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1、第九章 力、力矩和压力的测量孙长库天津大学精密仪器与光电子工程学院第一节 概述力：物质之间的相互作用， “牛顿”重力重力：物体在地球引力场中受到的力力矩：力和力臂的乘积，“牛顿米”压力：压强第二节 力的测量要点：力的标准力的测量方法和装置称重及称重装置力值的检定与定度第二节 力的测量力的标准1N=1kgm/s质量1kg的标准是一根铂-铱合金圆棒（国际标准千克）g 在纬度45度的海平面处的值，9.80665m/s( 不同纬度和海拔高度重力加速度值不同，有相应的函数关系和修正关系式）当一个特定地点的重力加速度的数值被确定后，便可精确计算出作用在标准质量的重力（重量），从而建立起一个力的标准22力的
2、测量方法动力效应测力(Dynamic Effect)：测量物体的质量及其所获得的加速度，计算测定力值。F=ma。静力效应测力(Static Effect)：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。力的测量方法 电阻应变式 压磁式 压电式力的测量装置一、电阻应变式测力仪1.测力原理力的测量装置2.测力仪弹性体的结构形式柱状变形体5kN5MN管状变形体1MN20MN径向受载变形体5N力的测量装置2.测力仪弹性体的结构形式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电阻应变式测力仪lFlAEE在负荷作用下，弹性体的应变是：/R RR Rkl l电阻应变片的灵敏度系数为：31
3、132424RRFkkRRAERRFkkRRAE 为弹性体材料的泊松比1324FAEFAE 电阻应变式测力仪312401234123412(1)()RRRRFkRRRRAE测力电桥电桥电路的输出电压：031241234001()4(1)42iiURRRRURRRRUkkFUAE传感器的电压灵敏度，通常取0.52.5mV/V力的测量装置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。
4、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。3.测力仪电路力的测量装置二、压磁式测力仪(Piezomagnetic Dynamometer)原理：压磁效应，又称磁弹性效应210/ NFNkUUi压磁式测力原理力的测量装置三、压电式测力仪(Piezoelectric Dynamometer)FdQijdij 压电常数力的测量装置其他测量方法：电感式测力传感器电容式测力传感器振弦式测力传感器称重及称重装置一、称重的概念和意义重量重量(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
5、于同一个技术范畴。称重称重的衡器用准准确度确度级别来表征特性，而对非线性、滞后等单项指标不进行控制。称重称重按工作条件分为静态称重和动态称重。称重及称重装置二、电子秤(Electronic Weighing Scale)的组成、分类组成：机械传递、称重传感器、测量电路和显示仪表分类：电子皮带秤(Electronic Belt Weighing Scale)、容器秤(Container Weighing Scale)、吊车秤(Crane Weighing Scale)、平台秤 (Platform Weighing Scale)、电子轨道衡(Electronic Railroad Track Sc
6、ale)称重及称重装置三、称重传感器(Weighing Sensors)应变式(Strain Sensor) 压磁式(Piezomagnetic Sensor)电容式(Capacitance Sensor)称重传感器 应变式商用计价秤商用计价秤小型台秤小型台秤轨道衡轨道衡平平台台秤秤称重传感器 压磁式称重传感器 电容式称重传感器实例悬臂梁结构的称重传感器轮辐式测力/称重传感器称重及称重装置四、电子皮带秤(Electronic Belt Weighing Scale)1.称重原理 000/TTTWw t dtq t v t dtG t v tLdt电子皮带秤1( )( )GiG tUtkU001
7、2( )( )1( )( )TTGvGviUt U tWdtUt U t dtLkUkk2( )( )vv tU tkk1，k2是传感器的灵敏度系数iUkLkk21常数变换4.4.皮带秤皮带秤)()()(21tvktGktUGWkLkkdttvtGkkdttUUTTGo210210)()()( dttvLtGWT0电子皮带秤2.误差分析称重传感器误差称重传感器误差：制造误差、环境误差、秤体安装误差、应变片、弹性体补偿漂移等测速传感器误差：测速传感器误差：测速误差、皮带打滑误差等机械结构误差：机械结构误差：有效称量段L误差、称量托辊误差测量电路误差：测量电路误差：零漂、温漂等第三节 力矩的测量
8、力矩(Force Moment):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。第三节 转矩的测量工程中转矩的测量常与功率、转速的测量联系在一起。动力机械：电动机、内燃机、发电机、泵工程机械：搅拌机、变速器、钻探机加工机械：加工中心、自动机床 旋转轴的扭矩、转速和功率的测量旋转轴的扭矩、转速和功率的测量，是进行旋转件功率控制的重要基础。转矩的测量方法传递法：利用转矩使弹性轴产生扭转变形力平衡法：利用平衡转矩M0
9、与被测转矩平衡能量转换法：根据能量守衡定律 利用转矩使弹性轴产生扭转变形的方法，即根据弹性元利用转矩使弹性轴产生扭转变形的方法，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）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。来测量其转矩。 转矩的测量方法传递法)/(PGIMllGIMp/32/4dIPlGdM32/4按按变变形形：16/3dM 按应力：按应力：8/8/1353453GdGdM按按应应变变：转矩的测量方法力平衡法利用平衡转矩利用平衡转矩M0去平衡被测转矩去平衡被测转矩M，从而求得，从而求得M的方法。的方法。MMLWLW012转矩的测量方法能量
10、转换法 这是按能量守恒定律来测量力矩的仪器，它是通过测这是按能量守恒定律来测量力矩的仪器，它是通过测量其它与转矩有关的能量系数（如电能系数）来确定被测量其它与转矩有关的能量系数（如电能系数）来确定被测力矩大小的。力矩大小的。 损耗输出输入EEE21PPP2112PP效率nPknPkMkMnP12211电动机：nPknPkMkMnP21111发电机：1.原理将应变片粘在沿转轴450、1350轴线上，转轴在转矩M 作用下产生应变与M成正比传递法转矩测量装置34445135811 (/)MD GdD 空心圆柱形轴：方形截面轴：GaM3135454 . 2例：电阻应变式转矩仪电阻应变式转矩仪2.轴截面
11、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3.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扭矩传感器实例电阻应变式扭矩传感器相位差式转矩测量仪2z/3600z平衡力式转矩测量仪其他测量方法采用了磁场嵌入技术（EMD-Embedded Magnetic Domain）的直线式传感器。电磁法测扭矩电磁法测扭矩电磁法测扭矩 可实现非接触式测量 测量精度高 体积小、重量轻 对圆形、方形轴均可测量 通过高频采样保证其测量精度 高可靠性，抗干扰能力强; 不易受脏物、流体或其他同类物质的污染转矩测量小结传递法：按转轴变形测量，按转轴的应变、应力测量力平衡法
12、转矩测量方法能量法第四节 压力的测量概念压力测量方法和传感器压力变送器超高压和真空的测量第四节 压力的测量定义：由静止的流体垂直作用在给定单位面积上的力称为该给定处的压强单位: “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=101.325kPa1bar=100kPa第四节 压力的测量一、基本概念一、基本概念 大气压力：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。地球表面
13、产生的压力。 表压力（正压）：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：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总压力或全压力 负压力（疏空）：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：真空度：小于大气压力的绝对压力小于大气压力的绝对压力压力的量值传递系统压力不是基准量，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的测量方法和传感器
14、二、测压方法：液压式测压法电气式测压法负荷测压法弹性变形测压法压力的测量方法和传感器1.液体式压力计P2P112PPgh液体可以用水、酒精、水银U型管压力计液体式压力计槽式压力计HhdP1P2A2A1槽式压力计原理只需测量一侧管中的液面相对于固定点的高度1212221211()()(1)P PgHh d gAh AdAdAP Pd gd gAAc d g 液体式压力计HdhxP1P2斜管微压计斜管微压计原理初始零位平面，没有压差221211(1)(1)sinAAPPd ggxAAA2A112sinPPgx用于测量微小压力，精度高于一般的U型管压力计压力的测量方法和传感器2.电气式压力传感器压阻
15、式压阻式MEMS压阻式压力传感器原理压力的测量方法和传感器应变式应变式平膜片式平膜片式压力的测量方法和传感器电容式电容式弹弹性性膜膜片片固固定定极极板板634016)1 (pEdtRCCR：半径：半径t：厚度厚度d：起始距离起始距离C0：起始电容量：起始电容量E：材料的弹性模量材料的弹性模量：材料的泊松比：材料的泊松比电容式压力计可以测量真空；输出电容可以与电感构成谐振式频率电路，或者对电容进行充放电的各种脉冲电路。压力的测量方法和传感器3.负荷式（力平衡式）压力计压力的测量方法和传感器4. 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
16、滞，精度低弹性元件结构：簧管、膜盒、膜片、波纹管。弹性式压力计弹性式压力计弹性式压力计波登管在管内部压力作用下，波登管的自由端发生移动 价格低，结构简单，坚实牢固；频率响应低，不适于动态测量弹性式压力计波登管压力变送器三、压力变送器将测压元件与电气传感器相结合构成压力变送器，用于远距离传输压力信息。1.力平衡式压力送变器力平衡式差压变送器压力变送器2.位移式压力变送器：压力变送器3.电容式差压送变器电容式差压变送器压力变送器4. “灵巧”型差压送变器“灵巧”型差压变送器超高压测量四、超高压测量利用锰镍铜合金丝或金铬丝的电阻随压力变化而变化的原理测量高达10000标准大气压的液压，准确度达0.1
17、0.5%超高压传感器真空的测量一、真空度的划分粗真空： 105103Pa低真空： 10310-1Pa高真空： 10-110-6Pa超高真空： 10-610-12Pa极高真空：10-12Pa1mmHg=133.322Pa=1 Torr（托）= 1/760大气压真空的测量二、真空测量仪器的划分按用途分类：真空计：用于测量低于大气压的稀薄气体的压力分压强计：用于真空系统内气体组成的分析和分压强的测量检漏计：用于检测真空系统或器件的泄漏真空的测量按测量原理分： 基于力的作用原理：U型波纹管式、波纹管式、膜电式 基于压缩作用原理：麦式真空计 基于导热作用原理：电阻真空计、热电偶真空计 基于电离作用原理：
18、热阴极式、冷阴极式、放射性真空计常用的真空测量装置 液柱式真空计：测粗、低、高真空的绝对真空计。结构简单、精度高。 压 缩 式压 缩 式 / 麦 克 劳麦 克 劳(Maclaod)/麦氏真空计麦氏真空计 玻意尔玻意尔马略特定理马略特定理itipVpAhpphhAVhAptti222ChhVApti常用的真空测量装置热导式真空计是根据在低压强下气体热导率与其压力之间的关系制成的一种测量低真空的相对真空计。（1）电阻真空计）电阻真空计（2）热电偶式真空计）热电偶式真空计迁移热量引出导线迁移热量辐射迁移热量气体分子3212EEERI常用的真空测量装置 电离真空计是通过在稀薄气体中引起电离然后利用离子
19、电流测量压力。电流电子电流离子灵敏度规管eiIIpk/pkIIei热阴极热阴极电离真空计电离真空计电流离子iI电流电子eI常用的真空测量装置 弹性变形式真空计弹性变形式真空计利用弹性利用弹性元件在压差作用下产生弹元件在压差作用下产生弹性变形的原理制成的性变形的原理制成的。 弹性式真空表弹性式真空表 电容式薄膜真空计电容式薄膜真空计超高真空计和极高真空计超高真空计和极高真空计 (10-510-6)Pa(10-810-9)Pa热阴极热阴极电离真空计电离真空计AB式式电离真空计电离真空计真空计性能指标真空计性能指标压力测量小结压力测量方法：液压式测压法弹性变形测压法负荷（力平衡式）测压法电学量测压法：应变、压阻、电容压力变送器： 力平衡式，位移式，电容式 真空的测量： 液柱式真空计，热导式真空计，电离真空计，弹性变形式真空计