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压阻式压力传感器

发布日期:2020-09-27 21:13

  第四章 力学量检测技术 力学量检测技术 1 电压的测量 2 力的测量 3 转矩测量 4.1 压力的测量 4.1.1压力的基本概念 4.1.2常用压力检测技术 4.1.3压力检测仪表的校准 4.1.4动态压力检测管道 4.1.5压力检测仪表的选择与安装 4.1.1压力的基本概念 压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一,正确地测量和 控制压力是保证工业生产过程良好地运行,达到高产优质低 耗及安全生产的重要环节。 1. 压力的定义 压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力,即物理学中常 称的压强。工程上,习惯把压强称为压力。由此定义,压力 可表示为: p?F S (4-1) 4.1.1压力的基本概念 2. 压力的表示方法 绝对压力——以完全真空(绝对压力零位)作参考点的压力称 为绝对压力 大气压力——由地球表面大气层空气柱重力所形成的压力称 为大气压力 表压力—— 以大气压力为参考点,大于或小于大气压力的 压力称为表压力 差压(压差)——任意两个压力之差称为差压 4.1.1压力的基本概念 这几种表示法的关系如图4-1所示。 工程上按压力随时间的变化关系还有静态压力和动态压力之分。 4.1.1压力的基本概念 3. 压力的计量单位 压力是力和面积的导出量。在国际单位制中,取力的单位为 牛顿,面积单位为米2,则压力单位为牛顿/米2,用符号N/m2 表示;压力单位又称为帕斯卡或简称帕,符号为Pa。1Pa= 1N/m2。因帕单位太小,工程上常用kPa(103Pa)和MPa (106 Pa) 表示。我国已规定帕斯卡为压力的法定单位。 目前工程技术部门仍在使用的压力单位有工程大气压、物理 大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。 4.1.1压力的基本概念 4. 压力检测的基本方法 根据不同工作原理,压力检测方法可分为如下几种: (1) 重力平衡方法——利用一定高度的工作液体产生的 重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理,将被测压力 转换为液柱高度或平衡砝码的重量来测量。 (2) 弹性力平衡方法 ——利用弹性元件受压力作用发生 弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理来检测 压力。 4.1.1压力的基本概念 (3) 机械力平衡方法——将被测压力经变换元件转换成一 个集中力,用外力与之平衡,通过测量平衡时的外力测知被 测压力。 (4) 物性测量方法——利用敏感元件在压力的作用下,其某 些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理,将被测压力 直接转换为各种电量来测量。 4.1 压力的测量 4.1.1压力的基本概念 4.1.2常用压力检测技术 4.1.3压力检测仪表的校准 4.1.4动态压力检测管道 4.1.5压力检测仪表的选择与安装 4.1.2 常用压力检测仪表 1. 液柱式压力计 应用液柱测量压力的方法是以流体静力学原理为基础的。一 般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行 压力测量的,其结构形式如图4-2所示。 4.1.2 常用压力检测仪表 (1) U形管压力计 图4-2(a)所示的U形管是用来测量压力和压差的仪表。在U 形管两端接入不同压力p1和p2时,根据流体静力平衡原理可 知,U形管两边管内液柱差h与被测压力p1和p2的关系为 p1 A ? p2 A ? ?ghA 下(例如压力p2),求出另一压力值: (4-2) 由式(4-2)可求得两压力的差值?p或在己知一个压力的情况 ?p ? p1 ? p2 ? ?gh p1 ? p2 ? ?gh (4-3) 4.1.2 常用压力检测仪表 (2)单管压力计 单管压力计如图4-2(b)所示。当大容器一侧通入被测压力p1, 管一侧通入大气压p2时,满足下列关系 d2 (4-4) ?p ? p1 ? p2 ? h?g ? (h1 ? h2 ) ? (1 ? 2 )h1 ?g D 4.1.2 常用压力检测仪表 由于Dd,故d2/D2可以忽略不计,则式(4-4)可写成 ?p ? h?g ? h1 ?g (3)斜管压力计 (4-5) 将单管压力计的玻璃管制成斜管,如图4-2(c)所示。则p1与 液柱之间的关系仍然与式(4-5)相同(目的:提高灵敏度,减 小误差) ?p ? h?g ? L?g sin ? (4-6) 4.1.2 常用压力检测仪表 2. 弹性压力计 弹性压力计基本组成环节如图4-3所示。 弹性元件是核心部分, 用于感受压力并产生弹 性变形;指示机构用于 给出压力示值;调整机 构用于调整压力计的零 点和量程。 (1) 弹性元件 工业上常用的弹性元件如表4-2所示。 4.1.2 常用压力检测仪表 表4-2 弹性元件的结构和特性 压力测量范围 kPa 类 别 名 称 示 意 图 最小 最大 输出特性 时间常 数/s 动态性质 自振 频率 /Hz 10~ 104 平 薄 膜 薄 膜 式 波 纹 膜 挠 性 膜 0~10 0~105 10-5~ 10-2 0~10-3 0~103 10-2~ 10-1 10~ 102 0~10-5 0~102 10-2~1 1~102 4.1.2 常用压力检测仪表 波 纹 管 式 波 纹 管 10-2~ 10-1 10~ 102 0~10-3 0~103 弹 簧 管 式 单 圈 弹 簧 管 0~10-1 0~106 - 102~ 103 多 圈 弹 簧 管 0~10-2 0~105 - 10~ 102 4.1.2 常用压力检测仪表 (2) 弹簧管压力计 弹簧管式压力计是工业生产上应用很广泛的一种直读式测压仪 表,以单圈弹簧管结构应用最多。其一般结构如图4-4所示。 1-弹簧管;2-扇形齿 轮;3-拉杆;4-底座; 5-中心齿轮;6-游丝; 7-表盘; 8-指针; 9接头;10-弹簧管横 截面;11-调节开口槽 4.1.2 常用压力检测仪表 工作过程:被测压力由接口引入,使弹簧管自由端产生位移, 通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转,并带动啮合的中心齿轮转 动,与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转,并在面板的 刻度标尺上指示出被测压力值。 特点:结构简单,使用方便,价格低廉,测压范围宽,精度 最高。 (3)波纹管压力计 波纹管压力计以波纹管作为压力-位移转换元件,由于金属波 纹管在压力作用下容易变形,所以测压灵敏度很高。 4.1.2 常用压力检测仪表 图4-5是一种采用双波纹管测量差压的双波纹管差压计的结构 示意图。 1-连接轴;2-保护阀; 3-阻尼环;4-推板;5扭力管;6-心轴;7-量 程弹簧;8-平衡阀;9低压波纹管;10-摆杆; 11-阻尼阀;12-中心基 座;13-高压波纹管; 14-填充液 4.1.2 常用压力检测仪表 (4)弹性压力计信号远传方式 弹性压力计一般为直读式仪表。增加转换部件,就可使之兼 有信号远传的功能。常见的转换方式有电位计式、霍尔元件 式、差动变压器式等,如图4-6所示。 4.1.2 常用压力检测仪表 图4-6(a)为电位器式, 在弹性元件的自由端处 安装有滑线电位器,其 滑动触点与自由端连接 并随之移动。 特点:比较简单,有较好的线性,但滑动触点会有磨损, 可靠性较差。 4.1.2 常用压力检测仪表 图4-6(b)为霍尔元件式,其转换原理基于半导体材料的霍尔效 应。当压力为零时,因霍尔元件处于方向相反的两对磁极间 隙中的面积相等,故没有霍尔电势产生。当压力变化时,霍 尔元件被弹性元件自由端带动在磁场中移动而使其处在两对 磁极中的面积不相等,则霍尔元件在垂直于磁场和电流方向 的另两侧将产生霍尔电势,此输出电势与自由端位移大小对 应,即与被测压力值相对应。 特点:结构简单,灵敏度高,寿命长,但对外部磁场敏感, 耐振性差。 4.1.2 常用压力检测仪表 3. 力平衡式压力计 力平衡式压力计采用反馈力平衡的原理,反馈力的平衡方式 可以是弹性力平衡或电磁力平衡等。力平衡式压力计的基本 构成如图4-7所示 4.1.2 常用压力检测仪表 图4-8是一种弹性力平衡式压力测量系统的原理示意图。 它由弹性敏感元 件—测压波纹管、 杠杆、差动电容 变换器、伺服放 大器A、伺服电机 M、减速器和反 馈弹簧等元部件 组成。 4.1.2 常用压力检测仪表 4. 压力传感器 能够测量压力并提供远传电信号的装置称为压力传感器,如 果装置内部还设有适当处理电路,能将将压力信号转换成工 业标准信号(如4~20mA直流电流)输出,则称为压力变送 器。 (1) 应变式压力传感器 应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效应”,即 当导体和半导体材料发生机械变形时,其电阻值将发生变化。 电阻值的相对变化与应变有以下关系: 4.1.2 常用压力检测仪表 ?R ? K? R (4-7) 式中,ε—材料的应变;K—材料的电阻应变系数 金属电阻应变片有丝式应变片和箔式应变片两种。如图4-9所示。 4.1.2 常用压力检测仪表 丝式应变片由金属丝栅(亦称敏感 栅)、基底、引线、保护膜等组成。 箔式应变片的敏感栅是用厚度为 0.003~0.01mm的金属箔经光刻、 腐蚀等工艺制成的。 优点:散热条件好,能承受较大电流和较高电压,输出灵敏度 高,可制成各种需要的形状,便于大批量生产。 箔式应变片逐渐取代丝式应变片 4.1.2 常用压力检测仪表 应变片与弹性元件的装配可以采用粘贴式或非粘贴式。 图4-10所示为应变筒式压力传感器结构。当应变筒内腔承 受压力时,薄壁筒表面的周向应力最大,相应的周向应变ε 为: p(2 ? ? ) ?? E ( D2 / d 2 ? 1) 式中, (4-8) p—被测压力; E—应变筒材料的弹性模量; μ—应变 筒材料的泊松比; D—应变筒外径;d—应变筒内径。 4.1.2 常用压力检测仪表 分析:四片应变片接成全 桥。当没有压力作用时, 电桥是平衡的;当有压力 作用时,应变筒产生形变, 工作应变片电阻变化,电 桥失去平衡,产生与压力 变化相应的电压输出。 4.1.2 常用压力检测仪表 图4-11所示为平膜片式压力传感器结构,其上粘贴有如图4- 12(a)所示的箔式组合应变片。 4.1.2 常用压力检测仪表 对于边缘固定的平圆膜片,当受压力作用时,膜片上任意一点 的应变可分为径向应变εr和切向应变εt,如图4-13(a)所示,其 值与压力p的大小和该点到膜片中心的距离r有关: 3(1 ? ? 2 )(r02 ? 3r 2 ) ?r ? ?p 2 8h E 3(1 ? ? 2 )(r02 ? r 2 ) ?t ? ?p 2 8h E (4-9) 式中: p—被测压力;E—膜片材料弹性模量;μ—膜片材料 的泊松比;r0—膜片半径;r—膜片上任意点半径; h—膜片厚度。 4.1.2 常用压力检测仪表 根据式(4-9)分析可知,在膜片中心处(r=0),径向应变εr和切向应 变εt均达到最大值, 3(1 ? ? 2 )r02 ? rmax ? ? t max ? ?p 2 8h E (4-10) 在膜片边缘处(r= r0),切向应变εt=0,而径向应变εr达到负最大 值(压缩应变) 3(1 ? ? 2 )r02 ? rmin ? ? ?p 2 4h E 在 r ? r0 / 3处,径向应变εr=0。 (4-11) 4.1.2 常用压力检测仪表 根据上述分析,平圆膜片上应变分布规律如图4-13(b)所示。 4.1.2 常用压力检测仪表 (2)压阻式压力传感器 压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应制成 的传感器。 图4-14为一种压阻式压力传感器的结构示意图 。 特点:是灵敏度高,频 率响应高;测量范围宽, 精度高,工作可靠。 4.1.2 常用压力检测仪表 (3) 应变式压力传感器的变送电路 电流输出型变送 器有4线线 制的压阻式差压 传感器的变送器 电路原理图。 4.1.2 常用压力检测仪表 (4)压电式压力传感器 压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换 为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生 的电荷量与作用力之间呈线性关系: Q ? kSp (4-12) 式中,Q—电荷量;k—压电常数;S—作用面积;p—压力。 图4-16为一种压电式压力传感器的结构示意图。 4.1.2 常用压力检测仪表 特点:体积小,结构简单,工作可靠;测量精度较高;频 率响应高,但由于压电元件存在电荷泄漏,故不适宜测量缓 慢变化的压力和静态压力。 4.1.2 常用压力检测仪表 (5)电容式压力传感器 电容式压力传感器采用变电容测量原理,根据平行板电容器 的电容量表达式: C? ?A d (4-13) 式中,ε —电容极板间介质的介电常数;A—两平行板相对面 积;d—两平行板间距。 ①差动变极距式电容压力传感器 图4-17是一种电容式差压传感器示意图。 4.1.2 常用压力检测仪表 对于差动平板电容器,其电容变化与 板间距离变化的关系可表示为: ?d ?C ? 2C0 d0 (4-14) 式中 C0—初始电容值;d0—极板间初 始距离;?d—距离变化量。 特点:结构坚实,灵敏度高,过载能力大;精度高;可以测 量压力和差压。 4.1.2 常用压力检测仪表 ②变面积式电容压力传感器 图4-18所示为一种变面积式电容压力传感器。 4.1.2 常用压力检测仪表 (6)谐振式压力传感器 谐振式压力传感器是靠被测压 力所形成的应力改变弹性元件 的谐振频率,通过测量频率信 号的变化来检测压力。 图4-19为一种振筒式压力传 感器的结构示意图。 4.1.2 常用压力检测仪表 被测压力由引压孔引入振筒内,筒外为大气压。被测压力作 用于筒壁,筒壁受压张紧后刚度发生变化,振筒固有频率相 应改变。振筒的固有频率与作用压力的关系可近似表示为: f p ? f 0 1 ? ?p (4-15) 式中,fp—受压后的振筒固有频率;f0—筒内外压力相等时的 固有频率;α—振筒结构系数;p—被测压力。 4.1.2 常用压力检测仪表 图4-19为一种振筒式压力传感器的结构示意图。 特点:适用于气体压力的测量,其体积小,输出频率信号, 重复性好,耐振;精度高,且有良好的稳定性。 4.1 压力的测量 4.1.1压力的基本概念 4.1.2常用压力检测技术 4.1.3压力检测仪表的校准 4.1.4动态压力检测管道 4.1.5压力检测仪表的选择与安装 4.1.3 压力检测仪表的校准 压力检测仪表的校准分为静态校准和动态校准两种。 校准的基本方法是,利用标准装置产生的压力作为输入量,输 入待校准的压力传感器或仪表,并将其输出量与输入的标准量 作比较,获得一系列校准数据或曲线. 静态校准 静态校准方法有标准压力法与标准表法两种。 标准压力法是将被校表的示值与标准压力值比较,主要用于 校验0.25级以上的精密压力表,亦可用于校验各种工业用压 力表。 4.1.3 压力检测仪表的校准 a、b、c—截止阀;1—标准砝码;2—测量活塞;3—活塞 筒;4—油杯;5—进油阀;6—被校压力表;7—油;8— 工作活塞;9—手摇压力发生器;10—丝杠;11—手轮 4.1.3 压力检测仪表的校准 2. 动态校准 产生标准动态压力信号的装置有多种形式,根据其所提供的 信号的性质可分为两类, 一是稳态周期性压力信号源(机械正弦压力发生器、凸轮控 制喷嘴、电磁谐振器等); 一是非稳态压力信号源(激波管、闭式爆炸器、快速卸载阀 及落锤液压动态校准装置)。 (1)稳态校准 稳态周期性压力信号源能够提供幅值稳定、频率可调的正弦 压力信号。 4.1.3 压力检测仪表的校准 图4-22是电磁式正弦压力发生器 ;图4-23为机械式正弦压力 发生器 。 特点:结构简单,易于实现,但难以提供高频高振幅的压力 信号。 4.1.3 压力检测仪表的校准 (2)非稳态校准 激波管是校准压力传感器动态性能时常用的标准装置。图424是激波管动态校准装置示意图。 4.1.3 压力检测仪表的校准 原理:激波阵面在到 达低压腔端面后将反 射回来,反射激波阵 面后的压力将再次升 高到P5,形成新压力 阶跃?P5=P5- P1。激波 管内气体压力的变化 如图4-25所示。 4.1.3 压力检测仪表的校准 由测速系统测出激波速度V,即可根据式(4-16)~ (4-18)计算出 阶跃压力?P2、?P5 V a 7 2 ?P2 ? P2 ? P ? Ms ?1 P 1 1 6 Ms ? (4-16) (4-17) (4-18) ? ? 2 7 4 Ms ?2 2 ?P5 ? P5 ? P ? Ms ? 1 P 1 1 2 3 Ms ? 5 ? ? 式中, Ms—激波马赫数; a—校准时的当地音速,a=331.3+0.54T m/s, T—校准时低压腔温度(℃);P1—低压室的充气压力; P2—入射激波压力;P5—反射激波压力。 4.1.3 压力检测仪表的校准 被校压力传感器在激波管阶跃压力的激励下做衰减振荡,其 波形由数据采集系统记录下来,如图4-26所示。 4.1.3 压力检测仪表的校准 4.1 压力的测量 4.1.1压力的基本概念 4.1.2常用压力检测技术 4.1.3压力检测仪表的校准 4.1.4动态压力检测管道 4.1.5压力检测仪表的选择与安装 4.1.4 动态压力检测的管道效应 测量快速变化的压力时,压力传感器的感压膜片在测压点处应 与压力容器壁面保持齐平,如图4-27(a)所示。但在许多情况下, 往往需要采用引压管道,形成如图4-27(b)所示安装方式,这就 是动态压力测量的管道效应。有引压管道和空腔的压力检测系 统可等效为图4-27(c)所示的压力传输系统。 4.1.4 动态压力检测的管道效应 引压管道、空腔这一压力传输系统的固有频率f可用下面的 近似公式来估算: cd 4 ?V ( L ? 0.35d ) f ? (4-19) 式中, c—流体声速;d—引压管内径;L—引压管长度;V—空腔体积。 4.1 压力的测量 4.1.1压力的基本概念 4.1.2常用压力检测技术 4.1.3压力检测仪表的校准 4.1.4动态压力检测管道 4.1.5压力检测仪表的选择与安装 4.1.5 压力检测仪表的选择与安装 1. 压力检测仪表的选择 选择压力检测仪表应根据具体情况,在满足生产工艺对压力检 测要求的情况下,本着节约的原则,合理地选择压力仪表的类 型、量程、精度等级等。 (1)类型选择 压力仪表类型的选择主要应从以下几个方面考虑: 应考虑被测介质情况 应考虑生产过程对仪表的要求 要考虑压力仪表使用现场环境条件 4.1.5 压力检测仪表的选择与安装 (2)量程选择 压力仪表的量程要根据被测压力的大小及在测量过程中被测压 力变化的情况等条件来选取,为保证测压仪表安全可靠地工作, 选择量程时必须留有足够的余地。 (3)精度等级选择 压力检测仪表的精度等级应根据生产过程对压力测量所允许的 最大误差,在规定的仪表精度等级中选择确定。 [例4.1] 某压力容器内介质的正常工作压力范围为0.4~0.6MPa, 用弹簧管压力表进行检测。要求测量误差不大于被测压力的5%, 试确定该压力表的量程和精度等级。 4.1.5 压力检测仪表的选择与安装 解:由题意知,被测对象的压力比较稳定,设弹簧管压力表 的量程为A,则根据最大工作压力有: A0.6÷2/3=0.9MPa 根据最小工作压力有: A<0.4÷1/3=1.2MPa 故根据仪表的量程系列,可选用量程范围为0~1.0MPa的弹 簧管压力表。 由题意,被测压力允许的最大绝对误差为: ?max=0.4×5%=0.02MPa 4.1.5 压力检测仪表的选择与安装 仪表精度等级的选取应使得其最大引用误差不超过允许测量 误差。对于测量范围0~1.0MPa的压力表,其最大引用误差为: γ=±0.02MPa×100%/1.0MPa=±2% 故应选取1.6级的压力表。 表4-3 常用压力计及压力传感器的性能和用途 仪表型式 U形管压力计 液柱式 压力计 单管压力计 斜管压力计 常用测量范围(Pa) 0~105或压差、负压 0~105或压差、负压 0~2×103或压差、负压 精度等级 高 高 高 用途与特点 基准器、标准器、工程测量仪 表 基准器、标准器、工程测量仪 表 基准器、标准器、工程测量仪 表 4.1.5 压力检测仪表的选择与安装 弹簧管压力计 0~109 0~2×106或压差、负压 0~4×104或压差、负压 0~4×106或压差、负压 0~2.5×108或负压 0~6×107 0~107或压差 0~6×107 0~6×107 0~107或压差、负压 0~108或压差、负压 0~107或压差、负压 较高 一般 一般 一般 很高 一般 较高 较高 一般 较高 较高 较高 工程测量仪表、精密测量仪表 工程测量仪表、精密测量仪表 工程测量仪表、精密测量仪表 工程测量仪表、精密测量仪表 基准器、标准器 工程测量仪表 工程测量仪表 工程测量仪表 工程测量仪表 工程测量仪表 工程测量仪表 工程测量仪表 弹性压 力计 膜片式压力计 膜盒式压力计 波纹管压力计 活塞式压力计 电位计式压力传感器 电容式压力传感器 电感式压力传感器 霍尔式压力传感器 振频式压力传感器 应变式压力传感器 压电式压力传感器 4.1.5 压力检测仪表的选择与安装 2. 压力检测仪表的安装 (1)取压点选择 原则: 1.取压点不能处于流束紊乱的地方,要选在直管段上 ; 2.取压点上游侧不应有突出管路或设备的阻力件; 3.取压口开孔轴线须与介质流动方向垂直,引压管口端面应与 设备连接处的内壁保持平齐 ; 4.测量液体压力时,取压点应在管道下侧; 5.测量气体压力时,取压点应在管道上侧。 4.1.5 压力检测仪表的选择与安装 (2)引压管的敷设 引压管的敷设应注意以下几点: 1.引压管的粗细、长短均应选取合适 ; 2.水平安装的引压管应保持有1:10~1:20的倾斜度 ; 3.测量气体时,向取压口方向倾斜,并在最低处设排积液装 置 ; 4 .当被测介质易冷凝或冻结时,还应增加保温伴热措施。 4.1.5 压力检测仪表的选择与安装 (3)压力仪表的安装 压力仪表的安装要注意以下方面: 1.压力仪表应安装在能满足规定的使用环境条件和易于观察、 维修之处; 2.当测量高温介质时,应装冷凝管或冷凝器; 3.测量有腐蚀性、有结晶或沉淀物等介质压力时,应采取适 当保护措施以防腐蚀、堵塞; 4.当压力仪表与取压点不在同一高度时,应考虑修正液体介 质的液柱静压对仪表示值的影响。 4. 2力的测量 4.2.1力的基本概念 4.2.2力的测量方法 4.2.3测力传感器 4.2.1力的基本概念 1. 力 力体现了物质之间的相互作用,凡是能使物体的运动状态或 物体所具有的动量发生改变而获得加速度或者使物体发生变 形的作用都称为力。 按照力产生原因的不同分重力、弹性力、惯性力、膨胀力、 摩擦力、浮力、电磁力等。按力对时间的变化性质分静态力 和动态力两大类。 4.2.1力的基本概念 2. 力的单位 力在国际单位制(SI)中是导出量,牛顿第二定律(F=ma)揭示 了力(F)的大小与物体质量(m)和加速度(a)的关系,即力是质 量和加速度的乘积。 3. 力量值的传递 力的传递方式有定度和检定两种:定度是根据基准和标准测 力仪器设备所传递的力值确定被校仪表刻度所对应的力值; 检定是将准确度级别更高的基准和标准测力仪器设备与被检 定测力仪表进行比对,以确定被检定测力仪表的误差。 4. 2力的测量 4.2.1力的基本概念 4.2.2力的测量方法 4.2.3测力传感器 4.2.2力的测量方法 力平衡法 力的测量方法 测位移法 利用某些物理效应测力 1. 力平衡法 力平衡式测量法是基于比较测量的原理,用一个已知力来平衡 待测的未知力,从而得出待测力的值。 (1) 机械式力平衡装置 图4-28给出了两种机械式力平衡装置。图4-28(a)为梁式天 平,图4-28(b)为机械杠杆式力平衡装置 。 4.2.2力的测量方法 特点:优点是简单易行,可获得很高的测量精度。但这种方 法是基于静态重力力矩平衡,因此仅适用于作静态测量。 (2) 磁电式力平衡装置 4.2.2力的测量方法 图4-29所示为一种磁电式力平衡测力系统。 特点:使用方便, 受环境条件影响较 小,体积小、响应 快,输出的电信号 易于记录且便于远 距离测量和控制。 4.2.2力的测量方法 (3) 液压和气压式测力系统 图4-30(a)给出了液压活塞式测力系统的原理。 图4-30(b)是气压式测力系统原理。 4.2.2力的测量方法 气体压力p0与被测力Fi的关系为 ( Fi ? p0 ? S ) Kd Kn ? p0 由式(4-21)可得 (4-21) 式中,Kd—膜片柔度(m/N);Kn—喷嘴挡板机构的增益。 Fi p0 ? ( K d K n ) ?1 ? S (4-22) Kn实际并非严格为常数,但由于乘积Kd· Kn S,这(Kd· Kn)-1与 S相比便可忽略不计,于是式(4-22)变为: Fi p0 ? S (4-23) 4.2.2力的测量方法 2. 测位移法 在力作用下,弹性元件产生变形,测位移法通过测量未知力 所引起的位移,从而间接地测得未知力值。 图4-31所示是电 容传感器与弹性 元件组成的测力 装置 。 4.2.2力的测量方法 图4-32为两种常用的由差动变压器与弹性元件构成的测力装置。 3. 利用某些物理效应测力 物体在力作用下会产生某些物理效应,可以利用这些效应间 接检测力值。 4. 2力的测量 4.2.1力的基本概念 4.2.2力的测量方法 4.2.3测力传感器 4.2.3测力传感器 1. 应变式力传感器 应变式力传感器应用最为广泛 ,应变式力传感器的工作原理 与应变式压力传感器基本相同,它也是由弹性敏感元件和贴 在其上的应变片组成。 图4-33给出了常见的弹性元件及应变片的贴片方式。图433(a)为柱形弹性元件,图4-33(b) 为筒形弹性元件,图433(c) 为梁形弹性元件,图4-33(d)为薄壁圆环,图4-33(e)为 S形弹性元件。 4.2.3测力传感器 (1)柱形应变式力传感器 柱形弹性元件通常都做成圆柱形和方柱形,用于测量较大的 力。如图4-33(a)所示。 4.2.3测力传感器 (2) 轮辐式力传感器 图4-34是较常用的轮辐式切应力传感器的结构简图。 轮辐式力传感器由轮圈、 轮轱、辐条和应变片组 成。如图4-34(b)所示, 形成与外力成正比的切 应变。 4.2.3测力传感器 2. 压磁式力传感器 压磁式力传感器一般由压磁元件、传力机构组成,如图 4-35(a)所示。其中主要部分是压磁元件,它由其上开孔 的铁磁材料薄片叠成。 4. 3转矩的测量 4.3.1转矩的概念 4.3.2传递法转矩测量 4.3.1转矩的概念 1. 转矩的定义及单位 使机械元件转动的力矩或力偶称为转动力矩,简称转矩。 在国际单位制(SI)中,转矩的计量单位为牛顿· 米(N· m) ,工 程技术中也曾用过公斤力· 米等作为转矩的计量单位。 2. 转矩的类型 转矩可分为静态转矩和动态转矩。 4.3.1转矩的概念 静态转矩是值不随时间变化或变化很小、很缓慢的转矩,包 括静止转矩、恒定转矩、缓变转矩和微脉动转矩。 动态转矩是值随时间变化很大的转矩,包括振动转矩、过渡 转矩和随机转矩三种。 3. 转矩的测量方法 转矩的测量方法可以分为平衡力法、能量转换法和传递法。 其中传递法涉及的转矩测量仪器种类最多,应用也最广泛。 4.3.1转矩的概念 (1) 平衡力法及平衡力类转矩测量装置 平衡力法转矩测量装置又称作测功器。图4-36为平衡力法测 量转矩的原理。 特点:平衡力法直接从 机体上测转矩,不存在 从旋转件到静止件的转 矩传递问题。但它仅适 合测量匀速工作情况下 的转矩,不能测动态转 矩。 4.3.1转矩的概念 (2) 能量转换法 依据能量守恒定律,通过测量其他形式的能量如电能、热能 参数来测量旋转机械的机械能,进而获得与转矩有关的能量 系数来确定被测转矩大小的方法即能量转换法。 (3) 传递法 传递法是指利用弹性元件在传递转矩时物理参数的变化与转 矩的对应关系来测量转矩的一类方法。 4. 3转矩的测量 4.3.1转矩的概念 4.3.2传递法转矩测量 4.3.2传递法转矩测量 1. 应变式转矩测量 根据材料力学的理论,转轴在转矩M的作用下,其横截面上最 大剪应力τmax与轴截面系数W和转矩M之间的关系为 ? max M ? W (4-25) d4 ? ? W? 1? 4 ? ? 16 ? D ? ? ?D 3 ? (4-26) 式中,D—轴的外径;d—空心轴的内径。 4.3.2传递法转矩测量 τmax无法用应变片来测量,但与转轴中心线?夹角方向上 的正负主应力σ1和σ3的数值等于τmax,即 ? 1 ? ?? 3 ? ? max ? 16 DM ?(D 4 ? d 4) (4-27) 根据应力应变关系,应变为 16?1 ? ? ?DM ?1 ? ?? ? ?1 ? ? ? ? E E E ?E ?D 4 ? d 4 ? ?1 ?3 ?1 (4-28) (4-29) ?3 ? ?3 E ?? ?1 E ? ?1 ? ? ? ?3 E ?? 16?1 ? ? ?DM ?E ?D 4 ? d 4 ? 式中,E—材料的弹性模量(Pa);μ—材料的泊松比。 4.3.2传递法转矩测量 2. 压磁式转矩传感器 特点:压磁式转矩传感器 是非接触测量,使用方便, 结构简单可靠,基本上不 受温度影响和转轴转速限 制,而且输出电压很高(可 达10V)。 4.3.2传递法转矩测量 3. 扭转角式转矩测量 扭转角式转矩测量法是通过扭转角来测量转矩的。 根据材料力学,在转矩M作用下,转轴上相距L的两横截面之 间的相对转角?为 32ML ?? ? ?D 4 ? d 4 ?G 式中,G—轴的剪切弹性模量。 (4-30) 由(4-30)式可知,当转轴受转矩作用时,其上两截面间的相 对扭转角与转矩成比例,因此可以通过测量扭转角来测量 转矩。 4.3.2传递法转矩测量 (1) 光电式转矩传感器 光电式转矩传感器如图4-39所示。在转轴上安装两个光栅 圆盘,两个光栅盘外侧设有光源和光敏元件。 特点:这是一种非 接触测量方法,结 构简单,使用方便 可靠,且测量精度 不受转速变化的影 响。 4.3.2传递法转矩测量 (2) 相位差式转矩传感器 图4-40所示是基于磁感应原理的磁电相位差式转矩传感器。 特点:相位差式转矩 传感器是非接触测量, 结构简单,工作可靠, 对环境条件要求不高, 精度一般可达0.2%。 4.3.2传递法转矩测量 (3) 振弦式转矩传感器 图4-41所示是振弦式转矩传感器。振弦自振频率fg与振弦中 的张力F的平方根成正比: 1 F fg ? 2L m (4-33) 式中,L、m—与传感器相关的常数。因此测出两振弦的自振 频率的差值,就可知转矩大小。 4.3.2传递法转矩测量

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