应变、力与扭矩测量.ppt

1、第六章 常用量测量（3）,2. 掌握应变、力与扭矩测量的的基本原理,第二节 应变、力与扭矩测量,电阻应变片测量技术是利用电阻应变片（计）测定构件表面的应变，再根据应力、应变的关系式确定构件表面应力状态的一种应力分析方法。,2-1电阻应变片（计）的工作特性,电阻应变计又称电阻应变片， 金属电阻应变片的工作原理基于弹性材料的机械应变效应。 半导体应变片工作原理为压阻效应。主要是受到材料电阻率的影响。,应变和力测量系统可分为三个基本环节： 1.传感器，通过零件或弹性元件将力转变为应变，再由电阻应变计将机械应变转变为电阻变化量； 2.电阻应变仪，放大由电阻应变片（计）组成的电桥所输出的电压，以电压或电

2、流信号输出； 3.指示、记录装置，可为指针式仪表，或示波器、记录器、计算机，作用是对信号加以指示、记录或分析,电阻应变片,显示与记录,测量电路,R,U或i,K=（R/R）/ (= l / l),2.2电阻应变计(片）,电阻应变计（金属）又称电阻应变片，工作原理基于弹性材料的机械应变效应。【半导体应变片为压阻效应】,电阻应变计的工作特性,(1)应变计（片）的灵敏系数K,相当钢质试件上的应力为0.2MPa。 可测最大应变取决于应变计的强度、线性范围及粘结剂的效能.,(2)可测应变范围,应变计的最小可测应变量决定于应变计的灵敏系数及测量仪器的灵敏度.,常用应变仪可测最小应变为微应变， 记作1(1=1

3、0-6 ) ，,(3)温度的影响 应变计的电阻温度系数是其安装在试件上时单位温度变化所产生的电阻相对变化量。 例：贴在钢质试件上康铜应变片（计）的电阻温度系数0约为12， 灵敏度系数K约为2，由K0t可知，温度变化1相当于应变值6。 这说明电阻应变计的热输出是不能忽略的，可利用电桥特性进行温度补偿，也可采用温度自补偿应变计。,A.电阻应变计的敏感栅有横向的部分，其对应变计电阻变化的影响与纵向部分不同。,B.应变片的横向灵敏系数与纵向灵敏系数的比值称为横向效应系数。,C.箔式应变计的横向效应可以忽略。丝式应变计的使用条件与其标定条件不同时，要考虑对测量结果作修正。,(4)应变片的横向效应,(5)

4、工作环境的影响,a)电阻应变计可能受到水、蒸汽、油以及强磁场等恶劣环境的影响。,b)如空气湿度大或应变计与水接触，会引起胶层绝缘下降，改变电阻值，胶层吸水膨胀也会产生附加应变。 c)恶劣环境会导致测量误差，应采取必要的防护措施。,应变计的其他工作特性还有允许电流、机械滞后、蠕变、零漂、疲劳寿命和绝缘电阻等。,2.3应变片（计）的选用,(1) 应变片几何参数的选择,应变片敏感栅的长度称为标距。 a.在应变场梯度大、应变频率高时应采用小标距应变片。 b.对于混凝土、铸钢、铸铁等材质不均匀的材料宜采用较大标距的应变片。,(2)电阻值的选择,桥臂电阻值标准为120，否则应根据仪器说明书进行修正。,动态

5、应变仪多按灵敏系数K=2设计，故动态测量宜选用K=2的应变计，否则应对测量结果加以修正； 静态应变仪多设有灵敏系数调节装置，可在K2左右一定范围内调节。选用高灵敏度的应变计可省去中间放大单元，简化测量系统。,(3)灵敏（度）K 系数的选择,(4)应变片（计）类型的选择,c)半导体应变片（计）灵敏系数高，机械滞后和蠕变小，频率响应好；但参数离散度大，温度影响大，线性范围小。半导体应变片（计）多用于测量小的应变。,a)一般丝式应变片（计）多用纸基，价格低、粘贴容易，但耐久性、耐湿性较差，横向效应大，在要求不高时可用；,b)箔式应变片（计）多用胶基，可用于150以下的中温和常温测试，它绝缘性能好，参

6、数分散性小，精度高，在应变测量中应用最广泛。,2.4静态应力测量,应力、应变测量是机械测试技术中应用最广泛的方法。其目的是掌握被测件的实际应力大小及分布规律。,应力测量可分为两种情况 1.单向应力测量单个应变片测量 2.平面应力测量多采用变花测量,对每个具体问题一般按以下步骤进行： 1.对被测件进行应力应变分析 2.选择测点，布片组桥， 3.根据测得的数据进行分析计算。,本节介绍静态应力测量方法，其基本原则都适用于动态应力测量。,单向应力状态下的应变测量,其中R1t，R2t分别为温度对R1，R2的影响，R1P是因力P而产生的电阻变化。,轴向力P,试件为单向应力状态,工作应变片R1,温度补偿板上

7、贴补偿片R2,实现温度补偿必须满足以下条件： 补偿板和试件的材料相同；工作片和补偿片完全相同，放在完全相同温度场中，接在相临桥臂。于是，静态电阻应变仪上的读数仪=P。 沿轴向贴一片应变片，沿横向贴另一片，称为工作片补偿法。其输出电压为,即 ，真实应变 ，其中为材料的泊松比。,右图为拉(压)载荷测量。布片时省去了温度补偿板，这种方法可得到最大输出应变值，即 ，也可以消除因加载偏心而造成的附加弯矩。,当上述试件受到弯矩作用时，其上、下表面会分别产生拉应变或压应变。可通过应变测量求得弯矩，布片接桥时要注意利用电桥特性，在输出中保留弯应变的影响，消除轴向拉、压力产生的应变成分。,2.5 平面应力状态下

8、测量主应力,实际上，许多结构、零件处于平面应力状态下，其主应力方向可能是已知的、或未知的。,1)已知主应力方向,其贴片和接桥方法如上图所示。先测出应变值1，2，再由虎克定律计算出主应力，即 即,2)主应力方向未知,一般采取贴应变花的办法来进行测量。对于平面应力状态，如能测出某点三个方向的应变，就可以计算该点主应力的大小和方向。主应力计算公式可查自有关试验应力分析资料，也可根据材料力学中应力圆、应变圆的知识进行推导。市上有多种应变花，可以按工况的需要选购。,2.6力的测量,2.6.1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。,一类是直接比较法，即把待测力与基准量直接进行比较。,另

9、一类是间接比较法，就是将被测力通过力传感器转换为其它物理量，然后与标定值进行比较此法不仅适用于静态测试，而且还广泛用于动态力的测试。 。,实现力值测试的关键装置是测力传感器。,测力传感器种类繁多，有电容式、压阻式、差动变压器式、压电式、电阻应变式等。,在动态力测试中选用时，还应注意传感器的动态特性即幅频特性和相频特性。,电阻应变式和压电式测力传感器具有灵敏度高、线性度和稳定度好、结构简单、动态特性优良等优点，广泛应用于力的测试中。,(1)柱式弹性元件,柱式弹性元件分为实心和空心两种。在外力作用下，若应力在弹性范围内，则应力和应变成正比关系，即：,式中,F作用在弹性元件上的集中力；,E材料弹性模

10、量,A圆柱的横截面积。,提高灵敏度,减小横截面积A,受到允许应力和线性要求的限制,A越小,对横向力干扰越敏感,小集中力,采用空心圆柱（圆筒）式弹性元件。,同样横截面积情况下，空心圆柱式的横向刚度大，横向稳定性好,空心圆柱弹性元件的直径也要根据允许应力计算，由,式中：D空心圆柱的外径,d空心圆柱的内径。,式中l应变片基长。,布片组桥所示：纵向应变片R1和R3，R2和R4串联，且处于对臂位置，以减小弯矩的影响。横向粘贴的应变片具有温度补偿作用。 柱式力传感器可以测量0.13000吨的载荷，常用于大型轧钢设备的轧制力测量。,弹性元件上应变片的粘贴和电桥连接应注意： 1、应尽可能消除偏心和弯矩的影响，

11、 2、将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部，,2、等强度梁 如图梁式力传感器所示：梁厚为h，梁长为l，固定端宽为b0，自由端宽为b。梁的截面成等腰三角形，集中力作用在三角形顶点，梁内各横截面产生的应力是相等的，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：,表面上任意位置的应变也相等，因此称为等强度梁。,3、切削力测量,切削力的测量是一种比较典型的多向动态力测量。切削力信号是复杂的信号，一般情况下是随机信号。下图所示八角环型车削测力仪为典型的切削力测量装置。,(1)车削测力仪受力分析,车削时进给抗力Fx使八角环受到切向推力，切深抗刀Fy使八角状环受到压缩，主切削力Fz使

12、八角环上面受拉伸下面受压缩。,八角环弹性元件是由圆环演变来的（下图为八角环上的布片和组桥），若在圆环上施加单向径向力Fy，其各处的应变不同，其中在与作用力成39.6度处(大约是R5、R6处)应变力为零，此处称为应变节点。,八角环弹性元件测力情况：,2.7 扭矩传感器,使物体转动的力偶，简称转距，它使物体产生某种程度的扭转力矩。简称扭矩。,扭矩测量,应力、应变式,（转轴的切应变）,相对转角式,（两端面的相对转角变换为电量）,（轴类零件受扭作用时，在其表面产生切应变，可通过测量应变测量扭矩。如电阻应变式扭矩传感器。）,（弹性转轴受扭后，两端面得相对转角只与所承受得扭矩有关，可通过测量扭转角测量扭矩

13、。如光电式和电容式扭矩传感器。）,电动机,1）应力、应变式（转轴的切应变）原理,输 出,应变片,电刷,集流环,弹性轴,电动机,2）相对转角式（转轴的切应变）原理,输 出,相对转角式,弹性轴,圆盘2,圆盘1,一、电阻应变式扭矩传感器,电阻应变式扭矩传感器属于通过测量轴体表面的扭应变测量扭矩。,1,1,2,2,主应变的大小为：T 为扭矩,T,T,T 为扭矩 E轴材料的弹性模量 泊松比 1、2与主应力1和2 对应的主应变 W-扭转端面距（m3) 测出主应变即可计算出相应的扭矩T大小。 下图为测试扭矩的示意图,四片应变片R1、R2、R3、R4组成全桥，除可增加灵敏度外，还可消除轴向力和弯曲力的影响。四

14、个集流环两个接电源，两个输出信号。,扭矩测量中应变计的布置和组桥方法,扭矩的测量方法较多，其原理都是通过测量与扭矩有对应关系的其他物理量（如轴体的扭转变形、应力、磁阻或导磁率等）来实现的。常用的测量方法是通过测量轴体表面的扭应变测量扭矩。,若测得沿45方向的应变1，则相应的剪应变为,式中E材料的弹性模量；,材料的泊松比。,于是，轴的扭矩为,式中Wn材料的抗扭模量。,测扭时，电阻应变计须沿主应变1及2的方向（与轴线成45及135夹角）。应变计的数目、布置及组桥方式，应考虑灵敏度、温度补偿及抵消拉、压及弯曲等非测力因素干扰的要求。,测量扭矩时应变片的布置和组桥方式中给出了几种布片及组桥方案。,(a

15、)为双片集中轴向对称(横八字)布置，应变片R1及R2互相垂直，其敏感栅中心分别处于同一母线的两个邻近截面的圆周上，组成半桥的相邻两臂。 (b)为双集中径向对称（竖八字）布置，与(a)之不同之处仅在于R1及R2处于同一截面周边的邻近两个点上，这种布片方式不能完全抵消弯曲影响，适用条件同(a),(c)为四片径端对称的双横八字布置，其中R1、R2及R、R各按(a)的方式分别布置在同一直径两个端点的邻近部位。在轴体表面展开图中，互相垂直的两个应变栅的中心共线，四片可组成半桥或全桥工作。当组成全桥时，其输出灵敏度为(a)的二倍。无论组成半桥或全桥方式工作，皆可完全抵消拉（压）及弯曲的影响。,(d)为四片

16、径端对称的双竖八字布置，可视为(b)的复合。其中R1、R2及R、R分别处于同一截面同一直径两个端点的邻近部位，且在轴体表面展开图中，四个敏感栅的中心共线。,(e)为四片均不的双竖八字布置，与(d)的区别仅在于四片圆周均布。(d)与(e)可组成全桥或半桥方式工作，其灵敏度及抵抗非测力因素的性能同(c)。,电阻应变式扭矩传感器,右图是一种应变式扭矩传感器。四个应变片中的两个粘贴在与轴线成450的方向上，另外两个粘贴在与轴线成1350的方向上。四个应变片接成全桥回路，除可提高灵敏度外，还可消除轴向力和弯曲力的影响。集流环是将转动中轴体上的电信号与固定测量电路装置相联系的专用部件。四个集流环中的两个用

17、于接人激励电压，两个用于输出信号。,二 压磁式（磁弹式）扭矩仪,压磁式扭矩仪又称磁弹式扭矩仪，图321为磁弹式扭矩传感器的结构示意图。轴1由强磁性材料制成，通过联轴节与动力机和负载相连，联轴节由非磁性材料制造，具有隔磁作用。,将轴1置于线圈绕组3中，线圈所形成的磁通路经轴1，靠铁心2封闭。测量时线圈3通人激励电流，轴1在轴向被线圈3磁化。根据磁弹效应，受扭矩作用的轴的导磁性(磁导率)也要发生相应变化，即磁导率发生变化，从而引起线圈的感抗变化，通过测量电路测量感抗的变化可确定扭矩。,三 电容式扭矩测量仪,电容式扭矩传感器结构示意图 1弹性转轴 2轴套 7套管 3、6绝缘板 4、5开孔金属圆盘 8

18、、9金属圆盘 10壳体,电容式扭矩测量仪是利用机械结构，将轴受扭矩作用后的两端面相对转角变化变换成电容器两极板之间的相对有效面积的变化，引起电容量的变化来测量扭矩。右图为传感器结构示意图。,当弹性轴1传递扭矩时，靠轴套2、套管7固定在轴两端的开孔金属圆盘4、5产生相对转角变化。在靠近圆盘4和5的两侧，另有两块金属圆盘8、9，通过绝缘板3和6固定在壳体上，构成电容器。其中金属圆盘8是信号输入板，它与高频信号电源相接，金属圆盘9是信号接收板，信号经高增益放大器后，输出电信号。壳体接地，开孔金属圆盘4、5经过轴和轴上的轴承也接地。 金属圆盘8、9之间电容量的大小，取决于它们之间的距离以及开孔金属圆盘4、5所组成扇形孔的大小。,当轴承受扭矩时，开孔金属圆盘4、5产生相对角位移，窗孔尺寸变化，使得金属圆盘8、9之间的电容发生相应变化。即使输出信号与开孔金属圆盘4、5之间的角位移成比例，角位移与轴l所承受的扭矩成比例。 电容式扭矩传感器的主要优点是灵敏度高。测