第六章力扭矩壓力的測量第1頁，共41頁。6.1力的測量測量方法可歸納為利用力的靜力效應和動力效應兩種。靜力效應測力

力的靜力效應使物體產生變形，通過測定物體的變形量或用與內部應力相對應參量的物理效應來確定力值。如可用差動變壓器、激光干涉等方法測定彈性體變形達到測力的目的；也可利用與力有關的物理效應如壓電效應、壓磁效應等。動力效應測力

力的動力效應使物體產生加速度，測定了物體的質量及所獲得的加速度大小就測定了力值。在重力場中地球的引力使物體產生重力加速度，因而可以用已知質量的物體在重力場某處的重力來體現力值。例如基準測力機等。

第2頁，共41頁。6.1.1應力、應變的測量常用的力測量方法是用應變片和應變儀測量構件的表面應變，根據應變和應力、力之間的關系，確定構件的受力狀態。應變儀采用交流電橋時，輸出特性與直流電橋(直流電橋的輸出特性)類似。應變片的布置和電橋組接(布片組橋)應根據被測量和被測對象受力分布來確定。還應利用適當的布片組橋方式消除溫度變化和復合載荷作用的影響。第3頁，共41頁。電阻應變儀按所測應變信號頻率范圍不同分為：1)靜態電阻應變儀用以測量靜態載荷下的應變，以及變化十分緩慢或變化后能很快穩定下來的應變；2)靜動態電阻應變儀工作頻率為0-200Hz，用以測量靜態應變或頻率在200Hz以下的低頻動態應變；3)動態電阻應變儀工作頻率為0-2000Hz，用以測量2000Hz以下的動態應變。通常具有4-8個通道，可以對多個應變信號同時測量；4)超動態電阻應變儀工作頻率為0-20000Hz，用以測量爆炸沖擊等瞬態變化過程下的超動態應變。第4頁，共41頁。測量拉伸(壓縮)布片組橋方式測量拉伸(壓縮)應變時要采用適當的布片組橋方式，以便達到：溫度補償(測軸向拉(壓)時的溫度補償)消除彎矩影響(用雙工作片消除彎矩的影響)提高測量靈敏度(用四工作片提高測量的靈敏度)的目的。常用應力測量的布片和組橋方式:

第5頁，共41頁。溫度補償沿構件表面的軸線方向貼工作片R1，在溫度補償板上貼補償片Rt，組成半橋即可測得軸向應變e。電橋的輸出為溫度補償滿足條件：補償板和試件的材料相同；工作片、補償片完全相同，放在完全相同溫度場中，接在相臨橋臂。

圖中沿軸向貼一片應變片,沿橫向貼另一片,為工作片補償法。第6頁，共41頁。在拉(壓)應變測量中消除彎矩的影響用對稱雙工作片測軸向拉(壓)應變。工作片在上、下表面對稱粘貼，由加減特性可知，這樣可消除因加載偏心而造成的附加彎矩。其中全橋接法的輸出是半橋接法的二倍。第7頁，共41頁。用多工作片提高應變測量的靈敏度左圖(用四工作片測拉(壓)應變)中，布片時省去了溫度補償板。這種方法可得到最大輸出應變值，即也可以消除因加載偏心而造成的附加彎矩。

第8頁，共41頁。彎矩測量？當試件受到彎矩作用時，其上、下表面會分別產生拉應變或壓應變。可通過應變測量求得彎矩，布片接橋時要注意利用電橋特性，在輸出中保留彎應變的影響，消除軸向拉、壓力產生的應變成分。第9頁，共41頁。應變片的選擇及應用試件的測試要求，滿足測試精度、所測應變的性質。試驗環境與試件的狀況，消除溫度、濕度等因素的影響。應變片的粘貼。工藝：清洗、上膠、粘合、加壓、固化和檢驗等。第10頁，共41頁。6.1.2電阻應變式測力裝置測量力時可以直接在被測對象上布片組橋，也可以在彈性元件上布片組橋，使力通過彈性元件傳到應變片。常用的彈性元件有柱式、梁式、環式、輪輻等多種形式。第11頁，共41頁。柱式彈性元件通過柱式彈性元件表面的拉(壓)變形測力。應變片的粘貼和電橋的連接應盡可能消除偏心和彎矩的影響，一般將應變片對稱地貼在應力均勻的圓柱表面中部。柱式力傳感器可以測量0.1~3000噸的載荷，常用于大型軋鋼設備的軋制力測量。第12頁，共41頁。梁式彈性元件

類型有等截面梁、等強度梁和雙端固定梁等，通過梁的彎曲變形測力，結構簡單，靈敏度較高。等截面梁式彈性元件等截面梁式彈性元件為一端固定的懸臂梁，當力作用在自由端時，剛性端截面的應力最大，而自由端撓度最大，在距受力點為l0的上下表面，沿l向貼電阻應變片R1，R2和R3，R4。粘貼應變片處的應變為第13頁，共41頁。等強度梁(等強度梁式力傳感器)，梁厚為h，梁長為l，固定端寬為b0，自由端寬為b。梁的截面成等腰三角形，集中力F作用在三角形頂點。梁內各橫截面產生的應力是相等的，表面上任意位置的應變也相等，因此稱為等強度梁，其應變為用梁式彈性元件制作的力傳感器適于測量5,000N以下的載荷，最小可測幾克重的力。這種傳感器結構簡單，加工容易，靈敏度高，常用于小壓力測量中。第14頁，共41頁。雙端固定梁

雙端固定梁的二端都固定，中間加載荷F，梁寬為b，梁厚為h，梁長為l，應變片粘貼在中間位置，則梁的應變為這種梁的結構在相同力F的作用下產生的撓度比懸臂梁小。第15頁，共41頁。環式彈性元件

分為圓環式和八角環式。它也是通過元件的彎曲變形測力，結構較緊湊。實際應用如切削測力儀。圓環式在圓環上施加徑向力Fy時，圓環各處的應變不同，與作用力成39.6°處(圖中B點)應變等于零。在水平中心線上則有最大的應變R為圓環外徑，h為圓環壁厚，b為圓環寬度第16頁，共41頁。圓環式和八角環式將應變片貼在1、2、3和4處，1、3處受拉；2、4處受壓。如果圓環一側固定，另一側受切向力Fx時，與受力點成90°處(A點)應變等于零。將應變片貼在與垂直中心線成39.6°的5、6、7、8處，則5、7處受拉，6、8處受壓。這樣，當圓環上同時作用著Fx和Fy時，將1～4處和5～8處的應變片分別組成電橋，就可以互不干擾地測力Fx和Fy。第17頁，共41頁。八角環式圓環方式不易加緊固定,實際上常用八角環代替,如圖所示。八角環厚度為h,平均半徑為r。當h/r較小時,零應變點在39.6°附近。當h/r=0.4時，零應變點在45°處，故一般八角環測力Fx時，應變片貼在45°處。第18頁，共41頁。切削測力儀當測力儀受進給抗力Fx作用，則應變片R5、R7受拉應力，R6、R8受壓應力。當圓環同時受Fy、Fx作用時，把應變片R1～R4，R5～R8組成如圖所示的電橋，就可互不干擾地分別測得Fy和Fx。當測力儀受主切削力Fz的作用時，其八角環既受到垂直向下的力，又受到由于Fz引起的彎矩Mz的作用。力Fz與各應變片軸向垂直不起作用，Mz使測力儀上部環受拉應力，下部環受壓應力，因此將應變片組成如圖所示電橋就可測出Fz。第19頁，共41頁。6.1.3其它測力傳感器電容式力傳感器在矩形的特殊彈性元件上，加工若干個貫通的圓孔，每個圓孔內固定兩個端面平行的丁字形電極，每個電極上貼有銅箔，構成由多個平行板電容器并聯組成的測量電路。在力F作用下，彈性元件變形使極板間矩發生變化，從而改變電容量。

第20頁，共41頁。壓電式力傳感器

前面章節介紹過壓電式傳感器的原理和壓電式振動加速度傳感器，測力傳感器的結構類似。其特點是體積小，動態響應快，但是也存在電荷泄漏，不適宜靜態力的測量。使用中應防止承受橫向力和施加予緊力。第21頁，共41頁。某些鐵磁材料受到外力作用時，引起導磁率變化現象，稱作壓磁效應，其逆效應稱作磁致伸縮效應。硅鋼受壓縮時其導磁率沿應力方向下降，而沿應力的垂向增加；在受拉伸時，導磁率變化正好相反。壓磁式測力裝置第22頁，共41頁。在硅鋼疊片上開4個對稱的通孔，孔中分別繞互相垂直的兩個線圈，一個線圈為勵磁繞組，另一個為測量繞組。無外力作用時，磁力線不和測量繞組交鏈，測量繞組不產生感應電勢。當受外力作用時，磁力線分布發生變化，部份磁力線和測量繞組交鏈，并在繞組中產生感應電勢，且作用力愈大，感應電勢愈大。硅鋼材料受力面加大后，可測量數千噸的力，且輸出電勢較大，無需放大處理。常用于大型軋鋼機的軋制力測量。壓磁式測力裝置第23頁，共41頁。差動變壓器式測力傳感器

差動變壓器式力傳感器的彈性元件是簿壁圓筒，在外力作用下，變形使差動變壓器的鐵芯介質微位移，變壓器次極產生相應電信號。其特點是工作溫度范圍較寬,為了減小橫向力或偏心力的影響，傳感器的高徑比應較小。第24頁，共41頁。6.2扭矩的測量以

測量轉軸應變測量轉軸兩橫截面相對扭轉角的方法最常用

第25頁，共41頁。6.2.1應變式扭矩測量當受扭矩作用時，軸表面有最大剪應力tmax。軸表面為純剪應力狀態，與軸線成45°的方向上有最大正應力s1和s2，其值為s1=s2=tmax。相應的變形為e1和e2，當測得應變后，便可算出tmax。測量時應變片沿與軸線成45°的方向粘貼。

若測得沿45°方向的應變e1，則相應的剪應力為第26頁，共41頁。6.2.1應變式扭矩測量于是，軸的扭矩為對于實心圓軸Wn=pD3/16測扭時，電阻應變計須沿主應變e1及e2的方向(與軸線成45°及135°夾角)。應變計的布置及組橋方式應考慮靈敏度、溫度補償及抵消拉、壓及彎曲等非測量因素干擾的要求。第27頁，共41頁。測量扭矩時應變片的布置和組橋方式(a)雙片集中軸向對稱(橫八字)布置，應變片R1及R2互相垂直，組成半橋的相鄰兩臂。貼片及引線較為簡單，但不能完全抵消彎曲影響，可用于軸體不受彎曲的場合。(b)雙集中徑向對稱(豎八字)布置，與(a)之不同之處僅在于R1及R2處于同一截面周邊的鄰近兩個點上，其適用條件同(a)。第28頁，共41頁。測量扭矩時應變片的布置和組橋方式(c)四片徑端對稱的雙橫八字布置，互相垂直的兩個應變片的中心共線，四片可組成半橋或全橋。組成全橋時，輸出靈敏度為(a)的二倍。無論組成半橋或全橋皆可抵消拉(壓)及彎曲的影響。第29頁，共41頁。測量扭矩時應變片的布置和組橋方式(d)四片徑端對稱的雙豎八字布置，可視為(b)的復合。應變片分別處于同一截面同一直徑兩個端點的鄰近部位，在軸體表面展開圖中四個敏感柵的中心共線。(e)四片均布的雙豎八字布置，與(d)的區別僅在于四片圓周均布。(d)與(e)可組成全橋或半橋方式，其靈敏度及抵抗非測力因素的性能同(c)。第30頁，共41頁。6.2.2扭矩測量信號的傳輸

扭矩測量的集電裝置

旋轉件的應變測量，要解決信號傳送的問題。粘貼在旋轉件上的應變片和電橋導線隨旋轉件轉動，而應變儀等測量記錄儀器是固定的。除采用遙測方式以外，需要有集電裝置。無線傳輸方式

分為電波收發方式和光電脈沖傳輸方式，這兩種方式取消了中間接觸環節。電波收發方式測量系統要求可靠的發射、接收和遙測裝置，且其信號容易受到干擾(數字化后傳輸可解決)；光電脈沖測量抗干擾能力較強，將測試數據數字化后以光信號的形式從轉動的測量盤傳送到固定的接收器上，然后經解碼器后還原為所需的信號。第31頁，共41頁。6.2.3其它扭矩測量方法

壓磁式扭矩傳感器

磁電感應式扭矩傳感器光電式扭矩傳感器第32頁，共41頁。壓磁式扭矩傳感器

鐵磁材料的轉軸受扭矩作用時，導磁率發生變化。壓磁式扭矩傳感器中鐵芯的開口端與轉軸表面保持1-2mm空隙，當A-A線圈通入交流電，形成過轉軸的交變磁場。當轉軸不受扭矩時，磁力線和B-B線圈不交鏈；轉軸受扭矩作用時，轉軸材料導磁率變化，沿正應力方向磁阻減小，沿負應力方向磁阻增大，從而使磁力線分布改變，使部分磁力線與B-B線圈交鏈，在B-B線圈產生感應電勢。第33頁，共41頁。磁電感應式扭矩傳感器

磁電感應式扭矩傳感器中，在轉軸上固定兩個齒輪1和2，它們的材質、尺寸、齒形和齒數均相同。永久磁鐵和線圈組成的磁電式檢測頭3和4對著齒頂安裝。當轉軸不受扭矩時，兩線圈輸出信號相同，相位差為零。轉軸承受扭矩后，相位差不為零，且隨兩齒輪所在橫截面之間相對扭轉角的增加而加大，其大小與相對扭轉角、扭矩成正比。

第34頁，共41頁。光電式扭矩傳感器光電式扭矩傳感器在轉軸4上固定兩只圓盤光柵3，在不承受扭矩時，兩光柵的明暗區正好互相遮擋，光源1的光線沒有透過光柵照射到光敏元件2，無輸出信號。當轉軸受扭矩后，轉軸變形將使兩光柵出現相對轉角，部份光線透過光柵照射到光敏元件上產生輸出信號。扭矩愈大，扭轉角愈大，穿過光柵的光通量愈大，輸出信號愈大，從而可實