定的对应关系。只需测出物体的加速度， 就可间接测得力值。
机械工程中，大部分测力方法都是基于物体受力变形效应。
一、几种常用力传感器的介绍 1．弹性变形式的力传感器 （1）圆柱式电阻应变式力传感器
a）柱式力传感器结构图 b）接桥电路
（2）梁式拉压力传感器 a）梁式力传感器 b）接桥电路
2．差动变压器式力传感器
1—弹性圆筒 2—铁心 3—差动变压器绕组
3．压磁式力传感器 压磁元件及其工作原理
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：
三、测力传感器的标定 测力传感器的标定分静态标定和动态标定两个方面：
第九章 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
E
E—被测件材料的弹性模量
（2）平面应力状态 1）已知主应力方向 用半桥单点测量薄壁压力容器的主应变
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a）应变片的粘贴位置 b）相应的接桥电路
2）主应力方向未知 一般采用贴应变花的办法进行测试。对于平面应力状态，如 能测出某点三个方向的应变、和，就可以计算出该点主应力 的大小和方向。应变花是由三个或多个按一定角度关系排列 的应变片组成，用它可测试某点三个方向的应变，然后按有 关实验应力分析资料中查得的主应力计算公式求出其大小及 方向。目前市场上已有多种复杂图案的应变花供应，可根据 测试要求选购，例如直角形应变花和三角形应变花。
2．应变测量装置
应变测量装置也称电阻应变仪。一般采用调幅放大电路，它由 电桥、前置放大器、功率放大器、相敏检波器、低通滤波器、 振荡器、稳压电源组成。电阻应变仪将应变片的电阻变化转换 为电压（或电流）的变化，然后通过放大器将此微弱的电压 （或电流）信号进行放大，以便指示和记录。
静态电阻应变仪：用于静态载荷作用下的应变测量，以及变化 十分缓慢或变化后能很快稳定下来的应变测量。
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
4．应变片的布置与接桥方法
布片和接桥的原则：
1）在分析试件受力的基础上选择主应力最大点为贴片位置。
2）充分合理地应用电桥和差特性，只使需要测的应变影响电 桥的输出，且有足够的灵敏度和线性度。
3）使试件贴片位置的应变与外载荷成线性关系。
下表列举了在轴向拉伸（或压缩）载荷下应变测试的应变片的 布置和接桥方法。从表中可以看出，应变片不同的布置和接桥 方法对灵敏度、温度补偿情况和消除弯矩影响是不同的。一般 应优先选用输出信号大、能实现温度补偿、贴片方便和便于分 析的方案。
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R2
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当各桥臂应变片的灵敏度相同时，则上式可改写为
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（电桥和差特性）
半桥单臂 半桥双臂 全桥
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（R1产生+ΔR） （R1产生+ΔR 、R2产生-ΔR） （R1、R3产生+ΔR 、R2、R4产生-ΔR）
a）结构示意图 b）无外力作用时 c）有外力作用时
压磁式力传感器结构 1—压磁元件 2—基座 3—弹性梁 4—钢球
4．压电式力传感器 压电式力传感器结构
1—承力头 2—压电晶体片 3—导销 4—预紧螺栓 5—基座
二、空间力系测量装置 一般空间力系包括三个互相垂直的分力和三个互相垂直的力 矩分量。对未知作用方向的作用力，如需完全测定它，也需 按空间力系来处理。
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。
物体受到力的作用时，产生相应的加速度。由牛顿第二定律 可知：当物体质量确定后，该物体所受的力和所产生的加速 度，二者之间具有确定的对应关系。只需测出物体的加速度， 就可间接测得力值。
机械工程中，大部分测力方法都是基于物体受力变形效应。
一、几种常用力传感器的介绍 1．弹性变形式的力传感器 （1）圆柱式电阻应变式力传感器
a）柱式力传感器结构图 b）接桥电路
（2）梁式拉压力传感器 a）梁式力传感器 b）接桥电路
2．差动变压器式力传感器
1—弹性圆筒 2—铁心 3—差动变压器绕组
3．压磁式力传感器 压磁元件及其工作原理
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：