應(yīng)變力和轉(zhuǎn)矩測(cè)量

1、重點(diǎn)：試件在軸向拉伸(壓縮)、彎矩載 荷作用下，應(yīng)變片的布置和接橋 方法 難點(diǎn)：力、扭矩的測(cè)量方法。 第1頁(yè)/共74頁(yè) 第2頁(yè)/共74頁(yè) 機(jī)器人握力測(cè)量 第3頁(yè)/共74頁(yè) 第4頁(yè)/共74頁(yè) 第5頁(yè)/共74頁(yè) 系統(tǒng)接線調(diào)試 現(xiàn)場(chǎng)安裝扭矩轉(zhuǎn)速傳感器 用筆記本電腦在線采集數(shù)據(jù) 第6頁(yè)/共74頁(yè) 第一節(jié) 應(yīng)變、應(yīng)力的測(cè)量 第7頁(yè)/共74頁(yè) 應(yīng)用電阻應(yīng)變片和電阻應(yīng)變儀測(cè)定 構(gòu)件的表面應(yīng)變，然后根據(jù)應(yīng)變和應(yīng)力 的關(guān)系式，確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀況。 第8頁(yè)/共74頁(yè) 如圖9-1所示。 第9頁(yè)/共74頁(yè) 應(yīng)變測(cè)量裝置也稱(chēng)電 阻應(yīng)變儀。 工作頻率 f =0, 或 f 變化緩慢、 變化后能穩(wěn)定下來(lái)的應(yīng)變。 第10頁(yè)/

2、共74頁(yè) 以靜態(tài)應(yīng)變?yōu)橹?，或測(cè)200Hz以 下的低頻動(dòng)態(tài)應(yīng)變。 第11頁(yè)/共74頁(yè) 工作頻率：02000Hz,個(gè)別可達(dá)10kHz。 第12頁(yè)/共74頁(yè) 工作頻率：020000Hz的動(dòng)態(tài)過(guò)程， 以及爆炸、沖擊等瞬態(tài)變化過(guò)程 第13頁(yè)/共74頁(yè) 應(yīng)變儀中多采用交流電橋，電源以載波頻 率供電，四個(gè)橋臂均為電阻組成，由可調(diào)電容 來(lái)平衡分布電容。由式（43）知電橋輸出電 壓為： 1324 0 1234 ()() y R RR R uu RRRR 第14頁(yè)/共74頁(yè) 當(dāng)四個(gè)電阻均產(chǎn)生電阻變化當(dāng)四個(gè)電阻均產(chǎn)生電阻變化R1R4， R1=R2=R3=R4=R，且且RR，忽略忽略R高高 次項(xiàng)：次項(xiàng)： 03124

3、() 4 y uRRRR u RRRR 0 1234 () 4 g u s 第15頁(yè)/共74頁(yè) 據(jù)第四章可知應(yīng)變儀電橋的工作方式 和輸出電壓為： g Su0 4 1 y u輸出電壓輸出電壓 g Su0 2 1 g Su0 1 R 21、R R 4321 、R、R、RR 單 臂雙 臂四 臂 工作方式 應(yīng)變片所在橋臂 第16頁(yè)/共74頁(yè) 二、二、應(yīng)變片的布置和接橋方法應(yīng)變片的布置和接橋方法 由于應(yīng)變片粘貼于試件后，所感受的 是試件表面的拉應(yīng)變或壓應(yīng)變，應(yīng)變片的布 置和電橋的連接方式應(yīng)根據(jù)測(cè)量的目的、對(duì) 載荷分布的估計(jì)而定，這樣才能便于利用電 橋的和差特性達(dá)到只測(cè)出所需測(cè)的應(yīng)變而排 除其他因素干擾的

4、目的。 第17頁(yè)/共74頁(yè) 布片和接橋應(yīng)符合下列原則：布片和接橋應(yīng)符合下列原則： 在分析試件受力的基礎(chǔ)上選擇主應(yīng)力最大點(diǎn) 為貼片位置； 充分合理地應(yīng)用電橋和差特性，只使需要測(cè) 的應(yīng)變影響電橋的輸出，且有足夠的靈敏度和 線性度； 使試件貼片位置的應(yīng)變與外載荷成線性關(guān)系。 第18頁(yè)/共74頁(yè) （一）拉（壓）載荷的測(cè)量 第19頁(yè)/共74頁(yè) 1、試件受力狀態(tài)圖 受力 不受力，作補(bǔ)償用 電橋接法： 電橋輸出電壓： gy Suu 0 4 1 拉（壓）應(yīng)變： i 機(jī)械應(yīng)變 指示應(yīng)變 特點(diǎn)： 1、不能消除彎矩的影響 2、能補(bǔ)償溫度的影響 第20頁(yè)/共74頁(yè) 2、 試件受力狀態(tài)圖 電橋接法： 電橋輸出電壓： 1

5、 4 1 0gy Suu 拉（壓）應(yīng)變： 1 i 都受力，互為補(bǔ)償 特點(diǎn)： 1、不能消除彎矩的影響 2、能補(bǔ)償溫度的影響 3、輸出電壓提高到（1+ ） 第21頁(yè)/共74頁(yè) 3、試件受力狀態(tài)圖 電橋接法： 電橋輸出電壓： gy Suu 0 4 1 拉（壓）應(yīng)變： i 特點(diǎn)： 1、可以消除彎矩的影響 2、能補(bǔ)償溫度的影響 串聯(lián)消除彎矩 第22頁(yè)/共74頁(yè) 4、試件受力狀態(tài)圖 電橋接法： 電橋輸出電壓： gy Suu 0 2 1 拉（壓）應(yīng)變： 2 i 特點(diǎn)： 1、可消除彎矩的影響 2、輸出電壓提高一倍 3、能補(bǔ)償溫度的影響 第23頁(yè)/共74頁(yè) 5、試件受力狀態(tài)圖 電橋接法： 電橋輸出電壓： 拉（壓

6、）應(yīng)變： 1 4 1 0gy Suu 1 i 特點(diǎn)： 1、能消除彎矩的影響 2、能補(bǔ)償溫度的影響 3、輸出電壓提高到（1+ ）倍 第24頁(yè)/共74頁(yè) 6、試件受力狀態(tài)圖 電橋接法： 電橋輸出電壓： 拉（壓）應(yīng)變： 12 i 特點(diǎn)： 1.能消除彎矩的影響 2.能補(bǔ)償溫度的影響 3.輸出電壓提高到2（1+ ）倍 1 2 1 0gy Suu 第25頁(yè)/共74頁(yè) 例8-1：圖1所示的圓柱型元件上作用有拉力F 和彎矩M： 如何布片和接橋可僅測(cè)出拉力F，并消除M和 溫度的影響（可另設(shè)補(bǔ)償片）？ 寫(xiě)出電橋輸出電壓的公式； 圖 1 第26頁(yè)/共74頁(yè) （二）（二）彎曲載荷的測(cè)量彎曲載荷的測(cè)量 0 4 yg u

7、 us i 特點(diǎn)：不能消除拉（壓）的影響，另設(shè)溫 度補(bǔ)償片。 半橋2片 第27頁(yè)/共74頁(yè) 1 0 2 0 ()00 4 2 yg g u us u s 特點(diǎn)：輸出電壓提高1倍，可消除拉（壓）影 響，另外，溫度互為補(bǔ)償 第28頁(yè)/共74頁(yè) 四片半橋或全四片半橋或全 橋橋 0 12 0 ()00 4 2 yg g u us u s 特點(diǎn)：輸出電壓提高1倍，能消除拉（壓）影響，溫度互為補(bǔ)償。或者輸出電壓 提高到4倍，能消除拉（壓）影響，溫度互為補(bǔ)償。 第29頁(yè)/共74頁(yè) 0 1234 0 ()() 4 /4 yg g i u us u s 第30頁(yè)/共74頁(yè) 圖 3 例 8 - 2 ： 如 圖 3

8、 所 示 ， 懸 臂 梁 彈 性 模 量 ,貼片處的抗彎截面系 數(shù) ，應(yīng)變片 ，現(xiàn)用儀器 測(cè)得P力作用的指示應(yīng)變?yōu)?000 ，求P力 的大小。 a PE 10 1020 36 102mW 21 RR 第31頁(yè)/共74頁(yè) （三）彎曲、拉（壓）聯(lián)合作用時(shí)的（三）彎曲、拉（壓）聯(lián)合作用時(shí)的 測(cè)量測(cè)量 可消除溫度的影響，另設(shè)溫度補(bǔ)償片 。 gy Suu 0 4 1 i 第32頁(yè)/共74頁(yè) 測(cè)彎曲測(cè)彎曲 0 1 2 yg uu s /2 i 可消除拉（壓）力影響，溫度互為補(bǔ)償 。 第33頁(yè)/共74頁(yè) ( (四四) )剪力的測(cè)剪力的測(cè) 量量 剪力不能使應(yīng)變 片的電阻絲發(fā)生伸 長(zhǎng)或縮短的變形， 即不能產(chǎn)生電

9、阻的 變化，故不能直接 測(cè)量剪力。 但在一懸臂梁上作用一力P，則此力引起各截 面的橫截面上的橫剪力是相等的，即Q=P。 第34頁(yè)/共74頁(yè) MPLQLWE WE Q L 顯然，測(cè)出的剪力Q與L有關(guān)，作用點(diǎn)改 變（L變化）即影響測(cè)量結(jié)果，且有些情況，L 值無(wú)法量得，故可： 第35頁(yè)/共74頁(yè) 121212 ()()MMQ LLWE 12 12 () WE Q LL Q與（1-2）成正比，而將R1、R2接成的電橋，其輸出也與1-2成正比， （即和兩斷面的應(yīng)變差成正比）。 式中為兩截面的彎曲應(yīng)變差。 gy Suu 0 4 1 i 111 WEQLM 222 WEQLM 第36頁(yè)/共74頁(yè) L1-L2

10、之值容 易測(cè)取，且P力 和作用點(diǎn)無(wú)關(guān)， 此法在實(shí)際中應(yīng) 用最廣。 測(cè)切削力 測(cè)中耕鏟阻力 第37頁(yè)/共74頁(yè) 圓軸扭矩時(shí) 與軸線成450 的方向?yàn)橹?應(yīng)力方向。 兩互相垂直的主應(yīng)力符號(hào)相反，絕對(duì)值相等： 31 主應(yīng)力值等于最大剪應(yīng)力 m 第38頁(yè)/共74頁(yè) 那么，在與軸線成450方向上貼一應(yīng)變片，即可 測(cè)得此處的應(yīng)變，據(jù)廣義虎克定律 。 那么最大剪應(yīng)力： max 1 E 1 E 第39頁(yè)/共74頁(yè) 扭應(yīng)變 i 測(cè)扭矩，不能消除彎曲及拉（壓）影響，另設(shè)溫度補(bǔ)償。 0 4 yg u us 而扭矩 max 1 k E MWW 扭扭 抗扭截面系數(shù) 3 16 D W 扭 第40頁(yè)/共74頁(yè) 00 12

11、()00 42 ygg uu uss 消除拉（壓）影響測(cè)扭矩，但不能 消除彎曲影響，溫度互為補(bǔ)償。 /2 i 第41頁(yè)/共74頁(yè) 0 12340 ()() 4 ygg u usu s /4 i 能消除拉（壓）及彎曲影 響，僅測(cè)扭轉(zhuǎn)。溫度互為補(bǔ)償。 第42頁(yè)/共74頁(yè) 三、在平面應(yīng)力狀態(tài)下主應(yīng)力的測(cè)定三、在平面應(yīng)力狀態(tài)下主應(yīng)力的測(cè)定 采用應(yīng)變?cè)跍y(cè)出某點(diǎn)三個(gè)方向的應(yīng)變， 可用公式計(jì)算其大小與方向。 第43頁(yè)/共74頁(yè) 四、四、提高應(yīng)變測(cè)量精確度的措提高應(yīng)變測(cè)量精確度的措 施施 可計(jì)算線性 度、靈敏度、回 程誤差（第二章. 第二節(jié)）擬合直 線等。 第44頁(yè)/共74頁(yè) 采用屏蔽線接地；工作片與補(bǔ)償片導(dǎo)

12、線電 阻相等。 一般測(cè)試系統(tǒng)的導(dǎo)線10m，若超過(guò)10m應(yīng) 修正靈敏度（現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定），或應(yīng)變片靈敏度為： R應(yīng)變片電阻值 R0導(dǎo)線電阻 0 RR RSg 第45頁(yè)/共74頁(yè) 溫度自補(bǔ)償片 電路補(bǔ)償 補(bǔ)償片與工作片的參數(shù)一致； （sg靈敏度系數(shù) 溫度系數(shù)等） 粘貼在同一試件上（線膨脹系數(shù)一致 則產(chǎn)生 R一致）； .在同一溫度環(huán)境下工作； 滿(mǎn)足以上3條件，則熱輸出一樣，所引起的Rt接于相鄰臂則消除溫度 的影響。 第46頁(yè)/共74頁(yè) 減少貼片誤差； 應(yīng)變片工作條件應(yīng)與額定條件一致； 排除現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾。 如接地不良；導(dǎo)線間的靜電感應(yīng)、互 感、漏電等；附近的強(qiáng)磁場(chǎng)干擾等。 第47頁(yè)/共74頁(yè) 五、測(cè)點(diǎn)的選

13、擇五、測(cè)點(diǎn)的選擇 進(jìn)行受力分析，找出危險(xiǎn)截面與位置； 應(yīng)力集中處可布點(diǎn)； 均勻布置57個(gè)測(cè)點(diǎn)，尋找應(yīng)力分布規(guī)律； 利用結(jié)構(gòu)與載荷的特點(diǎn)，減少測(cè)點(diǎn)數(shù)目 （如對(duì)稱(chēng)）； 在不受力處布點(diǎn)，來(lái)驗(yàn)證、監(jiān)視測(cè)試過(guò)程。 第48頁(yè)/共74頁(yè) 第二節(jié)第二節(jié) 力的測(cè)量力的測(cè)量 第49頁(yè)/共74頁(yè) 通過(guò)測(cè)量在被測(cè)力作用下，其彈性元 件的變形或應(yīng)變來(lái)測(cè)得被測(cè)力。 第50頁(yè)/共74頁(yè) 利用彈性元件的彈性變形和作用力成 正比的現(xiàn)象。 第51頁(yè)/共74頁(yè) 可簡(jiǎn)化為可簡(jiǎn)化為P160P160圖圖7 71 1 （即基座靜止，若基座運(yùn)動(dòng)，（即基座靜止，若基座運(yùn)動(dòng)， 則是加速度計(jì)則是加速度計(jì)圖圖7 72 2）。）。 第52頁(yè)/共74頁(yè)

14、 輸出電壓提高到 2（1+）倍，能 消除彎矩影響，溫 度互為補(bǔ)償。 （一）電阻應(yīng)變片式力傳感器 12 12 4 4 0 0 i g gy S u S u u 第53頁(yè)/共74頁(yè) 輸出電壓提高到4倍， 能消除x、y方向的力， 溫度互為補(bǔ)償。 4 4 0 0 i g gy Su S u u 第54頁(yè)/共74頁(yè) F 作用在球面墊上彈性元件2變形 鐵心相對(duì)線圈發(fā)生位移由差動(dòng)變壓器輸 出的電信號(hào)測(cè)得F。 作用力壓電晶片變形產(chǎn)生電荷（P191 圖86 ）。 第55頁(yè)/共74頁(yè) （四）壓磁式力傳感器（四）壓磁式力傳感器 某些鐵磁材料（如硅鋼片），在受外力作 用后，其內(nèi)部產(chǎn)生了機(jī)械應(yīng)力，從而引起導(dǎo) 磁系數(shù)的變

15、化，此種現(xiàn)象稱(chēng)作“壓磁效應(yīng)”， 壓磁力傳感器就是利用壓磁效應(yīng)工作的。 第56頁(yè)/共74頁(yè) 傳感器的原邊繞組（勵(lì)磁繞組）和副邊繞 組（測(cè)量繞組）互相垂直地安裝在導(dǎo)磁體中， 原邊繞組通過(guò)交流電。當(dāng)不受力時(shí)，原邊繞組 的磁力線呈對(duì)稱(chēng)分布，且不與副邊繞組相交鏈， 此時(shí)副邊繞組不產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)（圖87.b）。 第57頁(yè)/共74頁(yè) 當(dāng)受力時(shí)，材料的導(dǎo)磁率發(fā)生變化，使磁力線 分布發(fā)生變化，磁力線與副邊繞組相交鏈，在副 邊繞組中感應(yīng)電勢(shì)，電勢(shì)的大小正比于外力的大 小，測(cè)得該感應(yīng)電勢(shì)便知與之成比例的外力。 輸出 電勢(shì)大， 可不用 放大器。 第58頁(yè)/共74頁(yè) 三、空間力系測(cè)量裝三、空間力系測(cè)量裝 置置 見(jiàn)P190

16、圖83 與此同原理 第59頁(yè)/共74頁(yè) 力的作用點(diǎn)不能偏離矩形梁的中心，以免形成彎矩。 見(jiàn)P190圖84 ，與此測(cè)法同理，只是截面為矩形。 第60頁(yè)/共74頁(yè) 八角環(huán)測(cè)三分力：八角環(huán)測(cè)三分力： 圖89c)布片可測(cè)Fy、 Fx； 圖89d)與圖810可 測(cè)Fy、Fx、FZ三分力。 第61頁(yè)/共74頁(yè) 撓性支承件的測(cè)力架 第62頁(yè)/共74頁(yè) 支承件與傳感器組成一體，1、2、3安裝在一 較大三角形的頂點(diǎn)；4、 5、6安裝在另一較小三角形的三條邊上，被測(cè)件固定在中心處。 被測(cè)件所產(chǎn)生的力，將從安裝板通過(guò)6個(gè)傳感器和撓性支承件傳遞到剛性 基座上。測(cè)力架可簡(jiǎn)化為圖811c.P194的力系，據(jù)力傳感器的數(shù)據(jù)

17、和安裝板 的幾何尺寸，可用（88）公式計(jì)算各分力和力矩。 第63頁(yè)/共74頁(yè) 由三對(duì)不同切型的壓電晶片組成：一對(duì)為縱 向壓電效應(yīng)，測(cè)Z向力；另外2對(duì)具有橫向壓電 效應(yīng)，且方向互相垂直，分別測(cè)x和y向力。 該傳感器將作用力自動(dòng)分解為互相垂直的三 分力。 壓電式三分力傳感器 第64頁(yè)/共74頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 扭矩的測(cè)量扭矩的測(cè)量 第65頁(yè)/共74頁(yè) 圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)，在扭矩M作用下，其表面的 W抗扭截面模量 W M G剪切彈性模量 GW M G 第66頁(yè)/共74頁(yè) 相距L的兩個(gè)斷面之間產(chǎn)生相對(duì)扭矩轉(zhuǎn)角： 由上述公式可見(jiàn)，、或與扭矩M成 正比，扭矩的測(cè)量則是通過(guò)這兩個(gè)參數(shù)的 測(cè)量來(lái)達(dá)到目的。 J極慣性矩

18、M GJ L 第67頁(yè)/共74頁(yè) 振弦式 光電脈沖式 磁電脈沖式 電阻應(yīng)變式 壓磁式 相位差式 第68頁(yè)/共74頁(yè) 三、電阻應(yīng)變式三、電阻應(yīng)變式 在軸的某一點(diǎn)上沿軸線成450和 1350的方向貼片（P196圖814）并 接入電橋，從電橋的加減特性可知， 應(yīng)變儀的讀數(shù)就是剪應(yīng)變值，再據(jù) 標(biāo)定曲線就可換算得扭矩值。 其信號(hào)傳輸可用電刷滑環(huán)集流裝置（即集流環(huán)）；或用無(wú)線傳輸。 第69頁(yè)/共74頁(yè) 四、壓磁式四、壓磁式（圖（圖8 81515） 利用鐵磁材料制成轉(zhuǎn)軸，受扭 后應(yīng)力導(dǎo)致磁阻變化的現(xiàn)象來(lái)測(cè)扭 矩。 兩個(gè)繞有線圈的鐵心A和B相 互垂直放置，其開(kāi)口端距被測(cè)軸表 面12mm間隙。A線圈通以交流電，

19、 形成通過(guò)轉(zhuǎn)軸的交變磁場(chǎng)。 第70頁(yè)/共74頁(yè) 轉(zhuǎn)軸不受扭，磁力線與B線圈不交鏈；轉(zhuǎn) 軸受扭矩作用后，應(yīng)力的變化使部分磁力線 與B線圈交鏈，并在其中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，該 感應(yīng)電勢(shì)與扭矩成正比關(guān)系。 非接觸測(cè)量。 第71頁(yè)/共74頁(yè) 在 扭 矩 的 作 用 下 兩 斷 面 產(chǎn) 生 相 對(duì) 轉(zhuǎn) 角 ， 兩 斷 面 的 信 號(hào) 則 產(chǎn) 生 一 相 位 差 M （ 、 又 ） 據(jù) 可 測(cè) 的 M 。 在扭矩的作用下兩斷面產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)角 ，兩 斷面的信號(hào)則產(chǎn)生一相位差 M （ 、又 ）據(jù) 可測(cè)的 M 。 M M 第72頁(yè)/共74頁(yè) 無(wú)扭矩作用， 兩光柵盤(pán)開(kāi)度一定， 無(wú)相位差； 受扭矩作用，軸的扭轉(zhuǎn)變形使兩光柵盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)角度，因而信號(hào)產(chǎn)生相 位差 ，由 可測(cè)出扭矩的大小。若安裝時(shí)有初始相位差0 ，應(yīng)扣除 0 。 第73頁(yè)/共74頁(yè) 六、六、磁電式磁電式 3、4繞有線圈的磁鐵）磁電式檢測(cè)頭；2齒輪 在軸的兩端安裝有兩個(gè)相同的齒輪，在齒輪上方分別有兩個(gè)相同的磁 電式檢測(cè)頭。不受扭矩時(shí)，兩線圈輸出信號(hào)有一初始相位差；受扭后，兩 線圈輸出信號(hào)則產(chǎn)生一相位差 ，其大小與相對(duì)扭轉(zhuǎn)角、扭矩M成正比 ( ) ，因?yàn)?又 。 M M 第74頁(yè)/共74頁(yè) 系統(tǒng)接線調(diào)試