第七章 力、力矩和压力的测量

Chapter8Measurementofforce,momentandpressureSchoolofmechanicalandpowerengineering/HenanpolytechnicuniversityContents8.1

Overview8.2Measurementofforce8.3Measurementofmoment8.4MeasurementofpressureChapterSeven

Measurementofvelocity,accelerationandvibration8.1

OverviewForce：anyinteractionthat,whenunopposed,willchangethe

motion

ofan

object.Unit“Newton”Buildingofmassstandard：InternationalPrototypeKilogramItisofcylindricalform,withdiameterandheightofabout39mm,andismadeofanalloyof

90%platinum

and

10%iridium.8.1

OverviewBuildingofforcestandard：gravityReproductionofforcestandardusingprimaryforcestandardmachineNaturalweighttypestandardmeasuringmachineHydraulicstandardmeasuringmachineLever-typestandardmeasuringmachine8.1

OverviewMoment：a

moment

isanexpressioninvolvingtheproductofadistanceandaphysicalquantity.

Itistheproductofaforceanditsarm.力对物体产生转动作用的物理量，Unit:“N·m"Momentmakesobjectsrotate，calledalsotorque(转矩).Distortionaldeformationofshaftundertheactionoftorque，generates

shear

stressandstraininnerthematerial,calledalsotorque(扭矩).。8.1

OverviewPressure：AforceFisappliedperpendiculartoanareaA,thenthepressurePisP=F/A.垂直作用在单位面积上的力，或流体中单位面积上承受的力。也称为“压强”，Unit:Pascal(Pa)Contents8.1

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Measurementofvelocity,accelerationandvibration8.2

MeasurementofforceForcemeasuringmethodMeasurementusingDynamicEffect：测量物体的质量及其所获得的加速度，计算测定力值。F=ma。MeasurementusingStaticEffect：通过测量物体的变形量，或与应力相关的物理效应来测量力值。DynamometerResistance-straingaugeMagnetostrictiongaugePiezoelectricgaugeDisplacementdynamometerResistance-straingauge

Workingprinciple结构简单、制造方便、精度高、应用广泛；测量范围：5N~20MN；测量精度：0.03%~2%Resistance-straingaugeStructuralformofelasticbody柱状变形体5kN~5MN管状变形体1MN~20MN径向受载变形体<5NResistance-straingaugeStructuralformofelasticbody双铰链弯曲杆变形体<5N剪切杆式变形体外形很扁的力传感器Resistance-straingauge在负荷作用下，弹性体的应变是：电阻应变片的灵敏度系数k为：μ为弹性体材料的泊松比Resistance-straingauge测力电桥

Outputvoltageofbridgecircuit：传感器的电压灵敏度，通常取0.5~2.5mV/VResistance-straingauge应变式测力仪一般采用电桥电路。电桥电路的输出信号小，精度要求高，因而测量电路要求具有高的增益、高的输入阻抗。传感器测量电路的集成模块称作信号调理器，一般包括缓冲、放大、滤波、电压－频率转换等为提高测力传感器的精度，必须在电桥电路中采取相应的补偿措施，消除误差的影响。包括初始不平衡补偿、零点漂移补偿、灵敏度补偿、非线性补偿、传感器灵敏度调整等MagnetostrictiongaugeMagnetostriction

effect：铁磁体受机械力(压力、张力、扭力等)作用后，而引起导磁系数发生变化的物理现象。Magneticelastomerwithmagnetostriction

effectiscalledmagnetostrictionelement.PiezoelectricgaugePiezoelectriceffect：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态Displacementdynamometer材料受力后产生变形或者位移电容式电感式WeighingConceptandmeaningofweighing重量(Weight)：有些场合用于指重力(Weight)。而另一些场合又用于指物体的质量(Mass)。二者的物理概念不同，但在工程测量中属于同一个技术范畴。称重的衡器用准确度级别来表征特性，它包括了非线性、重复性、滞后、温度特性等指标，对各单项不进行控制。称重按工作条件分为静态称重和动态称重。Composition,classificationandcharacteristicsComposition机械传递、称重传感器、测量电路和显示仪表Classification电子皮带秤(ElectronicBeltWeighingScale)、容器秤(ContainerWeighingScale)、吊车秤(CraneWeighingScale)、平台秤(PlatformWeighingScale)、电子轨道衡(ElectronicRailroadTrackScale)Characteristics结构简单、精度高、速度快、数据记录处理方便Weight

sensorResistor-strainSensorWeight

sensorPiezomagneticSensorWeight

sensorCapacitanceSensorElectronicBeltWeighingScaleWorkingprincipleWeighingsensor：Velocitysensor：变换常数：ElectronicBeltWeighingScaleElectronicBeltWeighingScale变换常数：Contents8.1

Overview8.2Measurementofforce8.3Measurementofmoment8.4MeasurementofpressureChapterSeven

Measurementofvelocity,accelerationandvibration8.3

MeasurementofforcemomentForceMoment:力和力臂的乘积。转矩(Torque):力矩可以使机械零部件转动，也称为转矩。扭矩(Torque):在转矩的作用下，机械零部件将会产生一定的扭曲变形，故又称为扭转矩，简称扭矩。力矩的法定计量单位:“牛顿米”，一般用“Nm”表示。8.3

Measurementofforcemoment工程中转矩的测量常与功率、转速的测量联系在一起。旋转轴的扭矩、转速和功率的测量，是进行旋转件功率控制的重要基础。

电动机内燃机发电机泵搅拌机钻探机加工中心车床变速器8.3

MeasurementofforcemomentMomenttransmissionmethod：利用转矩使弹性轴产生扭转变形Forcebalancemethod：利用平衡转矩M0与被测转矩平衡Energyconversionmethod8.3

MeasurementofforcemomentMomenttransmissionmethodUsethetorsion

deformationofelasticshaftformedbytorque.即根据弹性元件在传递扭矩时所产生物理参数的变化（变形、应力或应变）来测量其转矩。listhelengthofelasticshaftφistorsionangleofelasticshaftGissheer

modulus(切变模量)IPispolarsecondmoment(极惯性矩)，Forthediameterdofshaft，IP=πd4/32Whenthetorsionanglemeasured:Whentheshearstressofshaftmeasured:Whenthestrainofshaftmeasured:45、135:thestrainsalongthedirectionof45o、135orelatedtoaxisoftheshaft.MeasurementofforcemomentMeasurementofforcemomentMomenttransmissionmethod电阻应变式转矩仪将应变片粘在沿转轴450、1350轴线上，转轴在转矩M作用下产生应变ε与M成正比。空心圆柱形轴：方形截面轴：MeasurementofforcemomentMomenttransmissionmethod电阻应变式转矩仪轴截面的选择依据：工艺加工、测量值大小、抗弯曲强度、临界转速、应变片尺寸、粘贴工艺应变电桥电路：采用集流环从旋转件上将转矩测量信号传输到静止的仪器上MeasurementofforcemomentMomenttransmissionmethod磁电式转矩测量仪MeasurementofforcemomentMagnetizationmethod磁场嵌入技术（EMD,EmbeddedMagneticDomain）MeasurementofforcemomentForcebalancemethod利用平衡转矩M0去平衡被测转矩M，从而求得M的方法。MeasurementofforcemomentForcebalancemethod反馈式小力矩测量系统Contents8.1

Overview8.2Measurementofforce8.3Measurementofmoment8.4MeasurementofpressureChapterSeven

Measurementofvelocity,accelerationandvibration8.4Measurementofpressure

BasicconceptsMeasuringmethodandsensorforpressureVacuummeasurementUltrahighpressure(UHP)measurement基本概念垂直作用在单位面积上的力称为压力。压力测量一般用于液体、蒸汽或气体等流体，也称为“压强”。单位:“帕斯卡”，或简称“帕”，用“Pa”表示，1Pa=1N/m2标准大气压：定义为在温度为0℃，纬度为45°的海平面上，重力加速度为9.80665m/s2

时的压力。1atm=760mmHg=101.325kPa基本概念大气压力：大气层对地球表面单位面积上所产生的压力，即大气的自重对地球表面产生的压力。表压力（正压）：超过大气压以上的压力数值，即测压仪表显示的压力值绝对压力：相对绝对真空所测得的压力（表压力与大气压力之和），又称总压力或全压力负压力（疏空）：绝对压力小于大气压力时，大气压力与绝对压力之差真空度：小于大气压力的绝对压力基本概念压力量值的溯源和传递压力不是基准量，是力和面积的导出量压力标准是由准确度很高的标准仪器提供的压力测量方法和传感器

液体式压力计电气式压力计负荷式（力平衡式）压力计弹性式压力计液体式压力计U型管压力计液体可以用水、酒精、水银液体式压力计槽式压力计只需测量一侧管中的液面相对于固定点的高度HhdP1P2A2A1液体式压力计斜管微压计用于测量微小压力，精度高于一般的U型管压力计HdhxP1P2A2<<A1弹性式压力计特点价格低、简单、牢固、应用广泛，耐恶劣环境。频响低、不宜动态测量；由于弹性元件的固有迟滞，精度低弹性元件结构簧管、膜盒、膜片、波纹管弹性式压力计结构特点：价格低，结构简单，坚实牢固频率响应低，不适于动态测量负荷式压力计根据静力平衡原理和帕斯卡定律工作电气式压力计压阻式电气式压力计应变式平膜片电气式压力计电容式弹性膜片固定极板R：半径t：厚度d：起始距离C0：起始电容量E：材料的弹性模量μ：材料的泊松比真空的测量

真空度的划分粗真空：＞105～103Pa低真空：