力学和运动学量

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1、第7章力学量和运动学量7.1力学量检测技术7.2运动学量检测技术7.3接近传感器与转速测量7.1力学量检测技术7.1.1测力传感器及其应用1.YDS-781型压电式单向力传感器图7-1是YDS-781型压电式单向力传感器的结构，它主要用于变化频率中等的动态力的测量，如车床动态切削力的测试。被测力通过传力上盖1传递到压电石英晶片2上。两块晶片沿电轴反方向叠起，中间是一个片形电极，它收集负电荷。两压电晶片正电荷表面分别与传感器的传力上盖和底座6相连，构成并联结构。片形电极和传感器底座通过电极引出插头4与外部电缆相接。该传感器的测力

2、范围为0～5000N，非线性误差小于1%，电荷灵敏度为3.8～4.4μC/N，固有频率约为数十千赫兹。图7-1YDS-781型压电式单向力传感器的结构2.金属加工切削力的测量图7-2是利用压电陶瓷传感器进行测量刀具切削力的示意图。由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便测得切削力的变化。图7-3是拉刀的切削力试验图。在拉削加工中，因为切削速度低，可以在拉刀的卡具上粘贴应变

3、片进行受力状态的测试。应变片与测试电路组成桥路并由放大电路及示波器进行测试。图7-2刀具切削力测量示意图图7-3拉刀切削力试验图3.压电引信压电引信是利用钛酸钡或锆钛酸铅压电陶瓷的正压电效应制成的一种弹丸起爆装置。它具有瞬发度高、灵敏度低、不需配置电源等特点，常应用在破甲弹上，对提高弹丸的破甲能力起着非常重要的作用。压电引信由压电晶体和起爆装置两部分组成，压电晶体放在弹丸的头部，起爆装置设置在弹丸的尾部，如图7-4所示。图7-4使用压电引信的破甲弹压电晶体产生的电荷将从电阻R泄放掉，不会使电雷管动作。弹丸发射后，引信起爆装置解除

4、保险状态，开关S从a处断开，与b接通，处于待发状态。当弹丸与装甲目标相遇时，碰撞力使压电晶体产生电荷，经导线传给电雷管使其起爆，并引起弹丸的爆炸，锥孔炸药爆炸形成的能量使药形罩熔化，形成高温高速的金属流将钢甲穿透，起到杀伤作用。图7-5压电引信电路7.1.2扭矩的测量1.测量原理扭矩是一种力矩，它是改变物体转动状态的原因。扭矩的大小可用下式表示，即M=lF（7-1）式中，M为扭矩；l为转轴与力作用点的距离（即力臂）；F为力。扭矩传感器与力传感器一样，要使用弹性元件。它利用弹性体把扭矩转换为角位移，再由角位移转换成电信号输出。用于

5、扭矩传感器的弹性元件是扭矩轴，如图7-6所示。把扭转轴连接在驱动源和负载之间，扭转轴就会产生扭转，所产生的扭转角可用下式表示，即（7-2）式中，θ为扭转轴的扭转角;L为扭转轴长;D为扭转轴直径;G为扭转轴材料的弯曲系数。从式中可以看出，当扭转轴的参数固定，扭矩对扭转轴作用时，产生的扭转角与扭矩成正比关系。因此只要测得扭转角，便可知扭矩的大小。图7-6一些扭转轴的结构2.扭矩传感器1）应变片式扭矩传感器图7-7是应变片式扭矩传感器的工作原理图。扭转轴发生扭转时，在相对于轴中心线45°方向上产生的应力最大，应变也最大。沿扭转

6、轴中心线45°方向粘贴四个电阻应变片，并组成桥式电路，将应力转换为电压输出。由此便可测量扭矩的大小。为了给旋转的应变片输入电压和从电桥中取出检测信号，在扭转轴上安装有集电环和电刷。它是一种接触式测量，结构复杂。图7-7应变片式扭矩传感器工作原理图2）振弦式转矩传感器振弦式转矩传感器的结构如图7-8所示，将套筒1、2分别卡在被测轴的两个相邻面上，然后将振弦5与6分别安装在套筒上的支架3、4和3′、4′上，安装时必须使振弦具有一定的预应力。当被测轴转动传递转矩T时，轴产生扭转变形，致使其两相邻截面扭转一个角度，造成振弦5受到拉力，

7、振弦6受到压力。在被测轴的弹性变形范围内，轴的扭转角与外加转矩T成正比，而振弦的张力又与扭转角成正比。与振弦式压力传感器一样，可以用测量传感器输出的差频信号来测量被测轴上所承受的转矩。图7-8振弦式转矩传感器3）磁致伸缩式扭矩传感器磁致伸缩式扭矩传感器的转换原理是磁致伸缩效应。采用铁磁材料制作的扭转轴在受到扭矩作用时，扭转轴中产生方向性应力，扭转轴表面的磁场分布会变得不对称，从而出现磁的各向异性。图7-9是磁致伸缩式扭矩传感器工作原理图。为了检测扭转轴由于扭转产生的磁场，在离扭转轴表面1～2mm处设置有两个交叉90°的铁芯1

8、和2，在铁芯1上绕有励磁线圈，在铁芯2上绕有感应线圈。两个线圈与检测电路组成一个磁桥。图7-9磁致伸缩式扭矩传感器工作原理图（a）结构原理；（b）桥路原理鉴于以下优点，磁致伸缩式扭矩传感器被广泛应用于大型动力机械的扭矩测量。（1）可实现非接触测量，避免了接触测