第七讲 力测量及静态测量系统设计ppt课件.ppt

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1、第七讲力测量及静态测量系统设计工程测试技术基础学习要求：1.了解力测量分析的分类2.建立测试系统的概念3.了解静态测量仪器选用与设计力、压力、转矩力位移速度加速度压力流量温度电阻式电容式电感式压电式热电式光电式磁电式电桥放大器滤波器调制器解调器运算器阻抗变换器笔式记录仪光线示波器磁带记录仪电子示波器半导体存储器显示器磁卡数据处理器频谱分析仪FFT实时信号分析仪电子计算机被测对象传感器中间变换测量装置显示及记录装置信号分析处理装置激发装置测试系统的组成传感器的特性及主要性能指标传感器的主要性能指标项目相应指标基本参数测量范围在允许误差限内传感器的被测量值的范围量程测量范围的上限值

2、与下限值之差过载能力在不致引起规定性能永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力灵敏度灵敏度、分辨力、阀值、满量程输出静态精度精确度、线性度、重复性、迟滞、灵敏度误差、稳定性动态性能频率特性频率响应范围、幅频特性、相频特性、临界频率时间常数、固有频率、阻尼比、动态误差阶跃特性过冲量、临界速度、稳定时间环境参数温度工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后振动、冲击各向抗冲击振动的频率、振幅及加速度冲击所允许引入的误差其它抗潮湿、抗腐蚀能力可靠性工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压使用条件电源、气源、外形尺寸、重量、备件、……安装方式、校准周期经济性价

3、格、性价比力的基本概念凡是能使物体的运动状态或物体所具有的动量发生改变而获得加速度或者使物体发生变形的作用都称为力。按力对时间的变化性质可分为静态力和动态力两大类。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。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。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），定义为：力的单位使1kg质量的物体产生1m/s2加速度的力，即1N=1kg·m/s2。力值的传递（P9图1-6）力的测量方法可归纳为力平衡法，测位移法和利用某些物理效应测

4、力等。力的测量方法1）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力、电磁力或气动力等。图3磁电式力平衡测力系统2）测位移法。在力作用下，弹性元件产生变形，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4电容式测力装置图5差动变压器式测力装置3.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。测力传感器通常将力转换为正比于作用力大小的电信号，依据不同的物理效应和检测原理可分为电阻应变式、压磁式、压

5、电式、振弦式等等。1.电阻应变式测力传感器电阻应变式测力传感器是将力作用在弹性元件上，弹性元件在力作用下产生应变，利用贴在弹性元件上的应变片转换成电阻的变化，然后利用电桥将电阻转变为电压（电流）的变化，再送到测量放大电路测量。用标定的电压（电流）和力之间的对应关系，测出力的大小。工作原理：弹性元件常见有柱形、筒形、梁形弹性元件。图(a)为柱形弹性元件；(b)为筒形弹性元件；(c)为梁形弹性元件。1)柱力式传感器圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。柱式力传感器-ε2+ε1截面积SFFF面积S-ε1+ε2b）a）ε——沿轴向的应变；F——力；E——弹性元件的弹性模量（Pa)

6、；S——弹性元件的横断面积（m2)当力或荷重沿中心线对其作用时，受力后的应变值为：2.薄壁圆环式力传感器圆环在力的作用下，在A、B处出现两个方向相反的最大弯矩。A、B两点处的应变为h——圆环厚度(m);b——圆环宽度(m);E——材料弹性模量(Pa)。3．梁式力传感器悬臂梁上下表面的应变值为l——梁的长度(m);h——梁的厚度(m);b——梁的宽度(m);E——材料弹性模量(Pa)。两端固定梁上下表面的应变值为l——梁的长度(m);h——梁的厚度(m);b——梁的宽度(m);E——材料弹性模量(Pa)。1.膜片式,应变片贴在膜片内壁,在压力p作用下,距离圆心x

7、处膜片产生径向应变εr和切向应变εt,表达式分别为:p——膜片上均匀分布的压力;R,h——膜片的半径和厚度;x——离圆心的径向距离。其它类型2．轮辐式力传感器当弹性元件的尺寸和材料确定后，弹性元件在外力作用下所产生的应变与外力成正比。应变片的布置和接桥方式工作方式单臂双臂四臂应变片所在桥臂R1R1R2R1R2R3R4输出电压U0USCR2R4R1R3U1-上盖2-石英晶片3-电极4-引出插头5-绝缘材料6-底座2.压电式力传感器工作原理：压电效应压电式单向力传感器结构压电式力传感器是基于