機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ) 課件 熊詩(shī)波 第12-13章 應(yīng)變、力與扭矩測(cè)量-流體參量測(cè)量

第12章

應(yīng)變、力與扭矩測(cè)量目錄應(yīng)變與應(yīng)力的測(cè)量力的測(cè)量扭矩的測(cè)量12.112.212.3

在機(jī)械工程中,應(yīng)變、力和扭矩的測(cè)量非常重要,通過(guò)這些測(cè)量可以分析零件或結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及工作狀態(tài)的可靠性程度,驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的正確性,確定整機(jī)在實(shí)際工作時(shí)負(fù)載情況等。由于這些測(cè)量是研究某些物理現(xiàn)象機(jī)理的重要手段之一,因此它對(duì)發(fā)展設(shè)計(jì)理論,保證設(shè)備的安全運(yùn)行,以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等都具有重要的意義。而且其他與應(yīng)變、力及扭矩有密切關(guān)系的量,如應(yīng)力、功率、力矩、壓力等,其測(cè)試方法與應(yīng)變和力及扭矩的測(cè)量也有共同之處,多數(shù)情況下可先將其轉(zhuǎn)變成應(yīng)變或力的測(cè)試,然后再轉(zhuǎn)換成諸如功率、壓力等物理量。12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量

應(yīng)變測(cè)量在工程中常見(jiàn)的測(cè)量方法之一是應(yīng)變電測(cè)法。它是通過(guò)電阻應(yīng)變片,先測(cè)出構(gòu)件表面的應(yīng)變,再根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系式來(lái)確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種試驗(yàn)應(yīng)力分析方法。這種方法的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高,變換后得到的電信號(hào)可以很方便地進(jìn)行傳輸和各種變換處理,并可進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量和記錄或直接和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連接等。

12.1.1應(yīng)變的測(cè)量1.應(yīng)變測(cè)量原理圖12-1應(yīng)變測(cè)試框圖

應(yīng)變電測(cè)法的測(cè)量系統(tǒng)主要由電阻應(yīng)變片、測(cè)量電路、顯示與記錄儀器或計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成,如圖12-1所示。12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量

它的基本原理是:把所使用的應(yīng)變片按構(gòu)件的受力情況,合理地粘貼在被測(cè)構(gòu)件變形的位置上,當(dāng)構(gòu)件受力產(chǎn)生變形時(shí),應(yīng)變片敏感柵也隨之變形,敏感柵的電阻值就發(fā)生相應(yīng)的變化。其變化量的大小與構(gòu)件變形成一定的比例關(guān)系,通過(guò)測(cè)量電路(如電阻應(yīng)變測(cè)量裝置)轉(zhuǎn)換為與應(yīng)變成比例的模擬信號(hào),經(jīng)過(guò)分析處理,最后得到受力后的應(yīng)力、應(yīng)變值或其他的物理量。因此任何物理量只要能設(shè)法轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變,都可利用應(yīng)變片進(jìn)行間接測(cè)量。12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量2.應(yīng)變測(cè)量裝置

應(yīng)變測(cè)量裝置也稱為電阻應(yīng)變儀。一般采用調(diào)幅放大電路,它由電橋、前置放大器、功率放大器、相敏檢波器、低通濾波器、振蕩器、穩(wěn)壓電源(圖上未標(biāo)注)組成(見(jiàn)第5章圖5-18)。電阻應(yīng)變儀將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓(或電流)的變化,然后通過(guò)放大器將此微弱的電壓(或電流)信號(hào)進(jìn)行放大,以便指示和記錄。

電阻應(yīng)變儀中的電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測(cè)量電路。其輸出既可用指示儀表直接測(cè)量,也可以送入放大器進(jìn)行放大。橋式測(cè)量電路簡(jiǎn)單,具有較高的精確度和靈敏度,在測(cè)量裝置中被廣泛應(yīng)用。12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量

通常使用的交流電橋應(yīng)變儀,其電橋由振蕩器產(chǎn)生的數(shù)千赫茲的正弦交流作為供橋電壓(載波)。在電橋中,載波信號(hào)被應(yīng)變信號(hào)所調(diào)制,電橋輸出的調(diào)幅信號(hào)經(jīng)交流放大器放大、相敏檢波器解調(diào)和濾波器濾波后輸出。這種應(yīng)變儀能較容易地解決儀器的穩(wěn)定問(wèn)題,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)元件的要求稍低。目前我國(guó)生產(chǎn)的應(yīng)變儀基本上屬于這種類型。

根據(jù)被測(cè)應(yīng)變的性質(zhì)和工作頻率的不同,可采用不同的應(yīng)變儀。對(duì)于靜態(tài)載荷作用下的應(yīng)變,以及變化十分緩慢或變化后能很快穩(wěn)定下來(lái)的應(yīng)變,可采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。以靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量為主,兼作200Hz以下的低頻動(dòng)態(tài)測(cè)量可采用靜動(dòng)態(tài)低電阻應(yīng)變儀。0~2kHz范圍的動(dòng)態(tài)應(yīng)變,采用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀,這類應(yīng)變儀通常具有4~8個(gè)通道。測(cè)量0~20kHz的動(dòng)態(tài)過(guò)程和爆炸、沖擊等瞬態(tài)變化過(guò)程,則采用超動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀。12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量3.應(yīng)變儀的電橋特性

應(yīng)變儀中多采用交流電橋,電源以載波頻率供電,4個(gè)橋臂均為電阻組成,由可調(diào)電容來(lái)平衡分布電容。電橋輸出電壓可用式(5-11)來(lái)計(jì)算,即當(dāng)各橋臂應(yīng)變片的靈敏度S相同時(shí),則上式可改寫為這就是電橋的和差特性。應(yīng)變儀電橋的工作方式和輸出電壓見(jiàn)表12-1。注:若R1或R1、R3產(chǎn)生+ΔR,則R2或R2、R4產(chǎn)生-ΔR。12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量4.應(yīng)變片的布置與接橋方法

由于應(yīng)變片粘貼于試件后,所感受的是試件表面的拉應(yīng)變或壓應(yīng)變,應(yīng)變片的布置和電橋的連接方式應(yīng)根據(jù)測(cè)量的目的、對(duì)載荷分布的估計(jì)而定,這樣才能便于利用電橋的和差特性達(dá)到只測(cè)出所需測(cè)的應(yīng)變而排除其他因素干擾的目的。例如在測(cè)量復(fù)合載荷作用下的應(yīng)變時(shí),就需應(yīng)用應(yīng)變片的布置和接橋方法來(lái)消除相互影響的因素。因此,布片和接橋應(yīng)符合下列原則:1)在分析試件受力的基礎(chǔ)上選擇主應(yīng)力最大點(diǎn)為貼片位置。2)充分合理地應(yīng)用電橋和差特性,只使需要測(cè)的應(yīng)變影響電橋的輸出,且有足夠的靈敏度和線性度。3)使試件貼片位置的應(yīng)變與外載荷呈線性關(guān)系。

表12-2列舉了在軸向拉伸(或壓縮)載荷下應(yīng)變測(cè)試的應(yīng)變片的布置和接橋方法。從表中可以看出,應(yīng)變片不同的布置和接橋方法對(duì)靈敏度、溫度補(bǔ)償情況和消除彎矩影響是不同的。一般應(yīng)優(yōu)先選用輸出信號(hào)大、能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償、貼片方便和便于分析的方案。

關(guān)于在彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉(壓)、彎、扭復(fù)合等其他典型載荷下,應(yīng)變片的布置和接橋方法可參閱有關(guān)專著。12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量注:S—應(yīng)變片的靈敏度;

ue—供橋電壓;

ν—被測(cè)件的泊松比;

εi—應(yīng)變儀測(cè)讀的應(yīng)變值,即指示應(yīng)變;

uo—輸出電壓;

ε—所要測(cè)量的機(jī)械應(yīng)變值。12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量5.應(yīng)變片的選擇及應(yīng)用

應(yīng)變片是應(yīng)變測(cè)試中最重要的傳感器,應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)試件的測(cè)試要求及其狀況、試驗(yàn)環(huán)境等因素來(lái)選擇和粘貼應(yīng)變片。

(1)試件的測(cè)試要求

應(yīng)變片的選擇應(yīng)從滿足測(cè)試精度、所測(cè)應(yīng)變的性質(zhì)等方面考慮。例如,動(dòng)態(tài)應(yīng)變的測(cè)試一般應(yīng)選用阻值大、疲勞壽命長(zhǎng)、頻響特性好的應(yīng)變片。同時(shí),由于應(yīng)變片實(shí)際測(cè)得的是柵長(zhǎng)范圍內(nèi)分布應(yīng)變的均值,要使其均值接近測(cè)點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變,在應(yīng)變梯度較大的測(cè)試中應(yīng)盡量選用短基長(zhǎng)的應(yīng)變片。而對(duì)于小應(yīng)變的測(cè)試宜選用高靈敏度的半導(dǎo)體應(yīng)變片,測(cè)大應(yīng)變時(shí)應(yīng)采用康銅絲制成的應(yīng)變片。為保證測(cè)試精度,一般以采用膠基、康銅絲制成敏感柵的應(yīng)變片為好。當(dāng)測(cè)試線路中有各種使電阻值易發(fā)生變化的開關(guān)、繼電器等器件時(shí),則應(yīng)選用高阻值的應(yīng)變片以減少接觸電阻變化引起的測(cè)試誤差。12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量(2)試驗(yàn)環(huán)境與試件的狀況

試驗(yàn)環(huán)境對(duì)應(yīng)變測(cè)試的影響主要是通過(guò)溫度、濕度等因素起作用。因此,選用具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能的應(yīng)變片顯得十分重要。濕度過(guò)大會(huì)使應(yīng)變片受潮,導(dǎo)致絕緣電阻下降,產(chǎn)生漂移等。在濕度較大的環(huán)境中測(cè)試,應(yīng)選用防潮性能較好的膠膜應(yīng)變片。試件本身的狀況同樣是選用應(yīng)變片的重要依據(jù)之一。對(duì)材質(zhì)不均勻的試件,如鑄鋁、混凝土等,由于其變形極不均勻,應(yīng)選用大基長(zhǎng)的應(yīng)變片。對(duì)于薄壁構(gòu)件則最好選用雙層應(yīng)變片(一種特殊結(jié)構(gòu)的應(yīng)變片)。(3)應(yīng)變片的粘貼

應(yīng)變片的粘貼是應(yīng)變式傳感器或直接用應(yīng)變片作為傳感器的成敗關(guān)鍵。粘貼工藝一般包括清理試件、上膠、黏合、加壓、固化和檢驗(yàn)等。黏合時(shí),一般在應(yīng)變片上蓋上一層薄濾紙,先用手指加壓擠出部分膠液,然后用左手的中指及食指通過(guò)濾紙緊按應(yīng)變片的引出線域,同時(shí)用右手的食指像滾子一樣沿應(yīng)變片縱向擠壓,迫使氣泡及多余的膠液逸出,以保證黏合的緊密性,達(dá)到黏合膠層薄、無(wú)氣泡、黏結(jié)牢固、絕緣好的要求。粘貼的各具體工藝及黏合劑的選擇必須根據(jù)應(yīng)變片基底材料及測(cè)試環(huán)境等條件決定。12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量12.1.2應(yīng)力的測(cè)量1.應(yīng)力測(cè)量原理

在研究機(jī)器零件的剛度、強(qiáng)度、設(shè)備的力能關(guān)系以及工藝參數(shù)時(shí)都要進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的測(cè)量。應(yīng)力測(cè)量原理實(shí)際上就是先測(cè)量受力物體的變形量,然后根據(jù)胡克定律換算出待測(cè)力的大小。顯然,這種測(cè)力方法只能用于被測(cè)構(gòu)件(材料)在彈性范圍內(nèi)的條件下。又由于應(yīng)變片只能粘貼于構(gòu)件表面,所以它的應(yīng)用被限定于單向或雙向應(yīng)力狀態(tài)下構(gòu)件的受力研究。盡管如此,由于該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。所以它仍是當(dāng)前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最多的一種測(cè)力方法,能夠滿足機(jī)械工程中大多數(shù)情況下對(duì)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試的需要。12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量2.應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力計(jì)算

力學(xué)理論表明,某一測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力間的量值關(guān)系是和該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)的,根據(jù)測(cè)點(diǎn)所處應(yīng)力狀態(tài)的不同分述如下。(1)單向應(yīng)力狀態(tài)

該應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系甚為簡(jiǎn)單,由胡克定律確定為σ=Eε(12-2)

式中

E——被測(cè)件材料的彈性模量。

顯然,測(cè)得應(yīng)變值ε后,就可由式(12-2)計(jì)算出應(yīng)力值,進(jìn)而可根據(jù)零件的幾何形狀和截面尺寸計(jì)算出所受載荷的大小。在實(shí)際中,多數(shù)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)都為單向應(yīng)力狀態(tài)或可簡(jiǎn)化為單向應(yīng)力狀態(tài)來(lái)處理,如受拉的二力桿、壓床立柱及許多零件的邊緣處。(2)平面應(yīng)力狀態(tài)

在實(shí)際工作中,常常需要測(cè)量一般平面應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的主應(yīng)力,其主應(yīng)力方向可能是已知的,也可能是未知的。因此在平面應(yīng)力狀態(tài)下通過(guò)測(cè)試應(yīng)變來(lái)確定主應(yīng)力有兩種情況。12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量1)已知主應(yīng)力方向。例如承受內(nèi)壓的薄壁圓筒形容器的筒體,它處于平面應(yīng)力狀態(tài)下,其主應(yīng)力方向是已知的。這時(shí)只需沿兩個(gè)相互垂直的主應(yīng)力方向各貼一片應(yīng)變片R1和R2(見(jiàn)圖12-2a),另外再設(shè)置一片溫度補(bǔ)償片Rt,分別與R1、R2接成相鄰半橋(見(jiàn)圖12-2b),就可測(cè)得主應(yīng)變?chǔ)?和ε2,然后根據(jù)下式計(jì)算主應(yīng)力σ:圖12-2用半橋單點(diǎn)測(cè)量薄壁壓力容器的主應(yīng)變12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量2)主應(yīng)力方向未知。一般采用貼應(yīng)變花的辦法進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于平面應(yīng)力狀態(tài),如能測(cè)出某點(diǎn)三個(gè)方向的應(yīng)變?chǔ)?、ε2和ε3,就可以計(jì)算出該點(diǎn)主應(yīng)力的大小和方向。應(yīng)變花是由三個(gè)或多個(gè)按一定角度關(guān)系排列的應(yīng)變片組成(見(jiàn)圖12-3),用它可測(cè)試某點(diǎn)三個(gè)方向的應(yīng)變,然后按有關(guān)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析資料中查得的主應(yīng)力計(jì)算公式求出其大小及方向。目前市場(chǎng)上已有多種復(fù)雜圖案的應(yīng)變花供應(yīng),可根據(jù)測(cè)試要求選購(gòu),例如直角形應(yīng)變花和三角形應(yīng)變花。圖12-3常用的應(yīng)變花12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量12.1.3影響測(cè)量的因素及其消除方法

在實(shí)際測(cè)試中,為了保證測(cè)量結(jié)果的有效性,還必須對(duì)影響測(cè)量精度的各因素有所了解,并采取有針對(duì)性的措施來(lái)消除它們的影響。否則,測(cè)量將可能產(chǎn)生較大誤差甚至失去意義。1.溫度的影響及溫度補(bǔ)償

測(cè)試實(shí)踐表明,溫度對(duì)測(cè)量的影響很大,一般來(lái)說(shuō)必須考慮消除其影響。在一般情況下,溫度變化總是同時(shí)作用到應(yīng)變片和試件上的。消除由溫度引起的影響,或者對(duì)它進(jìn)行修正,以求出僅由載荷作用下引起的真實(shí)應(yīng)變的方法,稱為溫度補(bǔ)償法。其主要方法是采用溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片,或采用電路補(bǔ)償片,即利用電橋的和差特性,用兩個(gè)同樣應(yīng)變片,一片為工作片,貼在試件上需要測(cè)量應(yīng)變的地方,另一片為補(bǔ)償片,貼在與試件同材料、同溫度條件但不受力的補(bǔ)償件上。由于工作片和補(bǔ)償片處于相同的溫度——膨脹狀態(tài)下,產(chǎn)生相等的ετ,當(dāng)分別接到電橋電路的相鄰兩橋臂上,溫度變化所引起的電橋輸出等于零,起到了溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?2.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量

在測(cè)試操作中注意需滿足以下三個(gè)條件:1)工作片和補(bǔ)償片必須是相同的。2)補(bǔ)償板和待測(cè)試件的材料必須相同。3)工作片和補(bǔ)償片的溫度條件必須是相同的或位于同一溫度環(huán)境下。

應(yīng)用中,多采用雙工作片或四工作片全橋的接橋方法,這樣既可以實(shí)現(xiàn)溫度互補(bǔ)又能提高電橋的輸出。在使用電阻應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變時(shí),應(yīng)盡可能消除各種誤差,以提高測(cè)試精度。12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量2.減少貼片誤差

測(cè)量單向應(yīng)變時(shí),應(yīng)變片的粘貼方向與理論主應(yīng)力方向不一致,則實(shí)際測(cè)得應(yīng)變值,不是主應(yīng)力方向的真實(shí)應(yīng)變值,從而產(chǎn)生一個(gè)附加誤差。也即應(yīng)變片的軸線與主應(yīng)變方向有偏差時(shí),就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差,因此在粘貼應(yīng)變片時(shí)對(duì)此應(yīng)給予充分的注意。3.力求應(yīng)變片實(shí)際工作條件和額定條件的一致

當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度標(biāo)定時(shí)的試件材料與被測(cè)材料不同和應(yīng)變片名義電阻值與應(yīng)變儀橋臂電阻不同時(shí),都會(huì)引起誤差。一定基長(zhǎng)的應(yīng)變片,有一定的允許極限頻率。例如,要求測(cè)量誤差不大于1%時(shí),基長(zhǎng)為5mm,允許的極限頻率為77Hz,而基長(zhǎng)為20mm時(shí),則極限頻率只能達(dá)到19Hz。4.排除測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾

在測(cè)量時(shí)儀表示值抖動(dòng),大多由電磁干擾所引起,如接地不良、導(dǎo)線間互感、漏電、靜電感應(yīng)、現(xiàn)場(chǎng)附近有電焊機(jī)等強(qiáng)磁場(chǎng)干擾及雷擊干擾等,應(yīng)想辦法排除。12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量5.測(cè)點(diǎn)的選擇

測(cè)點(diǎn)的選擇和布置對(duì)能否正確了解結(jié)構(gòu)的受力情況和實(shí)現(xiàn)正確的測(cè)量影響很大。測(cè)點(diǎn)越多,越能了解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀況,然而卻增加了測(cè)試和數(shù)據(jù)處理的工作量和貼片誤差。因此,應(yīng)根據(jù)以最少的測(cè)點(diǎn)達(dá)到足夠真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的原則來(lái)選擇測(cè)點(diǎn),為此,一般應(yīng)做如下考慮:1)預(yù)先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大致的受力分析,預(yù)測(cè)其變形形式,找出危險(xiǎn)斷面及危險(xiǎn)位置。這些地方一般是處在應(yīng)力最大或變形最大的部位。而最大應(yīng)力一般又是在彎矩、剪力或扭矩最大的截面上。然后根據(jù)受力分析和測(cè)試要求,結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)最后選定測(cè)點(diǎn)。2)截面尺寸急劇變化的部位或因孔、槽導(dǎo)致應(yīng)力集中的部位,應(yīng)適當(dāng)多布置一些測(cè)點(diǎn),以便了解這些區(qū)域的應(yīng)力梯度情況。12.1應(yīng)變和應(yīng)力的測(cè)量3)如果最大應(yīng)力點(diǎn)的位置難以確定,或者為了了解截面應(yīng)力分布規(guī)律和曲線輪廓段應(yīng)力過(guò)渡的情況,可在截面上或過(guò)渡段上比較均勻地布置5~7個(gè)測(cè)點(diǎn)。4)利用結(jié)構(gòu)與載荷的對(duì)稱性,以及對(duì)結(jié)構(gòu)邊界條件的有關(guān)知識(shí)來(lái)布置測(cè)點(diǎn),往往可以減少測(cè)點(diǎn)數(shù)目,減輕工作量。5)可以在不受力或已知應(yīng)變、應(yīng)力的位置上安排一個(gè)測(cè)點(diǎn),以便在測(cè)試時(shí)進(jìn)行監(jiān)視和比較,有利于檢查測(cè)試結(jié)果的正確性。6)防止干擾:由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)存在接地不良,導(dǎo)線分布電容、互感,電焊機(jī)等強(qiáng)磁場(chǎng)干擾或雷擊等原因,會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的改變,應(yīng)采取措施排除。7)動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí),要注意應(yīng)變片的頻響特性,由于很難保證同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)對(duì)稱和受載情況對(duì)稱,因此一般情況下多為單片半橋測(cè)量。12.2力的測(cè)量

在機(jī)械工程中,力學(xué)參數(shù)的測(cè)量是最常碰到的問(wèn)題之一。由于機(jī)械設(shè)備中多數(shù)零件或構(gòu)件的工作載荷屬于隨機(jī)載荷,要精確地計(jì)算這些載荷及所產(chǎn)生的影響是十分困難的。而通過(guò)對(duì)其力學(xué)參數(shù)的測(cè)量則可以分析和研究機(jī)械零件、機(jī)構(gòu)或整體結(jié)構(gòu)的受力情況和工作狀態(tài),驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性,確定整機(jī)工作過(guò)程中載荷譜和某些物理現(xiàn)象的機(jī)理。因此力學(xué)參數(shù)測(cè)量對(duì)發(fā)展設(shè)計(jì)理論、保證安全運(yùn)行,以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制等都具有重要的作用。

當(dāng)力施加于某一物體后,將產(chǎn)生兩種效應(yīng),一是使物體變形的效應(yīng),二是使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的效應(yīng)。由胡克定律可知:彈性物體在力的作用下產(chǎn)生變形時(shí),若在彈性范圍內(nèi),物體所產(chǎn)生的變形量與所受的力值成正比。因此只需通過(guò)一定手段測(cè)出物體的彈性變形量,就可間接確定物體所受力的大小,如本章第一節(jié)所述可知利用物體變形效應(yīng)測(cè)力是間接測(cè)量測(cè)力傳感器中“彈性元件”的變形量。物體受到力的作用時(shí),產(chǎn)生相應(yīng)的加速度。由牛頓第二定律可知:當(dāng)物體質(zhì)量確定后,該物體所受的力和所產(chǎn)生的加速度,兩者之間具有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。只需測(cè)出物體的加速度,就可間接測(cè)得力值。故通過(guò)測(cè)量力傳感器中質(zhì)量塊的加速度便可間接獲得力值。一般而言在機(jī)械工程當(dāng)中,大部分測(cè)力方法都是基于物體受力變形效應(yīng)。12.2力的測(cè)量12.2.1幾種常用力傳感器的介紹1.彈性變形式力傳感器

該傳感器的特點(diǎn)是首先把被測(cè)力轉(zhuǎn)變成彈性元件的應(yīng)變,再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測(cè)出應(yīng)變,從而間接地測(cè)出力的大小。所以彈性敏感元件是這類傳感器的基礎(chǔ),應(yīng)變片是其核心。彈性元件的性能好壞是保證測(cè)力傳感器使用質(zhì)量的關(guān)鍵。為保證一定的測(cè)量精度,必須合理選擇彈性元件的結(jié)構(gòu)尺寸、形式和材料,仔細(xì)進(jìn)行加工和熱處理;并需保證小的表面粗糙度值等。衡量彈性元件性能的主要指標(biāo)有非線性、彈性滯后、彈性模量的溫度系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、剛度、強(qiáng)度和固有頻率等。力傳感器所用的彈性敏感元件有柱式、環(huán)式、梁式和S形幾大類。12.2力的測(cè)量(1)圓柱式電阻應(yīng)變式力傳感器

圖12-4是一種用于測(cè)量壓縮力的應(yīng)變式測(cè)力頭的典型構(gòu)造。受力彈性元件是一個(gè)由圓柱加工成的方柱體,應(yīng)變片粘貼在四側(cè)面上。圖12-4貼應(yīng)變片柱式力傳感器12.2力的測(cè)量

在不減小柱體的穩(wěn)定性和應(yīng)變片粘貼面積的情況下,為了提高靈敏度,可采用內(nèi)圓外方的空心柱。側(cè)向加強(qiáng)板用來(lái)增大彈性元件在x-y平面中的剛度,減小側(cè)向力對(duì)輸出的影響。加強(qiáng)板的z向剛度很小,以免影響傳感器的靈敏度。應(yīng)變片按圖示粘貼并采用全橋接法,這樣既能消除彎矩的影響,也有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。?duì)于精確度要求特別高的力傳感器,可在電橋某一臂上串接一個(gè)熱敏電阻RT1,以補(bǔ)償4個(gè)應(yīng)變片電阻溫度系數(shù)的微小差異。用另一熱敏電阻RT2和電橋串接,可改變電橋的激勵(lì)電壓,以補(bǔ)償彈性元件彈性模量隨溫度而變化的影響。這兩個(gè)電阻都應(yīng)裝在力傳感器內(nèi)部,以保證和應(yīng)變片處于相同的溫度環(huán)境。12.2力的測(cè)量(2)梁式拉壓力傳感器

為了獲得較大的靈敏度,可采用梁式結(jié)構(gòu)。圖12-5所示是用來(lái)測(cè)量拉/壓力傳感器的典型彈性元件。顯然,剛度和固有頻率都會(huì)相應(yīng)地降低。如果結(jié)構(gòu)和粘貼都對(duì)稱,應(yīng)變片參數(shù)也相同,則這種傳感器具有較高的靈敏度,并能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償和消除x和y方向的干擾。圖12-5貼應(yīng)變片梁式力傳感器12.2力的測(cè)量2.差動(dòng)變壓器式力傳感器

如圖12-6所示是一種差動(dòng)變壓器式力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖,該傳感器采用一個(gè)薄壁圓筒1作為彈性元件。彈性圓筒受力發(fā)生變形時(shí),帶動(dòng)鐵心2在線圈3中移動(dòng),兩者的相對(duì)位移量即反映了被測(cè)力的大小。該類力傳感器是通過(guò)彈性元件來(lái)實(shí)現(xiàn)力和位移間的轉(zhuǎn)換。彈性元器件的變形由差動(dòng)變壓器轉(zhuǎn)換成電信號(hào),其工作溫度范圍比較寬(-54~93℃),在長(zhǎng)、徑比較小時(shí),受橫向偏心力的影響較小。圖12-6差動(dòng)變壓器式測(cè)力傳感器12.2力的測(cè)量3.壓磁式力傳感器

壓磁式力傳感器的工作基礎(chǔ)是基于鐵磁材料的壓磁效應(yīng)。它是指某些鐵磁材料(如正磁致伸縮材料),受壓時(shí),其磁導(dǎo)率沿應(yīng)力方向下降,而沿著與應(yīng)力垂直的方向則增加。材料受拉時(shí),磁導(dǎo)率變化正好相反。通過(guò)材料中孔槽的載流導(dǎo)線,如無(wú)外力作用下材料中的磁力線成為以導(dǎo)線為中心的同心圓分布。在外力作用下,磁力線則成橢圓分布。當(dāng)外力為拉力時(shí),橢圓長(zhǎng)軸與外力方向一致;當(dāng)外力為壓力時(shí),則與外力方向垂直。若該鐵磁材料開有4個(gè)對(duì)稱的通孔,如圖12-7所示,在1、2和3、4孔中分別繞著互相垂直的兩繞組,其中1-2繞組通過(guò)交流電流I,作為勵(lì)磁繞組;3-4繞組作為測(cè)量繞組。在無(wú)外力作用下,勵(lì)磁繞組所產(chǎn)生的磁力線在測(cè)量繞組兩側(cè)對(duì)稱分布,合成磁場(chǎng)強(qiáng)度與測(cè)量繞組平面平行,磁力線不和測(cè)量繞組交鏈,從而不使后者產(chǎn)生感應(yīng)電感。一旦受到外力作用,磁力線分布發(fā)生變化,部分磁力線和測(cè)量繞組交鏈,在該繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。作用力越大,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。12.2力的測(cè)量圖12-7壓磁元件及其工作原理12.2力的測(cè)量

圖12-8所示為一種典型的壓磁式力傳感器結(jié)構(gòu),彈性梁3的作用是對(duì)壓磁元件施加預(yù)壓力和減少橫向力和彎矩的干擾,鋼球4則是用來(lái)保證力F沿垂直方向作用,壓磁元件和基座的連接表面應(yīng)十分平整密合。

壓磁式力傳感器具有輸出功率大、抗干擾能力強(qiáng)、精度較高、線性好、壽命長(zhǎng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),這類力傳感器的輸出電動(dòng)勢(shì)較大,一般不必經(jīng)過(guò)放大,但需經(jīng)過(guò)濾波和整流處理。它適用于冶金、礦山、造紙、印刷、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè),有較好的發(fā)展前景。圖12-8壓磁式力傳感器12.2力的測(cè)量4.壓電式力傳感器

壓電式傳感器應(yīng)用壓電效應(yīng),將力轉(zhuǎn)換成電量。作為測(cè)力傳感器它具有以下特點(diǎn):靜態(tài)特性良好,即靈敏度、線性度好、滯后小,因壓電式測(cè)力傳感器中的敏感元件自身的剛度很高,而受力后,產(chǎn)生的電荷量(輸出)僅與力值有關(guān)而與變形元件的位移無(wú)直接關(guān)系,因而其剛度的提高基本不受靈敏度的限制,可同時(shí)獲得高剛度和高靈敏度;動(dòng)態(tài)特性亦好,即固有頻率高、工作頻帶寬幅值相對(duì)誤差和相位誤差小、瞬態(tài)響應(yīng)上升時(shí)間短,故特別適用于測(cè)量動(dòng)態(tài)力和瞬態(tài)沖擊力;穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng);當(dāng)采用時(shí)間常數(shù)大的電荷放大器時(shí),可以測(cè)量靜態(tài)力和準(zhǔn)靜態(tài)力,但長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)測(cè)量靜態(tài)力將產(chǎn)生較大的誤差。因此壓電式測(cè)力傳感器已成為動(dòng)態(tài)力測(cè)量中的十分重要的部件。12.2力的測(cè)量

選擇不同切型的壓電晶片,按照一定的規(guī)律組合,則可構(gòu)成各種類型的測(cè)力傳感器。圖12-9所示是兩種壓電式力傳感器的構(gòu)造圖,圖12-9a所示的力傳感器的內(nèi)部加有恒定預(yù)壓載荷,使之在1000N的拉伸力到5000N的壓縮力范圍內(nèi)工作時(shí),不致出現(xiàn)內(nèi)部元件的松弛。圖12-9b所示的力傳感器,帶有一個(gè)外部預(yù)緊螺母,可以用來(lái)調(diào)整預(yù)緊力,以保證力傳感器在4000N拉伸力到16000N壓縮力的范圍中正常工作。圖12-9壓電式力傳感器的構(gòu)造圖12.2力的測(cè)量12.2.2空間力系測(cè)量裝置

一般空間力系包括三個(gè)互相垂直的分力和三個(gè)互相垂直的力矩分量。對(duì)未知作用方向的作用力,如需完全測(cè)定它,也需按空間力系來(lái)處理。在空間力系測(cè)量工作中,巧妙地設(shè)計(jì)受力的彈性元件和布置應(yīng)變片或選擇壓電晶體片的敏感方向是成功的關(guān)鍵。圖12-10所示為壓電式三向測(cè)力傳感器元件組合方式的示意圖。圖12-10用于三向測(cè)力的傳感元件的組合圖

其傳感元件由三對(duì)不同切型的壓電石英片組成,其中一對(duì)為X0型切片,具有縱向壓電效應(yīng),用它測(cè)量z向力Fz,另外兩對(duì)為Y0型切片,具有橫向壓電效應(yīng),兩者互成90°安裝,分別測(cè)y向力Fy和x向力Fx。此種傳感器可以同時(shí)測(cè)出空間任意方向的作用力在x、y、z三個(gè)方向上的分力。多向測(cè)力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了測(cè)力儀的結(jié)構(gòu),同時(shí)又提高了測(cè)力系統(tǒng)的剛度。12.2力的測(cè)量圖12-10用于三向測(cè)力的傳感元件的組合圖12.2力的測(cè)量12.2.3動(dòng)態(tài)測(cè)力裝置的使用特點(diǎn)

動(dòng)態(tài)測(cè)力裝置除了在靈敏度、線性誤差、頻率范圍等方面應(yīng)滿足預(yù)定要求外,使用時(shí)還應(yīng)考慮動(dòng)力學(xué)方面的一些特點(diǎn)。1.動(dòng)態(tài)測(cè)力裝置的動(dòng)態(tài)誤差

如前所述,近代測(cè)力裝置基本上都是以某一彈性元件所產(chǎn)生的彈性變形(或與之成比例的彈性力)作為測(cè)力基礎(chǔ)的,因而大多數(shù)測(cè)力裝置可以近似抽象如圖7-1所示的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)。但是在測(cè)量過(guò)程中,它與被測(cè)系統(tǒng)以及它的支承系統(tǒng)組成非常復(fù)雜的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)。這樣在動(dòng)態(tài)力作用下,該彈性元件的彈性變形(或彈性力)同動(dòng)態(tài)力的關(guān)系也就相當(dāng)復(fù)雜,兩者在幅值、相位方面都有較大的差異,這些差異和測(cè)力裝置的動(dòng)態(tài)特性、支承系統(tǒng)、負(fù)載效應(yīng)都有密切關(guān)系。以彈性元件的彈性變形(或彈性力)為基礎(chǔ)的力學(xué)測(cè)力裝置,應(yīng)保證該彈性力和被測(cè)力成比例、同相位。然而一旦將測(cè)力裝置和被測(cè)系統(tǒng)相接,由于負(fù)載效應(yīng),將使被測(cè)力發(fā)生變化,使作用于測(cè)力裝置的施加力和原來(lái)被測(cè)力不一樣。12.2力的測(cè)量

要完全消除這種差別唯有取被測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)件作為測(cè)力裝置的彈性元件。其次,作為時(shí)間矢量,實(shí)際作用力F和測(cè)力裝置的阻尼力Fc、慣性力Fm以及彈性元件的彈性力Fk之間的關(guān)系如圖12-11所示。顯然,彈性力和實(shí)際作用力在幅值和相位兩方面都不一樣。最后,即使可以用二階系統(tǒng)的響應(yīng)特性來(lái)近似描述這類裝置,也只有在一定頻率范圍內(nèi),即其工作頻率ω遠(yuǎn)小于其固有頻率ωn的情況下,才能近似滿足不失真的測(cè)量條件。如果支承系統(tǒng)的剛性不好,情況會(huì)更加惡化,與不失真測(cè)量條件相差更遠(yuǎn)。圖12-11實(shí)際作用力和測(cè)量測(cè)力裝置的慣性力、阻尼力以及彈性力的關(guān)系12.2力的測(cè)量

總之,在一般情況下,由于上述三方面的原因,測(cè)力彈性元件的彈性力(或彈性變形)和被測(cè)力總有幅值和相位的差異。因此在實(shí)際使用條件下,在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)進(jìn)行全面的標(biāo)定和校準(zhǔn)是一件必不可少的工作。

此外,從圖中還可看出,如果能測(cè)出阻尼力Fc和慣性力Fm,將它們與彈性力Fk相加,就可以得出實(shí)際作用力F來(lái),從而消除了測(cè)量的方法誤差。由于Fk、Fc和Fm分別和測(cè)力裝置的位移、速度和加速度成正比,但方向相反,若用一個(gè)質(zhì)量甚小的加速度計(jì)來(lái)測(cè)量測(cè)力裝置的加速度,用微分電路由彈性位移信號(hào)求得速度信號(hào),然后用運(yùn)算放大器將這兩項(xiàng)信號(hào)按適當(dāng)比例加進(jìn)位移信號(hào)中,對(duì)Fk進(jìn)行補(bǔ)償,便可得到實(shí)際作用力F,消除了測(cè)量方法誤差。圖12-11實(shí)際作用力和測(cè)量測(cè)力裝置的慣性力、阻尼力以及彈性力的關(guān)系12.2力的測(cè)量2.注意減小交叉干擾

一個(gè)理想的多向測(cè)力裝置,要求在互相垂直的三個(gè)方向中的任何一個(gè)方向受到力的作用時(shí),其余兩方向上不應(yīng)有輸出。實(shí)際上卻常常會(huì)有微小輸出,這種現(xiàn)象稱為交叉干擾。為了減小交叉干擾,必須采用相應(yīng)的措施,例如精心設(shè)計(jì)彈性元件,使其受力變形合理;正確選擇應(yīng)變片的粘貼部位并準(zhǔn)確地粘貼之;最后,還往往利用測(cè)力裝置標(biāo)定結(jié)果來(lái)修正交叉干擾的影響。12.2力的測(cè)量3.測(cè)力裝置頻率特性的測(cè)定

確定整個(gè)測(cè)力裝置頻率特性的具體辦法與確定某一系統(tǒng),特別是機(jī)械系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性的方法沒(méi)有原則差別。但是必須特別強(qiáng)調(diào)的是,動(dòng)態(tài)特性測(cè)定必須在實(shí)際工作條件下進(jìn)行。常用的激勵(lì)是正弦激勵(lì)和沖擊激勵(lì)。對(duì)于后者,在測(cè)得激勵(lì)力x(t)和測(cè)力裝置的響應(yīng)y(t)之后,一般采用Sxy(f)=Sxx(f)=H(f)Sx(f)(12-5)來(lái)確定其頻率響應(yīng)函數(shù)H(f)。12.2力的測(cè)量12.2.4測(cè)力傳感器的標(biāo)定

為確保力測(cè)試的正確性和準(zhǔn)確性,使用前必須對(duì)測(cè)力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定的精度將直接影響傳感器的測(cè)試精度。測(cè)力傳感器在出廠時(shí),盡管已對(duì)其性能指標(biāo)逐項(xiàng)進(jìn)行過(guò)標(biāo)定和校準(zhǔn),但在使用過(guò)程中還應(yīng)定期進(jìn)行校準(zhǔn),以保證測(cè)試精度。此外,由于測(cè)試環(huán)境的變化,使得系統(tǒng)的靈敏度亦發(fā)生變化。因此必須對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度等有關(guān)性能指標(biāo)重新標(biāo)定。測(cè)力傳感器的標(biāo)定分靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定兩個(gè)方面。12.2力的測(cè)量1.靜態(tài)標(biāo)定

靜態(tài)標(biāo)定最主要的目的是確定標(biāo)定曲線、靈敏度和各向交叉干擾度。為此,標(biāo)定時(shí)所施加的標(biāo)準(zhǔn)力的量值和方向都必須精確。加載方向?qū)Υ_定交叉干擾度有著重大影響,力的作用方向一旦偏離指定方向,就會(huì)使交叉干擾度產(chǎn)生變化。標(biāo)定時(shí)對(duì)測(cè)力傳感器施加一系列標(biāo)準(zhǔn)力,測(cè)得相應(yīng)的輸出后,根據(jù)兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系繪制標(biāo)定曲線,再求出表征傳感器靜態(tài)特性的各項(xiàng)性能指標(biāo),如靜態(tài)靈敏度、線性度、回程誤差、重復(fù)性、穩(wěn)定性以及橫向干擾等。

靜態(tài)標(biāo)定通常在特制的標(biāo)定臺(tái)上進(jìn)行。所施加的標(biāo)準(zhǔn)力的大小和方向都應(yīng)十分精確,其力值必須符合計(jì)量部門有關(guān)量值傳遞的規(guī)定和要求。通常標(biāo)準(zhǔn)力的量值用砝碼或標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力環(huán)來(lái)度量。標(biāo)定時(shí)采用砝碼-杠桿加載系統(tǒng)、螺桿-標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力環(huán)加載系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)加載等。12.2力的測(cè)量2.動(dòng)態(tài)標(biāo)定

動(dòng)態(tài)標(biāo)定使用于瞬變力和交變力等動(dòng)態(tài)測(cè)試的傳感器。對(duì)于用于動(dòng)態(tài)測(cè)量的傳感器,僅做靜態(tài)標(biāo)定是不夠的,有時(shí)還需進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的在于獲取傳感器的動(dòng)態(tài)特性曲線,再由動(dòng)態(tài)特性曲線求得測(cè)力傳感器的固有頻率、阻尼比、工作頻帶、動(dòng)態(tài)誤差等反映動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)。對(duì)測(cè)力傳感器或整個(gè)測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定的方法就是輸入一個(gè)動(dòng)態(tài)激勵(lì)力,測(cè)出相應(yīng)的輸出,然后確定出傳感器的頻率響應(yīng)特性等。12.2力的測(cè)量

沖擊法也是獲取測(cè)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的方法之一。沖擊法可獲得半正弦波瞬變激勵(lì)力,此法簡(jiǎn)單易行。如圖12-12a所示,將待定的測(cè)力傳感器安放在有足夠質(zhì)量的基礎(chǔ)上,用一個(gè)質(zhì)量為m的鋼球從確定的高度h自由落下,當(dāng)鋼球沖擊傳感器時(shí),由傳感器所測(cè)得的沖擊力信號(hào)經(jīng)放大后輸入瞬態(tài)波形存儲(chǔ)器,或直接輸入信號(hào)分析儀,即可得到如圖12-12b所示的波形。圖中,0~t1為沖擊力作用時(shí)間,點(diǎn)畫線為沖擊力波形,實(shí)線為實(shí)際的輸出波形,t1~t段為自由衰減振蕩信號(hào),它和0~t1段中疊加在沖擊力波形上的高頻分量反映了傳感器的固有特性,對(duì)其做進(jìn)一步分析處理,可獲得測(cè)力傳感器的動(dòng)態(tài)特性。圖12-12沖擊標(biāo)定系統(tǒng)及沖擊力波形12.3

扭矩的測(cè)量

旋轉(zhuǎn)軸上的扭矩是改變物體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的物理量,是力和力臂的乘積。扭矩的單位是N·m。測(cè)量扭矩的方法甚多,其中通過(guò)轉(zhuǎn)軸的應(yīng)變、應(yīng)力、扭角來(lái)測(cè)量扭矩的方法最常用,也即根據(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)來(lái)測(cè)量扭矩。例如在被測(cè)機(jī)器的軸上或是在裝于機(jī)器上的彈性元件上粘貼應(yīng)變片,然后測(cè)量其應(yīng)變。其中裝于機(jī)器上的彈性元件屬扭矩傳感器的一部分。這種傳感器就是專用于測(cè)量軸的扭矩。12.3.1應(yīng)變式扭矩傳感器的工作原理

扭矩的測(cè)量以測(cè)量轉(zhuǎn)軸應(yīng)變和測(cè)量轉(zhuǎn)軸兩橫截面相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的方法最常用。應(yīng)變式扭矩傳感器所測(cè)得的是在扭矩作用下轉(zhuǎn)軸表面的主應(yīng)變?chǔ)?。從材料力學(xué)得知,該主應(yīng)變和所受到的扭矩成正比關(guān)系。也可利用彈性體把轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為角位移,再由角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。12.3

扭矩的測(cè)量

圖12-13給出了一種用于扭矩傳感器的扭矩彈性元件。把這種彈性軸連接在驅(qū)動(dòng)源和負(fù)載之間,彈性軸就會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角為圖12-13用于測(cè)量扭矩的彈性軸式中

φ——彈性軸的扭轉(zhuǎn)角(rad); l——彈性軸的測(cè)量長(zhǎng)度(m);

D——彈性軸的直徑(m); M——扭矩(N·m);G——彈性軸材料的切變模量(Pa)。12.3

扭矩的測(cè)量

由于扭角與扭矩M成正比,在實(shí)際測(cè)量中,常在彈性軸圓軸上安裝兩個(gè)齒輪盤,齒輪盤之間的扭角即為彈性軸的扭角,通過(guò)電磁耦合將扭角信號(hào)耦合成電信號(hào),再經(jīng)標(biāo)定得到輸出扭矩值。按彈性軸變形測(cè)量時(shí)按彈性軸應(yīng)力測(cè)量時(shí)按彈性軸應(yīng)變測(cè)量時(shí)式中

ε45°、ε135°——彈性軸上與軸線成45°、135°角的方向上的主應(yīng)變。

從式(12-6)~式(12-9)可以看出,當(dāng)彈性軸的參數(shù)固定,轉(zhuǎn)矩對(duì)彈性軸作用時(shí),產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角或應(yīng)力、應(yīng)變與轉(zhuǎn)矩成正比關(guān)系。因此只要測(cè)得扭轉(zhuǎn)角或應(yīng)力、應(yīng)變,便可知扭矩的大小。按扭矩信號(hào)的產(chǎn)生方式可以設(shè)計(jì)為光電式、光學(xué)式、磁電式、電容式、電阻應(yīng)變式、振弦式、壓磁式等各種扭矩儀器。12.3

扭矩的測(cè)量12.3.2應(yīng)變片式扭矩傳感器

當(dāng)作為扭矩傳感器上的彈性軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí),在相對(duì)于軸中心線45°方向上會(huì)產(chǎn)生壓縮或拉伸力,從而將力加在旋轉(zhuǎn)軸上。如果在彈性軸上或直接在被測(cè)軸上,沿軸線的45°或135°方向?qū)?yīng)變片粘貼上,當(dāng)傳感器的彈性軸受轉(zhuǎn)矩M作用時(shí),應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變,其應(yīng)變量ε與轉(zhuǎn)矩M呈線性關(guān)系。

對(duì)于空心圓柱形彈性軸式中

G——彈性軸的彈性模量; d、D——空心轉(zhuǎn)軸的內(nèi)徑和外徑。

對(duì)于正方形截面積彈性軸式中

a——彈性軸的邊長(zhǎng)。12.3

扭矩的測(cè)量

當(dāng)測(cè)量彈性軸的扭矩時(shí),將應(yīng)變片R1,R2按圖12-14a所示的方向(與軸線成45°角,并且兩片互相垂直)貼在彈性軸上,則沿應(yīng)變片R1方向的應(yīng)變?yōu)檠貞?yīng)變片R2方向的應(yīng)變?yōu)槭街?/p>

E——彈性軸材料的彈性模量(N/m2)。因σ1=-σ3,故ε1=-ε3。圖12-14扭力桿上應(yīng)變片的粘貼12.3

扭矩的測(cè)量

圖12-14a所示的半橋,不但能使測(cè)量靈敏度比貼一片45°方向的應(yīng)變片時(shí)高一倍,而且還能消除由于彈性軸安裝不善所產(chǎn)生的附加彎矩和軸向力的影響,但這種貼片的接橋方式不能消除附加橫向剪力的影響。如果在彈性軸上粘貼4片應(yīng)變片并將它們接成半橋或全橋,就能消除附加橫向剪力的影響(見(jiàn)圖12-14b)。這種在彈性軸的適當(dāng)部位按圖粘貼4片應(yīng)變片后,作為全橋連接構(gòu)成的扭矩傳感器,若能保證應(yīng)變片粘貼位置準(zhǔn)確、應(yīng)變片特性匹配,則這種裝置就具有良好的溫度補(bǔ)償和消除彎曲應(yīng)力、軸向應(yīng)力影響的功能。粘貼后的應(yīng)變片必須準(zhǔn)確地與軸線成45°,應(yīng)變片1和3、2和4應(yīng)在同一直徑的兩端。采用應(yīng)變花可以簡(jiǎn)化粘貼并易于獲得準(zhǔn)確的位置。在用應(yīng)變片直接粘貼在彈性軸上的情況下,有時(shí)為了提高靈敏度,將機(jī)器彈性軸的一部分設(shè)計(jì)成空心軸,以提高應(yīng)變量。對(duì)于專用的扭矩傳感器的彈性元件可以設(shè)計(jì)的應(yīng)變量較大,以提高測(cè)量靈敏度。12.3

扭矩的測(cè)量

彈性軸截面最常用的是圓柱形,如圖12-15所示。但對(duì)于測(cè)量小轉(zhuǎn)矩的彈性軸,考慮到抗彎曲強(qiáng)度、臨界轉(zhuǎn)速、電阻應(yīng)變片尺寸及粘貼工藝等因素,多采用空心結(jié)構(gòu)。大量程轉(zhuǎn)矩測(cè)量一般多采用實(shí)心方形截面彈性軸,應(yīng)該注意應(yīng)變片的中心線必須準(zhǔn)確地粘貼在表面的45°及135°螺旋線上,否則彈性軸在正、反向力矩作用下的輸出靈敏度將有差別,造成方向誤差。一般允許粘貼角度的誤差的范圍為±0.5°。圖12-15各種截面形狀轉(zhuǎn)軸12.3

扭矩的測(cè)量

圖12-16是這種傳感器的工作原理圖。為了給旋轉(zhuǎn)的應(yīng)變片輸入電壓和從電橋中檢測(cè)出信號(hào),在整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)上安裝有集流環(huán)和電刷。扭矩傳感器由彈性軸和貼在其上的應(yīng)變片組成,并成為扭矩傳遞系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié),和轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。為了給旋轉(zhuǎn)著的應(yīng)變片輸入電壓和從電橋中取出檢測(cè)信號(hào),采用由電環(huán)和電刷組成的集流環(huán)部件來(lái)完成傳遞。通過(guò)此旋轉(zhuǎn)元件(電環(huán),固定在轉(zhuǎn)軸上)和靜止元件(電刷,固定在機(jī)架上)的接觸,將傳感器所需的激勵(lì)電壓輸入和檢測(cè)信號(hào)的輸出?；蛘卟捎冒l(fā)射器件和接收器件之間電磁場(chǎng)的耦合方式,無(wú)接觸地將傳感器的信號(hào)耦合到接收端。圖12-16應(yīng)變式扭矩傳感器工作原理12.3

扭矩的測(cè)量12.3.3信號(hào)傳輸1.集流環(huán)裝置

集流環(huán)部件由兩部分組成:一部分與應(yīng)變片的引出線連接并固定在轉(zhuǎn)軸上隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),稱為轉(zhuǎn)子;另一部分與應(yīng)變儀導(dǎo)線連接,靜止不動(dòng),稱為定子。轉(zhuǎn)子與定子能夠相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而既用來(lái)輸出構(gòu)件上應(yīng)變片轉(zhuǎn)換的電信號(hào)和輸出熱電偶等各種傳感器的電信號(hào),亦可用來(lái)輸入外部對(duì)傳感器的激勵(lì)電壓。集流環(huán)的優(yōu)劣直接影響測(cè)量精度,質(zhì)量低劣或維護(hù)不當(dāng)?shù)募鳝h(huán)所產(chǎn)生的電噪聲甚至能淹沒(méi)扭矩信號(hào),使測(cè)量無(wú)法進(jìn)行。因此對(duì)集流環(huán)的要求是:接觸電阻變化要小,一般希望接觸電阻的變化小到應(yīng)變片電阻變化的1/50~1/100。12.3

扭矩的測(cè)量

測(cè)量電路的接法對(duì)應(yīng)變式扭矩傳感器的測(cè)量精度也有很大的影響,若像圖12-17a所示,扭力軸上的應(yīng)變片組成半橋,在A、B、C三點(diǎn)通過(guò)集流環(huán)引出,接到應(yīng)變儀的測(cè)量電路上去。在這種情況下集流環(huán)的接觸電阻是串入橋臂的,因此接觸電阻的變化和扭矩變化一樣,也要引起應(yīng)變儀輸出的變化,從而給測(cè)量造成誤差。而像圖12-17b所示彈性軸上粘4個(gè)應(yīng)變片,接成全橋,其4個(gè)結(jié)點(diǎn)通過(guò)4個(gè)集電環(huán)-電刷引出,那么各接觸電阻就不在橋臂之內(nèi),因此由接觸電阻的變化所引起的測(cè)量誤差就大大減小了。圖12-17測(cè)量電路的接法12.3

扭矩的測(cè)量2.無(wú)線傳輸方式

無(wú)線傳輸方式可以克服有線傳輸?shù)娜秉c(diǎn),因而得到越來(lái)越多的應(yīng)用。它分為電波收發(fā)方式和光電脈沖傳輸方式。這兩種方式從使用的角度來(lái)看都取消了中間接觸環(huán)節(jié)、導(dǎo)線和專門的集流裝置。電波收發(fā)方式測(cè)量系統(tǒng)要求可靠的發(fā)射、接收和遙測(cè)裝置,且其信號(hào)容易受到干擾;而光電脈沖測(cè)量抗干擾能力較強(qiáng),它是把測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)字化后以光信號(hào)的形式從轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)量盤傳送到固定的接收器上,然后經(jīng)解碼器后還原為所需的信號(hào)。12.3

扭矩的測(cè)量12.3.4其他類型的扭矩傳感器

轉(zhuǎn)軸受扭矩作用后,產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形,兩橫截面的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角與扭矩成正比。利用光電式、感應(yīng)式等傳感器可以測(cè)得相對(duì)扭轉(zhuǎn)角,從而測(cè)得扭矩。感應(yīng)式扭矩傳感器是在轉(zhuǎn)軸上固定兩個(gè)齒輪,它們的材質(zhì)、尺寸、齒形和齒數(shù)均相同。由永久磁鐵和線圈組成的磁電式檢測(cè)頭對(duì)著齒頂安裝。在轉(zhuǎn)軸不承受扭矩時(shí),兩線圈輸出信號(hào)有一初始相位差。承載后,該相位差將隨兩齒輪所在橫截面之間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的增加而加大,其大小與相對(duì)扭轉(zhuǎn)角、扭矩成正比。12.3

扭矩的測(cè)量

光電式扭矩傳感器是在轉(zhuǎn)軸上固定兩圓盤光柵,光柵圓盤外側(cè)放置有光源和光敏元件,可通過(guò)兩光柵圓盤之間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角來(lái)測(cè)量扭矩。如圖12-18所示,在未承受扭矩時(shí),兩光柵的明暗區(qū)正好互相遮擋,沒(méi)有光線透過(guò)光柵照射到光敏元件,也無(wú)輸出。當(dāng)轉(zhuǎn)軸受扭矩后,扭轉(zhuǎn)變形將兩光柵相對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)一角度,使部分光線透過(guò)光柵照射到光敏元件上而產(chǎn)生輸出,扭矩越大,扭轉(zhuǎn)角越大,穿過(guò)光柵的光量越多,輸出越大,從而可測(cè)得扭矩。圖12-18光電式轉(zhuǎn)矩傳感器12.3

扭矩的測(cè)量

壓磁式扭矩傳感器是利用鐵磁材料制成的轉(zhuǎn)軸,在受扭矩作用后,應(yīng)力變化導(dǎo)致磁阻變化的現(xiàn)象來(lái)測(cè)量扭矩的。如圖12-19所示,兩個(gè)繞有線圈的

型鐵心A和B,其中A—A沿軸線、B—B沿垂直與軸線方向放置,兩者相互垂直。其開口端和被測(cè)表面保持1~2mm的空隙。當(dāng)A—A線圈通過(guò)交流電流,形成通過(guò)轉(zhuǎn)軸的交變磁場(chǎng)。在轉(zhuǎn)軸不受扭矩時(shí),磁力線和B—B線圈不交鏈。當(dāng)轉(zhuǎn)軸受扭矩作用后,轉(zhuǎn)軸材料磁阻沿正應(yīng)力方向減小,沿負(fù)應(yīng)力方向增大,從而改變了磁力線分布狀況,使部分磁力線與B—B線圈交鏈,并在其中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將隨扭矩增大而增大,并在一定范圍內(nèi)兩者呈線性關(guān)系。此種傳感器是一種非接觸測(cè)量方式,使用方便。圖12-19壓磁式扭矩傳感器原理圖12.3

扭矩的測(cè)量12.3.5國(guó)內(nèi)外扭矩傳感器介紹

常用扭矩傳感器的使用見(jiàn)表12-3所示。扭矩傳感器主要有兩大類,第一類是通過(guò)磁電感應(yīng)獲取信號(hào)的磁(齒)柵式傳感器,這類傳感器的輸出信號(hào)的本質(zhì)是兩路相角位移信號(hào),需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行組合處理才能得到扭矩信息。它是非接觸式傳感器,無(wú)磨損、無(wú)摩擦,可用于長(zhǎng)期測(cè)量。但體積大、不易安裝、不能測(cè)靜止扭矩,轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí),須用小電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償轉(zhuǎn)速,操作復(fù)雜等。第二類是以電阻應(yīng)變片為敏感元件組成的扭矩傳感器,它在轉(zhuǎn)軸或與轉(zhuǎn)軸串接的彈性軸上安裝了4片精密電阻應(yīng)變片,并把它們連成一片平衡電橋。輸出信號(hào)與扭矩成比例。橋的激勵(lì)電壓和測(cè)量信號(hào)的傳送方式有兩種:一種是接觸式傳送,通過(guò)集電環(huán)和電刷傳送激勵(lì)電壓和測(cè)量信號(hào),電刷壽命可達(dá)到一億轉(zhuǎn)次;另一種是非接觸式傳送,包括傳感器感應(yīng)方式傳送,或微電池供電、無(wú)線電傳送。這類傳感器具有可測(cè)量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)扭矩、高頻沖擊和振動(dòng)信息,體積小、重量輕、輸出信號(hào)易于計(jì)算機(jī)處理等特點(diǎn),正逐漸得到越來(lái)越多的應(yīng)用。12.3

扭矩的測(cè)量關(guān)于詳細(xì)有關(guān)的扭矩傳感器的介紹,可參閱有關(guān)專著。思考題與習(xí)題12-1

說(shuō)明應(yīng)變式壓力和力傳感器的基本原理。12-2

有一個(gè)應(yīng)變式力傳感器,彈性元件為實(shí)心圓柱,直徑D=40mm,在其上沿軸向和周向各貼兩片應(yīng)變片(靈敏度系數(shù)S=2),組成全橋電路,橋壓為10V。已知材料彈性模量E=2.0×1011Pa,泊松比ν=0.3,試求該力傳感器的靈敏度,單位用μV/kN表示。12-3

有一電阻應(yīng)變片如圖12-20所示,其靈敏度S=2,R=120Ω,設(shè)工作時(shí)其應(yīng)變?yōu)?000με(注:με為微應(yīng)變),問(wèn)ΔR=?設(shè)將此應(yīng)變片接成如圖所示的電路。試求:1)無(wú)應(yīng)變時(shí)電流表示值;2)有應(yīng)變時(shí)電流表示值;3)電流表指示值相對(duì)變化量;4)試分析這個(gè)變動(dòng)量能否從表中讀出。圖12-20題圖12-3謝謝！第13章

流體參量測(cè)量目錄壓力的測(cè)量流量的測(cè)量13.113.2

壓力和流量等流體參量的測(cè)量,在工業(yè)生產(chǎn)等眾多工程領(lǐng)域中都具有十分重要的意義。

各種壓力和流量測(cè)量裝置盡管在測(cè)量原理或結(jié)構(gòu)上有很大差別,但共同特點(diǎn)都是通過(guò)中間轉(zhuǎn)換元件,把流體的壓力、流量等參量轉(zhuǎn)換為中間機(jī)械量,然后再用相應(yīng)的傳感器將中間機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電量輸出。中間轉(zhuǎn)換元件對(duì)測(cè)量裝置的性能有著重要的影響。另一個(gè)特點(diǎn)是在壓力和流量測(cè)量中,測(cè)量裝置的測(cè)量精確度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)不僅與傳感器本身及由它所組成的測(cè)量系統(tǒng)的特性有關(guān),而且還與由傳感器、連接管道等組成的流體系統(tǒng)的特性有關(guān)。13.1壓力的測(cè)量

壓力的測(cè)量一般用于液體、蒸汽或氣體等流體。物理學(xué)中將單位面積上所受到的流體作用力定義為流體的壓強(qiáng),而工程上則習(xí)慣于稱其為“壓力”,本書將采用“壓力”這個(gè)名詞。在國(guó)際單位制中,壓力是由質(zhì)量、長(zhǎng)度和時(shí)間三個(gè)基本量得出的導(dǎo)出量,其單位為Pa(帕斯卡),1Pa=1N/m2。雖然已經(jīng)有非常精確的壓力表來(lái)提供壓力的基準(zhǔn)量,但是這些基準(zhǔn)量最終必須依靠上述三個(gè)基本量的基準(zhǔn)量來(lái)保證其精確度。

由于參照點(diǎn)的不同,在工程中流體的壓力有以下幾種表示方法:絕對(duì)壓力——相對(duì)于完全真空(絕對(duì)壓力零位)所測(cè)得的壓力;大氣壓力——由地球表面大氣層空氣柱重力所形成的壓力;差壓(壓差)——任意兩個(gè)壓力之間的差值;表壓力——以大氣壓力為參考點(diǎn),高于或低于大氣壓力的壓力,高于大氣壓力的壓力稱為正壓,低于大氣壓力的壓力稱為負(fù)壓。壓力測(cè)量裝置大多采用表壓力作為指示值,而很少采用絕對(duì)壓力。13.1壓力的測(cè)量

壓力按其與時(shí)間的關(guān)系可分為靜態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力。靜態(tài)壓力指不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化緩慢的壓力;動(dòng)態(tài)壓力指隨時(shí)間作快速變化的壓力。作用在確定面積上的流體壓力能夠很容易地轉(zhuǎn)換成力,因此壓力測(cè)量和力測(cè)量有許多共同之處。常用的兩種壓力測(cè)量方法是靜重比較法和彈性變形法。前者多用于各種壓力測(cè)量裝置的靜態(tài)校準(zhǔn),而后者則是構(gòu)成各種壓力計(jì)和壓力傳感器的基礎(chǔ)。13.1.1彈性式壓力敏感元件

指針式壓力計(jì)(壓力表)和壓力傳感器主要是基于彈性變形原理工作的。某種特定形式的彈性元件,在被測(cè)流體壓力的作用下,將產(chǎn)生與被測(cè)壓力成一定函數(shù)關(guān)系的機(jī)械變位(或應(yīng)變)。這種中間機(jī)械量可通過(guò)各種放大杠桿或齒輪副等轉(zhuǎn)換成指針的偏轉(zhuǎn),從而直接指示被測(cè)壓力的大小。中間機(jī)械量也可通過(guò)各種位移傳感器(以應(yīng)變?yōu)橹虚g機(jī)械量時(shí),則可通過(guò)應(yīng)變片)及相應(yīng)的測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電量輸出。由此可見(jiàn),感受壓力的彈性敏感元件是壓力計(jì)和壓力傳感器的關(guān)鍵元件。13.1壓力的測(cè)量通常采用的彈性式壓力敏感元件有波登管、膜片和波紋管三類(見(jiàn)圖13-1)。圖13-1彈性壓力敏感元件13.1壓力的測(cè)量1.波登管

波登管是大多數(shù)指針式壓力計(jì)的彈性敏感元件,同時(shí)也被廣泛用于壓力變送器(用于穩(wěn)態(tài)壓力測(cè)量,其輸出量為電量的壓力測(cè)量裝置)中。圖13-1a所示的各種結(jié)構(gòu)形式的波登管,都是橫截面為橢圓形或平橢圓形的空心金屬管子。當(dāng)這種彈性管一側(cè)通入有一定壓力的流體時(shí),由于內(nèi)外側(cè)的壓力差(外側(cè)一般為大氣壓力),迫使管子截面發(fā)生由橢圓形截面向圓形變化的變形。這種變形導(dǎo)致C形、螺線形和螺旋形波登管的自由端產(chǎn)生變位,而對(duì)于扭轉(zhuǎn)型波登管來(lái)說(shuō),其輸出運(yùn)動(dòng)則是自由端的角位移。

雖然采用波登管作為壓力敏感元件可以得到較高的測(cè)量精確度,但由于其尺寸較大、固有頻率較低以及有較大的滯后,故不宜作為動(dòng)態(tài)壓力傳感器的敏感元件。13.1壓力的測(cè)量2.膜片和膜盒

膜片是用金屬或非金屬材料制成的圓形薄片(見(jiàn)圖13-1b)。若膜片的斷面是平的,稱其為平膜片;若膜片的斷面呈波紋狀的,稱其為波紋膜片。將兩個(gè)膜片邊緣對(duì)焊起來(lái),就構(gòu)成膜盒;將幾個(gè)膜盒連接起來(lái),就組成膜盒組。平膜片比波紋膜片具有較高的抗振和抗沖擊能力,在壓力測(cè)量中使用得較多。

中、低壓壓力傳感器多采用平膜片作為壓力敏感元件。這種敏感元件是周邊固定的圓形平膜片,其固定方式有周邊機(jī)械夾固式、焊接式和整體式三種(見(jiàn)圖13-2)。盡管機(jī)械夾固式的制造比較簡(jiǎn)便,但由于膜片和夾緊環(huán)之間的摩擦要產(chǎn)生滯后等問(wèn)題,故較少采用。圖13-2平膜片13.1壓力的測(cè)量

以平膜片作為壓力敏感元件的壓力傳感器,一般采用位移傳感器來(lái)感測(cè)膜片中心的變位或在膜片表面粘貼應(yīng)變片來(lái)感測(cè)其表面應(yīng)變。圖13-1b所示的懸鏈膜片是一種受溫度影響較小的膜片結(jié)構(gòu)。當(dāng)被測(cè)壓力較低,平膜片產(chǎn)生的變位過(guò)小,不能達(dá)到所要求的最小輸出時(shí),可采用圖13-1b所示的波紋膜片和波紋膜盒。一般波紋膜片中心的最大變位量約為直徑的2%,它用于穩(wěn)態(tài)低壓(低于幾兆帕)測(cè)量或作為流體介質(zhì)的密封元件。13.1壓力的測(cè)量3.波紋管

波紋管是外周沿軸向有深槽形波紋狀皺褶、可沿軸向伸縮的薄壁管子,一端開口,另一端封閉。將開口端固定,封閉端處于自由狀態(tài),如圖13-1c所示。在通入一定壓力的流體后,波紋管將伸長(zhǎng),在一定壓力范圍內(nèi)其伸長(zhǎng)量(即自由端位移)與壓力成正比。

波紋管可在較低壓力下得到較大的變位。它可測(cè)的壓力較低,對(duì)于小直徑的黃銅波紋管,最大允許壓力約為1.5MPa。無(wú)縫金屬波紋管的剛度與材料的彈性模量成正比,而與波紋管的外徑和波紋數(shù)成反比,同時(shí)剛度與壁厚成近似的三次方關(guān)系。13.1壓力的測(cè)量13.1.2常用壓力傳感器1.應(yīng)變式壓力傳感器

目前常用的應(yīng)變式壓力傳感器有平膜片式、圓筒式和組合式等。它們的共同特點(diǎn)是利用粘貼在彈性敏感元件上的應(yīng)變片,感測(cè)其受壓后的局部應(yīng)變,從而測(cè)得流體的壓力。

(1)平膜片式壓力傳感器圖13-3為平膜片式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。它利用粘貼在平膜片表面的應(yīng)變片,感測(cè)膜片在流體壓力作用下的局部應(yīng)變,從而確定被測(cè)壓力值的大小。

對(duì)于周邊固定、一側(cè)受均勻壓力p作用的平膜片,若膜片應(yīng)變值很小,則可近似地認(rèn)為膜片的應(yīng)力(或應(yīng)變)與被測(cè)壓力呈線性關(guān)系。在壓力p作用下,膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變,一般在中心貼片,并在邊緣沿徑向貼片,也可使用適應(yīng)膜片應(yīng)變分布的專用箔式應(yīng)變花。

平膜片式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量小、性能價(jià)格比高等;缺點(diǎn)是:輸出信號(hào)小、抗干擾能力差、受溫度影響大等。圖13-3平膜片式壓力傳感器13.1壓力的測(cè)量13.1壓力的測(cè)量(2)圓筒式壓力傳感器如圖13-4所示,它一端密封并具有實(shí)心端頭,另一端開口并有法蘭,以便固定薄壁圓筒。當(dāng)壓力從開口端接入圓柱筒時(shí),筒壁產(chǎn)生應(yīng)變。圓筒的外表面粘貼有4個(gè)相同的應(yīng)變片R1、R2、R3、R4,組成四臂電橋。當(dāng)筒內(nèi)外壓力相同時(shí),電橋的4個(gè)橋臂電阻相等,輸出電壓為零;當(dāng)筒內(nèi)壓力大于筒外壓力時(shí),R1和R4發(fā)生變化,電橋輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)。這種圓筒式壓力傳感器常在高壓測(cè)量時(shí)應(yīng)用。圖13-4圓筒式壓力傳感器13.1壓力的測(cè)量(3)組合式壓力傳感器此類傳感器中的應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上,而是采用某種傳遞機(jī)構(gòu)將感壓元件的位移傳遞到貼有應(yīng)變片的其他彈性元件上,如圖13-5所示。圖13-5a利用膜片1和懸臂梁2組合成彈性系統(tǒng)。在壓力作用下,膜片產(chǎn)生位移,通過(guò)桿件使懸臂梁產(chǎn)生變形。圖13-5b利用膜片1將壓力傳給彈性圓筒3,使之發(fā)生變形。圖13-5c利用波登管4并在壓力的作用下,自由端產(chǎn)生拉力,使懸臂梁2產(chǎn)生變形。圖13-5d利用波紋管5產(chǎn)生的軸向力,使梁6變形。圖13-5組合式壓力傳感器13.1壓力的測(cè)量2.壓阻式壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器(見(jiàn)圖13-6)是在某一晶面的單晶硅膜片上,沿一定的晶軸方向擴(kuò)散上一些長(zhǎng)條形電阻。硅膜片的加厚邊緣燒結(jié)在有同樣膨脹系數(shù)的玻璃基座上,以保證溫度變化時(shí)硅膜片不受附加應(yīng)力。當(dāng)硅膜片受到流體壓力或壓差作用時(shí),硅膜片內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,從而使擴(kuò)散在其上的電阻阻值發(fā)生變化。它的靈敏度一般要比金屬材料應(yīng)變片高70倍左右。圖13-6壓阻式壓力傳感器13.1壓力的測(cè)量

這種壓阻元件一般只在硅膜片中心變位遠(yuǎn)小于其厚度的情況下使用。有的傳感器使用隔離膜片將被測(cè)流體與硅膜片隔開,隔離膜片和硅膜片之間充填硅油,用它來(lái)傳遞被測(cè)壓力。

這類傳感器由于采用了集成電路的擴(kuò)散工藝,因此尺寸可以做得很小。例如有的直徑只有1.5~3mm,這樣就可用來(lái)測(cè)量局部區(qū)域的壓力,并且大大改善了動(dòng)態(tài)特性(工作頻率可從0到幾百千赫)。由于電阻直接擴(kuò)散到膜片上,沒(méi)有粘貼層,因此零漂小、靈敏度高、重復(fù)性好。13.1壓力的測(cè)量3.壓電式壓力傳感器

圖13-7所示的膜片式壓電壓力傳感器是目前廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)。3是承壓膜片,有密封、預(yù)壓和傳遞壓力的作用。由于膜片的質(zhì)量很小,而壓電晶體的剛度又很大,所以傳感器有很高的固有頻率(可高達(dá)100kHz以上),因此它是動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量中常用的傳感器。壓電式壓力傳感器工作可靠、測(cè)量范圍寬、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,并且具有較高的靈敏度和分辨率。缺點(diǎn)是壓電元件的預(yù)壓縮應(yīng)力是通過(guò)擰緊殼體施加的,這將使膜片產(chǎn)生彎曲變形,導(dǎo)致傳感器的線性度和動(dòng)態(tài)性能變壞。圖13-7膜片式壓電壓力傳感器

為克服壓電元件在預(yù)加載過(guò)程中引起膜片的變形,可采用預(yù)緊筒加載結(jié)構(gòu),如圖13-8所示。預(yù)緊筒8是一個(gè)薄壁厚底的金屬圓筒,通過(guò)拉緊預(yù)緊筒對(duì)壓電晶片組施加預(yù)壓縮應(yīng)力。在加載狀態(tài)下,用電子束焊將預(yù)緊筒與芯體焊成一體。感受壓力的膜片7是后來(lái)焊接到殼體上去的,它不會(huì)在壓電元件的預(yù)加載過(guò)程中發(fā)生變形。預(yù)緊筒外的空腔內(nèi)可以注入冷卻水,以降低晶片溫度,保證傳感器在較高的環(huán)境溫度下正常工作。采用多片壓電元件層疊結(jié)構(gòu)是為了提高傳感器的靈敏度。13.1壓力的測(cè)量圖13-8多片層疊壓電晶體壓力傳感器13.1壓力的測(cè)量

壓電式壓力傳感器可以測(cè)量幾百帕到幾百兆帕的壓力,并且外形尺寸可以做得很小(幾毫米直徑)。這種壓力傳感器和壓電加速度計(jì)、壓電力傳感器一樣,需采用有極高輸入阻抗的電荷放大器作為前置放大,其可測(cè)頻率下限是由這些放大器所決定的。

由于壓電晶體具有一定的質(zhì)量,故壓電壓力傳感器在有振動(dòng)的條件下工作時(shí),就會(huì)產(chǎn)生與振動(dòng)加速度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào),從而造成壓力測(cè)量誤差。特別是在測(cè)量較低壓力或要求較高的測(cè)量精確度時(shí),該影響不能忽視。圖13-9為帶加速度補(bǔ)償?shù)膲毫鞲衅?。在傳感器?nèi)部設(shè)置一個(gè)附加質(zhì)量和一組極性相反的補(bǔ)償壓電晶體,在振動(dòng)條件下,附加質(zhì)量使補(bǔ)償壓電晶片產(chǎn)生的電荷與測(cè)量壓電晶片因振動(dòng)產(chǎn)生的電荷相互抵消,從而達(dá)到補(bǔ)償目的。圖13-9用附加質(zhì)量補(bǔ)償加速度的影響13.1壓力的測(cè)量4.電容式壓力傳感器

電容式壓力傳感器采用變電容測(cè)量原理,即被測(cè)壓力會(huì)引起傳感器電容極板間的面積或極距發(fā)生變化,測(cè)出變化的電容量,便可知道被測(cè)壓力的大小。電容式壓力傳感器有以下兩種:(1)差動(dòng)變極距電容式壓力傳感器圖13-10是一種差動(dòng)變極距電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖13-10差動(dòng)變極距電容式壓力傳感器13.1壓力的測(cè)量

感壓元件是一個(gè)全焊接的差動(dòng)電容膜盒。玻璃絕緣層內(nèi)側(cè)的凹球面形金屬鍍膜作為固定電極1,中間被夾緊的彈性測(cè)量膜片2作為可動(dòng)電極,從而組成一個(gè)差動(dòng)電容。被測(cè)壓力p1、p2分別作用于左右兩片隔離膜片3上,通過(guò)硅油4將壓力傳遞給測(cè)量膜片2。在差壓的作用下,中心最大位移為±0.1mm左右。當(dāng)測(cè)量膜片2在差壓作用下向一邊鼓起時(shí),它與兩個(gè)固定電極1間的電容量一個(gè)增大一個(gè)減小。測(cè)量這兩個(gè)電容的變化,便可知道差壓的數(shù)值。這種傳感器結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)、靈敏度高、過(guò)載能力大;精度高,其精確度可達(dá)±0.25%~±0.05%;儀表測(cè)量范圍為0~0.00001MPa至0~70MPa。13.1壓力的測(cè)量(2)變面積電容式壓力傳感器圖13-11所示為一種變面積式電容壓力傳感器。被測(cè)壓力作用在金屬膜片7上,通過(guò)中心柱1和支撐簧片5,使可動(dòng)電極4隨簧片中心位移而動(dòng)作?？蓜?dòng)電極4與固定電極3均為金屬同心多層圓筒,其斷面呈梳齒形,其電容量由兩電極交錯(cuò)重疊部分的面積所決定。固定電極3與外殼之間絕緣,可動(dòng)電極4則與外殼導(dǎo)通。壓力引起的極間電容變化由中心柱1引至適當(dāng)?shù)淖儞Q電路,轉(zhuǎn)換成反映被測(cè)壓力的電信號(hào)輸出。膜片中心位移不超過(guò)3mm,膜片背面為無(wú)硅油的封閉空間,不與被測(cè)介質(zhì)接觸,可視為恒定的大氣壓,故僅適用于壓力測(cè)量,而不能測(cè)量壓差。圖13-11變面積電容式壓力傳感器13.1壓力的測(cè)量5.諧振式壓力傳感器

諧振式壓力傳感器是利用感壓元件本身的諧振頻率與壓力的關(guān)系,通過(guò)測(cè)量頻率信號(hào)的變化來(lái)檢測(cè)壓力的,有振筒式、振弦式、振膜式、石英諧振式等多種形式。以下以振筒式壓力傳感器為例說(shuō)明。

振筒式壓力傳感器的感壓元件是一個(gè)薄壁圓筒,圓筒本身具有一定的固有頻率,當(dāng)筒壁受壓張緊后,其剛度發(fā)生變化,固有頻率相應(yīng)改變。在一定的壓力作用下,變化后的振筒頻率可以近似地表示為式中fp——受壓后的振筒頻率; f0——固有頻率;

α——結(jié)構(gòu)系數(shù); p——被測(cè)壓力。13.1壓力的測(cè)量

傳感器由振筒組件和激振電路組成,如圖13-12所示。振筒用低溫度系數(shù)的恒彈性材料制成,一端封閉為自由端,開口端固定在基座上,壓力由內(nèi)側(cè)引入。絕緣支架上固定著激振線圈和檢測(cè)線圈,兩者空間位置互相垂直,以減小電磁耦合。激振線圈使振筒按固有的頻率振動(dòng),受壓前后的頻率變化可由檢測(cè)線圈檢出。

這種儀表體積小、輸出頻率信號(hào)、重復(fù)性好、耐振;精確度為±0.1%和±0.01%;測(cè)量范圍為0~0.014MPa至0~50MPa;適用于氣體測(cè)量。圖13-12振筒式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖13.1壓力的測(cè)量6.位移式壓力傳感器

位移式壓力傳感器是將彈性式壓力敏感元件與其他元件相連,壓力轉(zhuǎn)換為位移等參量,進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電量,常見(jiàn)的有以下幾種:(1)電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器一般由兩部分組成,一部分是彈性元件,用來(lái)感受壓力并把壓力轉(zhuǎn)換成位移量,另一部分是由線圈和銜鐵6組成的電感式傳感器。電感式壓力傳感器可分為自感型和差動(dòng)變壓器型。圖13-13為其結(jié)構(gòu)原理圖。圖13-13電感式壓力傳感器13.1壓力的測(cè)量

圖13-13a為膜盒4與變氣隙式自感傳感器構(gòu)成的壓力傳感器,流體壓力使膜盒4變形,從而推動(dòng)固定在膜盒自由端的銜鐵上移而引起電感變化。圖13-13b為膜盒4與差動(dòng)變壓器2構(gòu)成的微壓力傳感器。銜鐵6固定在膜盒的自由端。無(wú)壓力時(shí),銜鐵6在差動(dòng)變壓器線圈的中部,輸出電壓為零。當(dāng)被測(cè)壓力通過(guò)接頭輸入膜盒4后,膜盒4變形推動(dòng)銜鐵6移動(dòng),使差動(dòng)變壓器2輸出正比于被測(cè)壓力的電壓。13.1壓力的測(cè)量(2)霍爾式壓力傳感器霍爾式壓力傳感器一般由兩部分組成,一部分是彈性元件(波登管、膜盒等),用來(lái)感受壓力并把壓力轉(zhuǎn)換成位移量,另一部分是霍爾元件和磁路系統(tǒng)。通常把霍爾元件固定在彈性元件上,當(dāng)彈性元件在壓力作用下產(chǎn)生位移時(shí),就帶動(dòng)霍爾元件在均勻梯度的磁場(chǎng)中移動(dòng),從而產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢(shì)。圖13-14為霍爾式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。它是用霍爾元件把波登管的自由端位移轉(zhuǎn)換成霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出。霍爾式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度較高,可配通用的儀表指示,還能遠(yuǎn)距離傳輸和記錄。圖13-14霍爾式壓力傳感器13.1壓力的測(cè)量(3)光電式壓力傳感器利用彈性元件和光敏元件可組成光電式壓力傳感器,如圖13-15所示。當(dāng)被測(cè)壓力p作用于膜片時(shí),膜片中心處位移引起兩遮光板中的狹縫一個(gè)變寬,一個(gè)變窄,導(dǎo)致折射到兩光敏元件上的發(fā)光強(qiáng)度一個(gè)增強(qiáng),一個(gè)減弱。把兩光敏元件接成差動(dòng)電路,差動(dòng)輸出電壓可設(shè)計(jì)成與壓力成正比。圖13-15光電式壓力傳感器原理圖13.1壓力的測(cè)量(4)光纖式壓力傳感器在壓力測(cè)量中,微壓及微差壓力的傳感技術(shù)一直是一個(gè)難題,特別是為獲得與其相應(yīng)的靈敏度及可靠性方面存在一些難點(diǎn)。采用光纖傳感器技術(shù)可得到較好的效果。圖13-16所示是一種光纖式壓力傳感器的原理圖。將一個(gè)具有一定反射率且質(zhì)地柔軟的反射鏡貼在承受壓力(壓差)的膜片上,當(dāng)壓(差)力使膜片發(fā)生微小變形時(shí),便會(huì)改變反射鏡所反射的入射光的發(fā)光強(qiáng)度,從而測(cè)得其壓(差)力。圖13-16光纖式壓力傳感器原理圖13.1壓力的測(cè)量13.1.3壓力測(cè)量裝置的校準(zhǔn)

一般用靜態(tài)校準(zhǔn)來(lái)確定壓力傳感器或壓力測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度等各種靜態(tài)性能指標(biāo),而用動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)來(lái)確定其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。1.壓力測(cè)量裝置的靜態(tài)校準(zhǔn)

壓力測(cè)量裝置的靜態(tài)校準(zhǔn)一般采用靜重比較法,即標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重力通過(guò)已知直徑和質(zhì)量的柱塞,作用于密閉的液體系統(tǒng),從而產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)壓力為式中p——標(biāo)準(zhǔn)壓力(Pa); gn——當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?m/s2);

M1——標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量(kg); M2——柱塞的質(zhì)量(kg);D——柱塞直徑(m)。此標(biāo)準(zhǔn)壓力作用于壓力傳感器的敏感元件上,實(shí)現(xiàn)靜態(tài)校準(zhǔn)。13.1壓力的測(cè)量

常用的靜態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置為圖13-17所示的活塞壓力計(jì)。使用時(shí)打開貯油器6的進(jìn)油閥7,將液壓缸的活塞退至最右側(cè),使整個(gè)管道充滿油液。然后關(guān)閉閥門7,并分別打開通向被校準(zhǔn)壓力計(jì)和測(cè)量缸3的閥門,搖動(dòng)手輪使壓力缸1的活塞左移,壓縮油液2。當(dāng)測(cè)量柱塞4連同標(biāo)準(zhǔn)砝碼5在壓力油的作用下上升到規(guī)定的高度后,使砝碼5和測(cè)量柱塞4一起旋轉(zhuǎn),以減小柱塞和缸體之間的摩擦力。此時(shí)即產(chǎn)生由式(13-2)所確定的標(biāo)準(zhǔn)壓力,增減砝碼的數(shù)量可改變此壓力值。

在進(jìn)行低壓高精確度的靜態(tài)壓力校準(zhǔn)時(shí),還要計(jì)及砝碼所受到的空氣浮力。圖13-17活塞壓力計(jì)示意圖13.1壓力的測(cè)量2.壓力測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

通常壓力測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)有兩種目的:一是確定壓力測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng),以便估計(jì)動(dòng)態(tài)誤差,必要時(shí)可進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差的修正;二是考慮有些壓力測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)靈敏度與靜態(tài)靈敏度不同,因此必須由動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)確定靈敏度。

所謂動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn),就是利用波形和幅值均能滿足一定要求的壓力信號(hào)發(fā)生裝置,向被校準(zhǔn)的壓力測(cè)量裝置輸入動(dòng)態(tài)壓力,通過(guò)測(cè)量其響應(yīng),而得到輸入和輸出間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。壓力信號(hào)發(fā)生裝置一般有正弦壓力信號(hào)發(fā)生器和瞬態(tài)壓力信號(hào)發(fā)生器兩類。前者測(cè)量及信號(hào)處理都比較簡(jiǎn)單,但它僅適用于低壓和低頻的情況;后者則是目前應(yīng)用最廣泛的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)發(fā)生裝置,這里只討論這種裝置。

瞬態(tài)壓力信號(hào)發(fā)生器是指能產(chǎn)生階躍或脈沖壓力信號(hào)的裝置。對(duì)于動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)而言,目前階躍壓力信號(hào)發(fā)