力力矩压力测量.ppt
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1、力、力矩、压力测量,7.1 概念 7.1.1 力 (1)什么是力? 力是物体之间的相互作用。各种机械运动是力或力矩传递的结果,因此力是最重要的物理量之一; 力的动力效应:力改变物体的机械运动状态; 力的静力效应:造成物体的变形。,(2)力矩、扭矩、转矩(torque ) 力矩是力和力臂的乘积。 力矩能使物体转动,也称为转矩。 对于一个旋转轴,转矩 T= Fr,F是在半径r处的切向力。 轴在转矩作用下会发生扭曲变形,材料内部会产生剪切应力和应变,也称为扭矩。,(3)压力 垂直作用于单位面积上的力 P=F/A 单位 : 帕斯卡(Pa) 1Pa=1N/m2 大气压力: 由于大气重力,包围地球的大气对
2、单位面积的地球表面施加的压力。简称气压。它随天气情况,海拔高度和纬度而变。,:,表压(Gauge pressure): 相对于大气压力的差压。绝对压力和大气压力之间的差压。 正压力( Positive pressure ):绝对压力高于大气压力时的表压,简称正压。 负压力( Negative pressure ):绝对压力低于大气压力时的表压,简称负压。 真空( Vacuum ):低于大气压力的绝对压力。,绝对压力(Absolute pressure): 相对于绝对真空所测得的压力。,7.2 测量方法 7.2.1 力的测量方法 (1) 根据静力或动力效应 静力效应- 测量物体的机械变形或利用与
3、力有关的物理效应; 动力效应- 根据牛顿第二定律:F=ma,1. 力平衡的方法(Force balance methods ) 物体处于静态平衡时,绕某一轴线的顺时针方向的力矩等于逆时针方向的力矩。,(2)根据不同的结构和仪器来划分,2. 弹性元件的方法(Elastic element methods) 3. 压力方法(Pressure methods),弹性元件的方法,各种弹性元件:最简单的就是弹簧。 电阻应变计是广泛使用的一种方法。,典型的弹性体结构:,柱状测力仪,应变片的相对变形 :,l-应变片的总变形 l-应变片的基长 F-作用力 A-弹性元件的工作面积 E-弹性元件的弹性模量 -弹性
4、元件的工作应力,应变片的灵敏度,-弹性元件的泊松系数,弹性体的总应变:,测力仪电压灵敏度(mv/v):,强度校核或弹性体截面设计,通常选k=2,:材料的许用应力 s:材料的屈服极限 kn: 超载系数,例题:电压灵敏度1mV/V,负荷力50KN,应变片灵敏度系数k为2, 求正方形截面的柱式弹性体的截面尺寸。,测力环,悬臂梁,Applied force,电阻应变式测力仪原理框图,其他测力的方法 (1) 压电式测力仪 利用压电材料(石英晶体、压电陶瓷)的压电效应,将被测力转换为与其成正比的电荷量输出; 石英晶体:性能稳定、动态响应好,机械强度高,线性范围宽,多用于高精度高大量程测量, mNMN。 压
5、电陶瓷:压电常数远高于压电晶体,价格便宜,用途广泛,dij: 压电常数 主要用于动态力测量,多分量式,压磁效应:工业纯铁、硅钢等铁磁材料在机械力的作用下磁导率发生变化; 硅钢受压缩时,其导磁率沿应力方向下降,而沿应力的垂向增加;在受拉伸时,导磁率变化正好相反。,压磁式测力仪(Piezomagnetic dynamometry),可测很大负荷,达1M牛以上,精度1。,7.2.2 力矩测量,对旋转轴测量力矩,可以确定输出的功也可以监测剪切应力下的材料失效。 力矩(转矩)测量常常和功率、转速测量联系在一起。,力所作的功=力在力方向上的位移 每秒所作的功 P=F2rn= 旋转轴所传递的功率 P=2nT
6、=T,= 2n F: 半径 r处的切向力 T: 作用在轴上使其旋转的力矩,力矩测量的基本方法: (1)传递法(Transmission method ) (扭轴法):转矩使弹性轴产生扭转变形 (2)力平衡法(Force balance method ) (3)能量转换法(Power transformation method): E1=E2+E,测量各种电机的转矩;,电动机: 发电机:,P为输入功率,k为单位系数,n为转速,为电动机效率,P2为输出功率,(1)当力矩作用在弹性轴上,轴会产生扭曲变形、剪切应变和应力,G: 材料的切变模量;: 扭转角;IP : 极惯性矩,一、传递法测力矩,测量扭转
7、角: 测量剪切应力 : 测量轴的应变:,45、135 : 沿着和轴成45o、135o 夹角方向的主应变。,1.电阻应变式转矩仪,在被测轴上,沿轴线的45。或135。方粘贴应变片,当转轴受转矩M作用时,应变片产生应变,其应变量 与转矩M成线性关系。 对空心圆柱形轴:,对方形截面轴:,G为转轴的切变模量,精度高(0.2-0.5)%,重复性好,测量范围宽550000Nm,2、相位差式转矩测量仪,测量范围可达0.2-105 Nm,精度(0.1-0.2)%,为两齿轮的 相对转角,z为齿数,利用平衡力矩M0去平衡被测力矩M,从而求得M的方法。,二、力平衡法测力矩,只能测量匀速工作情况的转矩,不能测量动态转
8、矩。,由测量轴2、静压空气支承3、角位移传感器5、力矩电动机4和标准电阻Ro及电路组成。,7.2.3 压力测量,定义:垂直均匀地作用于单位面积上的力称为压力,又称压强。压力测量仪表用来测量气体或液体压力,又称压力表或压力计。 压力测量方法的分类 1. 液体式压力计(Manometers) U形管(U-tube manometer) 槽式压力计( The cistern manometer ) 倾斜式U形管(The inclined tube manometer) 2. 弹性式压力计(Diaphragms) 波顿管(Bourdon tubes),3、 力平衡式(Force-balance ) 负
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