《材料成形測試技術(shù)》課件-第4章 力參數(shù)的測量

目錄

應(yīng)力應(yīng)變測量軋制力的測量金屬塑性變形抗力的測量扭矩的測量41235其他力參數(shù)測量4.1應(yīng)力應(yīng)變測量

應(yīng)力是一個重要的機(jī)械量，它表征了構(gòu)件的受載情況、負(fù)荷水平和強(qiáng)度能力，應(yīng)力測量也是其它力能參數(shù)測量的基礎(chǔ)。應(yīng)力測量的方法很多，如機(jī)械測法、電測法、光測法等，目前以電阻應(yīng)變測法應(yīng)用最廣泛。電阻應(yīng)變測量的基本方法是根據(jù)測量的目的選擇測點(diǎn)、貼電阻應(yīng)變片、組成測量電橋、連接電阻應(yīng)變儀、測量構(gòu)件受力后表面各點(diǎn)應(yīng)變，然后再根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系計(jì)算出各點(diǎn)的應(yīng)力。4.1.1應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

由材料力學(xué)可知，受單向拉伸(或壓縮)的構(gòu)件，其上任意單元體的應(yīng)力狀態(tài)均為單向應(yīng)力狀態(tài)。在彈性變形范圍內(nèi)，受軸向拉伸的桿件，其橫截面上的正應(yīng)力與其軸向應(yīng)變成正比，即(4-1)式中——構(gòu)件材料的彈性模量，對于碳鋼(2.0～2.1)×105N／mm2。由上式可知，對于受單向拉伸的構(gòu)件，只要沿其受力方向粘貼一枚應(yīng)變片，測出軸向應(yīng)變，代入式(4-1)，即可求出橫截面上該點(diǎn)的正應(yīng)力。4.1.1.1單向應(yīng)力狀態(tài)

1、主應(yīng)力方向已知若在測量前經(jīng)過分析，可以確定被測構(gòu)件表面上某點(diǎn)的主應(yīng)力方向，則可用兩枚應(yīng)變片分別沿兩個主應(yīng)力、的方向各貼一枚圖4-l(a)，直接測得兩個主應(yīng)變、，再由下式解出主應(yīng)力和。

（4-2）4.1.1.2平面應(yīng)力狀態(tài)有時雖然主應(yīng)力方向已知，但實(shí)測中不能沿主應(yīng)力方向貼片時，可沿任一已知方向(即與主應(yīng)力方向成夾角的方向)貼片,但兩枚應(yīng)變片應(yīng)互相垂直，如圖4-1（b）所示，則可測出、，再由下式計(jì)算出和。

（4-3）再代入式(4-1)解出和。4.1.1.2平面應(yīng)力狀態(tài)

圖4-1主應(yīng)力方向已知時的貼片法

(a)可沿主應(yīng)力方向貼片(b)不能沿主應(yīng)力方向貼片

4.1.1.2平面應(yīng)力狀態(tài)

2、主應(yīng)力方向未知在實(shí)際測量中，許多情況是主應(yīng)力、的大小和方向均未知，這樣較前述情況，多了一個未知數(shù)，即主應(yīng)力方向與我們?nèi)芜x的坐標(biāo)（貼片方向）之間的夾角。因此必須有三個獨(dú)立的數(shù)據(jù)才能確定該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，也就是要在該點(diǎn)沿三個不同方向貼三枚應(yīng)變片。如圖4-2中O點(diǎn)處于主應(yīng)力方向未知的平面應(yīng)力狀態(tài)，設(shè)沿任意的三個方向、和貼片三枚應(yīng)變片，測出三個方向的應(yīng)變、和和，根據(jù)下式：（4-4）可解出、和。4.1.1.2平面應(yīng)力狀態(tài)再代入下式求出主應(yīng)變、和主方向與軸夾角。

（4-5）將主應(yīng)變、代入式（4-2），即可求出主應(yīng)變力、及。

圖4-2主應(yīng)力方向未知時的貼片法4.1.1.2平面應(yīng)力狀態(tài)3、應(yīng)變花的應(yīng)用實(shí)際使用中，為了簡化計(jì)算，三枚應(yīng)變片與x軸夾角、和總是選取特殊角，如、和，或者、和，并且將三枚應(yīng)變片的敏感柵制在同一基底上，形成應(yīng)變花。使用應(yīng)變花簡化了貼片工序，保證了貼片角度的精確性。三片應(yīng)變花適用于主方向大致知道的情況，其中三片敏感柵與x軸的夾角分別為、、（圖4-3a），將互相垂直的兩片沿估計(jì)的主方向粘貼，各應(yīng)變片可以感受較大的應(yīng)變值，使測試較為準(zhǔn)確。實(shí)測時在測點(diǎn)處貼三片應(yīng)變花，另外在補(bǔ)償塊上貼補(bǔ)償片（圖4-3b），并組半橋（圖4-3c）。(a)應(yīng)變花(b)貼片方法(c)組橋方式

圖4-345

應(yīng)變化的貼片與組橋4.1.1.2平面應(yīng)力狀態(tài)三片應(yīng)變花主要用于主方向無法估計(jì)的情況，其三片敏感柵分別與x軸的夾角為、、（圖4-4a），這種應(yīng)變花的貼法與組橋如圖（4-4b、4-4c）所示。圖4-4600應(yīng)變化的貼片與組橋(a)應(yīng)變花(b)貼片方法(c)組橋方式4.1.1.2平面應(yīng)力狀態(tài)

1、半橋單臂測量取阻值和靈敏系數(shù)均相同的二枚應(yīng)變片，將（工作片）沿受力方向粘貼在被測構(gòu)件上，將（補(bǔ)償片）貼在補(bǔ)償塊上，置于同一環(huán)境溫度中，組成半橋，如圖4-5（a）、(c)所示。和由于受力變形及溫度變化引起阻值變化分別為式中——由P力引起的電阻變化率、——由溫度變化引起的、電阻變化率，且兩者大小相等；、——分別表示力P和環(huán)境溫度變化引起構(gòu)件的應(yīng)變。4.1.2單一變形時的應(yīng)變測量4.1.2.1單向拉伸（壓縮）應(yīng)變測量則電橋輸出電壓為

(4-6)圖4-5測拉應(yīng)變的布片與組半橋圖(a)有補(bǔ)償塊(b)無補(bǔ)償塊(c)組橋方式結(jié)果消除了溫度的影響，僅測得軸向應(yīng)變。此時橋臂系數(shù)=1，即應(yīng)變儀讀數(shù)就是所測構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)變值。4.1.2.1單向拉伸（壓縮）應(yīng)變測量2、半橋雙臂測量取阻值與靈敏系數(shù)都相同的二枚應(yīng)變片，均貼在被測零件上，其中（工作片）沿力方向粘貼，（補(bǔ)償片）則垂直受力方向粘貼，組成半橋，如圖4-5（b）、（c）所示。、由于受力變形和溫度引起的阻值變化分別為：

因?yàn)樗?/p>

（4-7）按此貼片方案亦可消除溫度的影響。此時橋臂系數(shù)為，應(yīng)變儀的讀數(shù)值為實(shí)際應(yīng)變值的倍。二片組半橋測拉（壓）應(yīng)力方案簡單，但不能消除由于載荷偏心產(chǎn)生和附加彎矩的影響。4.1.2.1單向拉伸（壓縮）應(yīng)變測量3、全橋測量采用四枚、相同的應(yīng)變組全橋，其中、為工作片，、為補(bǔ)償片，其貼片與組橋如圖4-6，當(dāng)受拉力與溫度變化時，各應(yīng)變片阻值變化分別為則電橋輸出電壓為（4-8）4.1.2.1單向拉伸（壓縮）應(yīng)變測量圖4-6測拉應(yīng)變的布片與組全橋圖(a)貼片方法(b)組橋方式由上式可見，應(yīng)變儀讀數(shù)為實(shí)際應(yīng)變值的倍，橋臂系數(shù)。按此方案，電橋輸出靈敏度增大，且可消除偏心載荷和溫度的影響。4.1.2.1單向拉伸（壓縮）應(yīng)變測量

上述三個測量方案均可消除溫度的影響。為簡化分析，將各應(yīng)變片所受各種影響因素產(chǎn)生的應(yīng)變填入表4-1中，然后根據(jù)組橋形式，將各橋臂應(yīng)變片感受的應(yīng)變代入電橋加減特性公式計(jì)算。例如對于表中的全橋測量方案，各橋臂感受的應(yīng)變?yōu)閯t電橋輸出電壓為4.1.2.1單向拉伸（壓縮）應(yīng)變測量以下問題均按此表格形式分析。4.1.2.1單向拉伸（壓縮）應(yīng)變測量

測量方案可有三種：a．一片工作，外加補(bǔ)償塊法：b．二片工作組半橋（圖4-7）：c．四片工作組全橋（圖4-8）。各種組橋方案中各橋臂所感受的應(yīng)變及電橋輸出見表4-2。圖4-7測彎曲應(yīng)變的布片與組半橋圖圖4-8測彎曲應(yīng)變的布片與組全橋圖4.1.2.2彎曲應(yīng)變測量a．一片工作，外加補(bǔ)償塊法應(yīng)變片由于受力變形及溫度變化引起阻值變化分別為：則電橋輸出電壓為：4.1.2.2彎曲應(yīng)變測量b．二片工作組半橋則電橋輸出電壓為：應(yīng)變片由于受力變形及溫度變化引起阻值變化分別為：4.1.2.2彎曲應(yīng)變測量c．四片工作組全橋則電橋輸出電壓為：應(yīng)變片由于受力變形及溫度變化引起阻值變化分別為：4.1.2.2彎曲應(yīng)變測量表4-2彎曲應(yīng)變?nèi)N測量方案的比較4.1.2.2彎曲應(yīng)變測量

當(dāng)圓軸受扭矩作用時，在圓軸表面任取一單元體，則處于純剪應(yīng)力狀態(tài)（圖4-9a）。由應(yīng)力分析可知，軸的表面各點(diǎn)，在與軸線成±45角的方向有最大（最?。┲鲬?yīng)力，相應(yīng)有最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變。兩個主應(yīng)力的絕對值滿足這樣，可在軸表面沿與軸線成45角的方向上粘貼應(yīng)變片，則應(yīng)變片可感受因扭矩M所產(chǎn)生的應(yīng)變，此即軸表面的主應(yīng)變。再用有關(guān)公式計(jì)算扭矩，其測量方案有：a．四片工作片組半橋（圖4-9a、b）：b．四片工作組全橋（圖4-9a、c）：兩種方案的分析及結(jié)果見表4-3。圖4-9測扭轉(zhuǎn)應(yīng)變的布圖和組橋圖(a)貼片方法(b)半橋連接(c)全橋連接4.1.2.3扭轉(zhuǎn)應(yīng)變測量a．四片工作片組半橋則電橋輸出電壓為：應(yīng)變片由于受力變形及溫度變化引起阻值變化分別為：4.1.2.3扭轉(zhuǎn)應(yīng)變測量b．四片工作組全橋則電橋輸出電壓為：應(yīng)變片由于受力變形及溫度變化引起阻值變化分別為：4.1.2.3扭轉(zhuǎn)應(yīng)變測量

表4-3扭轉(zhuǎn)應(yīng)變兩種測量方案的比較4.1.2.3扭轉(zhuǎn)應(yīng)變測量

因?yàn)閳A軸受扭時其表面任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)都是平面應(yīng)力狀態(tài)，所經(jīng)必須應(yīng)用平面虎克定律公式來計(jì)算應(yīng)力。與主應(yīng)力相對應(yīng)的主應(yīng)變?yōu)?、，并且則由式（4-2）可得出

或則（4-9）

(4-10)式中——圓軸抗扭斷面系數(shù)，對于實(shí)心圓軸。由式（4-9）和式（4-10）可知，通過測量軸體表面的主應(yīng)變或主應(yīng)力即可確定扭矩，這是測量傳動軸扭矩的主要方法之一。4.1.2.3扭轉(zhuǎn)應(yīng)變測量

設(shè)梁受集中外力Q作用，則可通過測量彎曲應(yīng)變求得外力Q。根據(jù)材料力學(xué)可知剪力等于

則（4-11）式中——彎矩；——抗彎斷面系數(shù)。由上式可知，只要測出兩點(diǎn)間應(yīng)變差值，則力Q可求。4.1.2.4剪應(yīng)變測量欲測兩點(diǎn)間應(yīng)變差值，可在該兩點(diǎn)處各貼一枚應(yīng)變片，并組半橋（圖4-10）。受力后各片阻值變化為

則（4-12）應(yīng)變儀讀數(shù)即為所求某兩點(diǎn)間的應(yīng)變差值。再代入式（4-11）即可求出力Q。圖4-10剪應(yīng)變的布片與組橋圖4.1.2.4剪應(yīng)變測量

實(shí)際測量中，被測構(gòu)件往往處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，如轉(zhuǎn)軸同時受扭轉(zhuǎn)、彎曲與拉伸的作用。若此時只需測量其中某一應(yīng)變成分，排除其它非測量載荷的影響，這就需要具體分析構(gòu)件的受力狀態(tài)，正確布片與組橋，以達(dá)到只測量某應(yīng)變成分之目的。4.1.3復(fù)合變形時對某一應(yīng)變成分的測量

1、只測拉伸（或壓縮）所產(chǎn)生的應(yīng)變設(shè)一梁同時受拉力P與彎矩N的作用，此時要考慮如何只測得，而消除由于彎矩N所產(chǎn)生的應(yīng)變，即測拉消彎。應(yīng)變片的布片和組橋如圖4-11所示。圖4-11只測拉應(yīng)變的布片與組橋圖4.1.3.1只測拉伸（壓縮）與彎曲的組合作用應(yīng)變片由于受力變形及溫度變化引起阻值變化分別為：則電橋輸出電壓為：4.1.3.1只測拉伸（壓縮）與彎曲的組合作用

2、只測彎曲所產(chǎn)生的應(yīng)變此時要消除拉力的影響，即測彎消拉，其布片與組橋如圖4-12所示。上述兩種方案的分析及結(jié)果見表4-4。4.1.3.1只測拉伸（壓縮）與彎曲的組合作用則電橋輸出電壓為:應(yīng)變片由于受力變形及溫度變化引起阻值變化分別為：4.1.3.1只測拉伸（壓縮）與彎曲的組合作用

4.1.3.1只測拉伸（壓縮）與彎曲的組合作用

設(shè)一圓軸同時受扭轉(zhuǎn)、拉伸、彎曲的組合作用1、只測扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的應(yīng)變?nèi)∷拿禦、K均相等的應(yīng)變片，分別沿與軸線成450角方向粘貼，要求各片的頂點(diǎn)在同一圓周上，且、與、對稱于軸線相距1800，并組全橋（圖4-13）。

圖4-13只測扭轉(zhuǎn)應(yīng)變的布片與組橋圖

4.1.3.2扭轉(zhuǎn)、拉伸（壓縮）與彎曲的組合作用應(yīng)變片由于受力變形及溫度變化引起阻值變化分別為：則電橋輸出電壓為：4.1.3.2扭轉(zhuǎn)、拉伸（壓縮）與彎曲的組合作用

2、測拉伸產(chǎn)生的應(yīng)變。選取四枚R、K均相等的應(yīng)變片，其布片與組橋如圖4-14所示。對于扭矩的作用，在軸表面各應(yīng)變片軸線方向上的正應(yīng)力均為零，即=0。圖4-14只測拉應(yīng)變的的布片與組橋圖4.1.3.2扭轉(zhuǎn)、拉伸（壓縮）與彎曲的組合作用應(yīng)變片由于受力變形及溫度變化引起阻值變化分別為：則電橋輸出電壓為：4.1.3.2扭轉(zhuǎn)、拉伸（壓縮）與彎曲的組合作用3、只測彎曲產(chǎn)生的應(yīng)變選取二枚、均相等的應(yīng)變片，其布片與組橋如圖4-15所示。同樣，對于扭矩作用，在軸表面各應(yīng)變片的軸線方向上正應(yīng)力均為零，即=0。圖4-15只測彎曲應(yīng)變的布片與組橋圖4.1.3.2扭轉(zhuǎn)、拉伸（壓縮）與彎曲的組合作用應(yīng)變片由于受力變形及溫度變化引起阻值變化分別為：則電橋輸出電壓為：4.1.3.2扭轉(zhuǎn)、拉伸（壓縮）與彎曲的組合作用

以上三種方案的分析和結(jié)果見表4-5表4-5扭、拉、彎復(fù)合變形時的變形測量4.1.3.2扭轉(zhuǎn)、拉伸（壓縮）與彎曲的組合作用4.2軋制壓力的測量

金屬在軋制過程中作用在軋輥上的壓力即軋制壓力，它是軋機(jī)的基本負(fù)荷參數(shù)之一。準(zhǔn)確地測量軋制壓力，對合理安排軋制工藝，合理使用和控制現(xiàn)有軋機(jī)以及設(shè)計(jì)新軋機(jī)，都是具有重要意義。目前廣泛采用兩種測量軋制壓力的方法。第一種是通過測量機(jī)架立柱的拉伸應(yīng)變測量軋制壓力，又稱應(yīng)力測量法；第二種是用專門設(shè)計(jì)的測力傳感器直接測量軋制壓力。至于所用的變換原理或傳感器型式，則有電阻應(yīng)變式、壓磁式、電容式及電感式等，而當(dāng)前應(yīng)用最廣的主要是前兩種。

軋制時，軋機(jī)牌坊立柱產(chǎn)生彈性變形，其大小與軋制力成正比，因此，只需測出牌坊立柱的應(yīng)變就可推算出軋制力。對于閉口牌坊，軋制時，牌坊立柱同時承受拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，其應(yīng)力分布如圖4-16所示。由圖可見，最大應(yīng)力發(fā)生在立柱內(nèi)表面b-b上，其值為（4-13）最小應(yīng)力發(fā)生在立柱的外表現(xiàn)d-d上，其值為（4-14）在中性面c-c上，彎曲應(yīng)力等于零，只有軋制力引起的拉應(yīng)力（4-15）4.2.1應(yīng)力測量法4.2.1.1機(jī)架立柱應(yīng)力分析

圖4-16軌機(jī)牌坊立柱應(yīng)力分布及測量點(diǎn)的選擇e、f、g-應(yīng)變片4.2.1.1機(jī)架立柱應(yīng)力分析

由此可見，為了測得拉應(yīng)力，必須把應(yīng)變片粘貼在牌坊立柱的中性面c-c上，以消除彎曲應(yīng)力。因此一扇牌坊所受到的拉力（4-16）式中——牌坊一個立柱的橫截面積。若四根立柱受力條件相同，則總軋制力P為（4-17）或根據(jù)軋件在軋輥上的位置（軋制力作用點(diǎn)），由杠桿原理求出總軋制力：（4-18）式中——壓下螺絲的中心距，mm；——軋制力的作用點(diǎn)到所測牌坊壓下螺絲的距離，mm。4.2.1.1機(jī)架立柱應(yīng)力分析

當(dāng)在機(jī)架立柱中性面粘貼電阻應(yīng)變片時，首先要正確確定立柱中性面的位置，對于簡單斷面的立柱，可用作圖法找出中性面；對于復(fù)雜斷面，先測出立柱內(nèi)外表面應(yīng)力，再由式（4-15）求出，然后在立柱另外兩個表面的不同位置上測量應(yīng)力，當(dāng)時，即為中性面。然后把測點(diǎn)安置在截面比較均勻的地方。應(yīng)變片按垂直和水平方向粘貼，可用半橋或全橋連線（圖4-17）。為了防止應(yīng)變片的機(jī)械損壞以及油、水及蒸氣等有害介質(zhì)的侵蝕，應(yīng)變片應(yīng)妥善保護(hù)。圖4-17應(yīng)變片在機(jī)架立柱上的布置及接線方式4.2.1.2測量方法

為克服上述缺點(diǎn)，提高測量精度，可采用圖4-18所示的應(yīng)變拉桿法。在牌坊立柱中性面4上焊兩個支座1，在二者之間固定三段粗拉桿2，其間用一根細(xì)小拉桿3（有效長度為l，其上粘貼應(yīng)變片，組成電橋）相連。當(dāng)粗拉桿剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于細(xì)小拉桿時，可認(rèn)為粗拉桿不發(fā)生變形，而牌坊立柱長度為L內(nèi)的變形主要集中在細(xì)小拉桿上，拉桿應(yīng)力為（4-19）由上式可見，細(xì)小拉桿應(yīng)力比立柱應(yīng)力大L/l倍。圖4-18應(yīng)變桿的結(jié)構(gòu)和安裝示意圖1-支座2-粗拉桿3-細(xì)拉桿4-立柱中性面

4.2.1.3應(yīng)變拉桿法

應(yīng)變拉桿法的優(yōu)點(diǎn)是：易于制造，便于維修，無需更動現(xiàn)有設(shè)備，不占用窗口空間，不影響機(jī)架剛度，工作條件好，使用壽命長，造價低廉易于推廣等。其缺點(diǎn)是：若立柱橫截面形狀不規(guī)則，中性面不易找準(zhǔn)。另外，由于各種因素的影響，四根立柱受力情況不盡相同。所以會引起較大誤差。實(shí)驗(yàn)表明，用應(yīng)變拉桿法和傳感器測量法測出的軋制力誤差，最大可達(dá)8～10％。

4.2.1.3應(yīng)變拉桿法

在軋制壓力測量中，用測力傳感器直接測量軋制壓力得到廣泛應(yīng)用。同應(yīng)變測量法相比，傳感器的應(yīng)力水平要高10-20倍，精度及穩(wěn)定性均優(yōu)，不僅可用于負(fù)荷顯示，還可為控制系統(tǒng)提供信號。當(dāng)然，這種方法的投資較多，標(biāo)定過程也比較復(fù)雜，但在當(dāng)前仍是國內(nèi)外普遍采用的主要方法。4.2.2傳感器測量法4.2.2.1測力傳感器的分類

測力傳感器的種類很多，按其測量原理可分為三大類：電容式、壓磁式和電阻應(yīng)變式1．電容式傳感器它把力轉(zhuǎn)換成電容的變化。它由兩個互相平行的絕緣金屬板組成。由物理學(xué)可知，兩個平行板電容器的電容為（4-20）式中——電容器的兩個極板覆蓋面積，平方厘米；——電容器的兩個極板間距，厘米；——電容器極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，空氣。由式4-20可知，、和三個參數(shù)中，只要有一個參數(shù)發(fā)生變化都會使電容改變，這就是電容式傳感器的工作原理。

圖4-20為測量軋制力使用的電容式傳感器。在矩形的特殊鋼塊彈性元件上，加工有若干個貫通的圓孔，每個圓孔內(nèi)固定兩個端面平行的丁字形電極，每個電極上貼有銅箔，構(gòu)成平板電容器，幾個電容器并聯(lián)成測量回路。在軋制力作用下，彈性元件產(chǎn)生變形，因而極板間距發(fā)生變化，從而使電容發(fā)生變化，經(jīng)變換后得到軋制力。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，消耗能量小、誤差小，國外已用于測量軋制力。缺點(diǎn)：泄漏電容大，寄生電容和外電場的影響顯著。測量電路復(fù)雜。圖4-20電容式傳感器原理圖1-絕緣物（無機(jī)材料）2-導(dǎo)體（銅材）3-電極4-鋼件4.2.2.1測力傳感器的分類

2．壓磁式傳感器它的基本原理是利用“壓磁效應(yīng)”，即某些鐵磁材料受到外力作用時，引起導(dǎo)磁率發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。利用壓磁效應(yīng)制成的傳感器，叫做壓磁式傳感器（在軋機(jī)測量中也常稱為壓磁式壓頭），有時也叫做磁彈性傳感器或磁致伸縮傳感器。圖4-21a為變壓器型壓磁式傳感器的原理圖。在兩條對角線上，開有四個孔1、2和3、4。在兩個對角孔1、2中，纏繞激磁（初級）繞組；在另兩個對角孔3、4中，纏繞測量（次級）繞組。和氣平面互相垂直，并與外力作用方向成45度角。當(dāng)激磁繞組通入一定的交流電時，鐵芯中就產(chǎn)生磁場。在不受外力作用（圖4-21b）時，由于鐵芯的磁各向同性，A、B、C、D四個區(qū)域的導(dǎo)磁率是相同的，此時磁力線呈軸對稱分布，合成磁場強(qiáng)度H平行于測量繞組平面，磁力線不與繞組交鏈，故不會感應(yīng)出電勢。4.2.2.1測力傳感器的分類

圖4-21壓磁式傳感器原理圖(a)-傳感器原理圖(b)-不受外力作用(c)-受外力作用4.2.2.1測力傳感器的分類

在外力P作用下（圖4-21c），A、B區(qū)域承受很大壓應(yīng)力，于是導(dǎo)磁率下降，磁阻增大。由于傳感器的結(jié)構(gòu)形狀緣故，C、D區(qū)域基本上仍處于自由狀態(tài)，其導(dǎo)磁率仍不變。由于磁力線有沿磁阻最小途徑閉合的特性，此時，有一部分磁力線不再通過磁阻較大的A、B區(qū)域，而通過磁阻較小的C、D區(qū)域而閉合。于是原來呈現(xiàn)軸對稱分布的磁力線被扭曲變形，合成磁場強(qiáng)度H不再與平面平行，磁力線與繞組交鏈，故在測量繞組中感應(yīng)出電勢E值。P值越大，應(yīng)力越大，磁通轉(zhuǎn)移越多，E值也越大。將此感應(yīng)電勢經(jīng)過一系列變換后，就可建立壓力P與電流I（或電壓V）的線性關(guān)系，即可由輸出I（或V）表示出被測力P的大小。

4.2.2.1測力傳感器的分類3．電阻應(yīng)變式傳感器它主要由彈性元件和應(yīng)變片構(gòu)成。外力作用在彈性元件上，使其產(chǎn)生彈性變形（應(yīng)變），由貼在彈性元件上的應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化。再利用電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換成電壓變化，然后送入放大器放大，由記錄器記錄。最后利用標(biāo)定曲線將測得的應(yīng)變值推算出外力大小，或直接由測力計(jì)上的刻度盤讀出力的大小。由于電阻應(yīng)變技術(shù)的發(fā)展，這種傳感器已成為主流。它特別適合于現(xiàn)場條件下的短期測量，故目前測量軋制力大多數(shù)采用電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖4-22所示。4.2.2.1測力傳感器的分類

圖4-22電阻應(yīng)變式傳感器典型結(jié)構(gòu)型式1-標(biāo)定墊2-球面墊3-上蓋4-銷釘5-彈性元件6-波紋管7-橡膠密封圈8-橡膠密封圈9-彈簧墊圈10-螺釘11-底盤12-定位銷4.2.2.1測力傳感器的分類

在軋鋼中，測力傳感器也叫做測壓頭，簡稱為壓頭。在軋鋼設(shè)備中，由于軋制力大，工作條件差，安裝傳感器的位置也受到限制，因此不能應(yīng)用出售的標(biāo)準(zhǔn)成品傳感器，必須根據(jù)每套軋機(jī)的具體條件自行設(shè)計(jì)和制造。一、外殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)1、外殼的作用。（1）傳力和均力。

（2）密封。

（3）機(jī)械防護(hù)。4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

2、設(shè)計(jì)步驟。（1）確定傳感器的安裝位置。圖4-19為測力傳感器安裝裝置。

（2）確定傳感器的結(jié)構(gòu)和外形尺寸（高度和寬度）。（3）傳感器的防護(hù)。圖4-23為初軋機(jī)用傳感器及其防轉(zhuǎn)裝置。4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

圖4-19測力傳感器安裝裝置4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

（a）950初軋機(jī)用傳感器裝配圖（b）1150初軋機(jī)用傳感器裝配圖1-壓下螺絲2-法蘭盤3-螺栓4-墊環(huán)5-鋼墊1-壓下螺絲2-銅墊3-上蓋板4-螺栓5-法蘭盤6-上蓋板7-彈簧元件8-下墊板9-上輥軸承座6-上軸承7-底墊8-鍵塊9-彈簧元件10-下墊板圖4-23初軋機(jī)用傳感器及其防轉(zhuǎn)裝置4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)型鋼軋機(jī)用傳感器時，重點(diǎn)是密封，常用的幾種密封型式如圖4-24所示。圖4-24傳感器常用的幾種密封結(jié)構(gòu)形式1-彈性元件2-上蓋3-密封圈4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)熱軋鋼板軋機(jī)用傳感器時，重點(diǎn)是防高溫。通常采用帶有循環(huán)水套的外殼，如圖4-25所示。在底盤1和外面焊一個外罩2，并經(jīng)由波紋管7通水冷卻。彈性元件3為一圓筒體，放在底盤1中，上蓋4和底盤1用螺釘連接起來，并用兩個橡膠密封圈5和6密封。圖4-25熱軋機(jī)用壓力傳感器1-底盤2-外罩3-彈性元件4-上蓋5-密封圈6-密封圈7-波紋管4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

二、彈性元件的設(shè)計(jì)彈性元件的作用是將所測力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，再由應(yīng)變片組成的電橋轉(zhuǎn)換成電信號。它是傳感器的關(guān)鍵部件。因此必須根據(jù)實(shí)際情況，合理地選擇彈性元件材料、幾何形狀和尺寸。1、對彈性元件的要求彈性元件應(yīng)線性好、強(qiáng)度高，過載能力強(qiáng)，重復(fù)性好，熱膨脹系數(shù)和溫度系數(shù)小，以保證傳感器溫漂小。為此，必須注意彈性元件材料的選擇與加工。若軋制力不大（數(shù)十萬牛頓），可選用中碳鋼；若軋制力很大（數(shù)兆牛頓），一般選用合金結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)合金鋼以及彈簧鋼等，以取得較大的許用應(yīng)力，提高傳感器的靈敏度，減小彈性滯后。對彈性元件應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，其上下兩個受力端應(yīng)磨削加工，表面粗糙為以上，兩端面平行度誤差應(yīng)小于0.01mm，以改善其接觸條件。圓筒形彈性元件的同心圓誤差應(yīng)小于0.01～0.02mm。粘貼應(yīng)變片的表面粗糙度應(yīng)為～。4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

2、彈性元件的幾何尺寸從測量性能看來，圓筒形比圓柱形具有良好的線性度、穩(wěn)定性和精度，滯后也小。從貼片多少看來，圓筒形比圓柱形具有更多的貼片面積。因此，絕大多數(shù)彈性元件均采用圓筒形。對于圓柱形和圓筒形彈性元件，其主要幾何尺寸為直徑和高度。彈性元件直徑是根據(jù)軋機(jī)一扇牌坊承受的額定軋制力，并參考壓下螺絲端頭直徑（應(yīng)略小于或等于端頭直徑）確定的。對于圓柱形彈性元件，其直徑為（4-21）

對于圓筒形彈性元件，其外徑應(yīng)小于或等于壓下螺絲端頭直徑，其內(nèi)徑為

（4-22）式中——分別為彈性元件的內(nèi)、外直徑；——軋機(jī)一扇牌坊承受的額定軋制力；——彈性元件材料的許用應(yīng)力。4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

確定彈性元件高度的基本原則，一是沿其橫截面上變形均勻，以便如實(shí)反映出彈性元件的真實(shí)變形；二是要考慮到彈性元件的穩(wěn)定性及動態(tài)特性等因素。彈性元件高度對傳感器精度影響很大，因此，必須合理地確定其大小。根據(jù)圣維南原理，當(dāng)圓柱體高度與其直徑的比值H/D≥1時,則沿其高向中間斷面上的應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)與其端面上作用的載荷性質(zhì)和接觸條件無關(guān),這就排除了圓柱體端面上的接觸摩擦和不均勻載荷以及偏心載荷對變形的影響。圖4-26所示為在圓柱體中心施加集中載荷時，應(yīng)變分布隨高度變化。由圖可見，圓柱體高度愈高，其截面上的應(yīng)變分布愈均勻。在圖4-26集中載荷作用下，當(dāng)時，其誤差為3%。因此，為了使彈性元件的貼片部位變形均勻，應(yīng)使其高度與直徑之比足夠大，以取得較高的測量精度，一般應(yīng)使，其誤差小于0.1%。4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

圖4-26高度與應(yīng)變的分布關(guān)系4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

另一方面，從彈性元件的穩(wěn)定性看來，若彈性元件太高，其穩(wěn)定性就差，這就降低了抗側(cè)向力的效果，因此又希望它高度低一些好。此外，從動態(tài)誤差方面來考慮，為使誤差小于2～3%，則希望彈性元件的自振頻率比被測載荷的最大頻率高十倍。而彈性元件愈低，其自振頻率愈高，因此也希望彈性元件高度低一些好。綜上所述，為了減小測量誤差，并考慮到彈性元件的穩(wěn)定性，彈性元件高度應(yīng)按下式選?。簩τ趫A柱體，取（4-23）對于圓筒體，?。?-24）式中——應(yīng)變片基長。對于軋機(jī)而言，彈性元件高度主要受到其安裝位置的約束，故達(dá)不到上述要求。為了保證測量精度，多采用圓筒形彈性元件，以增加共名義高度。4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

3、組合式傳感器對于大壓力值的傳感器，有時即使采用圓筒形彈性元件，也不能滿足要求，因此不得不采用組合（多體）式傳感器，如圖4-27所示，以進(jìn)一步提高值，降低傳感器高度。組合式傳感器由若干直徑小的分力彈性元件組成一個大型傳感器。根據(jù)分力彈性元件的數(shù)目，組合式傳感器可由3、4、5、9個分力彈性元件組成。圖4-27組合（多體）式傳感器示意圖(a)-3個分力彈性元件(b)-4個分力彈性元件(c)-5個分力彈性元件(d)-9個分力彈性元件組合式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是高度低，大，承載負(fù)荷大。其缺點(diǎn)是要求機(jī)械加工精度較高，以保證所有的彈性元件高度都相同。4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

三、應(yīng)變片的連接與組橋1、應(yīng)變片及貼片部位的選擇長期使用的傳感器，要求性能穩(wěn)定，蠕變小，故應(yīng)選用膠基箔式應(yīng)變片。若電橋?yàn)殡妷狠敵鰰r，應(yīng)選用大阻值應(yīng)變片或多片串聯(lián)，以便增大供橋電壓，提高電橋靈敏度，同時也可降低長導(dǎo)線的影響。若電橋?yàn)殡娏鬏敵鰰r，應(yīng)選用小阻值應(yīng)變片或多片并聯(lián)（注意應(yīng)使電橋輸出電阻與指示儀表內(nèi)阻匹配），以便增大供橋電流，提高電橋靈敏度。貼片部位應(yīng)選在彈性元件高度的中間位置。各應(yīng)變片應(yīng)對稱于彈性元件軸線均勻分布（圖4-28）。一般地是把工作片與補(bǔ)償片都貼在同一個彈性元件上，以便補(bǔ)償溫度的影響，同時，不僅縱向應(yīng)變，而且橫向應(yīng)變都反映到輸出信號中去，故提高了電橋靈敏度。4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

圖4-28應(yīng)變片的分布（a）及其接線圖（b）對于圓筒形彈性元件，在其內(nèi)外表面同時貼片，可取得靈敏度高，線性度好的效果?？紤]到在外表面貼片方便，通常盡量把補(bǔ)償片同在圓筒形彈性元件的外表面上，如圖4-29至4-31所示。4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

2、組橋方式由于對傳感器的要求不同，電橋的組橋方式也不相同。但其共同要求是能消除偏心載荷及溫度的影響，并盡可能提高電橋靈敏度。而溫度的影響又與電橋靈敏度有關(guān)，隨著電橋靈敏度的提高，溫度的影響相應(yīng)地減小。此外提高靈敏度，相應(yīng)降低了長導(dǎo)線和噪音的影響，即提高了信噪比，故對提高測量精度有利。3、橋臂上應(yīng)變片的連接實(shí)際上，電橋的每一個橋臂往往不是一枚應(yīng)變片而是由多枚應(yīng)變片串聯(lián)、并聯(lián)或復(fù)聯(lián)組成的。（1）應(yīng)變片串聯(lián)：為了討論簡單起見，以半橋單臂工作為例。若電橋兩臂分別由兩枚應(yīng)變片組成，，。設(shè)臂工作，，則電橋電壓輸出為

（4-25）由上式可知，應(yīng)變片串聯(lián)后的電阻增量為，即兩枚應(yīng)變片的電阻增量的算術(shù)平均值，起到對所測應(yīng)變值取平均的效果。4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

若，則上式變?yōu)椋河纱丝梢?，?dāng)供橋電壓一定時，應(yīng)變片串聯(lián)后并不能使電橋輸出增加，同樣，也不能提高橋臂系數(shù)。但是，由于應(yīng)變片串聯(lián)后，橋臂阻值增加，通過應(yīng)變片的電流減小，相應(yīng)的發(fā)熱量小。這樣，在保證流過應(yīng)變片的電流值不變的條件下，有可能提高供橋電壓，使電橋輸出增加。此外，串聯(lián)還可以消除偏心載荷的影響。若電橋?yàn)殡妷狠敵鰰r，可用多片串聯(lián)法，以便增大供橋電壓，提高電橋靈敏度。當(dāng)橋臂為一枚應(yīng)變片時，其電壓輸出為（4-26）當(dāng)橋臂由四枚應(yīng)變片串聯(lián)組成（圖4-29）時，在保持流過應(yīng)變片的電流值不變的條件下，供橋電壓可由增大至，此時的電壓輸出為（4-27）比較以上兩式可見，在通過每枚應(yīng)變片的電流不變、受載情況相同的條件下，四枚串聯(lián)比一枚時的電橋靈敏度提高四倍。4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

圖4-29串聯(lián)組橋法

4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

（2）應(yīng)變片關(guān)聯(lián)：若電橋兩臂分別由兩枚應(yīng)變片并聯(lián)而成，，。設(shè)臂工作，兩枚應(yīng)變片的電阻增量分別為、，則因?yàn)橥ǔ?，所以可略去分母中的和分子中的高次?xiàng)，則上式變?yōu)橛纱丝芍瑧?yīng)變片并聯(lián)后的電阻增量為兩枚應(yīng)變片電阻增量的算術(shù)平均值，故并聯(lián)也起到了對所測應(yīng)變值取平均的效果。

4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

若時，則(4-28)則電橋的電壓輸出為

由此可見，應(yīng)變片并聯(lián)后，每枚應(yīng)變片的電壓降不變，因而應(yīng)變片通過的電流和發(fā)熱情況均未改變，無法提高橋壓，因此并聯(lián)也不能增加電橋輸出和提高橋臂系數(shù)。但是，由于并聯(lián)后，橋臂的等效電阻降低了，因此通過橋臂的總電流增加，從而使電橋的電流輸出增加。4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

若電橋?yàn)殡娏鬏敵鰰r，可用多片并聯(lián)組橋法，以便增大橋臂電流，提高電橋靈敏度。當(dāng)橋臂為一枚應(yīng)變時，其電流輸出為(4-29)式中——橋臂電流。當(dāng)橋臂由四枚應(yīng)變片組成（圖4-30）時，在保持每枚應(yīng)變片的電流不變的條件下，橋臂電流可由增大至，此時電流輸出為(4-30)比較以上兩式可見，在通過每枚應(yīng)變片的電流不變，受載情況相同的情況，四枚并聯(lián)應(yīng)變片比一枚時的電橋靈敏度提高四倍。

4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)圖4-30并聯(lián)組橋法

4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

（3）應(yīng)變片的復(fù)聯(lián)：如前所述，串聯(lián)將增加電橋電阻，并聯(lián)減小電橋電阻。為了維持電橋與測量儀表的阻抗匹配條件，同時采用又串又并（復(fù)聯(lián)）組橋法來維持電橋的等效電阻不變（圖4-31）。需要指出，應(yīng)變片的串聯(lián)、關(guān)聯(lián)和復(fù)聯(lián)，有時并不僅僅是為了提高電橋輸出，而且也是為了能將較多的應(yīng)變片粘貼在彈性元件周圍，以測得其平均應(yīng)變值，從而減小因彈性元件受力不均所造成的測量誤差。

圖4-31復(fù)聯(lián)組橋法4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

四、傳感器的標(biāo)定和精度檢驗(yàn)在正式測定之前，通常是在材料試驗(yàn)機(jī)或?qū)Ｓ脡毫C(jī)上對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。所謂標(biāo)定，即是用已知的一系列標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷作用在傳感器上，以便確定出一系列標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷與其輸出信號（電流、電壓或示波圖形高度）之間的對應(yīng)關(guān)系，以此關(guān)系來度量傳感器所承受的未知負(fù)荷大小。1、標(biāo)定方法模擬傳感器在現(xiàn)場的受力情況，首先將傳感器在零載和滿載（額定載荷）之間反復(fù)加載多次（至少三次），以消除傳感器各部件之間的間隙和滯后，改善其線性。然后再用示波器振動子或直流電表等做正式標(biāo)定記錄。標(biāo)定時，載荷自零點(diǎn)開始逐級加到滿載，記錄下各已知的標(biāo)準(zhǔn)載荷所對應(yīng)的振動子光點(diǎn)高度或電流值（圖4-32），這樣，從零載到滿載至少重復(fù)三次，以取其平均值作為標(biāo)定數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)給出傳感器的標(biāo)定曲線（圖4-33）。

在傳感器標(biāo)定前后，應(yīng)該打電標(biāo)定，即用儀器上的電標(biāo)定裝置把應(yīng)變儀的放大記錄率記錄在示波圖上，以便實(shí)測時隨時校核儀器的工作狀態(tài)，使其保持在與標(biāo)定時相同的工作狀態(tài)下進(jìn)行測量。

4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

圖4-32傳感器標(biāo)定示意圖圖

圖4-33傳感器標(biāo)定曲線圖4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

2、標(biāo)定時的注意事項(xiàng)傳感器的加載條件應(yīng)力求和實(shí)測條件一致。將實(shí)測時用到的全部附件（例如球面墊等）都要加上標(biāo)定，最好用一個與壓下螺絲端頭形狀一致的標(biāo)定墊模擬壓下螺絲。儀器工作狀態(tài)力求和實(shí)測時相同。這一點(diǎn)對于使用動態(tài)電阻應(yīng)變儀測量時尤為重要。要求標(biāo)定和實(shí)測時使用同一套儀器，例如，應(yīng)變儀的通道號數(shù)、放大倍數(shù)（衰減檔、靈敏度）、示波器振動子號數(shù)、連接導(dǎo)線、供橋電壓等都應(yīng)相同，否則標(biāo)定結(jié)果無效。正式記錄前應(yīng)反復(fù)加載（至額定載荷）、卸載3～5次。標(biāo)定時應(yīng)將額定載荷分成若干個梯度，每一個梯度載荷要穩(wěn)定1～2min，以便讀取和拍攝輸出值。在相同環(huán)境和加載條件下，將傳感器旋轉(zhuǎn)幾個角度，以測量其重復(fù)性。

4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)

3、精度檢驗(yàn)對傳感器而言，通常用線性度、滯后和重復(fù)性三項(xiàng)指標(biāo)來表示其精度。（1）線性度傳感器的線性度一般用非線性誤差表示，即實(shí)際的工作特性曲線與理想的線性特性曲線的偏離程度。通常以最大移量與額定輸出值的百分比值表示,即（2）滯后傳感器的滯后是指傳感器的加載特性曲線與卸載特性曲線的偏離程度。通常以加載和卸載特性曲線的最大差值與額定輸出值的百分比表示，即

4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)（3）重復(fù)性傳感器的重復(fù)性是指傳感器在相同的環(huán)境和相同加載條件下，重復(fù)加載多次。由于每次加載曲線未必能完全一致，其中最大差值與額定載荷輸出值之比的百分?jǐn)?shù)稱為重復(fù)性誤差，即

在采用上述三項(xiàng)指標(biāo)的場合下，為了用一個單一的數(shù)值表示傳感器精度，習(xí)慣上用三者的平方和的平方根值作為折合的精度值，即（4-31）此外還有其它精度檢驗(yàn)指標(biāo)，可根據(jù)傳感器的用途選擇具體檢驗(yàn)項(xiàng)目。

4.2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器的設(shè)計(jì)4.3金屬塑性變形抗力的測量

金屬塑性變形抗力的測量方法有拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)等三種。其中使用最廣的是壓縮法，它能得到較大的變形程度。4.3.1熱變形抗力測量

目前常用的試驗(yàn)設(shè)備為凸輪式高速形變機(jī)，其主要特點(diǎn)是在壓縮過程中，保持變形速度恒定（靠專門設(shè)計(jì)的凸輪表面來保證的），于是力只是變形程度的函數(shù)，因此，只要記錄變形過程中，力與變形的變化規(guī)律，便可知各種變形條件下的變形抗力。壓縮試驗(yàn)用的試樣為圓柱體，高度與直徑之比一般為。直徑取決于試驗(yàn)機(jī)的能力大小。要使試樣變形均勻，必須減小試樣與工具表面之間的接觸摩擦。為此在試樣的上下兩個端面上刻成同心圓小槽或加工成凹槽，并在凹槽中充滿玻璃粉作為高溫潤滑劑，這樣可使端面上的摩擦減小到可以忽略不計(jì)的地步，因而試樣處于單向應(yīng)力狀態(tài)下變形。從壓縮過的試樣外形看來，可使變形程度達(dá)到60%，仍保持圓柱形，而不出現(xiàn)鼓形，說明變形是均勻的。4.3.2冷變形抗力測量

冷變形抗力的測量方法是采用平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)（圖4-34），將薄板放在兩個平行的平面壓板之間進(jìn)行壓縮。由于壓板寬度與薄板長度相比很小，因此處于壓板兩邊不受壓縮的金屬將阻止壓板下面的金屬在板寬方向擴(kuò)展。又由于薄板很薄，寬展很小，所以可以認(rèn)為材料處于平面應(yīng)變狀態(tài)。圖4-34平面壓縮實(shí)驗(yàn)

為了測定試樣在壓縮過程中的受力和變形，可采用如下兩種方法：一是直讀法，即在材料試驗(yàn)機(jī)的指示盤上讀出載荷，同時在千分表上讀出上壓板的壓下量；二是電測法，即把載荷和壓下量變換為電信號，用X-Y函數(shù)記錄儀把二者的函數(shù)關(guān)系記錄下來，如圖4-35所示。為了減少試樣與壓板之間的摩擦，使用磷狀石墨粉和變壓器油的混合劑（各占50%）較為理想。它可使摩擦對變形抗力的影響減小到5%以內(nèi)，甚至更小。

圖4-35電測方框圖1-材料實(shí)驗(yàn)機(jī)2-上、下液壓板3-電感千分表4-電阻應(yīng)變儀5-X-Y記錄儀6-試樣4.3.2冷變形抗力測量4.4扭矩的測量

扭矩測量的主要問題，是解決其應(yīng)變信號傳遞送問題。因粘貼在旋轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)變片和導(dǎo)線將隨著軸一起轉(zhuǎn)動，而測量儀器是固定的，因此需要一種專門的裝置把應(yīng)變信號從旋轉(zhuǎn)軸上引出傳送給固定的測量儀器，供放大、顯示或記錄。這種裝置叫做集電裝置。旋轉(zhuǎn)式集電裝置可分為三種：接線式、電刷式和水銀式。下面重點(diǎn)介紹前兩種形式。4.4.1對集電裝置的技術(shù)要求

接線式和電刷式集電裝置主要由兩部分組成：一部分與轉(zhuǎn)軸上應(yīng)變片的引出線連接，隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，稱為滑環(huán)或集流環(huán)；另一部分與固定的測量儀器連接，稱為接線或電刷。為了保證準(zhǔn)確地傳遞轉(zhuǎn)動軸上的信號，滑環(huán)應(yīng)滿足下列技術(shù)要求：（1）滑環(huán)各滑道與電刷（接線）之間的接觸電阻應(yīng)盡量小。（2）接觸電阻應(yīng)盡量保持穩(wěn)定，即其變化應(yīng)盡量小，否則將使電橋輸出值波動。

（3）滑環(huán)各滑道與旋轉(zhuǎn)軸之間要有良好的絕緣，其絕緣電阻不得小于20MΩ。（4）滑道與電刷的摩擦溫升要小，以免在線路中產(chǎn)生熱電勢，造成測量誤差并降低絕緣電阻。（5）結(jié)構(gòu)簡單，制造和安裝方便。4.4.2拉線式集電裝置

拉線式集電裝置結(jié)構(gòu)如圖4-36所示，用螺栓9把兩個半圓形滑環(huán)4（由膠木或尼龍制成）固定在轉(zhuǎn)軸1上，并隨之轉(zhuǎn)動。在滑環(huán)的外層有三至四條溝槽（依半橋或全橋而定），槽中嵌有鈹青銅或黃銅帶5。銅帶兩端固定在滑環(huán)的兩個剖分面上，其端頭焊上導(dǎo)線，以便與應(yīng)變片2引線3連接。拉線6置于滑環(huán)之上，并經(jīng)絕緣子7，用彈簧8拉緊固定，儀器的導(dǎo)線焊在拉線6上，即可將電信號由拉線6引至固定的測量儀器。拉線多采用裸銅絲編織的扁線。拉線的包角視軸徑而定，一般在30-900之間。包角太小，接觸不良；包角太大，磨損快，因摩擦生熱甚至局部熔化而造成接觸表面不平。拉線的張力大小要適當(dāng)，過小時，拉線與滑道接觸不好；過大時，拉線磨損快。拉線式集電裝置結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，成本低，使用效果好。適用于線速度不太高、短期測試使用的場合，目前這是現(xiàn)場測試中應(yīng)用最廣的一種。

圖4-36拉線式集電裝置1-軸2-應(yīng)變片3-引線4-滑環(huán)5-黃銅帶6-拉線7-絕緣子8-彈簧9-螺栓4.4.2拉線式集電裝置4.4.3電刷式集電裝置

這種集電裝置可分為徑向電刷式與側(cè)向電刷式兩種。徑向電刷式集電裝置如圖4-37所示，在軸2上安裝用絕緣膠木（或尼龍）做成的滑環(huán)1，在其四個槽內(nèi)鑲有銅環(huán)3，其上為電刷4，用彈簧片5把它壓緊在銅環(huán)上。在軸上粘貼應(yīng)變片7，組橋引線6分別焊在四個銅環(huán)上。當(dāng)電橋有信號輸出時，通過銅環(huán)和電刷可以將軸上的信號傳遞到應(yīng)變儀上。圖4-37電刷式集裝置1-滑環(huán)2-軸3-銅環(huán)4-電刷5-彈簧片6-引線7-應(yīng)變片

徑向電刷在滑環(huán)上的配置如圖4-37和圖4-38所示，通常把電刷切向安置在滑環(huán)上，并用彈簧壓緊。徑向電刷式集電裝置的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，但接觸電阻不穩(wěn)定，所以，只適用于轉(zhuǎn)速低、精度要求不高的場合。圖4-38電刷在滑環(huán)上的配置情況1-石墨電刷2-滑環(huán)3-絕緣層4-壓緊螺釘5-壓緊彈簧6-軸4.4.3電刷式集電裝置

側(cè)向電刷式集電裝置如圖4-39所示，電刷與滑環(huán)的側(cè)面相接觸，故對滑環(huán)的偏心量要求不像徑向電刷式那樣苛刻。為了保證電刷與滑環(huán)接觸良好，減小其滑動接觸電阻，在每一條滑道上應(yīng)配置2-4個電刷（圖4-39），以防由于集電裝置振動、偏心等影響電刷接觸。各電刷要并聯(lián)，以減小接觸電阻。電刷材料多用石墨與銀制成，亦可用鈹青銅片。電刷應(yīng)固定在電刷架上，電刷架則可固定在被測轉(zhuǎn)動軸附近的剛性構(gòu)件上。圖4-39側(cè)向電刷式集電裝置4.4.3電刷式集電裝置4.4.4采用集電裝置時的組橋

若用四枚應(yīng)變片貼于被測軸上，則可組成半橋和全橋電路。圖4-40為全橋接法，將受拉應(yīng)變片、與受壓應(yīng)變片、分別接在電橋的兩對相對臂上。此法優(yōu)點(diǎn)是集電裝置的各接觸點(diǎn)均處于電橋之外。接觸電阻、串聯(lián)在供橋端，只影響加到電橋上的供橋電壓，但滑環(huán)的接觸電阻相對于電橋的電阻是很小的，故對供橋電壓的影響很小。接在輸出端AC的兩個滑環(huán)，相當(dāng)于把接觸電阻、串聯(lián)在輸出端的負(fù)載上，同樣，接觸電阻相對于電橋輸出的負(fù)載電阻也是很小的，所以對電橋輸出的影響也非常小。測量傳動軸上的扭矩都采用全橋電路，以消除接觸電阻的影響，提高測試精度。圖4-40全橋接法(a)-原理圖(b)-接線圖

圖4-41為半橋接法，將受拉應(yīng)變片、串聯(lián)為一橋臂，、串聯(lián)為另一橋臂，另二橋臂為應(yīng)變儀內(nèi)電阻。此法優(yōu)點(diǎn)是滑環(huán)只需三條滑道，比全橋少了一條。缺點(diǎn)是集電裝置的各接觸點(diǎn)處于電橋回路之內(nèi)，而各接觸點(diǎn)的滑動接觸電阻變化又不相等，將給測量結(jié)果帶來誤差。圖4-41半橋接法軸4.4.4采用集電裝置時的組橋

此外，為了進(jìn)一步消除接觸電阻的影響，可采用預(yù)放大法。即在被測傳動軸上安裝一個由線性集成電路制成的直流放器（電路原理圖見圖4-42），將電橋輸出信號先經(jīng)直流放大器放大，再將放大后的信號經(jīng)集電裝置引至記錄器直接記錄。這樣電橋與放大器之間沒有接觸電阻，同時電橋的平衡機(jī)構(gòu)也設(shè)在電橋內(nèi)，使之均不受接觸電阻的影響。放大后的信號很強(qiáng)，再經(jīng)集電裝置輸出時，使得接觸電阻變化引起的測量誤差減至最低限度。此法優(yōu)點(diǎn)可使滑道數(shù)目減少，若用干電池時，則可用一條滑道。若用外接電源時，再用兩條滑道。缺點(diǎn)是溫漂較大，要求環(huán)境溫度變化要小。此外，調(diào)整電橋平衡時，需停機(jī)進(jìn)行，影響生產(chǎn)。圖4-42直流放大原理圖4.4.4采用集電裝置時的組橋4.4.5扭矩的標(biāo)定

扭矩的標(biāo)定就是在所測軸上施加已知標(biāo)準(zhǔn)力矩，以求得電橋輸出與力矩之間的關(guān)系，稱標(biāo)定方程或標(biāo)定曲線。標(biāo)定方法有直接標(biāo)定與間接標(biāo)定兩類。4.4.5.1直接標(biāo)定

在現(xiàn)場對所測軸施加已知力矩，對于小軸，可把接軸一端卡住，另一端固定一根杠桿，在杠桿端部逐漸加砝碼。對于大軸，可用吊車來盤軸，在吊車提升機(jī)械上安裝一個測力計(jì)，以得到所施加的力矩值。扭矩直接標(biāo)定示意圖見圖4-43。這種標(biāo)定法準(zhǔn)確，但是，往往由于現(xiàn)場條件不允許進(jìn)行直接標(biāo)定，故多采用間接標(biāo)定。

圖4-43扭矩直接表定示意圖1-已知力2-力臂3-連軸節(jié)4-徑向支承5-被測軸6-應(yīng)變計(jì)7-人為固定端4.4.5.1直接標(biāo)定

間接標(biāo)定法有模擬小軸法和電標(biāo)定法（并聯(lián)電阻法及應(yīng)變儀給定應(yīng)變法）。1、標(biāo)定小軸法做一個直徑為實(shí)測軸直徑直，材質(zhì)相同的小軸。在小軸上貼片，要求應(yīng)變片性能、貼片工藝、組橋方法、測量儀器以及導(dǎo)線均與實(shí)測軸的條件完全一樣。然后將小軸放在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上或加載支架上，加載并做出標(biāo)定曲線。模擬小軸扭矩標(biāo)定裝置示意圖見圖4-44。4.4.5.2間接標(biāo)定圖4-44模擬小軸扭矩標(biāo)定裝置1-已知力2-臂桿3-連軸節(jié)4-徑向支承5-被測軸6-應(yīng)變計(jì)7-人為固定端

根據(jù)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算公式，對小軸施加已知扭矩，則得對實(shí)測軸為式中、——小軸與大軸的切應(yīng)力；

d、D——小軸與大軸的貼片處直徑。當(dāng)兩軸測試條件、輸出值（如光點(diǎn)高度）相同時，則表示兩軸產(chǎn)生的切應(yīng)力相等，即所以（4-32）

實(shí)際應(yīng)用上式時，模擬小軸的標(biāo)定曲線可作為實(shí)測大軸的標(biāo)定曲線使用，只是將乘以，即為。或者根據(jù)標(biāo)定曲線找出標(biāo)定系數(shù)（標(biāo)定扭矩與光點(diǎn)高度之間的比例關(guān)系），求出：

（4-33）式中——標(biāo)定系數(shù)，——實(shí)測光點(diǎn)亮度。4.4.5.2間接標(biāo)定

2、關(guān)聯(lián)電阻法在選定的某橋臂上并聯(lián)一個固定電阻，其值是按給定應(yīng)變計(jì)算的。關(guān)聯(lián)后測出相應(yīng)的光點(diǎn)高度，它即代表給定的應(yīng)變值曲線。根據(jù)式（4-10）

（4-34）的求法：當(dāng)并接橋臂后，該臂阻值由變?yōu)?，故等式兩端同除以，?/p>

(4-35)

當(dāng)、和給出以后,即可算出。4.4.5.2間接標(biāo)定

為使其等效于傳動軸上電橋的輸出，全橋接法時：

（4-36）半橋接法時

（4-37）

式中——橋臂阻值；——應(yīng)變片靈敏系數(shù)。在現(xiàn)場使用此法方便，標(biāo)定精度也較高，但必須正確選取和值。標(biāo)定時將固定電阻并聯(lián)在滑環(huán)處，這樣可以不計(jì)導(dǎo)線的影響。實(shí)際測量時，往往先給定，再求。4.4.5.2間接標(biāo)定

3、應(yīng)變儀給定應(yīng)變法凡是帶有標(biāo)定裝置的應(yīng)變儀都可使用此法。但儀器給定的應(yīng)變值是按標(biāo)準(zhǔn)阻值120Ω，靈敏系數(shù)和短導(dǎo)線設(shè)計(jì)的，因此必須加以修正，修正后的應(yīng)變值為式中——儀器給定應(yīng)變值；——儀器設(shè)計(jì)靈敏系數(shù)，一般；——實(shí)測用應(yīng)變片靈敏系數(shù)；——應(yīng)變片阻值與標(biāo)準(zhǔn)阻值不同時的修正系數(shù)（查應(yīng)變儀說明書）；——導(dǎo)線過長時修正系數(shù)（查應(yīng)變儀說明書）；——總修正系數(shù)，此法與關(guān)聯(lián)電阻法原理相同，也是用一臂標(biāo)定，為使其與四臂工作時等效，當(dāng)全橋時必須取。并用相同方法計(jì)算。若現(xiàn)場沒有其它標(biāo)定條件時，可使用此法，但修正計(jì)算繁雜。4.4.5.2間接標(biāo)定4.5其它力學(xué)參數(shù)的測量

在帶卷式的板帶生產(chǎn)中大都采用帶張力的軋制方法。這是由于張力對穩(wěn)定軋制過程有利。但軋制時應(yīng)注意嚴(yán)格地保持張力恒定，否則，由于張力的變化將引起軋制力發(fā)生相應(yīng)的波動，使軋件產(chǎn)生縱向厚度不均。因此精確測量張力是保證板帶軋制合理操作的一個重要基礎(chǔ)。也是軋機(jī)實(shí)現(xiàn)自動控制的一個前提。張力測量首先是通過張力輥和導(dǎo)向輥將張力轉(zhuǎn)換成張力輥的壓力，然后由張力傳感器測出，最后按力三角形計(jì)算出張力大小。4.5.1軋件