典型载荷测量应变片布置专题培训课件.ppt

大连大学机械工程学院测试技术第九章第九章 应变、力和扭矩的测量应变、力和扭矩的测量本章学习要求：本章学习要求：1.1.掌掌握握针针对对不不同同的的受受力力状状态态设设计计测测试试方方案案 、接桥及信息处理、接桥及信息处理 2.2.掌握压力传感器选择及使用掌握压力传感器选择及使用3.3.掌握流量传感器的选择及测试系统的构建掌握流量传感器的选择及测试系统的构建大连大学机械工程学院测试技术 第一节第一节 应变测量应变测量一、杆件在单一变形的应变测量一、杆件在单一变形的应变测量 关关于于杆杆件件的的应力力和和变形形的的计算算，请参参阅材材料料力力学学中中有有关章关章节。这里里仅介介绍应变测量方法。量方法。1.1.拉伸（压缩）构件拉伸（压缩）构件 如如图所所示示受受拉拉构构件件，测量量其其拉拉（压）应变时，有有多多种种方案，下面介方案，下面介绍两种。两种。大连大学机械工程学院测试技术1.拉伸（拉伸（压缩）构件）构件（1）方案一 （如图所示）R2R2R1CABP R1P大连大学机械工程学院测试技术1.拉伸（拉伸（压缩）构件）构件 工作片R1的电阻变化包括由拉力P造成的，因温度效应而致的两部分，即：补偿片R2的阻值将仅因温度效应而致，即：大连大学机械工程学院测试技术1.拉伸（拉伸（压缩）构件）构件 接接成成半半桥（R3，R4为仪器器上上的的固固定定电阻阻），则电桥的的输出出电压将将为：大连大学机械工程学院测试技术1.拉伸（拉伸（压缩）构件）构件如如果果工工作作片片和和补偿片片取取自自同同一一批批，补偿试件件与与被被测试件件材料相同，且材料相同，且处于相同的温度于相同的温度场中，中，则：温温度度效效应影影响响排排除除了了，通通过电阻阻应变仪，仅测得得拉拉（压）应变。有有时设置置不不受受力力的的补偿试件件不不方方便便，方方案案二二中中补偿片片也也感受机械感受机械应变：大连大学机械工程学院测试技术1.拉伸（拉伸（压缩）构件）构件（2）方案二（如图所示）R1 R2 BCAR1R2PP大连大学机械工程学院测试技术1.拉伸（拉伸（压缩）构件）构件 将将补偿片片也也贴到到构构件件上上，紧靠靠工工作作片片R1并并与与其其垂垂直直，电桥接法与上同：接法与上同：R1工作片，工作片，R2补偿片（感受机械片（感受机械应变）。）。大连大学机械工程学院测试技术1.拉伸（拉伸（压缩）构件）构件 大连大学机械工程学院测试技术1.拉伸（拉伸（压缩）构件）构件 大连大学机械工程学院测试技术2.构件受弯矩作用，构件受弯矩作用，测其表面其表面应变1（1）方案一：方案一：单设补偿片，R2PR1BCAR1R2大连大学机械工程学院测试技术2.构件受弯矩作用，构件受弯矩作用，测其表面其表面应变 R1工工作作片片，R2补偿片片；表表面面为单向向应力力状状态（分分析析方法与前相同），接半方法与前相同），接半桥。大连大学机械工程学院测试技术2.构件受弯矩作用，构件受弯矩作用，测其表面其表面应变（2）方案二）方案二：补偿片参与工作（如图所示）PR1BCAR1R2大连大学机械工程学院测试技术2.构件受弯矩作用，构件受弯矩作用，测其表面其表面应变接成半接成半桥，可以消除温度效，可以消除温度效应的影响。的影响。当当施施加加弯弯矩矩M时，R1感感受受拉拉应变M1，R2感感受受压应变M2，若构件横截面有水平若构件横截面有水平对称称轴，则M1=-M2可得到：可得到：大连大学机械工程学院测试技术（2）方案二）方案二：补偿片参与工作（如图所示）PR2、R4R1、R3R1R3R2R4BCAR1R2R3R4D大连大学机械工程学院测试技术2.构件受弯矩作用，构件受弯矩作用，测其表面其表面应变R1、R3感受拉感受拉应变，1=3=R2、R4感受感受压应变，2=4=大连大学机械工程学院测试技术3.圆轴扭矩的扭矩的测量量 圆轴受受扭扭矩矩时，横横截截面面上上受受剪剪应力力作作用用，在在与与轴线成成45角角的的方方向向上上存存在在有有最最大大的的拉拉应力力和和压应力力1=2，且且其其数数值与与原原截截面面上上最最大大剪剪应力力max相相等等。即即：1=2=max。在在与与轴线成成45角角方方向向上上各各贴一一个个应变片片Ra、RC，接接半半桥。大连大学机械工程学院测试技术3.圆轴扭矩的扭矩的测量量大连大学机械工程学院测试技术3.圆轴扭矩的扭矩的测量量由于由于a=-c，所以：，所以：大连大学机械工程学院测试技术3.圆轴扭矩的扭矩的测量量 大连大学机械工程学院测试技术3.圆轴扭矩的扭矩的测量量 大连大学机械工程学院测试技术3.圆轴扭矩的扭矩的测量量 在工程实际中，常常用这种方法测圆轴所受的扭矩，即：而（实心圆轴）其中，d圆轴直径。大连大学机械工程学院测试技术3.圆轴扭矩的扭矩的测量量大连大学机械工程学院测试技术1.弯曲与拉伸（弯曲与拉伸（压缩）的）的组合合 变形形 如图所示为一偏心受压立柱。大连大学机械工程学院测试技术1.弯曲与拉伸（弯曲与拉伸（压缩）的）的组合合变形形由由力力学学分分析析可可知知，在在弹性性范范围内内，它它相相当当于于轴向向压缩和和纯弯弯曲曲的的叠叠加加，因因而而是是组合合变形形的的杆杆件件。轴向向压缩正正应力力为y 在截面上均匀分布在截面上均匀分布 纯弯曲正弯曲正应力力 在截面两在截面两侧为最大，即最大，即 大连大学机械工程学院测试技术1.弯曲与拉伸（弯曲与拉伸（压缩）的）的组合合 变形形（设截截面面对中中性性轴对称称）叠叠加加后后最最大大应力力产生生在在立立柱柱两两侧边缘上，上，为：大连大学机械工程学院测试技术1.弯曲与拉伸（弯曲与拉伸（压缩）的）的组合合 变形形 A1AA2+=B1BB2+=yWWy12大连大学机械工程学院测试技术1.弯曲与拉伸（弯曲与拉伸（压缩）的）的组合合 变形形在在A点点处，应变片片R1所所测应变为：在在B点点处，应变片片R2所所测应变为：据此，我据此，我们可以采取不同的接可以采取不同的接桥方式来方式来单测压缩或或单测弯曲。弯曲。大连大学机械工程学院测试技术1.弯曲与拉伸（弯曲与拉伸（压缩）的）的组合合 变形形（1）消）消压测弯：弯：采用半采用半桥连接。接。BCAR1R2大连大学机械工程学院测试技术1.弯曲与拉伸（弯曲与拉伸（压缩）的）的组合合 变形形大连大学机械工程学院测试技术1.弯曲与拉伸（弯曲与拉伸（压缩）的）的组合合 变形形（2）消弯）消弯测压：另另设补偿块，贴温度温度补偿片片R3、R4，采用半采用半桥联结BCAR1R3R2R4大连大学机械工程学院测试技术1.弯曲与拉伸（弯曲与拉伸（压缩）的）的组合合 变形形大连大学机械工程学院测试技术1.弯曲与拉伸（弯曲与拉伸（压缩）的）的组合合 变形形R1=R1w+R1y+R1t R2=R2w+R2y+R2tR3=R3t R4=R4tR1w=R2w R1y=R2y=RyR1t=R2t=R3t=R4t=Rt 大连大学机械工程学院测试技术1.弯曲与拉伸（弯曲与拉伸（压缩）的）的组合合 变形形 大连大学机械工程学院测试技术1.弯曲与拉伸（弯曲与拉伸（压缩）的）的组合合 变形形采用全桥接法：R1、R2接相对桥臂 R3、R4接相邻桥臂BCAR1R2R3R4D大连大学机械工程学院测试技术1.弯曲与拉伸（弯曲与拉伸（压缩）的）的组合合 变形形 大连大学机械工程学院测试技术2.扭扭转和弯曲的和弯曲的组合合变形形 大连大学机械工程学院测试技术2.扭扭转和弯曲的和弯曲的组合合变形形 以一以一简单圆轴为例，如上例，如上图所示，当它同所示，当它同时承受扭承受扭矩矩Mn，及横向，及横向应力力P作用作用时，就成，就成为弯扭弯扭组合合变形。要形。要求求单独独测取其中某一取其中某一变形成分作用下的形成分作用下的应变（应力）。力）。我我们在在圆轴表表面面的的前前后后各各取取一一点点E和和F，两两点点在在包包括括杆杆轴线及及力力P的的水水平平面面上上。并并在在每每点点粘粘贴与与杆杆轴线成成45角的二个角的二个应变片片Ra、Rc、Ra、Rc。大连大学机械工程学院测试技术2.扭扭转和弯曲的和弯曲的组合合变形形 为了了单独独测取取由由于于扭扭转而而引引起起的的应变或或由由于于弯弯曲曲而而引引起起的的应变，需需要要对Ra、Rc、Ra、Rc等等应变片片在在弯弯扭扭组合作用下所感受的合作用下所感受的应变情况做一分析。情况做一分析。在在E、F两点取出两点取出单元体（均由前向后看）并将其分解：元体（均由前向后看）并将其分解：大连大学机械工程学院测试技术大连大学机械工程学院测试技术2.扭扭转和弯曲的和弯曲的组合合变形形 E点点单元体可分解元体可分解为E1和和E2，E1只有由于扭矩只有由于扭矩产生的剪生的剪应力力，是，是纯剪切剪切应力状力状态，在，在45截面上，作用有截面上，作用有扭扭45，其相，其相应的的应变为扭扭45。E2只有弯曲只有弯曲产生的正生的正应力力弯弯，是，是单向向应力状力状态，在，在45截面上截面上则作用有同符作用有同符号的正号的正应力力弯弯45，其数，其数值为弯曲正弯曲正应力的一半（即力的一半（即1/2弯弯），），设相相应的的应变为弯弯45，（在，（在45截面上截面上还有有剪剪应力，因它不影响力，因它不影响测量，故量，故图上忽略），因此，上忽略），因此，大连大学机械工程学院测试技术2.扭扭转和弯曲的和弯曲的组合合变形形 因此，因此，Ra感受：感受：扭扭转产生的生的扭扭45和弯曲和弯曲产生的生的+弯弯45 Rc感受：感受：扭扭转产生的生的扭扭45和弯曲和弯曲产生的生的+弯弯45同理同理对F点点进行分解可得：行分解可得：Ra感受：感受：扭扭转产生的生的扭扭45和弯曲和弯曲产生的生的弯弯45 Rc感受：感受：扭扭转产生的生的扭扭45和弯曲和弯曲产生的生的弯弯45大连大学机械工程学院测试技术2.扭扭转和弯曲的和弯曲的组合合变形形1测扭消弯：全扭消弯：全桥联结（如（如图所示）。所示）。大连大学机械工程学院测试技术2.2.扭转和弯曲的组合变形扭转和弯曲的组合变形大连大学机械工程学院测试技术2.扭扭转和弯曲的和弯曲的组合合变形形 大连大学机械工程学院测试技术2.扭扭转和弯曲的和弯曲的组合合变形形 2.测弯消扭：（全桥联结）大连大学机械工程学院测试技术2.扭扭转和弯曲的和弯曲的组合合变形形 大连大学机械工程学院测试技术2.扭扭转和弯曲的和弯曲的组合合变形：形：大连大学机械工程学院测试技术 三、平面三、平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定 在在平平面面应力力状状态下下，应力力与与应变之之间的的关关系系即即平平面面应力状力状态虎克定律虎克定律为：大连大学机械工程学院测试技术三、平面三、平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定式中，式中，E材料的材料的弹性模量；性模量；材料的泊松比；材料的泊松比；G剪切剪切弹性模量性模量 x、y、xy构件上任意点原始构件上任意点原始单元体的元体的应力力值；x、y、xy构件上任意点原始构件上任意点原始单元体的元体的应变值。大连大学机械工程学院测试技术三、平面三、平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定几个关于平面几个关于平面应力的概念：力的概念：主平面主平面:两个剪两个剪应力力为零的特殊截面。零的特殊截面。主主应力力:作用在主平面上的最大或最小正作用在主平面上的最大或最小正应力称力称为主主应力。力。主方向主方向:主主应力的方向称力的方向称为主方向。主方向。主主单元体：元体：只有主只有主应力作用的力作用的单元体。元体。由由材材料料力力学学知知识可可知知，如如果果已已知知原原始始单元元体体上上的的应力力x、y、xy，利利用用下下式式可可以以求求出出主主应力力、主主方方向向及及最最大大剪剪应力力大连大学机械工程学院测试技术三、平面三、平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定大连大学机械工程学院测试技术三、平面三、平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定1.主方向已知主方向已知时的主的主应力力测定定 在在平平面面应力力问题中中，主主方方向向已已知知时，平平面面应力力状状态的的虎克定律可虎克定律可简化化为：大连大学机械工程学院测试技术三、平面三、平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定2.主方向未知主方向未知时的主的主应力力测定定 在多数情况下，主方向是未知的。取出任意在多数情况下，主方向是未知的。取出任意单元体，元体，有待确定的有待确定的应力力为x，y，xy，根据平面，根据平面应力力问题的的虎克定律，可用虎克定律，可用测量量该点点应变的方法来确定未知的的方法来确定未知的应力力-x，y，xy。大连大学机械工程学院测试技术三、平面三、平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定 大连大学机械工程学院测试技术三、平面三、平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定 以以如如图所所示示单元元体体为例例，由由力力学学公公式式可可知知，在在法法向向方方向向为角的任意截面上，其角的任意截面上，其应力力为：大连大学机械工程学院测试技术三、平面三、平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定由虎克定律知，沿由虎克定律知，沿方向的方向的线应变为：大连大学机械工程学院测试技术三、平面三、平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定将式（将式（a）、（）、（b）代入（）代入（c）可得：）可得：大连大学机械工程学院测试技术三、平面三、平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定 上上式式说明明，对于于某某一一单元元体体，若若已已知知方方向向的的线应变已已测得得，便可得到一个包括，便可得到一个包括应力力x，y和和xy的方程式。的方程式。如如果果已已测得得某某点点处的的三三个个方方向向的的线应变，便便可得到可得到类似上式的三个方程式：似上式的三个方程式：大连大学机械工程学院测试技术三、平面三、平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定 大连大学机械工程学院测试技术三、平面三、平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定 上面介上面介绍了在一点了在一点处测量三个量三个选定方向的定方向的线应变，该点的点的应力状力状态便完全确定了。便完全确定了。在一点在一点处沿几个不同方向沿几个不同方向贴几个几个电阻阻应变片，叫做片，叫做“应变花花”。最常用的有。最常用的有45角角应变花及花及60角角应变花。花。1）45应变花花 当取当取=0、=45、=90三个方向三个方向时，即，即为45应变花，把角度花，把角度、值代入，代入，则可得可得、三个方向的三个方向的应变 大连大学机械工程学院测试技术三、平面三、平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定 大连大学机械工程学院测试技术三、平面三、平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定联立求解上述三个方程，可得：立求解上述三个方程，可得：大连大学机械工程学院测试技术平面平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定 为了了计算算方方便便，将将上上式式代代入入到到求求主主应力力和和主主方方向向的的表表达式中，可得：达式中，可得：式中式中0角角为主方向与主方向与方向方向应变片的片的夹角。角。大连大学机械工程学院测试技术平面平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定 2）60应变花花 当当取取=0、=60、=120三三个个方方向向时，即即为60应变花，同理可得主花，同理可得主应力及主方向公式力及主方向公式为：大连大学机械工程学院测试技术平面平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定 大连大学机械工程学院测试技术平面平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定式中式中,0角角为主方向与主方向与方向方向应变片的片的夹角。角。目目前前常常用用的的应变花花有有三三片片45、60、90等等，也也有有四四片的片的45应变花和花和60应变花。花。一一般般情情况况下下，在在主主方方向向已已知知时用用90应变花花，沿沿两两个个互互相相垂垂直直的的主主方方向向贴应变花花。45应变花花用用在在主主方方向向可可以以大大致致分分析析出出来来的的情情况况，将将互互成成90的的两两个个丝栅沿沿大大致致确确定定的的主方向粘主方向粘贴，这样可以减少可以减少测量量误差。差。大连大学机械工程学院测试技术平面平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定在在主主方方向向完完全全不不了了解解的的情情况况下下用用60应变花花，因因为这种种应变花花的的三三个个丝栅与与主主方方向向靠靠近近甚甚至至重重合合的的机机会会很很大大，感感受受的的应变数数值也也较大大，因因此此可可以以减减少少测量量误差差。四四片片45应变花花用用在在那那些些比比较重重要要的的试验中中，此此时第第四四个个丝栅的的测量量数数据据可可以以用用来来校校核核测量量结果果是是否否准准确确，因因为互相垂直的互相垂直的应变值之和是一个常数即：之和是一个常数即：大连大学机械工程学院测试技术平面平面应力状力状态下主下主应力的力的测定定同同时还可以用来防止因一个可以用来防止因一个丝栅偶然偶然损坏而影响坏而影响应变测试的情况。四片的情况。四片60应变花和四片花和四片45应变花有花有类似的作似的作用，但有：用，但有：当构件表面各当构件表面各处的的应力梯度力梯度较大大时，三个，三个应变片片应尽量尽量贴得得 集中。当构件表集中。当构件表面的面的应力力变化不大化不大时，可以使各片，可以使各片不相重叠，不相重叠，这样应变片散片散热比比较容易，而且，每个容易，而且，每个应变片的片的变形同被形同被测构件构件变形比形比较一致。一致。大连大学机械工程学院测试技术四、四、测点的点的选择以及布片与接以及布片与接桥的原的原则1.测点的点的选择 在工程在工程结构的构的应变测量中，合理、正确地量中，合理、正确地选定定测点点是必是必须首先解决的重要首先解决的重要问题。因。因为，测点位置点位置选择得不恰当或数量不足，就不能达到得不恰当或数量不足，就不能达到测试的的预期目的。期目的。过多的多的测点会增加不必要的点会增加不必要的测试工作量，有工作量，有时还会会由于由于仪器条件的限制，以致根本不可能器条件的限制，以致根本不可能实现。若。若被被测对象是杆件象是杆件，即可根据，即可根据测试要求，按前面要求，按前面讲述的述的方法方法进行行测量。但是，工程上需要量。但是，工程上需要测试的的构件往往构件往往是形状或受力形式都比是形状或受力形式都比较复复杂，这就要根据力学理就要根据力学理论，再，再结合合实践践经验，按，按测试目的目的选择测点。点。大连大学机械工程学院测试技术四、四、测点的点的选择以及布片与接以及布片与接桥的原的原则对于于正正在在研研制制的的新新产品品，必必要要时，多多先先进行行光光弹性性试验，以以了了解解它它的的应力力分分布布规律律，从从而而选择截截面面形形状状或或判判断断危危险点位置，点位置，为确定确定电测测点提供依据。点提供依据。对于于已已生生产使使用用的的机机械械及及工工程程结构构，也也可可以以配配合合使使用用脆脆性性涂涂层等等实验方方法法，了了解解其其表表面面应力力分分布布情情况况，然然后后选定定测点。点。总之之，测点点的的选择是是一一个个既既重重要要又又复复杂的的问题，需需要要认真真对待。通常待。通常应考考虑以下几方面。以下几方面。大连大学机械工程学院测试技术四、四、测点的点的选择以及布片与接以及布片与接桥的一般原的一般原则（1）首先）首先对构件构件进行受力分析：行受力分析：建建立立力力学学模模型型，计算算机机电算算（用用有有限限元元法法等等计算算），找找到危到危险点及易点及易损部位。部位。根根据据受受力力分分析析，实践践经验及及易易损部部位位等等，按按测试要要求求选定定测点。点。（2）注注意意应力力集集中中区区域域：对于于构构件件容容易易发生生应力力集集中中的的孔孔、槽槽、或或截截面面尺尺寸寸有有急急剧变化化的的地地方方，要要予予以以注注意意。测点点应适适当当多多布布置置一一些些，以以便便了了解解这些些地地区区的的应力力变化化情况。情况。大连大学机械工程学院测试技术四、四、测点的点的选择以及布片与接以及布片与接桥的一般原的一般原则（3）若欲）若欲测未知区域，可以多布几个点未知区域，可以多布几个点 对最最大大应力力难于于确确定定或或需需要要了了解解截截面面应力力分分布布规律律，或或需需要要了了解解构构件件曲曲线段段应力力过渡渡情情况况等等，一一般般的的是是在在欲欲测的地方均匀地布置的地方均匀地布置57个个测点。点。（4）充分利用）充分利用结构及构及载荷的荷的对称性。称性。利利用用结构构及及载荷荷的的对称称性性以以及及结构构边界界上上的的特特殊殊情情况况来来选择测点位置。以便减少点位置。以便减少测点。点。大连大学机械工程学院测试技术四、四、测点的点的选择以及布片与接以及布片与接桥的一般原的一般原则（5）为避避免免偶偶然然误差差，可可在在不不受受力力或或已已知知应力力和和变形的位置安排形的位置安排测点。比点。比较、检查测试结果的正确性。果的正确性。2.布片的依据：布片的依据：布片的主要依据是布片的主要依据是测点的点的应力状力状态。（1）单向向应力状力状态，沿沿应力方向粘力方向粘贴电阻阻应变片。片。（2）平面）平面应力状力状态，主方向已知主方向已知时，则沿两个主方向粘沿两个主方向粘贴两个两个应变片。片。主主方方向向未未知知时，必必须根根据据实际情情况况粘粘贴45或或60应变花。花。大连大学机械工程学院测试技术四、四、测点的点的选择以及布片与接以及布片与接桥的一般原的一般原则3.接接桥方法：方法：掌掌握握接接桥方方法法是是电测的的基基本本要要求求之之一一。正正确确的的接接桥不不仅可可以以提提高高灵灵敏敏度度，减减少少测量量误差差，实现温温度度补偿，还可可以以达达到到在在杆杆件件组合合变形形下下测取取某某一一应变成成分分的的目目的的，从而大大减少从而大大减少测试的工作量。的工作量。从从电桥输出出的的关关系系式式可可以以看看出出，相相邻桥臂臂（R1和和R2，R3和和R4）有有同同号号电阻阻变化化时，对电桥输出出具具有有相相减减特特性性；而而相相对桥臂臂（R1和和R3，R2和和R4）有有同同号号电阻阻变化化时，对电桥输出具有出具有相加特性相加特性。在全。在全桥连接的接的大连大学机械工程学院测试技术四、四、测点的点的选择以及布片与接以及布片与接桥的一般原的一般原则 情况下，当情况下，当R1=R2=R3=R4时。则有：有：（1）相相邻桥臂臂的的电阻阻有有大大小小相相等等、符符号号一一致致的的变化化，或或相相对桥臂臂的的电阻阻有有大大小小相相等等、符符号号相相反反的的变化化，不不会会影响影响电桥的的输出。出。（2）相相邻桥臂臂的的电阻阻有有大大小小相相等等、符符号号相相反反的的变化化，或或相相对桥臂臂的的电阻阻有有大大小小相相等等、符符号号一一致致的的变化化，则电桥输出将加倍，即出将加倍，即电桥的灵敏度提高的灵敏度提高为原来的两倍。原来的两倍。大连大学机械工程学院测试技术四、四、测点的点的选择以及布片与接以及布片与接桥的一般原的一般原则（3）相相邻桥臂臂的的电阻阻有有大大小小相相等等、符符号号相相反反的的变化化，而而相相对桥臂臂的的电阻阻又又有有大大小小相相等等、符符号号相相同同的的变化化，则电桥的灵敏度提高到的灵敏度提高到4倍。倍。大连大学机械工程学院测试技术 9.2 9.2 力的测量力的测量一一 概述概述 (1)(1)力的测试方法与测力传感器的选用力的测试方法与测力传感器的选用 力值的测试方法可分为两类：力值的测试方法可分为两类：一一类类是是直直接接比比较较法法，即即把把待待测测力力与与基基准准量量直直接接进进行比较；行比较；另一类是另一类是间接比较法间接比较法。实实现现力力值值测测试试的的关关键键装装置置是是测测力力传传感感器器。测测力力传传感感器器种种类类繁繁多多，有有电电容容式式、压压阻阻式式、差差动动变变压压器器式式、压压电式、电阻应变式等。电式、电阻应变式等。大连大学机械工程学院测试技术 9.2 9.2 力的测量力的测量(2)电阻阻应变式力式力传感器静感器静态和和动态力力测试广泛广泛应用由用由应变片与片与弹性元件性元件组成的力成的力传感器。常用的感器。常用的弹性元件有柱式、性元件有柱式、梁式、梁式、环式、式、轮辐等多种形式。等多种形式。1)柱式柱式弹性元件柱式性元件柱式弹性元件分性元件分为实心和空心两种。在外力心和空心两种。在外力作用下，若作用下，若应力在力在弹性范性范围内，内，则应力和力和应变成正比关系，成正比关系，即即大连大学机械工程学院测试技术式中：式中：F F作用在弹性元件上的集中力；作用在弹性元件上的集中力；E E材料弹性模量；材料弹性模量；A A圆柱的横截面积。圆柱的横截面积。大连大学机械工程学院测试技术弹性元件上性元件上应变片的粘片的粘贴和和电桥连接，接，应尽可能消除偏心和弯矩尽可能消除偏心和弯矩的影响，一般将的影响，一般将应变片片对称地称地贴在在应力均匀的力均匀的圆柱表面中部，如柱表面中部，如图柱式柱式弹性元件上的布片性元件上的布片组桥所所示，示，纵向向应变片片R1和和R3，R2和和R4串串联，且，且处于于对臂位置，以减臂位置，以减小弯矩的影响。横向粘小弯矩的影响。横向粘贴的的应变片具有温度片具有温度补偿作用。作用。柱式力柱式力传感器可以感器可以测量量0.13000t的的载荷，常用于荷，常用于大型大型轧钢设备的的轧制力制力测量。量。大连大学机械工程学院测试技术2)2)梁式弹性元件梁式弹性元件梁式弹性元件有等截面梁、双端固定梁、等强度梁等梁式弹性元件有等截面梁、双端固定梁、等强度梁等多种形式。多种形式。等强度梁如图贴应变片梁式力传感器所示，梁厚为等强度梁如图贴应变片梁式力传感器所示，梁厚为h h，梁长为，梁长为l l，固定端宽为，固定端宽为b b0 0，自由端宽为，自由端宽为b b。梁的截面成。梁的截面成等腰三角形，集中力作用在三角形顶点，梁内各横截等腰三角形，集中力作用在三角形顶点，梁内各横截面产生的应力是相等的，表面上任意位置的应变也相等，面产生的应力是相等的，表面上任意位置的应变也相等，因此称为等强度梁。梁的各点由于应变相等，故粘贴应因此称为等强度梁。梁的各点由于应变相等，故粘贴应变片的位置要求不严格。其表面应变为变片的位置要求不严格。其表面应变为大连大学机械工程学院测试技术2)2)梁式弹性元件梁式弹性元件 设计时应根据最大根据最大载荷荷和和材料的允材料的允许应力力b确定梁的确定梁的尺寸。梁式尺寸。梁式弹性元件制作的力性元件制作的力传感器适于感器适于测量量5kN以下的以下的载荷，最小可荷，最小可测几克重的力。几克重的力。这种种传感器感器结构构简单，加工容易，加工容易，灵敏度高，常用于小灵敏度高，常用于小压力力测量中。量中。为保保证一定的一定的测试精度，必精度，必须合理合理选择弹性元件的性元件的结构、构、尺寸、形状和材料，并尺寸、形状和材料，并进行必行必要的加工和要的加工和热处理。理。大连大学机械工程学院测试技术第三节第三节 扭矩测量扭矩测量 扭矩扭矩是各种工作机传动轴的基本载荷形式，是旋是各种工作机传动轴的基本载荷形式，是旋转机械动力输出的重要指标，是检验产品是否合格转机械动力输出的重要指标，是检验产品是否合格 的的标志之一，是计算机械功率和效率的必需参数。标志之一，是计算机械功率和效率的必需参数。扭矩的测量扭矩的测量对传动轴载荷的确定和控制，对传对传动轴载荷的确定和控制，对传动系统各工作零件的强度设计和原动机容量的选择，动系统各工作零件的强度设计和原动机容量的选择，都有重要意义。都有重要意义。大连大学机械工程学院测试技术第三节第三节 扭矩测量扭矩测量对于于实心心圆轴对于空心于空心圆轴在在弹性范性范围内，内，对应剪剪应变大连大学机械工程学院测试技术第三节第三节 扭矩测量扭矩测量按相对转角测转矩：按相对转角测转矩：大连大学机械工程学院测试技术第三节第三节 扭矩测量扭矩测量 由上面的公式可知，只要轴的尺寸确定，材料的剪由上面的公式可知，只要轴的尺寸确定，材料的剪切弹性模量一定，转轴的切弹性模量一定，转轴的剪应变剪应变和相距和相距L的的相对转角相对转角就就只与只与扭矩扭矩有关，且成有关，且成正比正比例关系。因此，根据被例关系。因此，根据被转换转换的参数的参数和和变换器类型变换器类型，扭矩仪有以下几类：，扭矩仪有以下几类：大连大学机械工程学院测试技术第三节第三节 扭矩测量扭矩测量 我国目前我国目前应用最广的扭矩用最广的扭矩仪是是电阻应变片式电阻应变片式、相位差相位差式式和和钢弦式钢弦式三种。三种。一、一、电阻阻应变式扭矩式扭矩仪 它是利用它是利用应变片将扭矩片将扭矩产生的生的剪应变剪应变转换成成电量电量，应变片可以直接片可以直接贴在需要在需要测量扭矩的量扭矩的传动轴上，也可上，也可贴在一在一根特制的根特制的传动轴上制成上制成应变片式片式扭矩传感器扭矩传感器，应用于各种用于各种需要需要测量扭矩和功率的量扭矩和功率的传动实验台架上。台架上。大连大学机械工程学院测试技术第三节第三节 扭矩测量扭矩测量 1.应变片的片的贴片位置及方向片位置及方向 在在轴的某一点上沿的某一点上沿轴向成向成4545或或135 135 的方向的方向贴片，片，可以通可以通过这两个方向上两个方向上测得的得的应变值算得剪算得剪应变值。将将这两个两个应变片接入片接入电桥得相得相邻桥臂，臂，读出出应变仪得得应变值，在根据，在根据标定曲定曲线就可就可换算得扭矩算得扭矩值。大连大学机械工程学院测试技术第三节第三节 扭矩测量扭矩测量大连大学机械工程学院测试技术第三节第三节 扭矩测量扭矩测量 2.2.扭矩信号的传输扭矩信号的传输大连大学机械工程学院测试技术第三节第三节 扭矩测量扭矩测量 3.3.应变式扭矩传感器应变式扭矩传感器 如下图所示，如下图所示，BMR-13BMR-13型应变式扭矩传感器的结构和型应变式扭矩传感器的结构和接桥方式。接桥方式。应变式扭矩仪的测量仪表大多采用应变仪，测出应变式扭矩仪的测量仪表大多采用应变仪，测出应变应变后利用标定算出后利用标定算出扭矩值扭矩值；也有专用的二次仪表，直接换；也有专用的二次仪表，直接换算显示出扭矩值。算显示出扭矩值。大连大学机械工程学院测试技术大连大学机械工程学院测试技术第三节第三节 扭矩测量扭矩测量二、相位差扭矩仪二、相位差扭矩仪 1.1.基本原理基本原理 在扭矩的作用下，轴上间隔一定距离的两个断面之间在扭矩的作用下，轴上间隔一定距离的两个断面之间将产生一个将产生一个相对转角相对转角，如果两个断面上各安装一个机电，如果两个断面上各安装一个机电信号变换器，则两个信号变换器产生的电信号之间将有信号变换器，则两个信号变换器产生的电信号之间将有一个一个相位差相位差，由于，由于角角正比正比于于扭矩扭矩，相位差又正比于，相位差又正比于角，因此角，因此相位差正比于扭矩相位差正比于扭矩。测出相位差后，根据标定。测出相位差后，根据标定曲线获得扭矩值。曲线获得扭矩值。大连大学机械工程学院测试技术第三节第三节 扭矩测量扭矩测量2.2.相位差扭矩传感器相位差扭矩传感器 常用的相位差扭矩传感器有常用的相位差扭矩传感器有光电式光电式和和磁电式磁电式两种。两种。(1)光电式相位差传感器结构图如下图所示。光电式相位差传感器结构图如下图所示。大连大学机械工程学院测试技术大连大学机械工程学院测试技术第三节第三节 扭矩测量扭矩测量(2)(2)磁电式相位差传感器磁电式相位差传感器 利用利用导磁磁环与与线圈之圈之间，线圈与外圈与外齿轮之之间，内，内外外齿轮之之间均有气隙，当磁均有气隙，当磁钢的磁的磁势一定一定时，磁回路中，磁回路中的的磁通磁通将取决于将取决于磁阻磁阻的大小。的大小。气隙的磁阻气隙的磁阻是主要的。是主要的。由于由于齿轮的的齿形是正弦形的，形是正弦形的，线圈中的感圈中的感应电动势也按正弦波形也按正弦波形变化。化。变化频率与内外齿轮的齿数及其相变化频率与内外齿轮的齿数及其相对转速有关对转速有关。弹性性轴承受扭矩后，由于两承受扭矩后，由于两组磁磁电变换器相隔一器相隔一定定长度安装，两列信号之度安装，两列信号之间的的相位差相位差发生生变化，且正比化，且正比与与转角，因而也角，因而也正比于扭矩正比于扭矩Mn。大连大学机械工程学院测试技术大连大学机械工程学院测试技术第三节第三节 扭矩测量扭矩测量 特点特点：相位差式扭矩：相位差式扭矩传感器是非接触感器是非接触测量，无需集流量，无需集流装置，装置，结构构简单，工作可靠，工作可靠，对环境条件要求不高，精度境条件要求不高，精度可达可达0.2%，适用于高，适用于高转速下的扭矩速下的扭矩测量。量。且可同时测量且可同时测量转速转速。（3 3）振弦式扭矩传感器）振弦式扭矩传感器 大连大学机械工程学院测试技术大连大学机械工程学院测试技术第三节第三节 扭矩测量扭矩测量 振弦式扭矩传感器是利用在一定范围内振弦式扭矩传感器是利用在一定范围内频率的变频率的变化化和和拉力或压力拉力或压力成正比，该拉力或压力与传动轴的成正比，该拉力或压力与传动轴的相对转角相对转角成正比，因而也就与成正比，因而也就与扭矩成正比扭矩成正比。特点：特点：利用测量与扭矩成正比的频率参数来换利用测量与扭矩成正比的频率参数来换算扭矩，在信号传递和放大过程中，不易受某算扭矩，在信号传递和放大过程中，不易受某些条件变化的影响，允许使用较长导线。些条件变化的影响，允许使用较长导线。大连大学机械工程学院测试技术