1、第九章 力、力矩和壓力的測量孫長庫天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院第一節(jié) 概述力：物質(zhì)之間的相互作用， “牛頓”重力重力：物體在地球引力場中受到的力力矩：力和力臂的乘積，“牛頓米”壓力：壓強(qiáng)第二節(jié) 力的測量要點(diǎn)：力的標(biāo)準(zhǔn)力的測量方法和裝置稱重及稱重裝置力值的檢定與定度第二節(jié) 力的測量力的標(biāo)準(zhǔn)1N=1kgm/s質(zhì)量1kg的標(biāo)準(zhǔn)是一根鉑-銥合金圓棒（國際標(biāo)準(zhǔn)千克）g 在緯度45度的海平面處的值，9.80665m/s( 不同緯度和海拔高度重力加速度值不同，有相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系和修正關(guān)系式）當(dāng)一個(gè)特定地點(diǎn)的重力加速度的數(shù)值被確定后，便可精確計(jì)算出作用在標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的重力（重量），從而建立起一個(gè)力的標(biāo)準(zhǔn)22力的

2、測量方法動(dòng)力效應(yīng)測力(Dynamic Effect)：測量物體的質(zhì)量及其所獲得的加速度，計(jì)算測定力值。F=ma。靜力效應(yīng)測力(Static Effect)：通過測量物體的變形量，或與應(yīng)力相關(guān)的物理效應(yīng)來測量力值。力的測量方法 電阻應(yīng)變式 壓磁式 壓電式力的測量裝置一、電阻應(yīng)變式測力儀1.測力原理力的測量裝置2.測力儀彈性體的結(jié)構(gòu)形式柱狀變形體5kN5MN管狀變形體1MN20MN徑向受載變形體5N力的測量裝置2.測力儀彈性體的結(jié)構(gòu)形式雙鉸鏈彎曲桿變形體5N剪切桿式變形體外形很扁的力傳感器電阻應(yīng)變式測力儀lFlAEE在負(fù)荷作用下，彈性體的應(yīng)變是：/R RR Rkl l電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)為：31

3、132424RRFkkRRAERRFkkRRAE 為彈性體材料的泊松比1324FAEFAE 電阻應(yīng)變式測力儀312401234123412(1)()RRRRFkRRRRAE測力電橋電橋電路的輸出電壓：031241234001()4(1)42iiURRRRURRRRUkkFUAE傳感器的電壓靈敏度，通常取0.52.5mV/V力的測量裝置應(yīng)變式測力儀一般采用電橋電路。電橋電路的輸出信號(hào)小，精度要求高，因而測量電路要求具有高的增益、高的輸入阻抗。傳感器測量電路的集成模塊稱作信號(hào)調(diào)理器，一般包括緩沖、放大、濾波、電壓頻率轉(zhuǎn)換等為提高測力傳感器的精度，必須在電橋電路中采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，消除誤差的影響。

4、包括初始不平衡補(bǔ)償、零點(diǎn)漂移補(bǔ)償、靈敏度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償、傳感器靈敏度調(diào)整等。3.測力儀電路力的測量裝置二、壓磁式測力儀(Piezomagnetic Dynamometer)原理：壓磁效應(yīng)，又稱磁彈性效應(yīng)210/ NFNkUUi壓磁式測力原理力的測量裝置三、壓電式測力儀(Piezoelectric Dynamometer)FdQijdij 壓電常數(shù)力的測量裝置其他測量方法： 電感式測力傳感器 電容式測力傳感器振弦式測力傳感器稱重及稱重裝置一、稱重的概念和意義重量重量(Weight)：有些場合用于指重力(Weight)，而另一些場合又用于指物體的質(zhì)量(Mass)，二者的物理概念不同，但在工程測量

5、中屬于同一個(gè)技術(shù)范疇。稱重稱重的衡器用準(zhǔn)準(zhǔn)確度確度級(jí)別來表征特性，而對(duì)非線性、滯后等單項(xiàng)指標(biāo)不進(jìn)行控制。稱重稱重按工作條件分為靜態(tài)稱重和動(dòng)態(tài)稱重。稱重及稱重裝置二、電子秤(Electronic Weighing Scale)的組成、分類組成：機(jī)械傳遞、稱重傳感器、測量電路和顯示儀表分類：電子皮帶秤(Electronic Belt Weighing Scale)、容器秤(Container Weighing Scale)、吊車秤(Crane Weighing Scale)、平臺(tái)秤 (Platform Weighing Scale)、電子軌道衡(Electronic Railroad Track

6、Scale)稱重及稱重裝置三、稱重傳感器(Weighing Sensors)應(yīng)變式(Strain Sensor) 壓磁式(Piezomagnetic Sensor)電容式(Capacitance Sensor)稱重傳感器 應(yīng)變式商用計(jì)價(jià)秤商用計(jì)價(jià)秤小型臺(tái)秤小型臺(tái)秤軌道衡軌道衡平平臺(tái)臺(tái)秤秤稱重傳感器 壓磁式稱重傳感器 電容式稱重傳感器實(shí)例懸臂梁結(jié)構(gòu)的稱重傳感器輪輻式測力/稱重傳感器稱重及稱重裝置四、電子皮帶秤(Electronic Belt Weighing Scale)1.稱重原理 000/TTTWw t dtq t v t dtG t v tLdt電子皮帶秤1( )( )GiG tUtkU0

7、012( )( )1( )( )TTGvGviUt U tWdtUt U t dtLkUkk2( )( )vv tU tkk1，k2是傳感器的靈敏度系數(shù)iUkLkk21常數(shù)變換4.4.皮帶秤皮帶秤)()()(21tvktGktUGWkLkkdttvtGkkdttUUTTGo210210)()()( dttvLtGWT0電子皮帶秤2.誤差分析稱重傳感器誤差稱重傳感器誤差：制造誤差、環(huán)境誤差、秤體安裝誤差、應(yīng)變片、彈性體補(bǔ)償漂移等測速傳感器誤差：測速傳感器誤差：測速誤差、皮帶打滑誤差等機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差：機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差：有效稱量段L誤差、稱量托輥誤差測量電路誤差：測量電路誤差：零漂、溫漂等第三節(jié) 力矩的測

8、量 力矩(Force Moment):力和力臂的乘積。 轉(zhuǎn)矩(Torque):力矩可以使機(jī)械零部件轉(zhuǎn)動(dòng)，也稱為轉(zhuǎn)矩。 扭矩(Torque):在轉(zhuǎn)矩的作用下，機(jī)械零部件將會(huì)產(chǎn)生一定的扭曲變形，故又稱為扭轉(zhuǎn)矩，簡稱扭矩。 力矩的法定計(jì)量單位:“牛頓米”，一般用“Nm”表示。第三節(jié) 轉(zhuǎn)矩的測量工程中轉(zhuǎn)矩的測量常與功率、轉(zhuǎn)速的測量聯(lián)系在一起。動(dòng)力機(jī)械：電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)、泵工程機(jī)械：攪拌機(jī)、變速器、鉆探機(jī)加工機(jī)械：加工中心、自動(dòng)機(jī)床 旋轉(zhuǎn)軸的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率的測量旋轉(zhuǎn)軸的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率的測量，是進(jìn)行旋轉(zhuǎn)件功率控制的重要基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)矩的測量方法傳遞法：利用轉(zhuǎn)矩使彈性軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形力平衡法：利用平衡轉(zhuǎn)矩

9、M0與被測轉(zhuǎn)矩平衡能量轉(zhuǎn)換法：根據(jù)能量守衡定律 利用轉(zhuǎn)矩使彈性軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形的方法，即根據(jù)彈性元利用轉(zhuǎn)矩使彈性軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形的方法，即根據(jù)彈性元件在傳遞扭矩時(shí)所產(chǎn)生物理參數(shù)的變化（變形、應(yīng)力或應(yīng)變）件在傳遞扭矩時(shí)所產(chǎn)生物理參數(shù)的變化（變形、應(yīng)力或應(yīng)變）來測量其轉(zhuǎn)矩。來測量其轉(zhuǎn)矩。 轉(zhuǎn)矩的測量方法傳遞法)/(PGIMllGIMp/32/4dIPlGdM32/4按按變變形形：16/3dM 按按應(yīng)應(yīng)力力：8/8/1353453GdGdM按應(yīng)變：按應(yīng)變：轉(zhuǎn)矩的測量方法力平衡法利用平衡轉(zhuǎn)矩利用平衡轉(zhuǎn)矩M0去平衡被測轉(zhuǎn)矩去平衡被測轉(zhuǎn)矩M，從而求得，從而求得M的方法。的方法。MMLWLW012轉(zhuǎn)矩的測量方法

10、能量轉(zhuǎn)換法 這是按能量守恒定律來測量力矩的儀器，它是通過測這是按能量守恒定律來測量力矩的儀器，它是通過測量其它與轉(zhuǎn)矩有關(guān)的能量系數(shù)（如電能系數(shù)）來確定被測量其它與轉(zhuǎn)矩有關(guān)的能量系數(shù)（如電能系數(shù)）來確定被測力矩大小的。力矩大小的。 損耗輸出輸入EEE21PPP2112PP效率nPknPkMkMnP12211電動(dòng)機(jī)：nPknPkMkMnP21111發(fā)電機(jī)：1.原理將應(yīng)變片粘在沿轉(zhuǎn)軸450、1350軸線上，轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)矩M 作用下產(chǎn)生應(yīng)變與M成正比傳遞法轉(zhuǎn)矩測量裝置34445135811(/)MD GdD 空心圓柱形軸：方形截面軸：GaM3135454 . 2例：電阻應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀電阻應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀2.軸截

11、面的選擇依據(jù)工藝加工、測量值大小、抗彎曲強(qiáng)度、臨界轉(zhuǎn)速、應(yīng)變片尺寸、粘貼工藝3.應(yīng)變電橋電路采用集流環(huán)從旋轉(zhuǎn)件上將轉(zhuǎn)矩測量信號(hào)傳輸?shù)届o止的儀器上扭矩傳感器實(shí)例電阻應(yīng)變式扭矩傳感器相位差式轉(zhuǎn)矩測量儀2z/3600z平衡力式轉(zhuǎn)矩測量儀其他測量方法采用了磁場嵌入技術(shù)（EMD-Embedded Magnetic Domain）的直線式傳感器。電磁法測扭矩電磁法測扭矩電磁法測扭矩 可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量 測量精度高 體積小、重量輕 對(duì)圓形、方形軸均可測量 通過高頻采樣保證其測量精度 高可靠性，抗干擾能力強(qiáng); 不易受臟物、流體或其他同類物質(zhì)的污染轉(zhuǎn)矩測量小結(jié)傳遞法：按轉(zhuǎn)軸變形測量，按轉(zhuǎn)軸的應(yīng)變、應(yīng)力測量力平衡

12、法轉(zhuǎn)矩測量方法能量法第四節(jié) 壓力的測量概念壓力測量方法和傳感器壓力變送器超高壓和真空的測量第四節(jié) 壓力的測量定義：由靜止的流體垂直作用在給定單位面積上的力稱為該給定處的壓強(qiáng)單位: “帕斯卡”，或簡稱“帕”，用“Pa”表示1Pa=1N/m2標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：定義為在溫度為0，緯度為45的海平面上，重力加速度為9.80665m/s2 時(shí)的壓力1atm=760mmHg=101.325kPa1bar=100kPa第四節(jié) 壓力的測量一、基本概念一、基本概念 大氣壓力：大氣壓力：大氣層對(duì)地球表面單位面積上所產(chǎn)生的壓力，即大氣的自重對(duì)大氣層對(duì)地球表面單位面積上所產(chǎn)生的壓力，即大氣的自重對(duì)地球表面產(chǎn)生的壓力。地球表

13、面產(chǎn)生的壓力。 表壓力（正壓）：表壓力（正壓）：超過大氣壓以上的壓力數(shù)值，即測壓儀表顯示的壓力值超過大氣壓以上的壓力數(shù)值，即測壓儀表顯示的壓力值 絕對(duì)壓力：絕對(duì)壓力：相對(duì)絕對(duì)真空所測得的壓力（表壓力與大氣壓力之和），又稱相對(duì)絕對(duì)真空所測得的壓力（表壓力與大氣壓力之和），又稱總壓力或全壓力總壓力或全壓力 負(fù)壓力（疏空）：負(fù)壓力（疏空）：絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，大氣壓力與絕對(duì)壓力之差絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，大氣壓力與絕對(duì)壓力之差 真空度：真空度：小于大氣壓力的絕對(duì)壓力小于大氣壓力的絕對(duì)壓力壓力的量值傳遞系統(tǒng)壓力不是基準(zhǔn)量，是力和面積的導(dǎo)出量壓力標(biāo)準(zhǔn)是由準(zhǔn)確度很高的標(biāo)準(zhǔn)儀器提供的壓力的測量方法和傳感

14、器二、測壓方法：液壓式測壓法電氣式測壓法負(fù)荷測壓法彈性變形測壓法壓力的測量方法和傳感器1.液體式壓力計(jì)P2P112PPgh液體可以用水、酒精、水銀U型管壓力計(jì)液體式壓力計(jì)槽式壓力計(jì)HhdP1P2A2A1槽式壓力計(jì)原理只需測量一側(cè)管中的液面相對(duì)于固定點(diǎn)的高度1212221211()()(1)P PgHh d gAh AdAdAP Pd gd gAAc d g 液體式壓力計(jì)HdhxP1P2斜管微壓計(jì)斜管微壓計(jì)原理初始零位平面，沒有壓差221211(1)(1)sinAAPPd ggxAAA2A112sinPPgx用于測量微小壓力，精度高于一般的U型管壓力計(jì)壓力的測量方法和傳感器2.電氣式壓力傳感器壓

15、阻式壓阻式MEMS壓阻式壓力傳感器原理壓力的測量方法和傳感器應(yīng)變式應(yīng)變式平膜片式平膜片式壓力的測量方法和傳感器電容式電容式彈彈性性膜膜片片固固定定極極板板634016)1 (pEdtRCCR：半徑：半徑t：厚度厚度d：起始距離起始距離C0：起始電容量：起始電容量E：材料的彈性模量材料的彈性模量：材料的泊松比：材料的泊松比電容式壓力計(jì)可以測量真空；輸出電容可以與電感構(gòu)成諧振式頻率電路，或者對(duì)電容進(jìn)行充放電的各種脈沖電路。壓力的測量方法和傳感器3.負(fù)荷式（力平衡式）壓力計(jì)壓力的測量方法和傳感器4. 彈性式壓力計(jì)特點(diǎn)：價(jià)格低、簡單、牢固、應(yīng)用廣泛，耐惡劣環(huán)境。頻響低、不宜動(dòng)態(tài)測量；由于彈性元件的固有

16、遲滯，精度低彈性元件結(jié)構(gòu)：簧管、膜盒、膜片、波紋管。彈性式壓力計(jì)彈性式壓力計(jì)彈性式壓力計(jì)波登管在管內(nèi)部壓力作用下，波登管的自由端發(fā)生移動(dòng) 價(jià)格低，結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)實(shí)牢固；頻率響應(yīng)低，不適于動(dòng)態(tài)測量彈性式壓力計(jì)波登管壓力變送器三、壓力變送器將測壓元件與電氣傳感器相結(jié)合構(gòu)成壓力變送器，用于遠(yuǎn)距離傳輸壓力信息。1.力平衡式壓力送變器力平衡式差壓變送器壓力變送器2.位移式壓力變送器：壓力變送器3.電容式差壓送變器電容式差壓變送器壓力變送器4. “靈巧”型差壓送變器“靈巧”型差壓變送器超高壓測量四、超高壓測量利用錳鎳銅合金絲或金鉻絲的電阻隨壓力變化而變化的原理測量高達(dá)10000標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的液壓，準(zhǔn)確度達(dá)0.

17、10.5%超高壓傳感器真空的測量一、真空度的劃分粗真空： 105103Pa低真空： 10310-1Pa高真空： 10-110-6Pa超高真空： 10-610-12Pa極高真空：10-12Pa1mmHg=133.322Pa=1 Torr（托）= 1/760大氣壓真空的測量二、真空測量儀器的劃分按用途分類：真空計(jì)：用于測量低于大氣壓的稀薄氣體的壓力分壓強(qiáng)計(jì)：用于真空系統(tǒng)內(nèi)氣體組成的分析和分壓強(qiáng)的測量檢漏計(jì)：用于檢測真空系統(tǒng)或器件的泄漏真空的測量按測量原理分： 基于力的作用原理：U型波紋管式、波紋管式、膜電式 基于壓縮作用原理：麥?zhǔn)秸婵沼?jì) 基于導(dǎo)熱作用原理：電阻真空計(jì)、熱電偶真空計(jì) 基于電離作用原理

18、：熱陰極式、冷陰極式、放射性真空計(jì)常用的真空測量裝置 液柱式真空計(jì)：測粗、低、高真空的絕對(duì)真空計(jì)。結(jié)構(gòu)簡單、精度高。 壓 縮 式壓 縮 式 / 麥 克 勞麥 克 勞(Maclaod)/麥?zhǔn)险婵沼?jì)麥?zhǔn)险婵沼?jì) 玻意爾玻意爾馬略特定理馬略特定理itipVpAhpphhAVhAptti222ChhVApti常用的真空測量裝置熱導(dǎo)式真空計(jì)是根據(jù)在低壓強(qiáng)下氣體熱導(dǎo)率與其壓力之間的關(guān)系制成的一種測量低真空的相對(duì)真空計(jì)。（1）電阻真空計(jì)）電阻真空計(jì)（2）熱電偶式真空計(jì)）熱電偶式真空計(jì)遷移熱量引出導(dǎo)線遷移熱量輻射遷移熱量氣體分子3212EEERI常用的真空測量裝置 電離真空計(jì)是通過在稀薄氣體中引起電離然后利用離子電流測量壓力。電流電子電流離子靈敏度規(guī)管eiIIpk/pkIIei熱陰極熱陰極電離真空計(jì)電離真空計(jì)電流離子iI電流電子eI常用的真空測量裝置 彈性變形式