應(yīng)變力和轉(zhuǎn)矩測量

應(yīng)變力和轉(zhuǎn)矩測量第1頁/共75頁

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第9

章

第2頁/共74頁第2頁/共75頁機器人握力測量

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章

第3頁/共74頁第3頁/共75頁第4頁/共74頁第4頁/共75頁第5頁/共74頁第5頁/共75頁系統(tǒng)接線調(diào)試現(xiàn)場安裝扭矩轉(zhuǎn)速傳感器用筆記本電腦在線采集數(shù)據(jù)第6頁/共74頁第6頁/共75頁

第一節(jié)

應(yīng)變、應(yīng)力的測量

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章

第7頁/共74頁第7頁/共75頁

應(yīng)用電阻應(yīng)變片和電阻應(yīng)變儀測定構(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。

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9章

方法：第8頁/共74頁第8頁/共75頁一、應(yīng)變的測量

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應(yīng)變測量原理

如圖9-1所示。第9頁/共74頁第9頁/共75頁

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9章

應(yīng)變測量裝置

應(yīng)變測量裝置也稱電阻應(yīng)變儀。

工作頻率f=0,或f變化緩慢、變化后能穩(wěn)定下來的應(yīng)變。

靜態(tài)電阻應(yīng)變儀

StaticStrainAmplifier第10頁/共74頁第10頁/共75頁

靜動態(tài)電阻應(yīng)變儀

以靜態(tài)應(yīng)變?yōu)橹?，或測200Hz以下的低頻動態(tài)應(yīng)變。

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9章

第11頁/共74頁第11頁/共75頁

動態(tài)電阻應(yīng)變儀DynamicStrainAmplifier工作頻率：0~2000Hz,個別可達(dá)10kHz。

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章

第12頁/共74頁第12頁/共75頁

超動態(tài)應(yīng)變儀

工作頻率：0~20000Hz的動態(tài)過程，以及爆炸、沖擊等瞬態(tài)變化過程

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第13頁/共74頁第13頁/共75頁三、應(yīng)變儀的電橋特性

應(yīng)變儀中多采用交流電橋，電源以載波頻率供電，四個橋臂均為電阻組成，由可調(diào)電容來平衡分布電容。由式（4—3）知電橋輸出電壓為：

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第14頁/共74頁第14頁/共75頁

當(dāng)四個電阻均產(chǎn)生電阻變化△R1~△R4，R1=R2=R3=R4=R，且△R<<R，忽略△R高次項：

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電橋的加減特性：第15頁/共74頁第15頁/共75頁

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據(jù)第四章可知應(yīng)變儀電橋的工作方式和輸出電壓為：單臂雙臂四臂工作方式應(yīng)變片所在橋臂第16頁/共74頁第16頁/共75頁二、應(yīng)變片的布置和接橋方法

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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)測量的目的、對載荷分布的估計而定，這樣才能便于利用電橋的和差特性達(dá)到只測出所需測的應(yīng)變而排除其他因素干擾的目的。第17頁/共74頁第17頁/共75頁布片和接橋應(yīng)符合下列原則：

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⑴在分析試件受力的基礎(chǔ)上選擇主應(yīng)力最大點為貼片位置；⑵充分合理地應(yīng)用電橋和差特性，只使需要測的應(yīng)變影響電橋的輸出，且有足夠的靈敏度和線性度；⑶使試件貼片位置的應(yīng)變與外載荷成線性關(guān)系。第18頁/共74頁第18頁/共75頁（一）拉（壓）載荷的測量

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章

第19頁/共74頁第19頁/共75頁1、試件受力狀態(tài)圖受力不受力，作補償用電橋接法：電橋輸出電壓：拉（壓）應(yīng)變：機械應(yīng)變指示應(yīng)變特點：1、不能消除彎矩的影響2、能補償溫度的影響

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第20頁/共74頁第20頁/共75頁

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2、試件受力狀態(tài)圖電橋接法：電橋輸出電壓：拉（壓）應(yīng)變：都受力，互為補償特點：1、不能消除彎矩的影響2、能補償溫度的影響3、輸出電壓提高到（1+）第21頁/共74頁第21頁/共75頁

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章

3、試件受力狀態(tài)圖電橋接法：電橋輸出電壓：拉（壓）應(yīng)變：特點：1、可以消除彎矩的影響2、能補償溫度的影響串聯(lián)消除彎矩第22頁/共74頁第22頁/共75頁

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章

4、試件受力狀態(tài)圖電橋接法：電橋輸出電壓：拉（壓）應(yīng)變：特點：1、可消除彎矩的影響2、輸出電壓提高一倍3、能補償溫度的影響第23頁/共74頁第23頁/共75頁

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章

5、試件受力狀態(tài)圖電橋接法：電橋輸出電壓：拉（壓）應(yīng)變：特點：1、能消除彎矩的影響2、能補償溫度的影響3、輸出電壓提高到（1+）倍第24頁/共74頁第24頁/共75頁

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章

6、試件受力狀態(tài)圖電橋接法：電橋輸出電壓：拉（壓）應(yīng)變：特點：1.能消除彎矩的影響2.能補償溫度的影響3.輸出電壓提高到2（1+）倍第25頁/共74頁第25頁/共75頁

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例8-1：圖1所示的圓柱型元件上作用有拉力F和彎矩M：⑴如何布片和接橋可僅測出拉力F，并消除M和溫度的影響（可另設(shè)補償片）？⑵寫出電橋輸出電壓的公式；圖1第26頁/共74頁第26頁/共75頁（二）彎曲載荷的測量

特點：不能消除拉（壓）的影響，另設(shè)溫度補償片。

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半橋2片第27頁/共74頁第27頁/共75頁特點：輸出電壓提高1倍，可消除拉（壓）影響，另外，溫度互為補償

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第28頁/共74頁第28頁/共75頁四片半橋或全橋

特點：輸出電壓提高1倍，能消除拉（壓）影響，溫度互為補償?；蛘咻敵鲭妷禾岣叩?倍，能消除拉（壓）影響，溫度互為補償。

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第29頁/共74頁第29頁/共75頁

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第30頁/共74頁第30頁/共75頁

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圖3例8-2：如圖3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)用儀器測得P力作用的指示應(yīng)變?yōu)?000，求P力的大小。第31頁/共74頁第31頁/共75頁（三）彎曲、拉（壓）聯(lián)合作用時的測量

可消除溫度的影響，另設(shè)溫度補償片。

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測拉（壓）第32頁/共74頁第32頁/共75頁測彎曲

可消除拉（壓）力影響，溫度互為補償。

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第33頁/共74頁第33頁/共75頁(四)剪力的測量

剪力不能使應(yīng)變片的電阻絲發(fā)生伸長或縮短的變形，即不能產(chǎn)生電阻的變化，故不能直接測量剪力。

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。

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第34頁/共74頁第34頁/共75頁

顯然，測出的剪力Q與L有關(guān)，作用點改變（L變化）即影響測量結(jié)果，且有些情況，L值無法量得，故可：

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第35頁/共74頁第35頁/共75頁

Q與（ε1-ε2）成正比，而將R1、R2接成的電橋，其輸出也與ε1-ε2成正比，（即和兩斷面的應(yīng)變差成正比）。

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式中為兩截面的彎曲應(yīng)變差。第36頁/共74頁第36頁/共75頁

L1-L2之值容易測取，且P力和作用點無關(guān)，此法在實際中應(yīng)用最廣。

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測切削力測中耕鏟阻力

第37頁/共74頁第37頁/共75頁由材料力學(xué)知：（五）圓軸扭矩對剪應(yīng)力和扭矩的測量①.圓軸扭矩時與軸線成450

的方向為主應(yīng)力方向。

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②.兩互相垂直的主應(yīng)力符號相反，絕對值相等：

③.主應(yīng)力值等于最大剪應(yīng)力

第38頁/共74頁第38頁/共75頁

那么，在與軸線成450方向上貼一應(yīng)變片，即可測得此處的應(yīng)變ε，據(jù)廣義虎克定律。那么最大剪應(yīng)力：

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第39頁/共74頁第39頁/共75頁扭應(yīng)變

測扭矩，不能消除彎曲及拉（壓）影響，另設(shè)溫度補償。

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而扭矩抗扭截面系數(shù)第40頁/共74頁第40頁/共75頁消除拉（壓）影響測扭矩，但不能消除彎曲影響，溫度互為補償。

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第41頁/共74頁第41頁/共75頁

能消除拉（壓）及彎曲影響，僅測扭轉(zhuǎn)。溫度互為補償。

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——第42頁/共74頁第42頁/共75頁三、在平面應(yīng)力狀態(tài)下主應(yīng)力的測定

（一）已知主應(yīng)力方向

采用應(yīng)變在測出某點三個方向的應(yīng)變，可用公式計算其大小與方向。

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（二）主應(yīng)力方向未知

第43頁/共74頁第43頁/共75頁四、提高應(yīng)變測量精確度的措施1）.選擇儀器、進行定度（標(biāo)定）

可計算線性度、靈敏度、回程誤差（第二章.第二節(jié)）擬合直線等。

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第44頁/共74頁第44頁/共75頁3）.減少讀數(shù)漂移

采用屏蔽線接地；工作片與補償片導(dǎo)線電阻相等。2）.消除導(dǎo)線電阻的影響一般測試系統(tǒng)的導(dǎo)線<10m，若超過10m應(yīng)修正靈敏度（現(xiàn)場標(biāo)定），或應(yīng)變片靈敏度為：

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R——應(yīng)變片電阻值R0——導(dǎo)線電阻

第45頁/共74頁第45頁/共75頁4）.補償溫度影響1）.溫度自補償片

2）.電路補償其條件1）.補償片與工作片的參數(shù)一致；（sg—靈敏度系數(shù)α—溫度系數(shù)等）

2）.粘貼在同一試件上（線膨脹系數(shù)β一致則產(chǎn)生?R一致）；3）.在同一溫度環(huán)境下工作；

滿足以上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。

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方法第46頁/共74頁第46頁/共75頁5）.減少貼片誤差；6）.應(yīng)變片工作條件應(yīng)與額定條件一致；7）.排除現(xiàn)場的電磁干擾。

如接地不良；導(dǎo)線間的靜電感應(yīng)、互感、漏電等；附近的強磁場干擾等。

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第47頁/共74頁第47頁/共75頁五、測點的選擇

1）.進行受力分析，找出危險截面與位置；2）.應(yīng)力集中處可布點；

3）.均勻布置5~7個測點，尋找應(yīng)力分布規(guī)律；

4）.利用結(jié)構(gòu)與載荷的特點，減少測點數(shù)目（如對稱）；5）.在不受力處布點，來驗證、監(jiān)視測試過程。

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第48頁/共74頁第48頁/共75頁

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第二節(jié)

力的測量第49頁/共74頁第49頁/共75頁一、常用方法

通過測量在被測力作用下，其彈性元件的變形或應(yīng)變來測得被測力。

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第50頁/共74頁第50頁/共75頁

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二、

彈性變形式的力傳感器

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/共74頁第51頁/共75頁可簡化為P160圖7—1（即基座靜止，若基座運動，則是加速度計——圖7—2）。

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第52頁/共74頁第52頁/共75頁

輸出電壓提高到2（1+μ）倍，能消除彎矩影響，溫度互為補償。

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（一）電阻應(yīng)變片式力傳感器第53頁/共74頁第53頁/共75頁

輸出電壓提高到4倍，能消除x、y方向的力，溫度互為補償。

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第54頁/共74頁第54頁/共75頁

F作用在球面墊上→彈性元件2變形→鐵心相對線圈發(fā)生位移→由差動變壓器輸出的電信號測得F。（二）差動變壓器式力傳感器

作用力→壓電晶片→變形產(chǎn)生電荷（P191圖8—6）。（三）壓電式力傳感器

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第55頁/共74頁第55頁/共75頁（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)生了機械應(yīng)力，從而引起導(dǎo)磁系數(shù)的變化，此種現(xiàn)象稱作“壓磁效應(yīng)”，壓磁力傳感器就是利用壓磁效應(yīng)工作的。

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第56頁/共74頁第56頁/共75頁

傳感器的原邊繞組（勵磁繞組）和副邊繞組（測量繞組）互相垂直地安裝在導(dǎo)磁體中，原邊繞組通過交流電。當(dāng)不受力時，原邊繞組的磁力線呈對稱分布，且不與副邊繞組相交鏈，此時副邊繞組不產(chǎn)生感應(yīng)電勢（圖8—7.b）。

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第57頁/共74頁第57頁/共75頁

當(dāng)受力時，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，電勢的大小正比于外力的大小，測得該感應(yīng)電勢便知與之成比例的外力。

輸出電勢大，可不用放大器。

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第58頁/共74頁第58頁/共75頁三、空間力系測量裝置

彈性梁測三分力

FZ力：

見P190圖8—3與此同原理

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第59頁/共74頁第59頁/共75頁

注意：力的作用點不能偏離矩形梁的中心，以免形成彎矩。

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Fy、Fx力：見P190圖8—4，與此測法同理，只是截面為矩形。第60頁/共74頁第60頁/共75頁八角環(huán)測三分力：圖8—9c)布片可測Fy、Fx；圖8—9d)與圖8—10可測Fy、Fx、FZ三分力。

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第61頁/共74頁第61頁/共75頁

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撓性支承件的測力架第62頁/共74頁第62頁/共75頁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；4、5、6安裝在另一較小三角形的三條邊上，被測件固定在中心處。被測件所產(chǎn)生的力，將從安裝板通過6個傳感器和撓性支承件傳遞到剛性基座上。測力架可簡化為圖8—11c.P194的力系，據(jù)力傳感器的數(shù)據(jù)和安裝板的幾何尺寸，可用（8—8）公式計算各分力和力矩。

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安裝方法第63頁/共74頁第63頁/共75頁

由三對不同切型的壓電晶片組成：一對為縱向壓電效應(yīng)，測Z向力；另外2對具有橫向壓電效應(yīng)，且方向互相垂直，分別測x和y向力。

該傳感器將作用力自動分解為互相垂直的三分力。

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壓電式三分力傳感器第64頁/共74頁第64頁/共75頁

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第三節(jié)

扭矩的測量第65頁/共74頁第65頁/共75頁一、原理：

1.

圓軸扭轉(zhuǎn)時，在扭矩M作用下，其表面的剪應(yīng)力：

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W——抗扭截面模量

剪應(yīng)變：

G——剪切彈性模量

第66頁/共74頁第66頁/共75頁2.

相距L的兩個斷面之間產(chǎn)生相對扭矩轉(zhuǎn)角：

由上述公式可見，τ、γ或θ與扭矩M成正比，扭矩的測量則是通過這兩個參數(shù)的測量來達(dá)到目的。

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J——極慣性矩

第67頁/共74頁第67頁/共75頁二、主要類型剪應(yīng)力或剪應(yīng)變式振弦式光電脈沖式磁電脈沖式

相對轉(zhuǎn)角式

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電阻應(yīng)變式壓磁式相位差式第68頁/共74頁第68頁/共75頁三、電阻應(yīng)變式

在軸的某一點上沿軸線成450和1350的方向貼片（P196圖8—14）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。

其信號傳輸可用電刷——滑環(huán)集流裝置（即集流環(huán)）；或用無線傳輸。

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第69頁/共74頁第69頁/共75頁四、壓磁式（圖8—15）

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)象來測扭矩。

兩個繞有