汽車試驗學第五章

1、第五章 機械量的測量5.1 壓力測量 一. 壓力概念 垂直并且均勻作用于單位面積上的力稱為壓強，在工程上習慣稱為壓力。壓力常用絕對壓力和表壓力表示。 絕對壓力是指作用于單位面積上的全部壓力； 表壓力是指在壓力儀表上所指示的壓力，也稱相對壓力，且數(shù)值為絕對壓力與當?shù)卮髿鈮旱牟钪怠?二. 壓力量值得傳遞標注(略)三. 壓力測量儀表液柱式壓力計：利用液柱產生壓力與被測壓力相平衡，并用液柱高度來表示相對壓力。常用的液柱式壓力計有U型管、斜管壓力計、杯型壓力計以及測量微小壓力或壓差的微壓計。彈性式壓力計：利用各種彈性元件在壓力作用下產生變形，通過測量變形量來測量壓力。有彈簧管式、膜片式、膜盒式波紋式等。

2、活塞式壓力計：當轉動手輪給壓力泵及管路中的液體加壓時，液體壓力使垂直方向的活塞及砝碼升起，當活塞在油缸中浮在一定位置上時，液體壓力 。AWP 四、 常用測壓傳感器1電阻應變式壓力傳感器(1) 應變管式壓力傳感器 當沒有壓力作用時，四片應變片組成的全橋是平衡的；當壓力作用其內腔時，應變管膨脹，應變片電阻發(fā)生變化，使得電橋失去平衡，產生與壓力變化相應的電壓輸出。優(yōu)點：結構簡單，制造方便。(2) 平膜片式壓力傳感器 該傳感器的彈性元件是周邊固定的平圓膜片。當膜片在被測壓力作用下發(fā)生彈性變形時，根據(jù)粘貼在上面的應變片所處位置和方向不同而發(fā)生相應的應變，從而使應變片阻值發(fā)生變化，由四個應變片組成的電橋電

3、路就有相應的電壓輸出。(3) 垂鏈膜片應變筒式壓力傳感器 傳感器主要由垂鏈形膜片、應變筒、殼體、接線柱和冷卻水管等組成。 垂鏈形膜片承受壓力并把壓力傳遞給應變筒，在應變筒表面沿軸向粘貼工作應變片，沿筒圓周方向粘貼的應變片為溫度補償片，兩應變片按相鄰半橋方式接入電橋線路中，并通過電纜與放大器相連。2. 壓電式壓力傳感器(1) 活塞式 被測壓力通過活塞、砧盤將壓力傳遞給壓電元件，兩片壓電元件產生的電荷由中間導電片、引線、插頭座輸出與儀表相連。(2) 膜片式 該傳感器結構簡單，主要由膜片、殼體、錐形塊和晶體組件等組成。傳感器體積小，頻響寬，精度高，工作可靠。是高壓動態(tài)測量中較好的一種傳感器。 具有溫

4、度和加速度補償?shù)哪て綁弘妷毫鞲衅?。溫度補償：在晶體的前面裝一塊線膨脹系數(shù)大的金屬片，自動抵消彈性套與晶體線膨脹的差值，保證預緊力的穩(wěn)定。加速度補償：在傳感器內部設置一個附加質量和一組極性相反的補償壓電片，在加速度作用時，使附加質量對補償壓電片產生的電荷與測量壓電片因加速度產生的電荷相抵消，只要附加質量選擇適當，就可以達到補償目的。3. 壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器是利用半導體的壓阻效應而制成。傳感器的端部是高彈性鋼質薄膜，頭部充滿低粘度硅油，敏感元件硅杯浸在硅油中，被測壓力通過鋼膜片和硅油傳遞給硅杯，硅杯的集成電阻通過金引線與絕緣端子相連，補償電阻連接在印刷電路板上。 用于中、低壓力

5、測量，以及微壓和壓差的測量。 目前國外已有可測高壓的壓阻式壓力 傳 感 器 ， 最 大 壓 力 可 達300500MPa，固有頻率為500KHz，非線性為 0 .5%。5.2 力和應力測量一、力值傳遞標準二、 力值測量1測力傳感器 目前在測力和稱重中，常常要求能自動顯示、記錄并與計算機相連進行數(shù)據(jù)處理，因此，力傳感器在測力和和稱重中成為不可缺少的重要組成部分。 測力傳感器按工作原理可分為彈性式、電阻應變式、電感式、壓電式、壓磁式等。其中電阻應變式傳感器應用最廣泛。電阻應變式力傳感器a. 圓筒形力傳感器 傳感器由壓頭、應變筒、應變片、殼體、壓蓋以及密封圈、接線板、插頭座等組成。在圓筒形的應變筒上

6、粘貼有八片金屬應變片，其中四片沿應變筒軸向豎貼，另外四片沿應變筒周向橫貼，并彼此錯開相對粘貼。 相對粘貼的應變片串聯(lián)成一個橋臂并按圖組成電橋，這樣的電橋輸出大，并可消除偏心載荷對傳感器輸出的影響。 當外力作用在傳感器壓頭上時，應變筒被壓縮，軸向縮短，徑向膨脹，沿軸向豎貼的應變片受壓縮而電阻減小，沿周向橫貼的應變片受拉伸而電阻增加(為前者的倍)，橋臂電阻的改變引起電橋輸出的變化。b. 圓環(huán)形力傳感器 應變片大多粘貼在環(huán)的內表面A和B處，因A、B處內表面的應變符號相反，可組成差動電橋。c. 梁形力傳感器 xlFMx261bhW 26bhxlFWMxx26EbhxlFExx則梁在 x 截面處的應力與

7、應變分別為：梁的斷面抗彎模數(shù)為：右圖所示是等截面懸臂梁，它的長度為l，寬度為b，厚度為h。在梁的端部作用力F時，梁受到的彎矩為： lxbbx10lxhbM1620206hbFlMWxx206hEbFlExx梁截面的最大應力和應變分別為：梁截面的抗彎模數(shù)為：右圖所示是等強度懸臂梁，這種梁的寬度沿長度l是變化的，根部的寬度為b0，距根部 x處截面的寬度為：d. 輪輻形力傳感器 輪輻形彈性體的簡單結構如圖所示。它像一個車輪，在輪圈與輪轂之間成對地并相互對稱地連接著輪輻，被測力作用在輪轂的上端面及輪圈的下端面(受壓縮力時)，在輪輻上由于被測力的作用產生與被測力成比例的切應力。應變片貼在與輪輻軸成45方

8、向的輪輻側面，以感受和切應力對應的正應力大小而獲得被測力。0B8FlMB8FlMA224368bhFlbhFlWMAw所以在輪輻兩端A、B截面最大彎曲應力為：由簡化后的懸臂梁受力分析可以得出梁A、B端的彎矩分別為：彈性體的輪輻可以簡化為右圖所示的懸臂梁，梁的A端固定，B端受集中力F/4(輪輻為4個)和集中力偶MB，同時使B端滿足 bJQSzz2242222yhbyhyyhbSz2242yhJQz則Sz為距中性軸為y的橫線以上部分截面對Z軸的靜矩。從剪力圖可知，輪輻的剪力是一個常數(shù)，剪力Q=F/4。矩形截面梁的剪應力為：0yzJQh82123bhJzbhFbhQ8323maxbhF83max1b

9、hF83max2在矩形梁的側面，與軸線成45方向上的正應力等于剪力，最大正應力為所以由于，即在中性軸上，剪應力最大，可得當 bhEFE813121電阻應變片貼在梁的側面而與中性軸成45方向上，該方向的應變?yōu)檩嗇椥瘟鞲衅饔捎诮Y構簡單、線性好、輸出靈敏度高，并具有低外形而使其抗偏心載荷、側向載荷的能力強，以及安全的過載能力等許多特點。(2) 壓電式力傳感器 下圖是壓電式力傳感器的一種結構，這種結構的外形類似墊圈。它由壓電晶體、導電片、基座和承壓環(huán)組成。 下圖是壓電式三分力傳感器的結構圖。三分力傳感器可以用來測量沿X、Y、Z三個方向的作用力，在該傳感器中有三對石英晶體片，中間一對晶體片是利用石英晶

10、體的縱向壓電效應，它只感受Z方向的作用力Fz，而上下兩對石英晶體片是利用晶體的橫向壓電效應，分別感受X方向作用力Fx和Y方向作用力Fy。三 應力與應變測量 電阻應變測量方法是利用電阻應變片粘貼在構件的某一部位來測定構件該處的表面應變，通過換算得到應力。根據(jù)不同的應力狀態(tài)確定應變片貼片方法，得到不同的換算公式。 1. 單向應力狀態(tài) 在桿件受到拉伸(或壓縮)情況下，此時只有一個主應力1，它的方向是平行于外加載荷F的方向。所以這個主應力1的方向是已知的，在沿主應力1的方向上貼一個應變片，通過測得 1 ，得到主應力1=E1 。2. 平面應力狀態(tài)(主應力方向已知) )(1)(112221212EE121

11、222121111EEEEEE上式變換形式后可得：平面應力是指構件內的一個點在兩個互相垂直的方向上受到拉伸(或壓縮)作用而產生的應力狀態(tài)。在X和Y方向的應變?yōu)?. 平面應力狀態(tài)(主應力方向未知)當平面應力的主應力1， 2 的大小及方向都未知時，需要一個測點貼三個不同方向的應變片，測出三個方向的應變，才能確定主應力1和2 及主方向角 。 當X方向伸長量為x時，該方向的應變?yōu)?，xxxcosxl2coscoscosxxxllsinyl2sinyll同理當y方向伸長量為y時則yxxycoscosxyyxlcossinsincosxyxyyyllcossinsincos22xyyx2sin2cos22

12、xyyxyx利用半角公式變換后，上式可寫為則當x、y 、xy 同時發(fā)生時，當發(fā)生切應變時， 實際測量時，任選與軸x 成1， 2， 3 三個角的方向各貼一個應變片，測得：333222112222222222222221SinCosSinCosSinCosxyyxyxxyyxyxxyyxyxyxxyxyyxyxxyyxyxtg122222121)(212)(212)(1)(112222121EE解聯(lián)立方程，求出x、y 、xy ，可求出主應變1，2 和主方向與x 軸的夾角，即： 在實際測量中，為了簡化計算，三個應變片與軸的夾角總是選取特殊角，如0，45和90或0，60和120，將三個應變片的絲柵制在

13、一個基底上，形成所謂應變花。設應變與x 軸的夾角為90,45,0321yyxyxxyyxxyxyx)(212212229045029045245090021)()(222900900451221tg29045245090021)()(1212E5.4 位移、速度、加速度測量5.4.1位移測量 21xxx2211KxKx2211/ )(KKKxx221KKK 1021KK倍。在測量較大位移時，彈簧剛度應選得很小，一般取即在懸臂梁自由端變形相同的情況下，可測位移范圍擴大了 設懸臂梁的剛度為K1 ，彈簧剛度為K2設測點位移為x，彈簧變形為x2 ，懸臂梁自由端變形為x1，則一.線位移傳感器 1. 電阻

14、應變式位移傳感器2. 差動變壓器式傳感器 測頭1通過軸套2和測桿3連接，活動銜鐵4固定在測桿上，線圈架5上繞有三組線圈，中間是初級線圈，兩端是次級線圈，它們都通過導線9與測量電路相連，線圈外面有屏蔽筒6，用以增加靈敏度和防止外磁場的干擾。測桿用圓片彈簧7作支承，由彈簧8復位。 差動變壓器線圈中段的線性很好，一般取此段作為差動變壓器的工作范圍。 差動變壓器的動態(tài)特性，在電方面主要受電源激勵頻率的限制，一般應保證激勵頻率大于所測信號中最高頻率的數(shù)倍至數(shù)十倍。在機械方面，則受銜鐵運動部分的質量，即彈簧系統(tǒng)特性的限制。3. 電渦流式傳感器 CZF3型電渦流位移傳感器的結構如圖所示?？蚣?的端部粘著線圈

15、3，外面罩著聚酰亞銨套4。使用時利用殼體上的螺紋和螺母將其固定在測量位置上，并與被測表面相距一個原始間距(1mm左右)。此傳感器器的線性范圍為1.5mm，非線性3%。 端面型電渦流位移傳感器的測量范圍有限，靈敏度高，結構簡單，抗干擾能力強。它的最大優(yōu)點是非接觸測量，不需要施加載荷，加之測量電路載頻較高，可以測量的位移的頻率也較高。4. 電容式位移傳感器電容式傳感器多數(shù)采用可變間隙式的平板電容器。將傳感器用螺帽固定在被測物體的旁邊，傳感器電極為電容器的定極，被測物體為動極，通過極間距離的變化引起電容量的變化，就可測出位移。電容式傳感器是目前高精度、高分辨率位移測量的主要工具之一，能檢測0.01m

16、，甚至更小的位移。由于它是非接觸測量，且測量電路的頻響范圍較好，因而電容式位移傳感器的動態(tài)響應性能也好。二. 角位移傳感器1. 旋轉變壓器式角位移傳感器 旋轉變壓器是輸出電壓隨轉子(與被測對象連接)轉角變化的角位移測量裝置。當在定子的激勵繞組上加一定頻率的交流電壓時，轉子上的輸出繞組的電壓幅值與轉子的轉角成正弦、余弦函數(shù)變化，或者在一定的轉角范圍內與轉角成正比關系變化。前者稱為正余弦旋轉變壓器，適合于測量大角位移的絕對值，后者稱為線性旋轉變壓器，適合于測量小角位移的相對值。2. 微動同步器式角位移傳感器 微動同步器是一種變磁阻型旋轉變壓器。5.4.2 速度測量 一. 線速度測量 1. 平均速度

17、測量 測量物體通過一段已知距離的脈沖數(shù)，得到通過時間，從而確定平均速度。 當通過起點時，脈沖計數(shù)器開始，到達終點時，計數(shù)結束，得到脈沖數(shù)，如果兩脈沖之間的周期為T，則通過時間TnttSVS2. 磁電式速度傳感器 利用線圈作為質量塊，在磁場中切割磁力線運動時，輸出電壓與輸入的速度成正比的傳感器。它主要用于振動速度測量。質量塊的位移等于振動位移，經(jīng)電動型敏感元件變換成與振動速度成正比的電輸出。 當0，外殼在運動時，質量線圈在絕對坐標系中近似于靜止，外殼與質量線圈的相對位移就近似于絕對位移，相對速度近似等于絕對速度。3. 永磁型感應測速傳感器 當被測零件帶動永久磁鐵沿線圈軸向運動時，速度線圈將切割永

18、久磁鐵的磁力線，產生感應電動勢e。若單位長度內速度線圈的匝數(shù)為n，v為永久磁鐵的速度，根據(jù)電磁感應定律，感應電動勢與n、B和v成正比，有nBve二. 角速度測量 角速度測量實際上就是轉速測量。 1. 磁電式轉速傳感器 磁電式轉速傳感器是利用磁電變換器將轉速變換成電信號，輸出電壓與轉速成正比。定子和轉子的圓環(huán)斷面上銑有正弦波形的槽，當轉子轉動時，轉子相對與定子的間隙按正弦曲線的幅值在軸間變化，磁路中的磁通就發(fā)生變化，在線圈中產生的感應電勢也發(fā)生變化，其大小和頻率均與轉速有關。2. 光電式轉速傳感器 光電式轉速傳感器通常先將轉速轉換成光脈沖，再利用光電變換器將光脈沖變換成電脈沖，用頻率計記錄脈沖數(shù)

19、，便可求出轉速。5.4.3 加速度測量 maF madFdq1111電荷量慣性力1. 壓電式加速度傳感器2. 應變式加速度傳感器 由于慣性力引起懸臂梁變形，粘貼在懸臂梁上的應變片也隨之變形，發(fā)生阻值變化，從而引起電橋不平衡。通過測輸出電壓即可知加速度 maF 5.5 溫度測量5.5.2.熱電偶 一. 熱電偶測溫的工作原理 熱電偶是由兩種不同的導體A和B兩端相連組合閉合回路。如果兩端溫度不相等時，回路中就有電流通過，即回路內出現(xiàn)了電動勢，該電動勢稱為熱電勢。)()(),(00TETETTEABABAB二.熱電偶的基本定律 1. 中間導體定律 在熱電偶回路中，只要接入的中間導體兩端溫度相同，則對回

20、路的總熱電勢沒有影響。因此在回路中引入了測量導線和測量儀表，對回路熱電偶無影響。2. 連接導體定律 在熱電偶回路中，如果熱電偶A和B分別與連接導體 A和B相連接，接點溫度分別為T,Tn,T0 。則該回路的熱 電 勢 等 于 熱 電 偶A，B在 溫 度T,Tn的 熱 電 勢 與連接導體AB 在溫度為Tn,T0 的熱電勢的代數(shù)和。),(),(),(00TTETTETTTEnBAnABnAABB它是熱電偶測溫時采用補償導線的理論依據(jù)。3. 中間溫度定律 兩種導體A和B組成的熱電偶，當接點溫度為T,T0 時所產生的熱電勢，等于該熱電偶一個接點溫度為T ，另一個接點溫度為Tn所產生的熱電勢與同一熱電偶一

21、個接點溫度為Tn ,另一個接點溫度為T0 時所產生的熱電勢的代數(shù)和。),(),(),(00TTETTETTEnABnABAB4. 相配定律 由導體A和B組成的熱電偶，當接點溫度為T和T0 時所產生的熱電勢，等于由導體A和C組成的熱電偶，在兩端溫度也為T和T0 時所產生的熱電勢與由導體C和B組成的熱電偶，在兩端溫度也為T和T0時所產生的熱電勢的代數(shù)和。),(),(),(),(),(00000TTETTETTETTETTEBCACCBACAB三. 熱電偶冷端處理的方法 熱電偶分度表是以冷端溫度等于0為條件的，所以要求使用熱電偶測溫時，冷端必須保持在0，否則會產生誤差。但要冷端保持0是一件比較麻煩的

22、事情。而通常的工程測量中冷端溫度大都處在室溫或一個波動的溫度區(qū)，要測出實際溫度，就必須采取修正或補償措施。因此，采用熱電偶測溫時，要根據(jù)具體使用條件，對冷端進行不同的處理。1. 冰點法 這種方法是把熱電偶的冷端直接放在恒為0的恒溫容器中，測出熱電勢，直接查分度表即可測量溫度。冰點法是一種準確度很高的冷端處理方法，但使用起來很難達到，只適用于實驗室。2. 修正法 將冷端溫度保持在一定的恒定溫度Tn 。測量時，得到的電動勢為EAB(T,Tn)，而不是EAB(T,0) ，不能直接查分度表。當冷端溫度為T0時，由于T0已知，可查分度表，得到熱電勢EAB(T0 ,0) ，可得EAB(T,0) ，再查分度

23、表，得T。)0 ,(),()0 ,(00TETTETEABABAB3. 補償電橋法 補償電橋法是利用不平衡電橋產生的電勢來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值。補償電橋橋臂電阻 與熱電偶冷端處于相同的環(huán)境溫度。 令 ，此時電橋輸出 。當冷端溫度升高時， 隨著增大， 也隨著增大，而熱電偶的熱電勢 卻隨著減小。如果 的增加量等于 的減小量，那么 的大小就不隨冷端溫度而變化。 采用補償電橋法，因電橋平衡時的溫度為20，即冷端溫度 ，還需修正。cuRRRR,321120321cuRRRR0abucuRabuxEabuxEABuCTn 204. 補償導線法 用熱電偶測溫，如果測量儀表控制室與熱

24、源相距很遠，測得的熱電勢差不多是由開始數(shù)米的偶絲產生，其余的偶絲說引起的主要作用是把熱電勢輸送到測量儀表。因此，可采用價格便宜，在一定溫度范圍內其熱電特性能夠與熱電偶相匹配的偶絲，可大大節(jié)省經(jīng)費，降低測試成本。在使用補償導線時應注意以下幾點：不同型號的補償導線只能與相應型號的熱電偶匹配；在使用補償型補償導線時，與熱電偶連接點的溫度不能超過使用溫度范圍，對延伸型補償導線可適當放寬。連接補償導線時，要注意熱電極的極性。四. 熱電偶測溫的連接方式 1. 多支熱電偶共用一臺儀表 用多支熱電偶測量溫度場各點的溫度分布，為節(jié)省經(jīng)費減少儀表，通常是將多支熱電偶通過轉換開關與一臺儀表相連接。這種連接方式必須是允許各點溫度無需連續(xù)測量只要定時測量時采用，而且要求各支熱電偶是同型號的，側溫范圍應在儀表量程范圍之內。2. 多支熱電偶串聯(lián) 將多支同型號的熱電偶按正負極順序連接構成熱電偶的串聯(lián)線路。串聯(lián)線路的總電勢為各熱電偶分電勢之和，即 nEEEE 21這種連接方式熱電勢大，提高了測量靈敏度，可配用靈敏度較低的儀表。 串聯(lián)熱電偶常稱為熱電堆，在熱輻射測溫中得到廣泛應用。3. 多支熱電偶并聯(lián) 將多支熱電偶的正極和負極分別連在一起組成并聯(lián)測量線路。若n支熱電偶的電阻均相等，則并聯(lián)線路的總熱電勢等