机械工程测试技术第六章 力、扭矩、压力的测量.ppt

测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量6.1 力的测量力的测量 6.2 扭矩的测量扭矩的测量6.3 压力的测量压力的测量 测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量6.1力的测量力的测量测量方法可归纳为利用测量方法可归纳为利用力的静力效应力的静力效应和和动力效应动力效应两种。两种。静静力力效效应应测测力力力力的的静静力力效效应应使使物物体体产产生生变变形形，通通过过测测定定物物体体的的变变形形量量或或用用与与内内部部应应力力相相对对应应参参量量的的物物理理效效应应来来确确定定力力值值。如如可可用用差差动动变变压压器器、激激光光干干涉涉等等方方法法测测定定弹弹性性体体变变形形达达到到测测力力的的目目的；也可利用与力有关的物理效应如的；也可利用与力有关的物理效应如压电效应压电效应、压磁效应压磁效应等。等。动动力力效效应应测测力力 力力的的动动力力效效应应使使物物体体产产生生加加速速度度，测测定定了了物物体体的的质质量量及及所所获获得得的的加加速速度度大大小小就就测测定定了了力力值值。在在重重力力场场中中地地球球的的引引力力使使物物体体产产生生重重力力加加速速度度，因因而而可可以以用用已已知知质质量量的的物物体体在在重重力力场某处的重力来体现力值。例如基准测力机等。场某处的重力来体现力值。例如基准测力机等。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量6.1.1 应力、应变的测量应力、应变的测量常用的力测量方法是用应变片和常用的力测量方法是用应变片和应变仪应变仪测量构件的表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。受力状态。应变仪采用交流电桥时，输出特性与直流电桥类似。应变仪采用交流电桥时，输出特性与直流电桥类似。应变片的应变片的布置布置和和电桥组接电桥组接(布片组桥布片组桥)应根据被测量和被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。消除温度变化和复合载荷作用的影响。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量测量拉伸测量拉伸(压缩压缩)布片组桥方式布片组桥方式 测量拉伸测量拉伸(压缩压缩)应变时要采用适当的布片组桥应变时要采用适当的布片组桥方式，以便达到：方式，以便达到：温度补偿温度补偿(测轴向拉测轴向拉(压压)时的温度补偿时的温度补偿)消除弯矩影响消除弯矩影响(用双工作片消除弯矩的影响用双工作片消除弯矩的影响)提高测量灵敏度提高测量灵敏度(用四工作片提高测量的灵敏度用四工作片提高测量的灵敏度)的目的。的目的。常用应力测量的布片和组桥方式常用应力测量的布片和组桥方式:测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量温度补偿温度补偿沿构件表面的轴线方向贴工作片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，在温度补偿板上贴补偿片Rt，组成半桥即可测得轴向应变组成半桥即可测得轴向应变e e。电。电桥的输出为桥的输出为温度补偿满足条件：补偿板和试温度补偿满足条件：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，全相同，放在完全相同温度场中，接在相临桥臂。接在相临桥臂。图中沿轴向贴一片应变片图中沿轴向贴一片应变片,沿横向贴另一片沿横向贴另一片,为工作片补偿法。为工作片补偿法。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量在拉在拉(压压)应变测量中消除弯矩的影响应变测量中消除弯矩的影响 用用对称双工作片对称双工作片测轴向测轴向拉拉(压压)应变。工作片在上、应变。工作片在上、下表面对称粘贴，由加减下表面对称粘贴，由加减特性可知，这样可消除因特性可知，这样可消除因加载偏心而造成的附加弯加载偏心而造成的附加弯矩。其中全桥接法的输出矩。其中全桥接法的输出是半桥接法的二倍。是半桥接法的二倍。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量用多工作片提高应变测量的灵敏度用多工作片提高应变测量的灵敏度左图左图(用四工作片测拉用四工作片测拉(压压)应变应变)中，布片时省中，布片时省去了温度补偿板。这种去了温度补偿板。这种方法可得到最大输出应方法可得到最大输出应变值，即变值，即也可以消除因加载偏心也可以消除因加载偏心而造成的附加弯矩。而造成的附加弯矩。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量弯矩测量弯矩测量当试件受到弯矩作用时，其上、下表面会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，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、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。压力产生的应变成分。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量6.1.2 电阻应变式测力装置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，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。常用的弹性元件有性元件传到应变片。常用的弹性元件有柱式柱式、梁式梁式、环式环式、轮辐轮辐等多种形式。等多种形式。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量柱式弹性元件柱式弹性元件通过通过柱式弹性元件柱式弹性元件表面的拉表面的拉(压压)变形测力。应变片的粘贴和电变形测力。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。贴在应力均匀的圆柱表面中部。柱式力传感器可以测量柱式力传感器可以测量0.13000吨的载荷，常用于大型轧钢设备吨的载荷，常用于大型轧钢设备的轧制力测量。的轧制力测量。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量梁式弹性元件梁式弹性元件类型有类型有等截面梁等截面梁、等强度梁等强度梁和和双端固定梁双端固定梁等，通过梁的等，通过梁的弯曲变形测力，结构简单，灵敏度较高。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等等截截面面梁梁式式弹弹性性元元件件为为一一端端固固定定的的悬悬臂臂梁梁，当当力力作作用用在在自自由由端端时时，刚刚性性端端截截面面的的应应力力最最大大，而而自自由由端端挠挠度度最最大大，在在距距受受力力点点为为l0的的上上下下表表面面，沿沿l向向贴贴电电阻阻应应变变片片R1，R2和和R3，R4。粘粘贴贴应应变片处的应变为变片处的应变为测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量等强度梁等强度梁(等等强强度度梁梁式式力力传传感感器器)，梁梁厚厚为为h，梁梁长长为为l，固固定定端端宽宽为为b0，自自由由端端宽宽为为b。梁梁的的截截面面成成等等腰腰三三角角形形，集集中中力力F作作用用在在三三角角形形顶顶点点。梁梁内内各各横横截截面面产产生生的的应应力力是是相相等等的的，表表面面上上任任意意位位置置的的应应变变也也相相等等，因因此此称称为为等强度梁，其应变为等强度梁，其应变为用用梁梁式式弹弹性性元元件件制制作作的的力力传传感感器器适适于于测测量量5,000N以以下下的的载载荷荷，最最小小可可测测几几克克重重的的力力。这这种种传传感感器器结结构构简简单单，加加工工容容易易，灵灵敏敏度度高高，常常用用于小压力测量中。于小压力测量中。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量双端固定梁双端固定梁双端固定梁的二端都固定，中间加载荷双端固定梁的二端都固定，中间加载荷F，梁宽，梁宽为为b，梁厚为，梁厚为h，梁长为，梁长为l，应变片粘贴在中间位置，应变片粘贴在中间位置，则梁的应变为则梁的应变为这种梁的结构在相同力这种梁的结构在相同力F的作用下产生的挠度比的作用下产生的挠度比悬臂梁小。悬臂梁小。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量环式弹性元件环式弹性元件 分为分为圆环式和八角环式圆环式和八角环式。它也是通过元件的弯曲变。它也是通过元件的弯曲变形测力，结构较紧凑。实际应用如形测力，结构较紧凑。实际应用如切削测力仪切削测力仪。圆环式圆环式在圆环上施加径向力在圆环上施加径向力Fy时，圆环各处的应变不同，时，圆环各处的应变不同，与作用力成与作用力成39.6处处(图中图中B点点)应变等于零。在水平应变等于零。在水平中心线上则有最大的应变中心线上则有最大的应变R为圆环外径，为圆环外径，h为圆环壁厚，为圆环壁厚，b为圆环宽度为圆环宽度 测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量圆环式圆环式 将应变片贴在将应变片贴在1、2、3和和4处，处，1、3处受拉；处受拉；2、4处受压。处受压。如果圆环一侧固定，另一侧如果圆环一侧固定，另一侧受切向力受切向力Fx时，与受力点成时，与受力点成90处处(A点点)应变等于零。将应变等于零。将应变片贴在与垂直中心线成应变片贴在与垂直中心线成39.6的的5、6、7、8处，则处，则5、7处受拉，处受拉，6、8处受压。这样，当圆环上同时作用着处受压。这样，当圆环上同时作用着Fx和和Fy时，时，将将14处和处和58处的应变片分别组成电桥，就可以互不干扰地测处的应变片分别组成电桥，就可以互不干扰地测力力Fx和和Fy。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量八角环式八角环式 圆环方式不易加紧固圆环方式不易加紧固定定,实际上常用八角环实际上常用八角环代替代替,如图所示。八角如图所示。八角环厚度为环厚度为h,平均半径平均半径为为r。当当h/r较小时较小时,零零应变点在应变点在39.6附近。附近。当当h/r=0.4时，零应变点在时，零应变点在45处，故一般八角环测力处，故一般八角环测力Fx时，应变片贴在时，应变片贴在45处。处。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量切削测力仪切削测力仪当测力仪受进给抗力当测力仪受进给抗力Fx作用，则应变片作用，则应变片R5、R7受拉应力，受拉应力，R6、R8受压应力。受压应力。当圆环同时受当圆环同时受Fy、Fx作用时，把应变片作用时，把应变片R1R4，R5R8组成如图所示的电桥，组成如图所示的电桥，就可互不干扰地分别测得就可互不干扰地分别测得Fy和和Fx。当测力仪受主切削力。当测力仪受主切削力Fz的作用时，其八角的作用时，其八角环既受到垂直向下的力，又受到由于环既受到垂直向下的力，又受到由于Fz引起的弯矩引起的弯矩Mz的作用。力的作用。力Fz与各应变与各应变片轴向垂直不起作用，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将应变片组成如图所示电桥就可测出Fz。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量6.1.3 其它测力传感器其它测力传感器电容式力传感器电容式力传感器在矩形的特殊弹性元件上，在矩形的特殊弹性元件上，加工若干个贯通的圆孔，加工若干个贯通的圆孔，每个圆孔内固定两个端面每个圆孔内固定两个端面平行的丁字形电极，每个平行的丁字形电极，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。在力测量电路。在力F作用下，弹性元件变形使极板间矩发作用下，弹性元件变形使极板间矩发生变化，从而改变电容量。生变化，从而改变电容量。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量压电式力传感器压电式力传感器 前面章节介绍过前面章节介绍过压电式传感器的原理压电式传感器的原理和和压压电式振动加速度传感器电式振动加速度传感器，测力传感器的结构，测力传感器的结构类似。其特点是体积小，动态响应快，但是类似。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。用中应防止承受横向力和施加予紧力。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量某某些些铁铁磁磁材材料料受受到到外外力力作作用用时时，引引起起导导磁磁率率变变化化现现象象，称称作作压压磁磁效效应应，其其逆逆效效应应称称作作磁磁致致伸伸缩缩效效应应。硅硅钢钢受受压压缩缩时时其其导导磁磁率率沿沿应应力力方方向向下下降降，而而沿沿应应力力的的垂垂向向增增加加；在在受受拉拉伸伸时时，导导磁率变化正好相反。磁率变化正好相反。压磁式测力装置压磁式测力装置测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量在硅钢叠片上开在硅钢叠片上开4个对称的通孔，孔中个对称的通孔，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力线分布发生变化，部份磁力线和测量绕组交链，并在绕组中产生感应电势，且作组交链，并在绕组中产生感应电势，且作用力愈大，感应电势愈大。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。大，无需放大处理。常用于大型轧钢机的轧制力测量。压磁式测力装置压磁式测力装置测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量差动变压器式测力传感器差动变压器式测力传感器差动变压器式力传感器的弹性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，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位移，变压器次极产生相应电信号。号。其特点是工作温度范围较宽其特点是工作温度范围较宽,为为了减小横向力或偏心力的影响，了减小横向力或偏心力的影响，传感器的高径比应较小。传感器的高径比应较小。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量6.2 扭矩的测量扭矩的测量以以 测量转轴应变测量转轴应变测量转轴两横截面相对扭转角测量转轴两横截面相对扭转角的方法最常用的方法最常用 测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量6.2.1 应变式扭矩测量应变式扭矩测量当受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力当受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力t tmax。轴。轴表面为纯剪应力状态，与轴线成表面为纯剪应力状态，与轴线成45的方向上有最大的方向上有最大正应力正应力s s1和和s s2，其值为，其值为 s s1 =s s2 =t tmax。相应的变形。相应的变形为为e e1和和e e2，当测得应变后，便可算出，当测得应变后，便可算出t tmax。测量时应。测量时应变片沿与轴线成变片沿与轴线成45的方向粘贴。的方向粘贴。若测得沿若测得沿45方向的应变方向的应变e e1，则相应的剪应变为，则相应的剪应变为测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量6.2.1 应变式扭矩测量应变式扭矩测量于是，轴的扭矩为于是，轴的扭矩为对于实心圆轴对于实心圆轴 Wn=p p D3/16测扭时，电阻应变计须沿主应变测扭时，电阻应变计须沿主应变e e1及及e e2的方的方向向(与轴线成与轴线成45及及135夹角夹角)。应变计的布置应变计的布置及组桥方式及组桥方式应考虑灵敏度、温度补偿及抵消应考虑灵敏度、温度补偿及抵消拉、压及弯曲等非测量因素干扰的要求。拉、压及弯曲等非测量因素干扰的要求。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量测量扭矩时应变片的布置和组桥方式测量扭矩时应变片的布置和组桥方式(a)双片集中轴向对称双片集中轴向对称(横八字横八字)布置，应变片布置，应变片R1及及R2互相垂直，互相垂直，组成半桥的相邻两臂。贴片及引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曲影响，可用于轴体不受弯曲的场合。场合。(b)双集中径向对称双集中径向对称(竖八字竖八字)布布置，与置，与(a)之不同之处仅在于之不同之处仅在于R1及及R2处于同一截面周边的邻近两个处于同一截面周边的邻近两个点上，其适用条件同点上，其适用条件同(a)。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量测量扭矩时应变片的布置和组桥方式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置，互相垂直的两个应变片的中心共线，四片可组成半桥或全桥。心共线，四片可组成半桥或全桥。组成全桥时，输出灵敏度为组成全桥时，输出灵敏度为(a)的的二倍。无论组成半桥或全桥皆可二倍。无论组成半桥或全桥皆可抵消拉抵消拉(压压)及弯曲的影响。及弯曲的影响。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量测量扭矩时应变片的布置和组桥方式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四片径端对称的双竖八字布置，可视为置，可视为(b)的复合。应变片分的复合。应变片分别处于同一截面同一直径两个端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。图中四个敏感栅的中心共线。(e)四片均布的双竖八字布置，四片均布的双竖八字布置，与与(d)的区别仅在于四片圆周均布。的区别仅在于四片圆周均布。(d)与与(e)可组成全桥或半桥方式，可组成全桥或半桥方式，其灵敏度及抵抗非测力因素的性其灵敏度及抵抗非测力因素的性能同能同(c)。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量6.2.2 扭矩测量信号的传输扭矩测量信号的传输扭矩测量的集电装置扭矩测量的集电装置旋转件应变测量，要解决信号传送问题。旋转件应变测量，要解决信号传送问题。除采用遥测方式以外，需要有集电装置。除采用遥测方式以外，需要有集电装置。无线传输方式无线传输方式 电波收发方式电波收发方式和和光电脉冲传输光电脉冲传输。电波收发电波收发方式方式测量系统要求可靠的发射、接收和遥测量系统要求可靠的发射、接收和遥测装置，信号易受到干扰测装置，信号易受到干扰(数字化后传输可数字化后传输可解决解决)；光电脉冲测量光电脉冲测量抗干扰能力较强，测抗干扰能力较强，测试数据数字化后以光信号的从转动的测量试数据数字化后以光信号的从转动的测量盘传送到固定的接收器，解码器后还原为盘传送到固定的接收器，解码器后还原为所需的信号。所需的信号。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量 6.2.3其它扭矩测量方法其它扭矩测量方法压磁式扭矩传感器压磁式扭矩传感器磁电感应式扭矩传感器磁电感应式扭矩传感器光电式扭矩传感器光电式扭矩传感器测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量压磁式扭矩传感器压磁式扭矩传感器 铁磁材料的转轴受扭矩作铁磁材料的转轴受扭矩作 用时，导磁率发生变化。压用时，导磁率发生变化。压 磁式扭矩传感器中铁芯的开磁式扭矩传感器中铁芯的开 口端与转轴表面保持口端与转轴表面保持1-2mm 空隙，当空隙，当A-A线圈通入交流线圈通入交流 电，形成过转轴的交变磁场。电，形成过转轴的交变磁场。当转轴不受扭矩时，磁力当转轴不受扭矩时，磁力 线和线和B-B线圈不交链；转轴线圈不交链；转轴 受扭矩作用时，转轴材料导磁率变化，沿正应力方向磁阻减小，受扭矩作用时，转轴材料导磁率变化，沿正应力方向磁阻减小，沿负应力方向磁阻增大，从而使磁力线分布改变，使部分磁力线沿负应力方向磁阻增大，从而使磁力线分布改变，使部分磁力线与与B-B线圈交链，在线圈交链，在B-B线圈产生感应电势。线圈产生感应电势。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量磁电感应式扭矩传感器磁电感应式扭矩传感器 磁电感应式扭矩传感器中，磁电感应式扭矩传感器中，在转轴上固定两个齿轮在转轴上固定两个齿轮1和和2，它们的材质、尺寸、齿形和它们的材质、尺寸、齿形和 齿数均相同。永久磁铁和线齿数均相同。永久磁铁和线 圈组成的磁电式检测头圈组成的磁电式检测头3和和4 对着齿顶安装。当转轴不受对着齿顶安装。当转轴不受 扭矩时，两线圈输出信号相扭矩时，两线圈输出信号相 同，相位差为零。转轴承受同，相位差为零。转轴承受 扭矩后，相位差不为零，且随两齿轮所在横截面之间相对扭转角扭矩后，相位差不为零，且随两齿轮所在横截面之间相对扭转角的增加而加大，其大小与相对扭转角、扭矩成正比。的增加而加大，其大小与相对扭转角、扭矩成正比。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量光电式扭矩传感器光电式扭矩传感器 光电式扭矩传感器在转轴光电式扭矩传感器在转轴4上上 固定两只圆盘光栅固定两只圆盘光栅3，在不承受，在不承受 扭矩时，两光栅的明暗区正好扭矩时，两光栅的明暗区正好 互相遮挡，光源互相遮挡，光源1的光线没有透的光线没有透 过光栅照射到光敏元件过光栅照射到光敏元件2，无输，无输 出信号。当转轴受扭矩后，转出信号。当转轴受扭矩后，转 轴变形将使两光栅出现相对转轴变形将使两光栅出现相对转 角角，部份光线透过光栅照射到，部份光线透过光栅照射到 光敏元件上产生输出信号。扭光敏元件上产生输出信号。扭 矩愈大，扭转角愈大，穿过光栅的光通量愈大，输出信号愈大，矩愈大，扭转角愈大，穿过光栅的光通量愈大，输出信号愈大，从而可实现扭矩测量。从而可实现扭矩测量。通过两光栅之间相对扭转角来测量扭矩。通过两光栅之间相对扭转角来测量扭矩。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量6.3 压力的测量压力的测量6.3.1 压力测量的弹性元件压力测量的弹性元件压力测量弹性元件通常有压力测量弹性元件通常有波登管波登管、膜片膜片、波纹管波纹管等。在流体压力作用下，弹性元件产等。在流体压力作用下，弹性元件产生应变，其应变可以由应变片或微位移传感生应变，其应变可以由应变片或微位移传感器及相应测量电路转换成电信号输出，有时器及相应测量电路转换成电信号输出，有时也可通过杠杆或齿轮副把应变转化成指针偏也可通过杠杆或齿轮副把应变转化成指针偏转角来表示被测压力的大小。转角来表示被测压力的大小。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量弹性元件的结构形式及输出特性弹性元件的结构形式及输出特性测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量波登管波登管波登管，是横截面为空心椭圆形或扁圆形的金属管。当管的波登管，是横截面为空心椭圆形或扁圆形的金属管。当管的固定端通入有一定压力的流体时，管内外的压力差固定端通入有一定压力的流体时，管内外的压力差(管外一般为管外一般为大气压力大气压力)迫使管截面趋于圆形，这种变形导致波登管封闭的自迫使管截面趋于圆形，这种变形导致波登管封闭的自由端产生线位移或角位移。由端产生线位移或角位移。a C型波登管型波登管b 螺旋型波登管螺旋型波登管c 扭转型波登管扭转型波登管测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量6.3.2 压力测量装置压力测量装置应变式压力传感器应变式压力传感器膜片应变式压力传感器的主要元件是采用扩散工艺膜片应变式压力传感器的主要元件是采用扩散工艺制成的含有半导体应变片的特殊膜片，利用压阻效应工制成的含有半导体应变片的特殊膜片，利用压阻效应工作。常用作局部区域（如油路、气路中的某部位）的压作。常用作局部区域（如油路、气路中的某部位）的压力测量。膜片灵敏度高、体积小、动态响应快。膜片直力测量。膜片灵敏度高、体积小、动态响应快。膜片直径甚至可以小到零点几毫米，频率特性可以达到几十千径甚至可以小到零点几毫米，频率特性可以达到几十千赫。但温度对膜片性能影响较大，流体温度变化会改变赫。但温度对膜片性能影响较大，流体温度变化会改变膜片的弹性模量及泊桑比，引起附加应变和应力，改变膜片的弹性模量及泊桑比，引起附加应变和应力，改变工作状态和灵敏度。工作状态和灵敏度。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量压电式压力传感器压电式压力传感器压电式压力传感器是利用压电晶体压电式压力传感器是利用压电晶体(如石英、云母等如石英、云母等)的的压电效应而制成的。压电式压力传感器对温度变化较为敏感，压电效应而制成的。压电式压力传感器对温度变化较为敏感，因此必须采取补偿措施防止温度的影响。因此必须采取补偿措施防止温度的影响。目前常用的办法有两种：一种是用水冷的办法；另一种目前常用的办法有两种：一种是用水冷的办法；另一种是在晶片的前面安装一块用线膨胀系数大的如纯铝等金属制是在晶片的前面安装一块用线膨胀系数大的如纯铝等金属制成的薄片，当温度变化时补偿片的线膨胀可以弥补晶体与金成的薄片，当温度变化时补偿片的线膨胀可以弥补晶体与金属线膨胀之间的差值，以保证预紧力的稳定。两种办法常同属线膨胀之间的差值，以保证预紧力的稳定。两种办法常同时使用。压电式压力传感器具有灵敏度高、线性好、刚度大、时使用。压电式压力传感器具有灵敏度高、线性好、刚度大、频率范围宽、稳定性好等特点。频率范围宽、稳定性好等特点。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量电阻应变仪按所测应变信号频率范围不同分为：1)静态电阻应变仪静态电阻应变仪 用以测量静态载荷下的应变，以及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；变化十分缓慢或变化后能很快稳定下来的应变；2)静动态电阻应变仪静动态电阻应变仪 工作频率为工作频率为0-200Hz，用以测量，用以测量静态应变或频率在静态应变或频率在200Hz以下的低频动态应变；以下的低频动态应变；3)动态电阻应变仪动态电阻应变仪 工作频率为工作频率为0-2000Hz，用以测量，用以测量2000Hz以下的动态应变。通常具有以下的动态应变。通常具有4-8个通道，可以对个通道，可以对多个应变信号同时测量；多个应变信号同时测量；4)超动态电阻应变仪超动态电阻应变仪 工作频率为工作频率为0-20000Hz，用以测，用以测量爆炸冲击等瞬态变化过程下的超动态应变。量爆炸冲击等瞬态变化过程下的超动态应变。测试技术基础测试技术基础第六章第六章 力、扭矩、压力的测量力、扭矩、压力的测量例1:有一扭矩标定小轴，材料的有一扭矩标定小轴，材料的E=1.96105Mpa,，m m=0.25直直径径D=30mm，加载力臂，加载力臂l=1000mm，若用静态应变仪全桥接线，若用静态应变仪全桥接线测量其应力，问当加载测量其应力，问当加载49N时，应变仪读数应为多少时，应变仪读数应为多少me me?解：（解：（1）写出）写出扭矩与剪应力的关系式扭矩与剪应力的关系式。（2）写出剪应力与应变的关系。）写出剪应力与应变的关系。3）掌握应变仪应力测量原理，写出）掌握应变仪应力测量原理，写出全等臂电桥全等臂电桥仪器输出与输入关系仪器输出与输入关系表达式。表达式。