应变力和转矩测量

应变力和转矩测量第1页/共75页

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章

第2页/共74页第2页/共75页机器人握力测量

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第3页/共74页第3页/共75页第4页/共74页第4页/共75页第5页/共74页第5页/共75页系统接线调试现场安装扭矩转速传感器用笔记本电脑在线采集数据第6页/共74页第6页/共75页

第一节

应变、应力的测量

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章

第7页/共74页第7页/共75页

应用电阻应变片和电阻应变仪测定构件的表面应变，然后根据应变和应力的关系式，确定构件表面应力状况。

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9章

方法：第8页/共74页第8页/共75页一、应变的测量

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应变测量原理

如图9-1所示。第9页/共74页第9页/共75页

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应变测量装置

应变测量装置也称电阻应变仪。

工作频率f=0,或f变化缓慢、变化后能稳定下来的应变。

静态电阻应变仪

StaticStrainAmplifier第10页/共74页第10页/共75页

静动态电阻应变仪

以静态应变为主，或测200Hz以下的低频动态应变。

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第11页/共74页第11页/共75页

动态电阻应变仪DynamicStrainAmplifier工作频率：0~2000Hz,个别可达10kHz。

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第12页/共74页第12页/共75页

超动态应变仪

工作频率：0~20000Hz的动态过程，以及爆炸、冲击等瞬态变化过程

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第13页/共74页第13页/共75页三、应变仪的电桥特性

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。由式（4—3）知电桥输出电压为：

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第14页/共74页第14页/共75页

当四个电阻均产生电阻变化△R1~△R4，R1=R2=R3=R4=R，且△R<<R，忽略△R高次项：

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电桥的加减特性：第15页/共74页第15页/共75页

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据第四章可知应变仪电桥的工作方式和输出电压为：单臂双臂四臂工作方式应变片所在桥臂第16页/共74页第16页/共75页二、应变片的布置和接桥方法

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由于应变片粘贴于试件后，所感受的是试件表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、对载荷分布的估计而定，这样才能便于利用电桥的和差特性达到只测出所需测的应变而排除其他因素干扰的目的。第17页/共74页第17页/共75页布片和接桥应符合下列原则：

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⑴在分析试件受力的基础上选择主应力最大点为贴片位置；⑵充分合理地应用电桥和差特性，只使需要测的应变影响电桥的输出，且有足够的灵敏度和线性度；⑶使试件贴片位置的应变与外载荷成线性关系。第18页/共74页第18页/共75页（一）拉（压）载荷的测量

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第19页/共74页第19页/共75页1、试件受力状态图受力不受力，作补偿用电桥接法：电桥输出电压：拉（压）应变：机械应变指示应变特点：1、不能消除弯矩的影响2、能补偿温度的影响

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第20页/共74页第20页/共75页

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2、试件受力状态图电桥接法：电桥输出电压：拉（压）应变：都受力，互为补偿特点：1、不能消除弯矩的影响2、能补偿温度的影响3、输出电压提高到（1+）第21页/共74页第21页/共75页

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章

3、试件受力状态图电桥接法：电桥输出电压：拉（压）应变：特点：1、可以消除弯矩的影响2、能补偿温度的影响串联消除弯矩第22页/共74页第22页/共75页

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章

4、试件受力状态图电桥接法：电桥输出电压：拉（压）应变：特点：1、可消除弯矩的影响2、输出电压提高一倍3、能补偿温度的影响第23页/共74页第23页/共75页

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5、试件受力状态图电桥接法：电桥输出电压：拉（压）应变：特点：1、能消除弯矩的影响2、能补偿温度的影响3、输出电压提高到（1+）倍第24页/共74页第24页/共75页

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6、试件受力状态图电桥接法：电桥输出电压：拉（压）应变：特点：1.能消除弯矩的影响2.能补偿温度的影响3.输出电压提高到2（1+）倍第25页/共74页第25页/共75页

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例8-1：图1所示的圆柱型元件上作用有拉力F和弯矩M：⑴如何布片和接桥可仅测出拉力F，并消除M和温度的影响（可另设补偿片）？⑵写出电桥输出电压的公式；图1第26页/共74页第26页/共75页（二）弯曲载荷的测量

特点：不能消除拉（压）的影响，另设温度补偿片。

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半桥2片第27页/共74页第27页/共75页特点：输出电压提高1倍，可消除拉（压）影响，另外，温度互为补偿

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第28页/共74页第28页/共75页四片半桥或全桥

特点：输出电压提高1倍，能消除拉（压）影响，温度互为补偿。或者输出电压提高到4倍，能消除拉（压）影响，温度互为补偿。

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第29页/共74页第29页/共75页

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第30页/共74页第30页/共75页

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图3例8-2：如图3所示，悬臂梁弹性模量,贴片处的抗弯截面系数，应变片，现用仪器测得P力作用的指示应变为2000，求P力的大小。第31页/共74页第31页/共75页（三）弯曲、拉（压）联合作用时的测量

可消除温度的影响，另设温度补偿片。

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测拉（压）第32页/共74页第32页/共75页测弯曲

可消除拉（压）力影响，温度互为补偿。

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第33页/共74页第33页/共75页(四)剪力的测量

剪力不能使应变片的电阻丝发生伸长或缩短的变形，即不能产生电阻的变化，故不能直接测量剪力。

但在一悬臂梁上作用一力P，则此力引起各截面的横截面上的横剪力是相等的，即Q=P。

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第34页/共74页第34页/共75页

显然，测出的剪力Q与L有关，作用点改变（L变化）即影响测量结果，且有些情况，L值无法量得，故可：

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第35页/共74页第35页/共75页

Q与（ε1-ε2）成正比，而将R1、R2接成的电桥，其输出也与ε1-ε2成正比，（即和两断面的应变差成正比）。

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式中为两截面的弯曲应变差。第36页/共74页第36页/共75页

L1-L2之值容易测取，且P力和作用点无关，此法在实际中应用最广。

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测切削力测中耕铲阻力

第37页/共74页第37页/共75页由材料力学知：（五）圆轴扭矩对剪应力和扭矩的测量①.圆轴扭矩时与轴线成450

的方向为主应力方向。

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②.两互相垂直的主应力符号相反，绝对值相等：

③.主应力值等于最大剪应力

第38页/共74页第38页/共75页

那么，在与轴线成450方向上贴一应变片，即可测得此处的应变ε，据广义虎克定律。那么最大剪应力：

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第39页/共74页第39页/共75页扭应变

测扭矩，不能消除弯曲及拉（压）影响，另设温度补偿。

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而扭矩抗扭截面系数第40页/共74页第40页/共75页消除拉（压）影响测扭矩，但不能消除弯曲影响，温度互为补偿。

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第41页/共74页第41页/共75页

能消除拉（压）及弯曲影响，仅测扭转。温度互为补偿。

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——第42页/共74页第42页/共75页三、在平面应力状态下主应力的测定

（一）已知主应力方向

采用应变在测出某点三个方向的应变，可用公式计算其大小与方向。

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（二）主应力方向未知

第43页/共74页第43页/共75页四、提高应变测量精确度的措施1）.选择仪器、进行定度（标定）

可计算线性度、灵敏度、回程误差（第二章.第二节）拟合直线等。

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第44页/共74页第44页/共75页3）.减少读数漂移

采用屏蔽线接地；工作片与补偿片导线电阻相等。2）.消除导线电阻的影响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：

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R——应变片电阻值R0——导线电阻

第45页/共74页第45页/共75页4）.补偿温度影响1）.温度自补偿片

2）.电路补偿其条件1）.补偿片与工作片的参数一致；（sg—灵敏度系数α—温度系数等）

2）.粘贴在同一试件上（线膨胀系数β一致则产生∆R一致）；3）.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。

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方法第46页/共74页第46页/共75页5）.减少贴片误差；6）.应变片工作条件应与额定条件一致；7）.排除现场的电磁干扰。

如接地不良；导线间的静电感应、互感、漏电等；附近的强磁场干扰等。

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第47页/共74页第47页/共75页五、测点的选择

1）.进行受力分析，找出危险截面与位置；2）.应力集中处可布点；

3）.均匀布置5~7个测点，寻找应力分布规律；

4）.利用结构与载荷的特点，减少测点数目（如对称）；5）.在不受力处布点，来验证、监视测试过程。

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第48页/共74页第48页/共75页

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第二节

力的测量第49页/共74页第49页/共75页一、常用方法

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。

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第50页/共74页第50页/共75页

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二、

弹性变形式的力传感器

利用弹性元件的弹性变形和作用力成正比的现象。第51页/共74页第51页/共75页可简化为P160图7—1（即基座静止，若基座运动，则是加速度计——图7—2）。

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第52页/共74页第52页/共75页

输出电压提高到2（1+μ）倍，能消除弯矩影响，温度互为补偿。

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（一）电阻应变片式力传感器第53页/共74页第53页/共75页

输出电压提高到4倍，能消除x、y方向的力，温度互为补偿。

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第54页/共74页第54页/共75页

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。（二）差动变压器式力传感器

作用力→压电晶片→变形产生电荷（P191图8—6）。（三）压电式力传感器

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第55页/共74页第55页/共75页（四）压磁式力传感器

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。

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第56页/共74页第56页/共75页

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，此时副边绕组不产生感应电势（图8—7.b）。

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第57页/共74页第57页/共75页

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。

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第58页/共74页第58页/共75页三、空间力系测量装置

弹性梁测三分力

FZ力：

见P190图8—3与此同原理

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第59页/共74页第59页/共75页

注意：力的作用点不能偏离矩形梁的中心，以免形成弯矩。

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Fy、Fx力：见P190图8—4，与此测法同理，只是截面为矩形。第60页/共74页第60页/共75页八角环测三分力：图8—9c)布片可测Fy、Fx；图8—9d)与图8—10可测Fy、Fx、FZ三分力。

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第61页/共74页第61页/共75页

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挠性支承件的测力架第62页/共74页第62页/共75页支承件与传感器组成一体，1、2、3安装在一较大三角形的顶点；4、5、6安装在另一较小三角形的三条边上，被测件固定在中心处。被测件所产生的力，将从安装板通过6个传感器和挠性支承件传递到刚性基座上。测力架可简化为图8—11c.P194的力系，据力传感器的数据和安装板的几何尺寸，可用（8—8）公式计算各分力和力矩。

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安装方法第63页/共74页第63页/共75页

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。

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压电式三分力传感器第64页/共74页第64页/共75页

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第三节

扭矩的测量第65页/共74页第65页/共75页一、原理：

1.

圆轴扭转时，在扭矩M作用下，其表面的剪应力：

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W——抗扭截面模量

剪应变：

G——剪切弹性模量

第66页/共74页第66页/共75页2.

相距L的两个断面之间产生相对扭矩转角：

由上述公式可见，τ、γ或θ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。

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J——极惯性矩

第67页/共74页第67页/共75页二、主要类型剪应力或剪应变式振弦式光电脉冲式磁电脉冲式

相对转角式

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电阻应变式压磁式相位差式第68页/共74页第68页/共75页三、电阻应变式

在轴的某一点上沿轴线成450和1350的方向贴片（P196图8—14）并接入电桥，从电桥的加减特性可知，应变仪的读数就是剪应变值，再据标定曲线就可换算得扭矩值。

其信号传输可用电刷——滑环集流装置（即集流环）；或用无线传输。

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第69页/共74页第69页/共75页四、压磁式（图8—15）

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