机械工程测试技术基础--应变、力与扭矩测量

*1.应变测量原理第一节应变与应力的测量一、应变的测量应变电测法的测量系统主要由电阻应变片、测量电路、显示与记录仪器或计算机等设备等组成，如图9-1所示。图9-1*2.应变测量装置第一节应变与应力的测量一、应变的测量应变测量装置也称电阻应变仪。其组成如下所示。*3.应变仪的电桥特性第一节应变与应力的测量一、应变的测量应变仪中多采用交流电桥，电源以载波频率供电。四个桥臂均为电阻组成，由可调电容来平衡分布电容。*4.应变片的布置与接桥方法第一节应变与应力的测量一、应变的测量由于应变片粘贴于试件后，所感受的是试件面的拉应变或压应变。应变片的布置和电桥的连接方式应根据测量的目的、对载荷的估计而定。*5.应变片的选择及应用第一节应变与应力的测量一、应变的测量（1）试件的测试要求：应变片的选择应从满足测试精度、所测应变的性质等方面考虑。（2）试验环境与试件状况：实验环境对应变测试的影响主要是通过温度、湿度等因素起作用。（3）应变片的粘贴应变片的粘贴是应变式传感器和直接用应变片作为传感器的成败关键。*1.应力测量原理第一节应变与应力的测量二、应力的测量应力测量原理实际上就是：先测量受力物体的变形量，然后根据胡克定律换算出待测力的大小。*2.应力状态与应力计算第一节应变与应力的测量二、应力的测量（1）单向应力状态该应力状态下的应力σ应变ε关系甚为简单，由胡克定律确定为σ=Eε（2）平面应力状态1）已知主应力方向例如承受内压的薄壁圆筒形容器的筒体，它处于平面应力状态下，其主应力方向是已知的。*2.应力状态与应力计算第一节应变与应力的测量二、应力的测量　　用半桥单点测量薄壁压力容器的主应变，如上所示。*2.应力状态与应力计算第一节应变与应力的测量二、应力的测量（2）平面应力状态2）主应力方向未知一般采用贴应变花的办法进行测试。　　应变花是由三个或多个按一定角度关系排列的应变片组成，如上所示。*1.温度的影响及温度补偿第一节应变与应力的测量三、影响测量的因素及其消除方法温度对测量的影响很大。消除由温度引起的影响，其主要方法是采用温度自补偿应变片。2.减少贴片误差测量单项应变时：应变片的轴线与主应变方向有偏差时，就会产生测量误差，一因此在粘贴应变片时对此应给与充分的注意。*3.力求应变片实际工作条件和额定条件的一致第一节应变与应力的测量三、影响测量的因素及其消除方法应根据以最少的测点达到足够真实地反映结构受力状态的原则来选择测点。4.排除测量现场的电磁干扰5.测点的选择*1.弹性变形式的力传感器第二节力的测量一、几种常用力传感器的介绍（1）圆柱式电阻应变式力传感器*1.弹性变形式的力传感器第二节力的测量一、几种常用力传感器的介绍（2）梁式拉压力传感器为了获得较大的灵敏度，可采用梁式结构。　　如图9-5用来测量拉/压力传感器的典型弹性元件*2.差动变压器式力传感器第二节力的测量一、几种常用力传感器的介绍　　图9-6一种差动变压器式力传感器的结构示意图。*2.差动变压器式力传感器第二节力的测量一、几种常用力传感器的介绍　　如图9-6所示是一种差动变压器式力传感器的结构示意图。该类力传感器是通过弹性元件来实现力和位移间的转换。*3.压磁式力传感器第二节力的测量一、几种常用力传感器的介绍磁压式力传感器的工作原理是基于铁磁材料的压磁效应。图9-7压磁元件及其工作原理*3.压磁式力传感器第二节力的测量一、几种常用力传感器的介绍　　图9-8一种典型的压磁式力传感器结构*4.压电式力传感器第二节力的测量一、几种常用力传感器的介绍压电式传感器应用压电效应，将力转换成电量。　　图9-9两种压电式力传感器的构造图。*第二节力的测量二、空间力系测量装置在空间力系测量工作中：巧妙地受力的弹性元件和布置应变片或选择压电晶体片的敏感方向是成功的关键。　　9-10压电式三向测力传感器元件组合方式的示意图。*第二节力的测量三、动态测力装置的使用特点1.动态测力装置的动态误差大多数测力装置可以近似抽象如图7-1所示的单自由度振动系统。图7-1*第二节力的测量三、动态测力装置的使用特点1.动态测力装置的动态误差在一般情况下，测力弹性元件的弹性力和被测力总有幅值和相位的差异。因此在实际使用条件下，在整个工作频率范围内进行全面的标定和校准是一件必不可少的工作。实际作用力和测量测力装置的惯性力、阻尼力以及弹性力的关系如图9-11所示。图9-11*第二节力的测量三、动态测力装置的使用特点2.注意减小交叉干扰为了减小交叉干扰，必须采用相应的。例如精心设计弹性元件，使其受力变形合理；正确选择应变片的粘贴部位并准确地粘贴之；最后，还往往利用测力装置标定结果来修正交叉干扰的影响。*第二节力的测量三、动态测力装置的使用特点3.测力装置频率特性的测定确定整个测力装置频率特性的具体办法：它与确定某一系统，特别是机械系统的频率响应特性的方法没有原则差别。*第二节力的测量四、测力传感器的标定1.静态标定静态标定最主要的目的是确定标定曲线、灵敏度和各向交叉干扰。。2.动态标定动态标定使用于瞬变力和交叉力等动态测试的传感器。冲击法也是获取测力系统特性的方法之一。*第二节力的测量四、测力传感器的标定　　冲击标定系统及冲击力波形如上图所示。*第三节扭矩的测量一、应变式扭矩传感器的工作原理应变式扭矩传感器所测得的是在扭矩作用下转轴表面的主应变。从材料力学得知，该主应变和所受到的扭矩成正比关系。　　图9-13一种用于扭矩传感器的扭矩弹性元件*第三节扭矩的测量二、应变式扭矩传感器当作为扭矩传感器上的弹性轴发生扭转时：在相对轴中心线45°方向上会产生压缩或拉伸力。从而将力加在旋转轴上。*第三节扭矩的测量二、应变式扭矩传感器例如，当测量弹性轴的扭矩时，将应变片R1、R2按照图9-14a所示的方向贴在弹性轴上。如果在弹性轴上粘贴四片应变片并将它们接成半桥或全桥，就能消除附加横向剪力的影响，如图9-14b所示。图9-14*第三节扭矩的测量二、应变式扭矩传感器弹性轴截面最常用的是圆柱形，如图9-15所示。图9-15*第三节扭矩的测量二、应变式扭矩传感器　　图9-16传感器的工作原理图。*第三节扭矩的测量三、集流环装置集流环部件由两部分组成：一部分与应变片的出线连接并固定在转轴上随转轴一起转动，称为转子；另一部分与应变仪导线连接，静止不动，称为定子。图9-17测量电路的接法*第三节扭矩的测量四、其他类型的扭矩传感器光电式扭矩传感器是在转轴上固定两圆盘光栅。如右图所示。*第三节扭矩的测量四、其他类型的扭矩传感器压磁式扭矩式传感器是：利用铁磁材料制成的转抽，在受扭矩作用后，应力变化导致磁阻变化的现象来测量扭矩的。　图9-19　压磁式扭矩传感器原理图*第三节扭矩的测量五、目前国内外扭矩传感器介绍目前常用扭矩传感器主要有两大类：第一类是通过磁电感应获取信号的磁（齿）删式传感器。第二大类是以电阻应变片为敏感元件组成的扭矩传感器。