第九章应变、力和转矩的测量

1、在动态测试中，应力、应变和扭矩的测量原理和方法。根据测量原理和方法，传感器的设计、选择与应用。 在机械工程中，应变、力和扭矩的测量甚为重要。它对发展设计理论、保证安全运行以及实现自动检测、自动控制等都具有重要的作用。 可以分析和研究零件、机构或结构的受力状况和工作状态，验证设计计算结果的正确性。 1 1.为工程设计提供依据和技术参数 2 2.对生产过程进行监控和动态分析 测定和运行条件有关的机械量，确定 工作过程中的载荷谱和某些物理现象的机 理，以便进行反馈、调节、改进。 3 3.对产品质量进行测定和评价 评定产品的结构强度，经济效益（功率消耗）等。 应用电阻应变片和电阻应变仪测定构件的表面应

2、变，确定构件表面应力状况。 电阻应变仪测 试 系 统 示 意 图信息采集数据处理系 统传感器电桥盒 电阻应变仪的组成： Resistance strain meters composing 应变仪中多采用交流电桥，电源以载波频率供电，桥臂均为电阻，已知电桥输出电压为： 132401234()()yRRR RuuRRRR（41） 当四个电阻均产生电阻变化当四个电阻均产生电阻变化R1R4，R1=R2=R3=R4=R，且且RR，忽略忽略R高次项：高次项：03124()4yuRRRRuRRRR01234()4gus（91） 014yRuuRR1R2R1应变片 R2补偿片 04gus 012yRuuRR

3、1R2R1应变片 R2应变片 R1R2R3R4R1应变片 R2补偿片R3应变片 R4补偿片 02gus 0yRuuRR1R2R3R4R1应变片 R2应变片R3应变片 R4应变片 0gu s二、应变片的布置和接桥方法 应据测量目的、载荷分布而定。当测量复合载荷时，应利用应变片的布置 和接桥方法来消除相互的影响。一般应优先选用输出信号大；粘贴方便,便于分析。 能实现温度补偿； （一）拉（压）载荷的测量 pull （push）load 04gus0(000)4gus01234()4yguus 不能消除弯矩的影响，另设补偿片R2补偿温度的影响。 R1R2R1R2机械应变 等于指示应变ii0()004y

4、guus 输出电压提高到（1+）倍，不能消除弯矩 的影响，且温度互为补偿。 R1R2R1R20(1)4gus1i0(000)4yguus04gus可消除弯矩的影响，另设温度补偿片。R1R2R1R2iR1R2R2R10(00)4yguus 输出电压提高到2倍，可消除弯矩影 响，另设温度补偿片。 R1R2R1R202gus/2iR1R2R1R2 输出电压提高到（1+）倍，可消除弯矩影 响，温度互为补偿。 0(1)4gus0()004yguus /(1)iR3R4R1R2R1(R3)R2(R4)R1R3R2R40()()4yguus 输出电压提高到2（1+）倍，可消除弯矩 影响，温度互为补偿。 /

5、2(1)iR1R3R2R402(1)4gusR3R4R1R2R1(R3)R2(R4)04yguusi 不能消除拉（压）的影响，另设温度补偿片。 R1R2R1R20()004yguus / 2i 输出电压提高到2倍，可消除拉（压）影 响，另外，温度互为补偿 R1R2R1R202gus0()004yguus /2i输出电压提高到2倍，能消除拉（压）影响，温 度互为补偿。 工程测试与信息处理工程测试与信息处理第第 8 8 章章 R1R2R3R4R1(R3)R2(R4)R1(R2)R3(R4)02gus0()()4yguus R1R3R2R40 gu s/ 4i输出电压提高到4倍，能消除拉压影响， 温

6、度互为补偿。 R1(R3)R2(R4)R1(R2)R3(R4)（三）弯曲、拉（压）共同作用时的测量 04yguus可消除温度的影响，另设温度补偿片 。R1R2R3R4R1R3R4R2i012yguu s/ 2i可消除拉（压）力影响，温度互为补偿 。R1R3R1R3R4R2圆轴扭矩时与轴线成45的方向为主应力方向。134513 两互相垂直的主应力符号相反，绝对值相等： 主应力值等于最大剪应力 m ax那么最大剪应力：max1E1E 那么，在与轴线成45 方向上贴一应变片，即可测得此处的应变，据广义虎克定律 i 测扭矩，不能消除弯曲及拉（压）影响， 另设温度补偿。 扭矩 max1kEMWW扭扭抗扭

7、截面系数 （圆实心轴） 316DW扭04yguusR1R2R1R2012()0 04yguus 消除拉（压）影响测扭矩，但不能消除弯矩影响，温度互为补偿。 /2i R1R2RR+R-R02gusR1R201234()()4yguus /4i 能消除拉（压）及弯矩影响，仅测扭转。温度互为补偿。 R1（R4）R2（R3）R1R4R3R2R1R2R4R3RRRR+R-R+R-R0gu s三、在平面应力状态下主应力的测定 principal stress measurement 采用应变花测出某点三个方向的应变，可用公式计算其大小与方向。 四、提高应变测量精确度的措施 improve strain m

8、easuring precision 可计算线性度、灵敏度、回程误差（第二章.第二节）拟合直线等。 输出 Y（） 输入X（P）Y=a+bX 一般测试系统的导线10m，若超过10m应修正灵敏度（现场标定），或应变片灵敏度为： cgsRRRR应变片电阻值Rc导线电阻 采用屏蔽线接地；工作片与补偿片导线电阻相等。 电路补偿R1R补温度自补偿片补偿片与工作片的参数一致； （sg灵敏度系数 温度系数等） 粘贴在同一试件上（线膨胀系数一致则 产生 R一致）； .在同一温度环境下工作； 满足以上3条件，则热输出一样，所引起的Rt接于相邻臂则消除温度的影响。 R1R补 如接地不良；导线间的静电感应、互感、漏电

9、等；附近的强磁场干扰等。五、测点的选择 measuring point select进行受力分析，找出危险截面与位置；应力集中处可布点； 均匀布置57个测点，寻找应力分布规律； 利用结构与载荷的特点，减少测点数目 （如对称）； 在不受力处布点，来验证、监视测试过程。 通过测量在被测力作用下，其弹性元件的变形或应变来测得被测力。轴销式拉压力传感器 利用弹性元件的弹性变形和作用力成正比的现象。 （一）电阻应变片式力传感器 resistance stress gauge type transducer 0()()4yguus 输出电压提高到4倍，能消除x、y方向的力，温度互为补偿。R1R2R4R30

10、gu s/4iR1(R3)R2(R4)R1(R2)R3(R4) F 作用在球面垫上弹性元件2变形铁心相对线圈发生位移由差动变压器输出的电信号测得F。 铁心 线圈 作用力压电晶片变形产生电荷。压电式传感器压电式传感器 magnetism type force transducer 某些铁磁材料（如硅钢片），在受外力作用后，其内部产生了机械应力，从而引起导磁系数的变化，此种现象称作“压磁效应”，压磁力传感器就是利用压磁效应工作的。 传感器的原边绕组（励磁绕组）和副边绕组（测量绕组）互相垂直地安装在导磁体中，原边绕组通过交流电。当不受力时，原边绕组的磁力线呈对称分布，且不与副边绕组相交链，此时副边绕

11、组不产生感应电势（图87.b）。 当受力时，材料的导磁率发生变化，使磁力线分布发生变化，磁力线与副边绕组相交链，在副边绕组中感应电势，电势的大小正比于外力的大小，测得该感应电势便知与之成比例的外力。 输出电势大，可不用放大器。 图87 压磁式力传感器工作三、力传感器测量装置 力的作用点不能偏离矩形梁的中心，以 免形成弯矩。八角环测三分力： 由三对不同切型的压电晶片组成：一对为纵向压电效应，测Z向力；另外2对具有横向压电效应，且方向互相垂直，分别测x和y向力。 该传感器将作用力自动分解为互相垂直的三分力。 压电式三分力传感器 圆轴扭转时，在扭矩M作用下，其表面的 MGGWG剪切弹性模量 MWW抗

12、扭截面模量 R1R2相距L的两个断面之间产生相对扭矩转角：LMGJJ极惯性矩 由上述公式可见，、或与扭矩M成正比，扭矩的测量则是通过这两个参数的测量来达到目的。 vibrating wire Photoelectrictiy pulse type Phase difference typeMagnetoelectricity pulse type三、电阻应变式 resistance strain type 万向轴扭矩传感器 四、压磁式 Pressing magnetic type 利用铁磁材料制成转轴，受扭后应力导致磁阻变化的现象来测扭矩。 两个绕有线圈的铁心A和B相互垂直放置，其开口端距被测

13、轴表面12mm间隙。A线圈通以交流电，形成通过转轴的交变磁场。 转轴不受扭，磁力线与B线圈不交链；转轴受扭矩作用后，应力的变化使部分磁力线与B线圈交链，并在其中产生感应电势，该感应电势与扭矩成正比关系。 非接触测量。 在扭矩的作用下两断面产生相对转角 ，两断面的信号则产生一相位差 M（ 、又 ）据 可测得 M 。 在扭矩的作用下两断面产生相对转角 ，两断面的信号则产生一相位差 M（ 、又 ）据 可测得 M 。MM 无扭矩作用，两光栅盘明暗区互相遮挡，无光线透过光栅照射到光敏元件上，也无输出； 光 源 光敏元件 光栅盘 光栅盘 转 轴如图所示，在转轴4上固定两只圆盘光栅3，在不承受扭矩时，两光栅的明暗区正好互相遮挡，光源1的光线没有透过光栅照射到光敏元件2，无输出信号。当转轴受扭矩后，转轴变形将使两光栅出现相对转角，部份光线透过光栅照射到光敏元件上产生输出信号。扭矩愈大，扭转角愈大，穿过光栅的光通量愈大，,输出信号愈大，从而可实现扭矩测量。 六、磁电式 magnetoelectricity type 在轴的两端安装有两个相同的齿轮，在齿轮上方分别有两个相同的磁电式检测头。 当转轴