第九章-力、力矩和压力的测量

第九章力、力矩和压力的测量孙长库天津大学精密仪器与光电子工程学院第一节概述力：物质之间的相互作用，“牛顿”重力：物体在地球引力场中受到的力力矩：力和力臂的乘积，“牛顿米”压力：压强第二节力的测量要点：力的标准力的测量方法和装置称重及称重装置力值的检定与定度第二节力的测量力的标准1N=1kg·m/s质量1kg的标准是一根铂-铱合金圆棒（国际标准千克）g—在纬度45度的海平面处的值，9.80665m/s(不同纬度和海拔高度重力加速度值不同，有相应的函数关系和修正关系式）当一个特定地点的重力加速度的数值被确定后，便可精确计算出作用在标准质量的重力（重量），从而建立起一个力的标准22力的测量方法动力效应测力(DynamicEffect)：测量物体的质量及其所获得的加速度，计算测定力值。F=ma。静力效应测力(StaticEffect)：通过测量物体的变形量，或与应力相关的物理效应来测量力值。力的测量方法电阻应变式压磁式压电式力的测量装置一、电阻应变式测力仪1.测力原理力的测量装置2.测力仪弹性体的结构形式柱状变形体5kN~5MN管状变形体1MN~20MN径向受载变形体5N力的测量装置2.测力仪弹性体的结构形式双铰链弯曲杆变形体5N剪切杆式变形体外形很扁的力传感器电阻应变式测力仪lFlAEE在负荷作用下，弹性体的应变是：///RRRRkll电阻应变片的灵敏度系数为：31132424RRFkkRRAERRFkkRRAEμ为弹性体材料的泊松比1324FAEFAE电阻应变式测力仪312401234123412(1)()RRRRFkRRRRAE测力电桥电桥电路的输出电压：031241234001()4(1)42iiURRRRURRRRUkkFUAE传感器的电压灵敏度，通常取0.5~2.5mV/V力的测量装置应变式测力仪一般采用电桥电路。电桥电路的输出信号小，精度要求高，因而测量电路要求具有高的增益、高的输入阻抗。传感器测量电路的集成模块称作信号调理器，一般包括缓冲、放大、滤波、电压－频率转换等为提高测力传感器的精度，必须在电桥电路中采取相应的补偿措施，消除误差的影响。包括初始不平衡补偿、零点漂移补偿、灵敏度补偿、非线性补偿、传感器灵敏度调整等。3.测力仪电路力的测量装置二、压磁式测力仪(PiezomagneticDynamometer)原理：压磁效应，又称磁弹性效应210/NFNkUUi压磁式测力原理力的测量装置三、压电式测力仪(PiezoelectricDynamometer)FdQijdij压电常数力的测量装置其他测量方法：电感式测力传感器电容式测力传感器振弦式测力传感器称重及称重装置一、称重的概念和意义重量(Weight)：有些场合用于指重力(Weight)，而另一些场合又用于指物体的质量(Mass)，二者的物理概念不同，但在工程测量中属于同一个技术范畴。称重的衡器用准确度级别来表征特性，而对非线性、滞后等单项指标不进行控制。称重按工作条件分为静态称重和动态称重。称重及称重装置二、电子秤(ElectronicWeighingScale)的组成、分类组成：机械传递、称重传感器、测量电路和显示仪表分类：电子皮带秤(ElectronicBeltWeighingScale)、容器秤(ContainerWeighingScale)、吊车秤(CraneWeighingScale)、平台秤(PlatformWeighingScale)、电子轨道衡(ElectronicRailroadTrackScale)称重及称重装置三、称重传感器(WeighingSensors)应变式(StrainSensor)压磁式(PiezomagneticSensor)电容式(CapacitanceSensor)称重传感器—应变式商用计价秤小型台秤轨道衡平台秤称重传感器—压磁式称重传感器—电容式称重传感器实例悬臂梁结构的称重传感器轮辐式测力/称重传感器称重及称重装置四、电子皮带秤(ElectronicBeltWeighingScale)1.称重原理000/TTTWwtdtqtvtdtGtvtLdt电子皮带秤1()()GiGtUtkU0012()()1()()TTGvGviUtUtWdtUtUtdtLkUkk2()()vvtUtkk1，k2是传感器的灵敏度系数iUkLkk21常数变换4.皮带秤)()()(21tvktGktUGWkLkkdttvtGkkdttUUTTGo210210)()()(dttvLtGWT][0电子皮带秤2.误差分析称重传感器误差：制造误差、环境误差、秤体安装误差、应变片、弹性体补偿漂移等测速传感器误差：测速误差、皮带打滑误差等机械结构误差：有效称量段L误差、称量托辊误差测量电路误差：零漂、温漂等第三节力矩的测量力矩(ForceMoment):力和力臂的乘积。转矩(Torque):力矩可以使机械零部件转动，也称为转矩。扭矩(Torque):在转矩的作用下，机械零部件将会产生一定的扭曲变形，故又称为扭转矩，简称扭矩。力矩的法定计量单位:“牛顿米”，一般用“Nm”表示。第三节转矩的测量工程中转矩的测量常与功率、转速的测量联系在一起。动力机械：电动机、内燃机、发电机、泵工程机械：搅拌机、变速器、钻探机加工机械：加工中心、自动机床旋转轴的扭矩、转速和功率的测量，是进行旋转件功率控制的重要基础。转矩的测量方法传递法：利用转矩使弹性轴产生扭转变形力平衡法：利用平衡转矩M0与被测转矩平衡能量转换法：根据能量守衡定律利用转矩使弹性轴产生扭转变形的方法，即根据弹性元件在传递扭矩时所产生物理参数的变化（变形、应力或应变）来测量其转矩。转矩的测量方法－传递法)/(PGIMllGIMp/32/4dIPlGdM32/4按变形：16/3dM按应力：8/8/1353453GdGdM按应变：转矩的测量方法－力平衡法利用平衡转矩M0去平衡被测转矩M，从而求得M的方法。MMLWLW012转矩的测量方法－能量转换法这是按能量守恒定律来测量力矩的仪器，它是通过测量其它与转矩有关的能量系数（如电能系数）来确定被测力矩大小的。损耗输出输入EEE21PPP2112PP效率nPknPkMkMnP12211电动机：nPknPkMkMnP21111发电机：1.原理将应变片粘在沿转轴450、1350轴线上，转轴在转矩M作用下产生应变ε与M成正比传递法转矩测量装置34445135811(/)MDGdD空心圆柱形轴：方形截面轴：GaM3135454.2例：电阻应变式转矩仪电阻应变式转矩仪2.轴截面的选择依据工艺加工、测量值大小、抗弯曲强度、临界转速、应变片尺寸、粘贴工艺3.应变电桥电路采用集流环从旋转件上将转矩测量信号传输到静止的仪器上扭矩传感器实例电阻应变式扭矩传感器相位差式转矩测量仪2z/3600z平衡力式转矩测量仪其他测量方法采用了磁场嵌入技术（EMD-EmbeddedMagneticDomain）的直线式传感器。电磁法测扭矩电磁法测扭矩可实现非接触式测量测量精度高体积小、重量轻对圆形、方形轴均可测量通过高频采样保证其测量精度高可靠性，抗干扰能力强;不易受脏物、流体或其他同类物质的污染转矩测量－小结传递法：按转轴变形测量，按转轴的应变、应力测量力平衡法转矩测量方法能量法第四节压力的测量概念压力测量方法和传感器压力变送器超高压和真空的测量第四节压力的测量定义：由静止的流体垂直作用在给定单位面积上的力称为该给定处的压强单位:“帕斯卡”，或简称“帕”，用“Pa”表示1Pa=1N/m2标准大气压：定义为在温度为0℃，纬度为45°的海平面上，重力加速度为9.80665m/s2时的压力1atm=760mmHg=101.325kPa1bar=100kPa第四节压力的测量一、基本概念大气压力：大气层对地球表面单位面积上所产生的压力，即大气的自重对地球表面产生的压力。表压力（正压）：超过大气压以上的压力数值，即测压仪表显示的压力值绝对压力：相对绝对真空所测得的压力（表压力与大气压力之和），又称总压力或全压力负压力（疏空）：绝对压力小于大气压力时，大气压力与绝对压力之差真空度：小于大气压力的绝对压力压力的量值传递系统压力不是基准量，是力和面积的导出量压力标准是由准确度很高的标准仪器提供的压力的测量方法和传感器二、测压方法：液压式测压法电气式测压法负荷测压法弹性变形测压法压力的测量方法和传感器1.液体式压力计P2P112PPgh液体可以用水、酒精、水银U型管压力计液体式压力计槽式压力计HhdP1P2A2A1槽式压力计原理只需测量一侧管中的液面相对于固定点的高度1212221211()()(1)PPgHhdgAhAdAdAPPdgdgAAcdg液体式压力计HdhxP1P2斜管微压计斜管微压计原理初始零位平面，没有压差221211(1)(1)sinAAPPdggxAAA2A112sinPPgx用于测量微小压力，精度高于一般的U型管压力计压力的测量方法和传感器2.电气式压力传感器压阻式SiO2硅膜质量块扩散电阻SiMEMS压阻式压力传感器原理压力的测量方法和传感器应变式平膜片式压力的测量方法和传感器电容式弹性膜片固定极板634016)1(pEdtRCCR：半径t：厚度d：起始距离C0：起始电容量E：材料的弹性模量μ：材料的泊松比电容式压力计可以测量真空；输出电容可以与电感构成谐振式频率电路，或者对电容进行充放电的各种脉冲电路。压力的测量方法和传感器3.负荷式（力平衡式）压力计压力的测量方法和传感器4.弹性式压力计特点：价格低、简单、牢固、应用广泛，耐恶劣环境。频响低、不宜动态测量；由于弹性元件的固有迟滞，精度低弹性元件结构：簧管、膜盒、膜片、波纹管。弹性式压力计弹性式压力计弹性式压力计波登管在管内部压力作用下，波登管的自由端发生移动价格低，结构简单，坚实牢固；频率响应低，不适于动态测量弹性式压力计波登管压力变送器三、压力变送器将测压元件与电气传感器相结合构成压力变送器，用于远距离传输压力信息。1.力平衡式压力送变器力平衡式差压变送器压力变送器2.位移式压力变送器：压力变送器3.电容式差压送变器电容式差压变送器压力变送器4.“灵巧”型差压送变器“灵巧”型差压变送器超高压测量四、超高压测量利用锰镍铜合金丝或金铬丝的电阻随压力变化而变化的原理测量高达10000标准大气压的液压，准确度达0.1～0.5%超高压传感器真空的测量一、真空度的划分粗真空：＞105～103Pa低真空：103～10-1Pa高真空：10-1～10-6Pa超高真空：10-6～10-12Pa极高真空：＜10-12Pa1mmHg=133.322Pa=1Torr（托）=1/760大气压真空的测量二、真空测量仪器的划分按用途分类：真空计：用于测量低于大气压的稀薄气体的压力分压强计：用于真空系统内气体组成的分析和分压强的测量检漏计：用于检测真空系统或器件的泄漏真空的测量按测量原理分：基于力的作用原理：U型波纹管式、波纹管式、膜电式基于压缩作用原理：麦式真空计基于导热作用原理：电阻真空计、热电偶真空计基于电离作用原理：热阴极式、冷阴极式、放射性真空计常用的真空测量装置液柱式真空计：测粗、低、高真空的绝对真空计。结构简单、精度高。压缩式/麦克劳(Maclaod)/麦氏真空计玻意尔—马略特定理itipVpAhpphhAVhAptti222ChhVApti常用的真空测量装置热导式真空计