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1、第第5节节压力检测技术压力检测技术n5.1压力的基本概念压力的基本概念n5.2常用压力检测仪表常用压力检测仪表5.1压力的基本概念压力的基本概念压压力力是是工工业业生生产产过过程程中中重重要要的的工工艺艺参参数数之之一一，正正确确地地测测量量和和控控制制压压力力是是保保证证工工业业生生产产过过程程良良好好地地运运行行，达达到到高高产产优优质质低低耗耗及及安安全全生生产产的的重重要要环环节。节。1.压力的定义压力的定义压压力力是是垂垂直直而而均均匀匀地地作作用用在在单单位位面面积积上上的的力力，即即物物理理学学中中常常称称的的压压强强。工工程程上上，习习惯惯把把压压强强称称为压力。为压力。(5-
2、1)式中式中p压力；压力；F垂直作用力；垂直作用力；S受力面积。受力面积。2.压力的表示方法压力的表示方法由于参照点不同，在工程上压力有几种不同表示方法。由于参照点不同，在工程上压力有几种不同表示方法。(1)(1)绝绝对对压压力力 被被测测介介质质作作用用于于物物体体表表面面上上的的全全部部压压力称为绝对压力，用符号力称为绝对压力，用符号pi表示。表示。(2)(2)大大气气压压力力由由地地球球表表面面空空气气质质量量所所形形成成的的压压力力，称称为为大大气气压压力力。它它随随地地理理纬纬度度、海海拔拔高高度度及及气气象象条件而变化，用符号条件而变化，用符号p0表示。表示。(3)(3)表表压压力
3、力绝绝对对压压力力与与当当地地大大气气压压之之差差称称为为表压力，用符号表压力，用符号表示，表示，。(4)(4)真真空空度度(负负压压)当当绝绝对对压压力力小小于于大大气气压压力力时时，表表压压力力为为负负值值(负负压压力力)，其其绝绝对对值值称称为为真空度，用符号真空度，用符号表示，表示，。(5)(5)差差压压(压压差差)任任意意两两个个压压力力p1、p2之之差差称称为为差压差压，。各种压力之间的关系各种压力之间的关系4.压力检测的基本方法压力检测的基本方法根据不同工作原理，压力检测方法可分为如下几种：(1)(1)重力平衡方法重力平衡方法 这种方法利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量
4、与被测压力相平衡的原理，将被测压力转换为液柱高度或平衡砝码的重量来测量。例如液柱式压力计和活塞式压力计。(2)(2)弹性力平衡方法弹性力平衡方法 利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理，将压力转换成位移，通过测量弹性元件位移变形的大小测出被测压力。此类压力计有多种类型，可以测量压力、负压、绝对压力和压差，应用最为广泛。(3)(3)机械力平衡方法机械力平衡方法这种方法是将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力测知被测压力。力平衡式仪表可以达到较高精度，但是结构复杂。(4)(4)物性测量方法物性测量方法利用敏感元件在压力的作用下，其
5、某些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理，将被测压力直接转换为各种电量来测量。如应变式、压电式、电容式压力传感器等等。3.2常用压力检测仪表常用压力检测仪表1.液柱式压力计液柱式压力计应用液柱测量压力的方法是以流体静力学原理为基础的。一般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行压力测量的，其结构形式如图3-2所示。图3-2液柱式压力计(1)(1)U U形管压力计形管压力计图3-2(a)所示的U形管是用来测量压力和压差的仪表。在U形管两端接入不同压力和时，根据流体静力平衡原理可知，U形管两边管内液柱差h与被测压力和的关系为:(3-2)式中A U形管内孔截面积；U形管内工作液的密度；
6、g重力加速度。由上式可求得两压力的差值或在己知一个压力的情况下（例如压力），求出另一压力值:(3-3)可见U形管内的液柱差h与被测差压或压力成正比，因此被测压差或压力可以用工作液高度h的大小来表示。(2)(2)单管压力计单管压力计U形管压力计的读数误差较大。为了减小读数误差，可以采用单管压力计。单管压力计如图3-2(b)所示，它相当于将U形管的一端换成一个大直径的容器，测压原理与U形管相同。当大容器一侧通入被测压力，管一侧通入大气压时，满足下列关系:(3-4)式中h 两液面的高度差；d 玻璃管直径；D 大容器直径。由于Dd，故d2/D2可以忽略不计，则式(3-4)可写成:(3-5)管内工作液面
7、上升的高度h即可表示被测压力的大小。(3)(3)斜管压力计斜管压力计用U形管或单管压力计来测量微小的压力时，因为液柱高度变化很小，读数困难，为了提高灵敏度，减小误差，可将单管压力计的玻璃管制成斜管，如图3-2(c)所示。大容器通入被测压力p1，斜管通大气压力p2，则p1与液柱之间的关系仍然与式(3-5)相同:(3-6)式中L斜管内液柱的长度；斜管倾斜角。由于Lh，所以斜管压力计比单管压力计更灵敏，可以提高测量精度。2.弹性压力计弹性压力计当当被被测测压压力力作作用用于于弹弹性性元元件件时时，弹弹性性元元件件便便产产生生相相应应的的弹弹性性变变形形(即即机机械械位位移移)。根据变形量的大小，可以
8、测得被测压力的数值。弹性压力计的组成环节如图3-3所示:弹弹性性元元件件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和设计；在弹性元件与指示机构之间是变变换换放放大大机机构构，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；指指示示机机构构(如指针与刻度标尺)用于给出压力示值；调整机构用于调整零点和量程。图3-3弹性压力计组成框图(1)(1)弹性元件弹性元件同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等，如表3-2所示。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压或真空度的测量
9、。表3-2弹性元件的结构和特性类别名称示意图压力测量范围kPa输出特性动态性质最小最大时间常数/s自振频率/Hz薄膜式平薄膜010010510-510-210104波纹膜010-3010310-210-110102挠性膜010-5010210-211102波纹管式波纹管010-3010310-210-110102弹簧管式单圈弹簧管010-10106102103多圈弹簧管010-2010510102弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适用于不同的测压范围和被测介质。通过各种传动放大机构直接指示被测压力值。这类直读式测压仪表有弹簧管压力计弹簧管压力计、波纹管波纹管差压计差压计、膜盒式
10、压力计膜盒式压力计等。(2)(2)弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管式压力计是工业生产上应用很广泛的一种直读式测压仪表，以单圈弹簧管结构应用最多。其一般结构如图3-4所示。被测压力由接口引入，使弹簧管自由端产生位移，通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，并带动啮合的中心齿轮转动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转，并在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。图3-4弹簧管压力计结构1-弹簧管；2-连杆；3-扇形齿轮；4-底座；5-中心齿轮；6-游丝；7-表盘；8-指针；9-接头；10-横断面；11-灵敏度调整槽通过调整螺钉可以改变拉杆与扇形齿轮的接合点位置，从而改变放大比，调整仪表的量程。转动轴上装有游丝，用
11、以消除两个齿轮啮合的间隙，减小仪表的变差。直接改变指针套在转动轴上的角度，就可以调整仪表的机械零点。弹簧管压力计结构简单,使用方便，价格低廉，测压范围宽，应用十分广泛。一般弹簧管压力计的测压范围为-105109Pa；精确度最高可达0.1。(3)(3)弹性压力计信号远传方式弹性压力计信号远传方式弹性压力计可以在现场指示，但是许多情况下要求将信号远传至控制室。一般可以在已有的弹性压力计结构上增加转换部件实现信号的远距离传送。弹弹性性压压力力计计信信号号多多采采用用电电远远传传方方式式，即即把弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。把弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。常见的转换方式有电位计式、霍尔
12、元件式、电感式、差动变压器式等，图3-5给出两种电远传弹性压力计结构原理。(a)电位器式(b)霍尔元件式图3-5弹性压力计信号电远传方式原理图3-5(a)为电位器式，在弹性元件的自由端处安装滑线电位器，滑线电位器的滑动触点与自由端连接并随之移动，自由端的位移就转换为电位器的电信号输出。这种远传方法比较简单，可以有很好的线性输出，但是滑线电位器的结构可靠性较差。图3-5(b)为霍尔元件式，其转换原理基于半导体材料的霍尔效应。由半导体材料制成的片状霍尔元件固定在弹性元件的自由端，并处于两对磁场方向相反的磁极组件构成的线性不均匀磁场的间隙中。霍尔元件被自由端带动在不均匀磁场中移动时，将感受不同的磁场
13、强度。若在霍尔元件的两端通以恒定电流，则在垂直于磁场和电流方向的另两侧将产生霍尔电势，此输出电势即对应于自由端位移，从而给出被测压力值。这种仪表结构简单，灵敏度高，寿命长，但对外部磁场敏感，耐振性差。3.力平衡式压力计力平衡式压力计图3-6力平衡式压力计的基本框图力平衡式压力计采用反馈力平衡的原理，反馈力的平衡方式可以是弹性力平衡弹性力平衡或电磁力电磁力平衡平衡等。力平衡式压力计的基本构成如图3-6所示，被测压力或压差作用于弹性敏感元件上，弹性敏感元件感受压力作用并将其转换为位移或力，并作用于力平衡系统，力平衡系统受力后将偏离原有的平衡状态；由偏差检测器输出偏差值至放大器；放大器将信号放大并输
14、出电流(或电压)信号，电流信号控制反馈力或力矩发生机构，使之产生反馈力；当反馈力与作用力平衡时，仪表处于新的平衡状态；显示机构可输出与被测压力或压差相对应的信号。图3-7弹性力平衡式压力测量系统的原理4.压力传感器压力传感器能能够够测测量量压压力力并并提提供供远远传传电电信信号号的的装装置置统统称称为压力传感器为压力传感器。压力传感器是压力检测仪表的重要组成部分，其结构型式多种多样，常见的型式有应应变变式式、压压阻阻式式、电电容容式式、压压电电式式、振振频频式式压力传感器等。此外还有光光电电式式、光光纤纤式式、超超声声式式压力传感器等。采用压力传感器可以直接将被测压力变换成各种形式的电信号，便
15、于满足自动化系统集中检测与控制的要求，因而在工业生产中得到广泛应用。(1)应变式压力传感器应变式压力传感器应应变变式式压压力力传传感感器器是是一一种种通通过过测测量量各各种种弹弹性性元元件件的的应应变变来来间间接接测测量量压压力力的的传传感感器器。根据制作材料的不同，应变元件可以分为金金属属和半半导导体体两大类。应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化。电阻值的相对变化与应变有以下关系：(3-7)应变式压力传感器所用弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同而采用各种型式，常见有圆膜片、弹性梁、应变筒等。图3-9给出几种弹性元件和应变
16、式压力传感器的结构及电桥式测量电路示意图。图3-9应变式压力传感器(2)(2)压阻式压力传感器压阻式压力传感器固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。效应。压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。图3-10为一种压阻式压力传感器的结构示意图，硅平膜片在圆形硅杯的底部，其两边有两个压力腔，分
17、别输入被测差压或被测压力与参考压力。髙压腔接被测压力，低压腔与大气连通或接参考压力。图3-10压阻式压力传感器压阻式压力传感器的特点:(1)灵敏度高，频率响应高；(2)测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的 高压；(3)精度高，工作可靠，其精度可达0.20.02；(4)易于微小型化，目前国内生产出直径1.82mm的压阻式压力传感器。(3)(3)压电式压力传感器压电式压力传感器某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形变形(压缩或伸长压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，而在其
18、某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压压电效应电效应”。常用的压电材料有天然的压电晶体压电晶体(如石英晶体)和压电陶瓷压电陶瓷(如钛酸钡)两大类，它们的压电机理并不相同，压电陶瓷是人造多晶体，压电常数比石英晶体高，但机械性能和稳定性不如石英晶体好。它们都具有较好特性，均是较理想的压电材料。压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：(3-8)式中Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大
19、小。图3-11为一种压电式压力传感器的结构示意图。压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。图3-11压电式压力传感器压电式压力传感器特点:(1)体积小，结构简单，工作可靠；(2)测量范围宽，可测100MPa以下的压力；(3)测量精度较高；(4)频率响应高，可达30KHz，是动态压力检测中常用的传感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。(4)(4)电容式压力传感器电容式
20、压力传感器电容式压力传感器采用变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电容的变化，用测量电容的方法测出电容量，便可知道被测压力的大小。根据平行板电容器的电容量表达式(3-9)式中为电容极板间介质的介电常数；A为两平行板相对面积；d 为两平行板间距。由式(3-9)可知，改变A、d、其中任意一个参数都可以使电容量发生变化。在实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变A 或d 一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。故有变极变极距式电容压力传感器距式电容压力传感器和和变面积式电容压力传感变面积式电容压力传感器器。因此，电容量的变化与被测参数的大小成比例。差动变极距式
21、电容压力传感器差动变极距式电容压力传感器改变电容两平行板间距d 的测量方式有较高的灵敏度，但当位移较大时非线性严重。采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因受温度影响引起的不稳定性。图3-12电容式差压传感器对于差动平板电容器，其电容变化与板间距离变化的关系可表示为：(3-10)式中C0为初始电容值；d0为极板间初始距离；d为距离变化量。此电容量的变化经过适当的变换器电路，可以转换成反映被测差压的标准电信号输出。这种传感器结构坚实，灵敏度高，过载能力大；精度高，其精确度可达0.250.05；可以测量压力和差压。变面积式电容压力传感器变面积式电容压力传感器图3-13所示为一种变面积式
22、电容压力传感器。被测压力作用在金属膜片上，通过中心柱和支撑簧片，使可动电极随簧片中心位移而动作。可动电极与固定电极均是金属同心多层圆筒，断面呈梳齿形，其电容量由两电极交错重叠部分的面积所决定。固定电极与外壳之间绝缘，可动电极则与外壳导通。压力引起的极间电容变化由中心柱引至适当的变换器电路，转换成反映被测压力的标准电信号输出。图3-13变面积式电容压力传感器(5)(5)谐振式压力传感器谐振式压力传感器谐振式压力传感器是靠被测压力所形成的应力改变弹性元件的谐振频率，通过测量频率信号的变化来检测压力。这种传感器特别适合与计算机配合使用，组成高精度的测量、控制系统。根据谐振原理可以制成振振筒筒、振振弦
23、弦及振振膜膜式等多种型式的压力传感器。振筒式压力传感器振筒式压力传感器振筒式压力传感器的感压元件是一个薄壁金属圆筒，圆柱筒本身具有一定的固有频率，当筒壁受压张紧后，其刚度发生变化，固有频率相应改变。在一定的压力作用下，变化后的振筒频率可以近似表示为：(3-11)式中:为受压后的振筒频率；为固有频率；为结构系数；为被测压力。图3-14振筒式压力传感器传感器由振振筒筒组组件件和激激振振电电路路组成，如图3-14所示。振筒用低温度系数的恒弹性材料制成，一端封闭为自由端，开口端固定在基座上，压力由内侧引入。绝缘支架上固定着激振线圈和检测线圈，二者空间位置互相垂直，以减小电磁耦合。激振线圈使振筒按固有的
24、频率振动，受压前后的频率变化可由检测线圈检出。此种仪表体积小，输出频率信号，重复性好，耐振；精确度高，其精确度为0.1和0.01；适用于气体测量。振膜式压力传感器振膜式压力传感器振膜式压力传感器结构如图3-15(a)所示。振膜为一个平膜片，且与环形壳体做成整体结构，它和基座构成密封的压力测量室，被测压力p经过导压管进入压力测量室内。参考压力室可以通大气用于测量表压，也可以抽成真空测量绝压。装于基座顶部的电磁线圈作为激振源给膜片提供激振力，当激振频率与膜片固有频率一致时，膜片产生谐振。没有压力时，膜片是平的，其谐振频率为f0；当有压力作用时，膜片受力变形，其张紧力增加，则相应的谐振频率也随之增加
25、，频率随压力变化且为单值函数关系。图3-15振膜式压力传感器在膜片上粘贴有应变片，它可以输出一个与谐振频率相同的信号。此信号经放大器放大后，再反馈给激振线圈以维持膜片的连续振动，构成一个闭环正反馈自激振荡系统。如图3-15(b)所示。3.1.3压力检测仪表的使用与校准压力检测仪表的使用与校准1.压力仪表的选择与安装压力仪表的选择与安装压力仪表的选择应本着经济合理的原则综合考虑仪表类型、测量范围和精度等方面。仪表的类类型型应根据被测介质情况、现场环境及生产过程对仪表的要求仪表的量量程程要根据被测压力的大小及其在测量过程中变化的情况来选取。仪表的精精度度应根据工艺生产的要求在规定的精度等级中选择确
26、定。所选精度等级应小于或至少等于工艺要求的仪表允许最大引用误差。压力测量系统(包括测取压力的取压口、传递压力的引压管路和测量仪表)安装的正确与否直接影响测量结果的准确性。应根据具体被测介质、管路和环境条件，选取适当的取压口位置、正确安装引压管路和测量仪表。一些常用压力仪表的性能和用途见表3-3。仪表型式常用测量范围（Pa）精度等级用途与特点液柱式压力计U形管压力计0105或压差、负压高基准器、标准器、工程测量仪表单管压力计0105或压差、负压高基准器、标准器、工程测量仪表斜管压力计02103或压差、负压高基准器、标准器、工程测量仪表弹性压力计弹簧管压力计0109较高工程测量仪表、精密测量仪表膜
27、片式压力计02106或压差、负压一般工程测量仪表、精密测量仪表膜盒式压力计04104或压差、负压一般工程测量仪表、精密测量仪表波纹管压力计04106或压差、负压一般工程测量仪表、精密测量仪表活塞式压力计02.5108或负压很高基准器、标准器电位计式压力传感器06107一般工程测量仪表电容式压力传感器0107或压差较高工程测量仪表电感式压力传感器06107较高工程测量仪表霍尔式压力传感器06107一般工程测量仪表振频式压力传感器0107或压差、负压较高工程测量仪表应变式压力传感器0108或压差、负压较高工程测量仪表压电式压力传感器0107或压差、负压较高工程测量仪表2.压力检测仪表的校准压力检测
28、仪表的校准压力检测仪表在出厂前均需经过校准，使之符合精度等级要求。使用中的仪表会因弹性元件疲劳、传动机构磨损及腐蚀、电子元器件的老化等造成误差，所以必须定期进行校准，以保证测量结果有足够的准确度；另外，新的仪表在安装使用前，为防止运输过程中由于振动或碰撞所造成的误差，也应对新仪表进行校准，以保证仪表示值的可靠性。(1)(1)静态校准静态校准压力检测仪表的静态校准是在静态标准条件下(温度205，湿度80，大气压力为76080mmHg，且无振动冲击的环境)，采用一定标准等级(其精度需为被校仪表的35倍)的校准设备，对仪表重复(不少于3次)进行全量程逐级加载和卸载测试，获得各次校准数据，以确定仪表的
29、静态基本性能指标和精度的过程。校准方法通常有两种：一种是将被校表与标准表的示值在相同条件下进行比较；另一种是将被校表的示值与标准压力比较。无论是压力表还是压力传感器、变送器，均可采用上述两种方法。一般在被校表的测量范围内，均匀地选择至少5个以上的校验点，其中应包括起始点和终点。(2)(2)动态校准动态校准在一些工程技术领域常会遇到压力动态变化的情况，例如，火箭发动机的燃烧室压力在启动点火后的瞬间，有极为快速地变化；在产生振荡燃烧时，压力变化频率从几赫到数千赫。为了能够准确测量压力的动态变化，要求压力传感器的频率响应特性要好。实际上压力传感器的频率响应特性决定了该传感器对动态压力测量的适用范围和
30、测量精度。因此，对用于动态压力测量的传感器或测压系统必须进行动态校准，以确定其动态特性参数，如频频率率响响应应函函数数、固有频率固有频率、阻尼比阻尼比等。稳态校准稳态校准图3-17所示为产生稳态周期性校准电磁式正弦压力源的装置。当流过电磁式力发生器中的电流成正弦规律变化时便产生正弦力，使输给传感器的介质压力按正弦规律变化。图3-17电磁式正弦压力发生器上述装置只提供了可变的压力源，主要适用于将未知特性的被校传感器与已知特性的标准传感器进行比较。也可以通过改变压力源频率，同时监测被校仪表或传感器输出的方法求出被校仪表的频率特性。这类方法的主要优点是结构简单，易于实现。但由于难以提供高频高振幅的压
31、力信号，仅适用于低压和低频的压力校准中，不能用于压力检测仪表的高频动态特性校准。非稳态校准非稳态校准激波管是测定压力传感器频率响应特性的最常用的方便而简单的设备。激波管校准传感器动态特性的基基本本原原理理是：用激波管产生的阶跃压力来激励被校压力传感器，并用适当的设备记录在这一阶跃压力激励下被校传感器所产生的瞬时响应，根据其过渡过程曲线，运用适当的计算方法，求得被校压力传感器的频率响应特性。图3-19为激波管法校准压力传感器动态特性系统图。整个试验装置包括激激波波管管、气气源源、测量测量和记录记录部分。图3-19激波管校准系统图3.2力的测量力的测量3.2.1力的基本概念力的基本概念1.力力力是
32、一个重要的物理量。力体现了物质之间的相互作用，凡是能能使使物物体体的的运运动动状状态态或或物物体体所所具具有有的的动动量量发发生生改改变变而而获获得得加加速速度度或或者者使使物物体体发发生变形的作用都称为力生变形的作用都称为力。按照力产生原因的不同，可以把力分为重力、弹性力、惯性力、膨胀力、摩擦力、浮力、电磁力等等。按力对时间的变化性质可分为静静态态力力和动动态态力力两大类。静态力是指不变的力或变化很缓慢的力。动态力是指随时间变化显著的力，如冲击力、交变力或随机变化的力等。2.力的单位力的单位力在国际单位制(SI)中是导出量，牛顿第二定律(F=ma)揭示了力(F)的大小与物体质量(m)和加速度
33、(a)的关系，即力力是是质质量量和和加加速速度度的的乘乘积积。因此力的单位和标准都取决于质量和加速度的单位与标准。质量是国际单位制中的一个基本量，单位是kg(千克)；加速度是基本量长度和时间，的导出量，单位是m/s2(米秒2)。我国法定计量单位制和国际单位制中，规定力的单位为牛顿（N），定定义义为为：使使1kg质质量量的的物体产生物体产生1m/s2加速度的力，即加速度的力，即1N=1kgm/s2。3.力量值的传递力量值的传递目前均以标准砝码的重力作为力的标准，其大小除可以用标准砝码传递外，还可以用各种不同准确度等级的基准和标准测力仪器设备复现力值及进行量值的传递。力的传递方式有定度定度和检定检
34、定两种：定度是根据基准和标准测力仪器设备所传递的力值确定被校仪表刻度所对应的力值。检定是将准确度级别更高的基准和标准测力仪器设备与被检定测力仪表进行比对，以确定被检定测力仪表的误差。3.2.2力的测量方法力的测量方法力力的的本本质质是是物物体体之之间间的的相相互互作作用用，不不能能直直接得到其值的大小接得到其值的大小。力施加于某一物体后，将使物体的运动状态或动量改变，使物体产生加速度，这是力的“动力效应”。还可以使物体产生应力，发生变形，这是力的“静力效应”。因此，可以利用这些变化来实现对力的检测。力的测量方法可归纳为力力平平衡衡法法，测测位位移移法法和利用某些物理效应测力利用某些物理效应测力
35、等。1.力平衡法力平衡法力平衡式测量法是基于比较测量的原理，用一个已知力来平衡待测的未知力，从而得出待测力的值。平衡力可以是已知质量的重重力力、电电磁磁力力或气动力气动力等。(1)(1)机械式力平衡装置机械式力平衡装置图3-20(a)为梁式天平，通过调整砝码使指针归零，将被测力Fi与标准质量(砝码G)的重力进行平衡，直接比较得出被测力Fi的大小。图3-20机械式力平衡装置图3-20(b)为机械杠杆式力平衡装置，可转动的杠杆支撑支点M上，杠杆左端上面悬挂有刀形支承N，在N的下端直接作用有被测力Fi；杠杆右端是质量m已知的可滑动砝码G；另在杠杆转动中心上安装有归零指针。测量时，调整砝码的位置使之与
36、被测力平衡。当达到平衡时，则有:(3-15)式中:a，b分别为被测力Fi和砝码G的力臂；g为当地重力加速度。可见，被测力Fi的大小与砝码重力mg的力臂b成正比，因此可以在杠杆上直接按力的大小刻度。这种测力计机构简单，常用于材料试验机的测力系统中。上述测力方法的优点是简单易行，可获得很高的测量精度。但这种方法是基于静态重力力矩平衡，因此仅适用于作静态测量。(2)磁电式力平衡装置磁电式力平衡装置图3-21所示为一种磁电式力平衡测力系统。无外力作用时，系统处于初始平衡位置，光线全部被遮住，光敏元件无电流输出，力矩线圈不产生力矩。当被测力Fi作用在杠杆上时，杠杆发生偏转，光线通过窗口打开的相应缝隙，照
37、射到光敏元件上，光敏元件输出与光照成比例的电信号，经放大后加到力矩线圈上与磁场相互作用而产生电磁力矩，用来平衡被测力Fi与标准质量m的重力力矩之差，使杠杆重新处于平衡。此时杠杆转角与被测力Fi成正比，而放大器输出电信号在采样电阻R上的电压降Uo与被测力Fi成比例，从而可测出力Fi。图3-21磁电式力平衡测力系统与机械杠杆式测力系统相比较，磁电式力平衡系统使用方便，受环境条件影响较小，体积小、响应快，输出的电信号易于记录且便于远距离测量和控制。2.测位移法测位移法在力作用下，弹性元件产生变形，测位移法通过测量未知力所引起的位移，从而间接地测得未知力值。图3-23电容式测力装置图3-23所示是电容
38、传感器与弹性元件组成的测力装置。图中，扁环形弹性元件内腔上下平面上分别固连电容传感器的两个极板。在力作用下，弹性元件受力变形，使极板间距改变，导致传感器电容量变化。用测量电路将此电容量变化转换成电信号，即可得到被测力值。通常采用调调频频或调调相相电路来测量电容。这种测力装置可用于大型电子吊秤。图3-24差动变压器式测力装置图3-24为两种常用的由差动变压器与弹性元件构成的测力装置。弹性元件受力产生位移，带动差动变压器的铁芯运动，使两线圈互感发生变化，最后使差动变压器的输出电压产生和弹性元件受力大小成比例的变化。图3-24(a)是差动变压器与弹簧组合构成的测力装置；图3-24(b)为筒形弹性元件
39、。3.利用某些物理效应测力利用某些物理效应测力物体在力作用下会产生某些物理效应，如应变效应，压磁效应，压电效应等，可以利用这些效应间接检测力值。各种类型的测力传感器就是基于这些效应。3.2.3测力传感器测力传感器测力传感器通常将力转换为正比于作用力大小的电信号，使用十分方便，因而在工程领域及其他各种场合应用最为广泛。测力传感器种类繁多，依据不同的物理效应和检测原理可分为电电阻阻应应变变式式、压压磁磁式式、压压电电式式、振弦式振弦式等等。1.应变式力传感器应变式力传感器应变式力传感器的工作原理与应变式压力传感器基本相同，它也是由弹弹性性敏敏感感元元件件和贴贴在其上的应变片在其上的应变片组成。应变
40、式力传感器首先把被被测测力力转变成弹弹性性元元件件的的应应变变，再利用电阻应变效应测出应应变变，从而间接地测出力的大小力的大小。应变片的布置和接桥方式，对于提高传感器的输出灵敏度和消除有害因素的影响有很大关系。图3-25给出了常见的柱形、筒形、梁形弹性元件及应变片的贴片方式。图3-25(a)为柱形弹性元件；图3-25(b)为筒形弹性元件；图3-25(c)为梁形弹性元件。图3-25几种弹性元件及应变片贴片方式2.压磁式力传感器压磁式力传感器当铁磁材料在受到外力拉、压作用而在内部产生应力时，其导磁率会随应力的大小和方向而变化。受拉力时，沿力作用方向的导磁率增大，而在垂直于作用力的方向上导磁率略有减
41、小。受压力作用时则导磁率的变化正好相反。这种物理现象就是铁磁材料的压压磁磁效效应应。这种效应可用于力的测量。图3-27压磁式传感器压磁式力传感器的输出电势比较大，通常不必再放大，只要经过滤波整流后就可直接输出，但要求有一个稳定的激磁电源。压磁式力传感器可测量很大的力，抗过载能力强，能在恶劣条件下工作。但频率响应不高（110kHz），测量精度一般在1左右，也有精度更高的新型结构的压磁式力传感器。常用于冶金、矿山等重工业部门作为测力或称重传感器，例如在轧钢机上用来测量大的力以及用在吊车秤中。3.3转矩测量转矩测量转转矩矩是是各各种种工工作作机机械械传传动动轴轴的的基基本本载载荷荷形形式式，与动力机
42、械的工作能力、能源消耗、效率、运转寿命及安全性能等因素紧密联系。转矩的测量对传动轴载荷的确定与控制、传动系统工作零件的强度设计以及原动机容量的选择等都具有重要的意义。3.3.1转矩的概念转矩的概念1.转矩的定义及单位转矩的定义及单位使使机机械械元元件件转转动动的的力力矩矩或或力力偶偶称称为为转转动动力力矩矩，简简称称转转矩矩。机械元件在转矩作用下都会产生一定程度的扭转变形，故转矩有时又称为扭扭矩矩。力矩是由一个不通过旋转中心的力对物体形成的，而力偶是一对大小相等、方向相反的平行力对物体的作用。所以转矩等于力与力臂或力偶臂的乘积，在国际单位制(SI)中，转矩的计量单位为牛顿米(Nm)，工程技术中
43、也曾用过公斤力米等作为转矩的计量单位。2.转矩的类型转矩的类型转矩可分为静态转矩静态转矩和动态转矩动态转矩。静静态态转转矩矩是是值值不不随随时时间间变变化化或或变变化化很很小小、很很缓缓慢的转矩慢的转矩。静态转矩包括静静止止转转矩矩、恒恒定定转转矩矩、缓缓变变转转矩矩和微微脉脉动动转转矩矩。静止转矩的值为常数，传动轴不旋转；恒定转矩的值为常数，但传动轴以匀速旋转，如电机稳定工作时的转矩；缓变转矩的值随时间缓慢变化，但在短时间内可认为转矩值是不变的；微脉动转矩的瞬时值有幅度不大的脉动变化。动态转矩是值随时间变化很大的转矩动态转矩是值随时间变化很大的转矩。动态转矩包括振动转矩振动转矩、过渡转矩过渡
44、转矩和随机随机转矩转矩三种。振动转矩的值是周期性波动的；过渡转矩是机械从一种工况转换到另一种工况时的转矩变化过程；随机转矩是一种不确定的、变化无规律的转矩。3.转矩的测量方法转矩的测量方法转矩的测量方法可以分为平平衡衡力力法法、能能量量转转换换法法和传传递递法法。其中传递法涉及的转矩测量仪器种类最多，应用也最广泛。(1)(1)平衡力法及平衡力类转矩测量装置平衡力法及平衡力类转矩测量装置匀速运转的动力机械或制动机械，在其机体上必然同时作用着与转矩大小相等，方向相反的平衡力矩。通通过过测测量量机机体体上上的的平平衡衡力力矩矩(实实际际上上是是测测量量力力和和力力臂臂)来来确确定定动动力力机机械械主
45、主轴轴上上工工作转矩的方法称为平衡力法。作转矩的方法称为平衡力法。平衡力法直接从机体上测转矩，不存在从旋转件到静止件的转矩传递问题。但它仅适合测量匀速工作情况下的转矩，不能测动态转矩。(2)(2)能量转换法能量转换法依据能量守恒定律，通过测量其他形式能量如电能、热能参数来测量旋转机械的机械能，进而求得转矩的方法即能量转换法。从方法上讲，能量转换法实际上就是对功率和转速进行测量的方法。能量转换法测转矩一般只在电机和液机方面有较多的应用。(3)(3)传递法传递法传递法是指利用弹性元件在传递转矩时物理参数的变化与转矩的对应关系来测量转矩的一类方法。常用弹性元件为扭轴，故传递法又称扭轴法。根据被测物理
46、参数不同，基于传递法的转矩测量仪器有多种类型。在现代测量中，这类转矩测量仪的应用最为广泛。本节介绍基于传递法原理的几种转矩测量方法和仪器。3.3.2传递法转矩测量传递法转矩测量转矩测量仪器及装置很多，应根据使用环境、测量精度等要求来选择。1.应变式转矩测量应变式转矩测量应应变变式式转转矩矩测测量量仪仪通通过过测测量量由由于于转转矩矩作作用在转轴上产生的应变来测量转矩用在转轴上产生的应变来测量转矩。根据材料力学的理论，转轴在转矩M的作用下，其横截面上最大剪应力max与轴截面系数W和转矩M之间的关系为:(3-20)(3-21)式中D为轴的外径；d为空心轴的内径。max无法用应变片来测量，但与转轴中
47、心线成45夹角方向上的正负主应力和的数值等于max，即(3-22)根据应力应变关系，应变为(3-23)(3-24)式中E为材料的弹性模量(Pa)；为材料的泊松比。这样就可沿正负主应力和的方向贴应变片，测出应变即可知其轴上所受的转矩M。应变片可以直接贴在需要测量转矩的转轴上，也可以贴在一根特制的轴上制成应变式转矩传感器，用于各种需要测量转矩的场合。图3-28为应变片式转矩传感器，在沿轴向45方向上分别粘贴有四个应变片，感受轴的最大正、负应变，将其组成全桥电路，则可输出与转矩M成正比的电压信号。这种接法可以消除轴向力和弯曲力的干扰。图3-28应变片式转矩传感器应变式转矩传感器结构简单，精度较高。贴
48、在转轴上的电阻应变片与测量电路一般通过集流环连接。集流环有电刷电刷-滑环式滑环式、水银式水银式和感应式感应式等。集流环存在触点磨损和信号不稳定等问题，不适于测量高速转轴的转矩。近年来，巳研制出遥测应变式转矩仪，它在上述应变电桥后，将输出电压用无线发射的方式传输，有效地解决了上述问题。2.压磁式转矩传感器压磁式转矩传感器铁磁材料制成的转轴，具有压磁效应，在受转矩作用后，沿拉应力+方向磁阻减小，沿压应力-方向磁阻增大。图3-29压磁式转矩传感器在铁芯线圈A中通以50Hz的交流电，形成交变磁场。转轴未受转矩作用时，其各向磁阻相同，BB方向正好处于磁力线的等位中心线上，因而铁芯B上的绕组不会产生感应电
49、势。当转轴受转矩作用时，其表面上出现各向异性磁阻特性，磁力线将重新分布，而不再对称，因此在铁芯B的线圈上产生感应电势。转转矩矩愈愈大大，感感应应电电势势愈愈大大，在在一一定定范范围围内内，感感应应电电势势与与转转矩矩成成线线性性关关系系。这样就可通过测量感应电势e来测定轴上转矩的大小。3.扭转角式转矩测量扭转角式转矩测量扭扭转转角角式式转转矩矩测测量量法法是是通通过过扭扭转转角角来来测测量量转矩的转矩的。根据材料力学，在转矩M作用下，转轴上相距L的两横截面之间的相对转角为:(3-25)式中G为轴的剪切弹性模量。由(3-25)式可知，当转轴受转矩作用时，其上两截面间的相对扭转角与转矩成比例，因此
50、可以通过测量扭转角来测量转矩。根据这一原理，可以制成光电式光电式、相位相位差式差式、振弦式振弦式转矩传感器等。(1)(1)光电式转矩传感器光电式转矩传感器图3-30光电式转矩传感器光电式转矩传感器如图3-30所示。在转轴上安装两个光栅圆盘，两个光栅盘外侧设有光源和光敏元件。无转矩作用时，两光栅的明暗条纹相互错开，完全遮挡住光路，因此放置于光栅一侧的光敏元件接收不到来自光栅盘另一侧的光源的光信号，无电信号输出。当有转矩作用于转轴上时，由于轴的扭转变形，安装光栅处的两截面产生相对转角，两片光栅的暗条纹逐渐重合，部分光线透过两光栅而照射到光敏元件上，从而输出电信号。转转矩矩越越大大，扭扭转转角角越越