汽车试验学第五章

1、第五章 机械量的测量5.1 压力测量 一. 压力概念 垂直并且均匀作用于单位面积上的力称为压强，在工程上习惯称为压力。压力常用绝对压力和表压力表示。 绝对压力是指作用于单位面积上的全部压力； 表压力是指在压力仪表上所指示的压力，也称相对压力，且数值为绝对压力与当地大气压的差值。 二. 压力量值得传递标注(略)三. 压力测量仪表液柱式压力计：利用液柱产生压力与被测压力相平衡，并用液柱高度来表示相对压力。常用的液柱式压力计有U型管、斜管压力计、杯型压力计以及测量微小压力或压差的微压计。弹性式压力计：利用各种弹性元件在压力作用下产生变形，通过测量变形量来测量压力。有弹簧管式、膜片式、膜盒式波纹式等。

2、活塞式压力计：当转动手轮给压力泵及管路中的液体加压时，液体压力使垂直方向的活塞及砝码升起，当活塞在油缸中浮在一定位置上时，液体压力 。AWP 四、 常用测压传感器1电阻应变式压力传感器(1) 应变管式压力传感器 当没有压力作用时，四片应变片组成的全桥是平衡的；当压力作用其内腔时，应变管膨胀，应变片电阻发生变化，使得电桥失去平衡，产生与压力变化相应的电压输出。优点：结构简单，制造方便。(2) 平膜片式压力传感器 该传感器的弹性元件是周边固定的平圆膜片。当膜片在被测压力作用下发生弹性变形时，根据粘贴在上面的应变片所处位置和方向不同而发生相应的应变，从而使应变片阻值发生变化，由四个应变片组成的电桥电

3、路就有相应的电压输出。(3) 垂链膜片应变筒式压力传感器 传感器主要由垂链形膜片、应变筒、壳体、接线柱和冷却水管等组成。 垂链形膜片承受压力并把压力传递给应变筒，在应变筒表面沿轴向粘贴工作应变片，沿筒圆周方向粘贴的应变片为温度补偿片，两应变片按相邻半桥方式接入电桥线路中，并通过电缆与放大器相连。2. 压电式压力传感器(1) 活塞式 被测压力通过活塞、砧盘将压力传递给压电元件，两片压电元件产生的电荷由中间导电片、引线、插头座输出与仪表相连。(2) 膜片式 该传感器结构简单，主要由膜片、壳体、锥形块和晶体组件等组成。传感器体积小，频响宽，精度高，工作可靠。是高压动态测量中较好的一种传感器。 具有温

4、度和加速度补偿的膜片式压电压力传感器。温度补偿：在晶体的前面装一块线膨胀系数大的金属片，自动抵消弹性套与晶体线膨胀的差值，保证预紧力的稳定。加速度补偿：在传感器内部设置一个附加质量和一组极性相反的补偿压电片，在加速度作用时，使附加质量对补偿压电片产生的电荷与测量压电片因加速度产生的电荷相抵消，只要附加质量选择适当，就可以达到补偿目的。3. 压阻式压力传感器 压阻式压力传感器是利用半导体的压阻效应而制成。传感器的端部是高弹性钢质薄膜，头部充满低粘度硅油，敏感元件硅杯浸在硅油中，被测压力通过钢膜片和硅油传递给硅杯，硅杯的集成电阻通过金引线与绝缘端子相连，补偿电阻连接在印刷电路板上。 用于中、低压力

5、测量，以及微压和压差的测量。 目前国外已有可测高压的压阻式压力 传 感 器 ， 最 大 压 力 可 达300500MPa，固有频率为500KHz，非线性为 0 .5%。5.2 力和应力测量一、力值传递标准二、 力值测量1测力传感器 目前在测力和称重中，常常要求能自动显示、记录并与计算机相连进行数据处理，因此，力传感器在测力和和称重中成为不可缺少的重要组成部分。 测力传感器按工作原理可分为弹性式、电阻应变式、电感式、压电式、压磁式等。其中电阻应变式传感器应用最广泛。电阻应变式力传感器a. 圆筒形力传感器 传感器由压头、应变筒、应变片、壳体、压盖以及密封圈、接线板、插头座等组成。在圆筒形的应变筒上

6、粘贴有八片金属应变片，其中四片沿应变筒轴向竖贴，另外四片沿应变筒周向横贴，并彼此错开相对粘贴。 相对粘贴的应变片串联成一个桥臂并按图组成电桥，这样的电桥输出大，并可消除偏心载荷对传感器输出的影响。 当外力作用在传感器压头上时，应变筒被压缩，轴向缩短，径向膨胀，沿轴向竖贴的应变片受压缩而电阻减小，沿周向横贴的应变片受拉伸而电阻增加(为前者的倍)，桥臂电阻的改变引起电桥输出的变化。b. 圆环形力传感器 应变片大多粘贴在环的内表面A和B处，因A、B处内表面的应变符号相反，可组成差动电桥。c. 梁形力传感器 xlFMx261bhW 26bhxlFWMxx26EbhxlFExx则梁在 x 截面处的应力与

7、应变分别为：梁的断面抗弯模数为：右图所示是等截面悬臂梁，它的长度为l，宽度为b，厚度为h。在梁的端部作用力F时，梁受到的弯矩为： lxbbx10lxhbM1620206hbFlMWxx206hEbFlExx梁截面的最大应力和应变分别为：梁截面的抗弯模数为：右图所示是等强度悬臂梁，这种梁的宽度沿长度l是变化的，根部的宽度为b0，距根部 x处截面的宽度为：d. 轮辐形力传感器 轮辐形弹性体的简单结构如图所示。它像一个车轮，在轮圈与轮毂之间成对地并相互对称地连接着轮辐，被测力作用在轮毂的上端面及轮圈的下端面(受压缩力时)，在轮辐上由于被测力的作用产生与被测力成比例的切应力。应变片贴在与轮辐轴成45方

8、向的轮辐侧面，以感受和切应力对应的正应力大小而获得被测力。0B8FlMB8FlMA224368bhFlbhFlWMAw所以在轮辐两端A、B截面最大弯曲应力为：由简化后的悬臂梁受力分析可以得出梁A、B端的弯矩分别为：弹性体的轮辐可以简化为右图所示的悬臂梁，梁的A端固定，B端受集中力F/4(轮辐为4个)和集中力偶MB，同时使B端满足 bJQSzz2242222yhbyhyyhbSz2242yhJQz则Sz为距中性轴为y的横线以上部分截面对Z轴的静矩。从剪力图可知，轮辐的剪力是一个常数，剪力Q=F/4。矩形截面梁的剪应力为：0yzJQh82123bhJzbhFbhQ8323maxbhF83max1b

9、hF83max2在矩形梁的侧面，与轴线成45方向上的正应力等于剪力，最大正应力为所以由于，即在中性轴上，剪应力最大，可得当 bhEFE813121电阻应变片贴在梁的侧面而与中性轴成45方向上，该方向的应变为轮辐形力传感器由于结构简单、线性好、输出灵敏度高，并具有低外形而使其抗偏心载荷、侧向载荷的能力强，以及安全的过载能力等许多特点。(2) 压电式力传感器 下图是压电式力传感器的一种结构，这种结构的外形类似垫圈。它由压电晶体、导电片、基座和承压环组成。 下图是压电式三分力传感器的结构图。三分力传感器可以用来测量沿X、Y、Z三个方向的作用力，在该传感器中有三对石英晶体片，中间一对晶体片是利用石英晶

10、体的纵向压电效应，它只感受Z方向的作用力Fz，而上下两对石英晶体片是利用晶体的横向压电效应，分别感受X方向作用力Fx和Y方向作用力Fy。三 应力与应变测量 电阻应变测量方法是利用电阻应变片粘贴在构件的某一部位来测定构件该处的表面应变，通过换算得到应力。根据不同的应力状态确定应变片贴片方法，得到不同的换算公式。 1. 单向应力状态 在杆件受到拉伸(或压缩)情况下，此时只有一个主应力1，它的方向是平行于外加载荷F的方向。所以这个主应力1的方向是已知的，在沿主应力1的方向上贴一个应变片，通过测得 1 ，得到主应力1=E1 。2. 平面应力状态(主应力方向已知) )(1)(112221212EE121

11、222121111EEEEEE上式变换形式后可得：平面应力是指构件内的一个点在两个互相垂直的方向上受到拉伸(或压缩)作用而产生的应力状态。在X和Y方向的应变为3. 平面应力状态(主应力方向未知)当平面应力的主应力1， 2 的大小及方向都未知时，需要一个测点贴三个不同方向的应变片，测出三个方向的应变，才能确定主应力1和2 及主方向角 。 当X方向伸长量为x时，该方向的应变为 ，xxxcosxl2coscoscosxxxllsinyl2sinyll同理当y方向伸长量为y时则yxxycoscosxyyxlcossinsincosxyxyyyllcossinsincos22xyyx2sin2cos22

12、xyyxyx利用半角公式变换后，上式可写为则当x、y 、xy 同时发生时，当发生切应变时， 实际测量时，任选与轴x 成1， 2， 3 三个角的方向各贴一个应变片，测得：333222112222222222222221SinCosSinCosSinCosxyyxyxxyyxyxxyyxyxyxxyxyyxyxxyyxyxtg122222121)(212)(212)(1)(112222121EE解联立方程，求出x、y 、xy ，可求出主应变1，2 和主方向与x 轴的夹角，即： 在实际测量中，为了简化计算，三个应变片与轴的夹角总是选取特殊角，如0，45和90或0，60和120，将三个应变片的丝栅制在

13、一个基底上，形成所谓应变花。设应变与x 轴的夹角为90,45,0321yyxyxxyyxxyxyx)(212212229045029045245090021)()(222900900451221tg29045245090021)()(1212E5.4 位移、速度、加速度测量5.4.1位移测量 21xxx2211KxKx2211/ )(KKKxx221KKK 1021KK倍。在测量较大位移时，弹簧刚度应选得很小，一般取即在悬臂梁自由端变形相同的情况下，可测位移范围扩大了 设悬臂梁的刚度为K1 ，弹簧刚度为K2设测点位移为x，弹簧变形为x2 ，悬臂梁自由端变形为x1，则一.线位移传感器 1. 电阻

14、应变式位移传感器2. 差动变压器式传感器 测头1通过轴套2和测杆3连接，活动衔铁4固定在测杆上，线圈架5上绕有三组线圈，中间是初级线圈，两端是次级线圈，它们都通过导线9与测量电路相连，线圈外面有屏蔽筒6，用以增加灵敏度和防止外磁场的干扰。测杆用圆片弹簧7作支承，由弹簧8复位。 差动变压器线圈中段的线性很好，一般取此段作为差动变压器的工作范围。 差动变压器的动态特性，在电方面主要受电源激励频率的限制，一般应保证激励频率大于所测信号中最高频率的数倍至数十倍。在机械方面，则受衔铁运动部分的质量，即弹簧系统特性的限制。3. 电涡流式传感器 CZF3型电涡流位移传感器的结构如图所示。框架2的端部粘着线圈

15、3，外面罩着聚酰亚铵套4。使用时利用壳体上的螺纹和螺母将其固定在测量位置上，并与被测表面相距一个原始间距(1mm左右)。此传感器器的线性范围为1.5mm，非线性3%。 端面型电涡流位移传感器的测量范围有限，灵敏度高，结构简单，抗干扰能力强。它的最大优点是非接触测量，不需要施加载荷，加之测量电路载频较高，可以测量的位移的频率也较高。4. 电容式位移传感器电容式传感器多数采用可变间隙式的平板电容器。将传感器用螺帽固定在被测物体的旁边，传感器电极为电容器的定极，被测物体为动极，通过极间距离的变化引起电容量的变化，就可测出位移。电容式传感器是目前高精度、高分辨率位移测量的主要工具之一，能检测0.01m

16、，甚至更小的位移。由于它是非接触测量，且测量电路的频响范围较好，因而电容式位移传感器的动态响应性能也好。二. 角位移传感器1. 旋转变压器式角位移传感器 旋转变压器是输出电压随转子(与被测对象连接)转角变化的角位移测量装置。当在定子的激励绕组上加一定频率的交流电压时，转子上的输出绕组的电压幅值与转子的转角成正弦、余弦函数变化，或者在一定的转角范围内与转角成正比关系变化。前者称为正余弦旋转变压器，适合于测量大角位移的绝对值，后者称为线性旋转变压器，适合于测量小角位移的相对值。2. 微动同步器式角位移传感器 微动同步器是一种变磁阻型旋转变压器。5.4.2 速度测量 一. 线速度测量 1. 平均速度

17、测量 测量物体通过一段已知距离的脉冲数，得到通过时间，从而确定平均速度。 当通过起点时，脉冲计数器开始，到达终点时，计数结束，得到脉冲数，如果两脉冲之间的周期为T，则通过时间TnttSVS2. 磁电式速度传感器 利用线圈作为质量块，在磁场中切割磁力线运动时，输出电压与输入的速度成正比的传感器。它主要用于振动速度测量。质量块的位移等于振动位移，经电动型敏感元件变换成与振动速度成正比的电输出。 当0，外壳在运动时，质量线圈在绝对坐标系中近似于静止，外壳与质量线圈的相对位移就近似于绝对位移，相对速度近似等于绝对速度。3. 永磁型感应测速传感器 当被测零件带动永久磁铁沿线圈轴向运动时，速度线圈将切割永

18、久磁铁的磁力线，产生感应电动势e。若单位长度内速度线圈的匝数为n，v为永久磁铁的速度，根据电磁感应定律，感应电动势与n、B和v成正比，有nBve二. 角速度测量 角速度测量实际上就是转速测量。 1. 磁电式转速传感器 磁电式转速传感器是利用磁电变换器将转速变换成电信号，输出电压与转速成正比。定子和转子的圆环断面上铣有正弦波形的槽，当转子转动时，转子相对与定子的间隙按正弦曲线的幅值在轴间变化，磁路中的磁通就发生变化，在线圈中产生的感应电势也发生变化，其大小和频率均与转速有关。2. 光电式转速传感器 光电式转速传感器通常先将转速转换成光脉冲，再利用光电变换器将光脉冲变换成电脉冲，用频率计记录脉冲数

19、，便可求出转速。5.4.3 加速度测量 maF madFdq1111电荷量惯性力1. 压电式加速度传感器2. 应变式加速度传感器 由于惯性力引起悬臂梁变形，粘贴在悬臂梁上的应变片也随之变形，发生阻值变化，从而引起电桥不平衡。通过测输出电压即可知加速度 maF 5.5 温度测量5.5.2.热电偶 一. 热电偶测温的工作原理 热电偶是由两种不同的导体A和B两端相连组合闭合回路。如果两端温度不相等时，回路中就有电流通过，即回路内出现了电动势，该电动势称为热电势。)()(),(00TETETTEABABAB二.热电偶的基本定律 1. 中间导体定律 在热电偶回路中，只要接入的中间导体两端温度相同，则对回

20、路的总热电势没有影响。因此在回路中引入了测量导线和测量仪表，对回路热电偶无影响。2. 连接导体定律 在热电偶回路中，如果热电偶A和B分别与连接导体 A和B相连接，接点温度分别为T,Tn,T0 。则该回路的热 电 势 等 于 热 电 偶A，B在 温 度T,Tn的 热 电 势 与连接导体AB 在温度为Tn,T0 的热电势的代数和。),(),(),(00TTETTETTTEnBAnABnAABB它是热电偶测温时采用补偿导线的理论依据。3. 中间温度定律 两种导体A和B组成的热电偶，当接点温度为T,T0 时所产生的热电势，等于该热电偶一个接点温度为T ，另一个接点温度为Tn所产生的热电势与同一热电偶一

21、个接点温度为Tn ,另一个接点温度为T0 时所产生的热电势的代数和。),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB4. 相配定律 由导体A和B组成的热电偶，当接点温度为T和T0 时所产生的热电势，等于由导体A和C组成的热电偶，在两端温度也为T和T0 时所产生的热电势与由导体C和B组成的热电偶，在两端温度也为T和T0时所产生的热电势的代数和。),(),(),(),(),(00000TTETTETTETTETTEBCACCBACAB三. 热电偶冷端处理的方法 热电偶分度表是以冷端温度等于0为条件的，所以要求使用热电偶测温时，冷端必须保持在0，否则会产生误差。但要冷端保持0是一件比较麻烦的

22、事情。而通常的工程测量中冷端温度大都处在室温或一个波动的温度区，要测出实际温度，就必须采取修正或补偿措施。因此，采用热电偶测温时，要根据具体使用条件，对冷端进行不同的处理。1. 冰点法 这种方法是把热电偶的冷端直接放在恒为0的恒温容器中，测出热电势，直接查分度表即可测量温度。冰点法是一种准确度很高的冷端处理方法，但使用起来很难达到，只适用于实验室。2. 修正法 将冷端温度保持在一定的恒定温度Tn 。测量时，得到的电动势为EAB(T,Tn)，而不是EAB(T,0) ，不能直接查分度表。当冷端温度为T0时，由于T0已知，可查分度表，得到热电势EAB(T0 ,0) ，可得EAB(T,0) ，再查分度

23、表，得T。)0 ,(),()0 ,(00TETTETEABABAB3. 补偿电桥法 补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势的变化值。补偿电桥桥臂电阻 与热电偶冷端处于相同的环境温度。 令 ，此时电桥输出 。当冷端温度升高时， 随着增大， 也随着增大，而热电偶的热电势 却随着减小。如果 的增加量等于 的减小量，那么 的大小就不随冷端温度而变化。 采用补偿电桥法，因电桥平衡时的温度为20，即冷端温度 ，还需修正。cuRRRR,321120321cuRRRR0abucuRabuxEabuxEABuCTn 204. 补偿导线法 用热电偶测温，如果测量仪表控制室与热

24、源相距很远，测得的热电势差不多是由开始数米的偶丝产生，其余的偶丝说引起的主要作用是把热电势输送到测量仪表。因此，可采用价格便宜，在一定温度范围内其热电特性能够与热电偶相匹配的偶丝，可大大节省经费，降低测试成本。在使用补偿导线时应注意以下几点：不同型号的补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配；在使用补偿型补偿导线时，与热电偶连接点的温度不能超过使用温度范围，对延伸型补偿导线可适当放宽。连接补偿导线时，要注意热电极的极性。四. 热电偶测温的连接方式 1. 多支热电偶共用一台仪表 用多支热电偶测量温度场各点的温度分布，为节省经费减少仪表，通常是将多支热电偶通过转换开关与一台仪表相连接。这种连接方式必须是允许各点温度无需连续测量只要定时测量时采用，而且要求各支热电偶是同型号的，侧温范围应在仪表量程范围之内。2. 多支热电偶串联 将多支同型号的热电偶按正负极顺序连接构成热电偶的串联线路。串联线路的总电势为各热电偶分电势之和，即 nEEEE 21这种连接方式热电势大，提高了测量灵敏度，可配用灵敏度较低的仪表。 串联热电偶常称为热电堆，在热辐射测温中得到广泛应用。3. 多支热电偶并联 将多支热电偶的正极和负极分别连在一起组成并联测量线路。若n支热电偶的电阻均相等，则并联线路的总热电势等