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

9、荷式压力计（Dead-weight tester）,4、电气式压力仪（Electrical pressure gauge） 电阻应变式 压电式 压阻式 电容式 电感式,P2,P1,一、液体式压力计,U形管,根据流体静力学原理,水、酒精和水银是常用的液体。 测量范围： 20 Pa to 140KPa 精度： 1%.,温度影响-液体的膨胀,槽式压力计（Cistern manometer）,只需测量一边液面的变化,A2A1，可近似为：,起始液面没有压力差,倾斜式压力计（The inclined tube manometer ）,二、弹性式压力计（Diaphragms）,根据弹性元件受力变形原理并利用

10、机械结构将变形量放大。,波顿管（Bourdon tubes）,提供做压力基准器 校准压力表：20Pa 2000kPa,三、负荷式压力计（force balance gauge）,基于静力平衡原理进行压力测量,被校准压力表安装上后，转动手轮，使油压系统压力升高，直到活塞被顶起。,M：砝码质量 A：活塞有效面积,四、电测式压力测量仪表,利用金属或半导体的物理特性将压力转换为电压、电流信号或电荷信号输出，或是将弹性体的形变转换为电阻量、电容量、电感量、频率量等电学量输出。 类别：压电式、压阻式、应变式、电感式、电容式等。 精确度可达0.02级，测量范围从数十帕至700兆帕不等。,1、 电感式（磁阻式

11、）弹性压力计 ( Reluctance diaphragm gauge ）,根据压力类型的不同可测绝对压力或差压。,2、电容式弹性压力计,式中，E为弹性膜片的弹性模量；u为材料的泊松比,7.2.3 真空测量 (vacuum measurement),真空：小于大气压力的压力。即低于 1.013105 Pa的压力。 工程应用中，常采用单位：托（torr）。 1mmHg=133.322Pa=1 torr 绝对压力越低，真空度越高。,真空划分(10-12105),粗真空 103105Pa 低真空10310-1Pa 高真空10-110-6Pa 超高真空10-610-12Pa 极高真空10-12Pa,现

12、在真空技术在生产、科研中的用途愈来愈广，在整个真空范围内所采用的测量方法也是多种多样的。 按测量方法的原理来分可以分为： 基于力的作用原理：U形管，波登管式，波纹管式，膜片式； 基于压缩作用原理：麦氏真空计； 基于导热作用原理：电阻真空计，热电偶真空计； 基于电离作用原理：热阴极式，冷阴极式，放射性真空计。,最简单的真空计。 U形管中盛上水银, 一端接真空系统，另一端为大气。随着系统中真空度的升高，U形管真空侧的液面在大气作用下随之上升。 真空度p=pa-h，其中p为系统中真空度，pa为大气压值，h为两液面之差。,（1）液柱式真空计,（2） 压缩式真空计,玻义耳-马略特定律 对于一定质量的气体

13、，在其温度保持不变时，它的压强和体积成反比。 PV=C（常数）（T不变时） 或 P1V1P2V2=PnVn 利用波义耳定律，将被测真空系统中一定的残余气体加以压缩，比较压缩前后体积、压力的变化，即能算出真空度。,麦克劳真空计,1874年由麦克劳研制，故命名为麦克劳真空计，简称麦氏计。 麦氏计是一种绝对真空计； 测量范围为1.3x103-1.310-8帕，精度高，可作为其它真空计的标准。 主要由毛细管A、毛细管B、玻璃泡、导液管、水银瓶构成。,毛细管A、玻璃泡及下面一段管子（到a-a面为止）的体积为V1。 玻璃泡和毛细管A中气体被压缩到毛细管A的顶部，其体积为V2。 根据波义耳定律: pV1=(

14、p+h)V2 其中p为真空系统中压强。,（3）热导式真空计,热导式真空计是一种测量低真空的真空计。,原理：气体压强低于某一定值时，气体的导热系数K与P成正比。 即： K= bP b：比例常数,假设灯丝由导热损失的热量与加热电流I所产生的热量平衡时，灯丝温度不变。其平衡方程为： 其中: R为灯丝电阻； E1为气体分子迁移热量； E2为辐射迁移热量； E3为引出导线的迁移热量。 压力p减小使E1减小，则当I不变时，平衡方程将失去平衡，使灯丝温度变化。,根据测定气体热传导方法的不同，热导式真空计分为电阻真空计和热电偶真空计两种。 （a）电阻真空计 又称皮喇尼真空计 由电阻式规管和测量电路两部分组成。

15、电阻规管内封装一只电阻温度系数较大的电阻丝，常用的有钨丝和铂丝。 测量时规管与被测真空计系统相连。在较低的压力（小于13.3Pa）时，热电阻丝的电阻值取决于周围气体的压强。,电阻真空计,热偶真空计由热偶规管和测量电路组成。 热偶规管主要由玻璃壳、铂丝、热电偶构成。铂丝通以恒定电流加热热电偶，其温度为100-200。 真空度不同，气体传热性不同，进而使温差电动势不同的特性来测量真空度的。,（b） 热电偶真空计,热偶计只能测量低真空； 真空度再高时，压强变化与气体热传导无关，故不能用于高真空测量。,电离真空计是通过在稀薄气体中引起电离，然后利用离子电流测量压力。 在气体中如果有动能足够大的电子与气

16、体分子相碰撞，它可以从气体分子中击出一个或几个电子使气体分子成为正离子。把这种正离子收集到一个电极上使其产生离子电流，在稀薄气体中，它与气体压力有关。,（5）电 离 真 空 计,热阴极电离真空计由热阴极电离规管和测量电路组成。 通电后，阴极加热所发射的电子在带正电的加速极作用下，以加速度运动，当电子的动能足够大，在飞向加速极的路途中与管内低压气体分子碰撞，使气体分子电离。 正离子在收集极（带负电位）上形成离子流Ii。 当压力足够低（低于10-1Pa）时，离子电流Ii与发射电子电流Ie之比正比于气体的压力p。,式中，k为规管的灵敏度。由于用电离真空计测量压力时，发射电子电流保持不变，故,电离规管由阴极（灯丝）、螺旋形栅极（加速极）和圆筒形收集极构成。,测量范围达到1.310-2-1.310-7帕，高真空区域广泛使用的真空计。 由于有炽热的灯丝，不适于测高氧气体。,（5）电 离 真 空 计,