《工程测试与信号处理》课程教学课件（讲稿）第六章 力与力矩测量

工程测试与信号处理力、力矩测量

力、力矩测量 工程测试与信号处理

1.力的测量方法（1）利用动力效应测力力的动力效应使物体产生加速度，由牛顿第二定律可知：当物体质量确定后，该物体所受力和产生的加速度之间有确定对应关系，因此只需要测出物体的加速度，就可间接测得力。（2）利用静力效应测力由胡克定律可知：弹性物体在力的作用下产生变形时，若在弹性范围内，物体所产生的变形量与所受力值成正比，如果通过一定手段测出物体的弹性变形量，就可间接确定物体所受力的大小，申阻应变式测力传感器就属于此类。另外也可利用与内部应力相对应参量的物理效应来确定力值，如利用压电效应、压磁效应的测力传感器。在机械工程中，大部分测力方法都是基于静力效应

1.力的测量方法 （1）利用动力效应测力 力的动力效应使物体产生加速度，由牛顿第二定律可知：当物体 质量确定后，该物体所受力和产生的加速度之间有确定对应关 系，因此只需要测出物体的加速度，就可间接测得力。 （2）利用静力效应测力 由胡克定律可知：弹性物体在力的作用下产生变形时，若在弹性 范围内，物体所产生的变形量与所受力值成正比，如果通过一定 手段测出物体的弹性变形量，就可间接确定物体所受力的大小， 电阻应变式测力传感器就属于此类。另外也可利用与内部应力相 对应参量的物理效应来确定力值，如利用压电效应、压磁效应的 测力传感器。在机械工程中，大部分测力方法都是基于静力效应

2力的测量装置M2.1电阻应变式测力仪利用电阻应变片制作的测力仪广泛应用于静态和动态测量中，是目前数量最多、种类最全的测力装置，量程范围为10-2~107N。各类电阻应变式测力传感器的工作原理相同：利用弹性元件将被测力转换成应变，粘贴在弹性元件上的应变片将应变转换为电阻变化，再由电桥电路转换为电压，经放大处理后显示被测力的大小。测力传感器的优劣除常规的灵敏度、精度、稳定性指标外，还包括过载能力、抗侧向能力大小等特殊要求。设计高精度测力传感器的指导思想是追求良好的自然线性；提高传感器的输出灵敏度：使传感器的抗侧向能力高，结构简单并易于密封，加工容易等

2 力的测量装置 利用电阻应变片制作的测力仪广泛应用于静态和动态测量 中，是目前数量最多、种类最全的测力装置，量程范围为10 ­2  ~10 7 N。 各类电阻应变式测力传感器的工作原理相同：利用弹性元件 将被测力转换成应变，粘贴在弹性元件上的应变片将应变转换 为电阻变化，再由电桥电路转换为电压，经放大处理后显示被 测力的大小。 测力传感器的优劣除常规的灵敏度、精度、稳定性指标外， 还包括过载能力、抗侧向能力大小等特殊要求。设计高精度测 力传感器的指导思想是追求良好的自然线性；提高传感器的输 出灵敏度；使传感器的抗侧向能力高，结构简单并易于密封， 加工容易等。 2.1 电阻应变式测力仪

1．工作原理指示补偿器电路被测力弹性体应变测量显示A/D器电桥电路稳压电源

1. 工作原理 弹 性 体 应变 电桥 测量 电路 A/D  显示 器 指示 器 稳压 电源 被测力 补偿 电路

2. 电阻应变仪u,tu(t)2AR/Ru(t)6F(8)交流放大器相低通滤波器敏检波器应电示波器变电压力应变电阻变化电压电压电压片桥（电流）y(t)振荡器1一供桥电源波形（载波）：2一被测信号波形（调制波）：3一电桥输出波形（已调波）；4一放大后波形：5一相敏检波器解调后波形；6一经滤波器后波形

1—供桥电源波形(载波)；2—被测信号波形(调制波)；3—电桥输出波形(已 调波)；4—放大后波形；5—相敏检波器解调后波形；6—经滤波器后波形 2. 电阻应变仪

应变仪种类：按应变仪的工作频率分类>静态应变仪一一工作频率为OHz，用以测静态应力及其物理量。数字式静态应变仪一般有几十个通道，可以多点巡回检测，能够自动平衡或记忆存储初始读数，数字输出和打印。>静动态应变仪一一工作频率为0~200Hz。>动态应变仪一一工作频率为0~5kHz。通道数不多，一般通道数有4、6、8个。>超动态应变仪一一工作频率高于10kHz，可用于爆炸、高速冲击等瞬态应变测量。按放大器的工作原理分类>直流放大式：工作频率高达10kHz，但有“零漂”。>交流放大式：元件要求较低，稳定性好，为普遍采用的形式

应变仪种类： l按应变仪的工作频率分类 ÿ静态应变仪——工作频率为0Hz，用以测静态应力及其物理 量。数字式静态应变仪一般有几十个通道，可以多点巡回检 测，能够自动平衡或记忆存储初始读数，数字输出和打印。 ÿ静动态应变仪——工作频率为0~200Hz。 ÿ动态应变仪——工作频率为0~5kHz。通道数不多，一般通道 数有4、6、8个。 ÿ超动态应变仪——工作频率高于10kHz，可用于爆炸、高速 冲击等瞬态应变测量。 l按放大器的工作原理分类 ÿ直流放大式：工作频率高达10kHz，但有“零漂”。 ÿ交流放大式：元件要求较低，稳定性好，为普遍采用的形式

3.应变式测力传感器结构形式弹性元件是电阻应变式测力传感器的基础，其性能好坏是保证测力传感器使用质量的关键。根据所利用的应力场的类型，测力传感器弹性元件的结构可分为三类：（1）正应力式，如柱式弹性元件；（2）弯曲应力式，如梁式弹性元件；（3）剪切应力式。为保证测量精度，必须合理选择弹性元件的结构尺寸、型式、材料、加工工艺

弹性元件是电阻应变式测力传感器的基础，其性能好坏是 保证测力传感器使用质量的关键。根据所利用的应力场的类 型，测力传感器弹性元件的结构可分为三类： （1）正应力式，如柱式弹性元件； （2）弯曲应力式，如梁式弹性元件； （3）剪切应力式。 为保证测量精度，必须合理选择弹性元件的结构尺寸、型 式、材料、加工工艺。 3. 应变式测力传感器结构形式

（1）柱式弹性元件外接线插座内接线

（1）柱式弹性元件

柱式测力传感器采用实心贴片位置及方或空心圆形或方形柱体作为向的依据？弹性元件，其特点是结构简RR'RR单、紧凑、易于加工，可设KR计成压式或拉式，或拉、压YRYB两用型。柱式力传感器可承R2R3RR2受载荷最大可达107N，用RR2于大、中量程的称重传感器U(1～500t)。在测103~FRsR105N载荷时，为提高变换R'4R3灵敏度和抗横向干扰，一般D采用空心圆柱结构。U

柱式测力传感器采用实心 或空心圆形或方形柱体作为 弹性元件，其特点是结构简 单、紧凑、易于加工，可设 计成压式或拉式，或拉、压 两用型。柱式力传感器可承 受载荷最大可达10 7  N，用 于大、中量程的称重传感器 (1～500t)。在测10 3  ～ 10 5  N载荷时，为提高变换 灵敏度和抗横向干扰，一般 采用空心圆柱结构。 贴片位置及方 向的依据？

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