第12章

應變、力與扭矩測量目錄應變與應力的測量力的測量扭矩的測量12.112.212.3

在機械工程中,應變、力和扭矩的測量非常重要,通過這些測量可以分析零件或結構的受力狀態及工作狀態的可靠性程度,驗證設計計算結果的正確性,確定整機在實際工作時負載情況等。由于這些測量是研究某些物理現象機理的重要手段之一,因此它對發展設計理論,保證設備的安全運行,以及實現自動檢測、自動控制等都具有重要的意義。而且其他與應變、力及扭矩有密切關系的量,如應力、功率、力矩、壓力等,其測試方法與應變和力及扭矩的測量也有共同之處,多數情況下可先將其轉變成應變或力的測試,然后再轉換成諸如功率、壓力等物理量。12.1應變和應力的測量

應變測量在工程中常見的測量方法之一是應變電測法。它是通過電阻應變片,先測出構件表面的應變,再根據應力、應變的關系式來確定構件表面應力狀態的一種試驗應力分析方法。這種方法的主要特點是測量精度高,變換后得到的電信號可以很方便地進行傳輸和各種變換處理,并可進行連續的測量和記錄或直接和計算機數據處理系統相連接等。

12.1.1應變的測量1.應變測量原理圖12-1應變測試框圖

應變電測法的測量系統主要由電阻應變片、測量電路、顯示與記錄儀器或計算機等設備組成,如圖12-1所示。12.1應變和應力的測量

它的基本原理是:把所使用的應變片按構件的受力情況,合理地粘貼在被測構件變形的位置上,當構件受力產生變形時,應變片敏感柵也隨之變形,敏感柵的電阻值就發生相應的變化。其變化量的大小與構件變形成一定的比例關系,通過測量電路(如電阻應變測量裝置)轉換為與應變成比例的模擬信號,經過分析處理,最后得到受力后的應力、應變值或其他的物理量。因此任何物理量只要能設法轉變為應變,都可利用應變片進行間接測量。12.1應變和應力的測量2.應變測量裝置

應變測量裝置也稱為電阻應變儀。一般采用調幅放大電路,它由電橋、前置放大器、功率放大器、相敏檢波器、低通濾波器、振蕩器、穩壓電源(圖上未標注)組成(見第5章圖5-18)。電阻應變儀將應變片的電阻變化轉換為電壓(或電流)的變化,然后通過放大器將此微弱的電壓(或電流)信號進行放大,以便指示和記錄。

電阻應變儀中的電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化變為電壓或電流輸出的一種測量電路。其輸出既可用指示儀表直接測量,也可以送入放大器進行放大。橋式測量電路簡單,具有較高的精確度和靈敏度,在測量裝置中被廣泛應用。12.1應變和應力的測量

通常使用的交流電橋應變儀,其電橋由振蕩器產生的數千赫茲的正弦交流作為供橋電壓(載波)。在電橋中,載波信號被應變信號所調制,電橋輸出的調幅信號經交流放大器放大、相敏檢波器解調和濾波器濾波后輸出。這種應變儀能較容易地解決儀器的穩定問題,結構簡單,對元件的要求稍低。目前我國生產的應變儀基本上屬于這種類型。

根據被測應變的性質和工作頻率的不同,可采用不同的應變儀。對于靜態載荷作用下的應變,以及變化十分緩慢或變化后能很快穩定下來的應變,可采用靜態電阻應變儀。以靜態應變測量為主,兼作200Hz以下的低頻動態測量可采用靜動態低電阻應變儀。0~2kHz范圍的動態應變,采用動態電阻應變儀,這類應變儀通常具有4~8個通道。測量0~20kHz的動態過程和爆炸、沖擊等瞬態變化過程,則采用超動態電阻應變儀。12.1應變和應力的測量3.應變儀的電橋特性

應變儀中多采用交流電橋,電源以載波頻率供電,4個橋臂均為電阻組成,由可調電容來平衡分布電容。電橋輸出電壓可用式(5-11)來計算,即當各橋臂應變片的靈敏度S相同時,則上式可改寫為這就是電橋的和差特性。應變儀電橋的工作方式和輸出電壓見表12-1。注:若R1或R1、R3產生+ΔR,則R2或R2、R4產生-ΔR。12.1應變和應力的測量4.應變片的布置與接橋方法

由于應變片粘貼于試件后,所感受的是試件表面的拉應變或壓應變,應變片的布置和電橋的連接方式應根據測量的目的、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到只測出所需測的應變而排除其他因素干擾的目的。例如在測量復合載荷作用下的應變時,就需應用應變片的布置和接橋方法來消除相互影響的因素。因此,布片和接橋應符合下列原則:1)在分析試件受力的基礎上選擇主應力最大點為貼片位置。2)充分合理地應用電橋和差特性,只使需要測的應變影響電橋的輸出,且有足夠的靈敏度和線性度。3)使試件貼片位置的應變與外載荷呈線性關系。

表12-2列舉了在軸向拉伸(或壓縮)載荷下應變測試的應變片的布置和接橋方法。從表中可以看出,應變片不同的布置和接橋方法對靈敏度、溫度補償情況和消除彎矩影響是不同的。一般應優先選用輸出信號大、能實現溫度補償、貼片方便和便于分析的方案。

關于在彎曲、扭轉和拉(壓)、彎、扭復合等其他典型載荷下,應變片的布置和接橋方法可參閱有關專著。12.1應變和應力的測量注:S—應變片的靈敏度;

ue—供橋電壓;

ν—被測件的泊松比;

εi—應變儀測讀的應變值,即指示應變;

uo—輸出電壓;

ε—所要測量的機械應變值。12.1應變和應力的測量5.應變片的選擇及應用

應變片是應變測試中最重要的傳感器,應用時應根據試件的測試要求及其狀況、試驗環境等因素來選擇和粘貼應變片。

(1)試件的測試要求

應變片的選擇應從滿足測試精度、所測應變的性質等方面考慮。例如,動態應變的測試一般應選用阻值大、疲勞壽命長、頻響特性好的應變片。同時,由于應變片實際測得的是柵長范圍內分布應變的均值,要使其均值接近測點的真實應變,在應變梯度較大的測試中應盡量選用短基長的應變片。而對于小應變的測試宜選用高靈敏度的半導體應變片,測大應變時應采用康銅絲制成的應變片。為保證測試精度,一般以采用膠基、康銅絲制成敏感柵的應變片為好。當測試線路中有各種使電阻值易發生變化的開關、繼電器等器件時,則應選用高阻值的應變片以減少接觸電阻變化引起的測試誤差。12.1應變和應力的測量(2)試驗環境與試件的狀況

試驗環境對應變測試的影響主要是通過溫度、濕度等因素起作用。因此,選用具有溫度自動補償功能的應變片顯得十分重要。濕度過大會使應變片受潮,導致絕緣電阻下降,產生漂移等。在濕度較大的環境中測試,應選用防潮性能較好的膠膜應變片。試件本身的狀況同樣是選用應變片的重要依據之一。對材質不均勻的試件,如鑄鋁、混凝土等,由于其變形極不均勻,應選用大基長的應變片。對于薄壁構件則最好選用雙層應變片(一種特殊結構的應變片)。(3)應變片的粘貼

應變片的粘貼是應變式傳感器或直接用應變片作為傳感器的成敗關鍵。粘貼工藝一般包括清理試件、上膠、黏合、加壓、固化和檢驗等。黏合時,一般在應變片上蓋上一層薄濾紙,先用手指加壓擠出部分膠液,然后用左手的中指及食指通過濾紙緊按應變片的引出線域,同時用右手的食指像滾子一樣沿應變片縱向擠壓,迫使氣泡及多余的膠液逸出,以保證黏合的緊密性,達到黏合膠層薄、無氣泡、黏結牢固、絕緣好的要求。粘貼的各具體工藝及黏合劑的選擇必須根據應變片基底材料及測試環境等條件決定。12.1應變和應力的測量12.1.2應力的測量1.應力測量原理

在研究機器零件的剛度、強度、設備的力能關系以及工藝參數時都要進行應力應變的測量。應力測量原理實際上就是先測量受力物體的變形量,然后根據胡克定律換算出待測力的大小。顯然,這種測力方法只能用于被測構件(材料)在彈性范圍內的條件下。又由于應變片只能粘貼于構件表面,所以它的應用被限定于單向或雙向應力狀態下構件的受力研究。盡管如此,由于該方法具有結構簡單、性能穩定等優點。所以它仍是當前技術最成熟、應用最多的一種測力方法,能夠滿足機械工程中大多數情況下對應力應變測試的需要。12.1應變和應力的測量2.應力狀態與應力計算

力學理論表明,某一測點的應變和應力間的量值關系是和該點的應力狀態有關的,根據測點所處應力狀態的不同分述如下。(1)單向應力狀態

該應力狀態下的應力σ與應變ε的關系甚為簡單,由胡克定律確定為σ=Eε(12-2)

式中

E——被測件材料的彈性模量。

顯然,測得應變值ε后,就可由式(12-2)計算出應力值,進而可根據零件的幾何形狀和截面尺寸計算出所受載荷的大小。在實際中,多數測點的狀態都為單向應力狀態或可簡化為單向應力狀態來處理,如受拉的二力桿、壓床立柱及許多零件的邊緣處。(2)平面應力狀態

在實際工作中,常常需要測量一般平面應力場內的主應力,其主應力方向可能是已知的,也可能是未知的。因此在平面應力狀態下通過測試應變來確定主應力有兩種情況。12.1應變和應力的測量1)已知主應力方向。例如承受內壓的薄壁圓筒形容器的筒體,它處于平面應力狀態下,其主應力方向是已知的。這時只需沿兩個相互垂直的主應力方向各貼一片應變片R1和R2(見圖12-2a),另外再設置一片溫度補償片Rt,分別與R1、R2接成相鄰半橋(見圖12-2b),就可測得主應變ε1和ε2,然后根據下式計算主應力σ:圖12-2用半橋單點測量薄壁壓力容器的主應變12.1應變和應力的測量2)主應力方向未知。一般采用貼應變花的辦法進行測試。對于平面應力狀態,如能測出某點三個方向的應變ε1、ε2和ε3,就可以計算出該點主應力的大小和方向。應變花是由三個或多個按一定角度關系排列的應變片組成(見圖12-3),用它可測試某點三個方向的應變,然后按有關實驗應力分析資料中查得的主應力計算公式求出其大小及方向。目前市場上已有多種復雜圖案的應變花供應,可根據測試要求選購,例如直角形應變花和三角形應變花。圖12-3常用的應變花12.1應變和應力的測量12.1.3影響測量的因素及其消除方法

在實際測試中,為了保證測量結果的有效性,還必須對影響測量精度的各因素有所了解,并采取有針對性的措施來消除它們的影響。否則,測量將可能產生較大誤差甚至失去意義。1.溫度的影響及溫度補償

測試實踐表明,溫度對測量的影響很大,一般來說必須考慮消除其影響。在一般情況下,溫度變化總是同時作用到應變片和試件上的。消除由溫度引起的影響,或者對它進行修正,以求出僅由載荷作用下引起的真實應變的方法,稱為溫度補償法。其主要方法是采用溫度自補償應變片,或采用電路補償片,即利用電橋的和差特性,用兩個同樣應變片,一片為工作片,貼在試件上需要測量應變的地方,另一片為補償片,貼在與試件同材料、同溫度條件但不受力的補償件上。由于工作片和補償片處于相同的溫度——膨脹狀態下,產生相等的ετ,當分別接到電橋電路的相鄰兩橋臂上,溫度變化所引起的電橋輸出等于零,起到了溫度補償的作用。12.1應變和應力的測量

在測試操作中注意需滿足以下三個條件:1)工作片和補償片必須是相同的。2)補償板和待測試件的材料必須相同。3)工作片和補償片的溫度條件必須是相同的或位于同一溫度環境下。

應用中,多采用雙工作片或四工作片全橋的接橋方法,這樣既可以實現溫度互補又能提高電橋的輸出。在使用電阻應變片測量應變時,應盡可能消除各種誤差,以提高測試精度。12.1應變和應力的測量2.減少貼片誤差

測量單向應變時,應變片的粘貼方向與理論主應力方向不一致,則實際測得應變值,不是主應力方向的真實應變值,從而產生一個附加誤差。也即應變片的軸線與主應變方向有偏差時,就會產生測量誤差,因此在粘貼應變片時對此應給予充分的注意。3.力求應變片實際工作條件和額定條件的一致

當應變片的靈敏度標定時的試件材料與被測材料不同和應變片名義電阻值與應變儀橋臂電阻不同時,都會引起誤差。一定基長的應變片,有一定的允許極限頻率。例如,要求測量誤差不大于1%時,基長為5mm,允許的極限頻率為77Hz,而基長為20mm時,則極限頻率只能達到19Hz。4.排除測量現場的電磁干擾

在測量時儀表示值抖動,大多由電磁干擾所引起,如接地不良、導線間互感、漏電、靜電感應、現場附近有電焊機等強磁場干擾及雷擊干擾等,應想辦法排除。12.1應變和應力的測量5.測點的選擇

測點的選擇和布置對能否正確了解結構的受力情況和實現正確的測量影響很大。測點越多,越能了解結構的應力分布狀況,然而卻增加了測試和數據處理的工作量和貼片誤差。因此,應根據以最少的測點達到足夠真實地反映結構受力狀態的原則來選擇測點,為此,一般應做如下考慮:1)預先對結構進行大致的受力分析,預測其變形形式,找出危險斷面及危險位置。這些地方一般是處在應力最大或變形最大的部位。而最大應力一般又是在彎矩、剪力或扭矩最大的截面上。然后根據受力分析和測試要求,結合實際經驗最后選定測點。2)截面尺寸急劇變化的部位或因孔、槽導致應力集中的部位,應適當多布置一些測點,以便了解這些區域的應力梯度情況。12.1應變和應力的測量3)如果最大應力點的位置難以確定,或者為了了解截面應力分布規律和曲線輪廓段應力過渡的情況,可在截面上或過渡段上比較均勻地布置5~7個測點。4)利用結構與載荷的對稱性,以及對結構邊界條件的有關知識來布置測點,往往可以減少測點數目,減輕工作量。5)可以在不受力或已知應變、應力的位置上安排一個測點,以便在測試時進行監視和比較,有利于檢查測試結果的正確性。6)防止干擾:由于現場測試時存在接地不良,導線分布電容、互感,電焊機等強磁場干擾或雷擊等原因,會導致測試結果的改變,應采取措施排除。7)動態測試時,要注意應變片的頻響特性,由于很難保證同時滿足結構對稱和受載情況對稱,因此一般情況下多為單片半橋測量。12.2力的測量

在機械工程中,力學參數的測量是最常碰到的問題之一。由于機械設備中多數零件或構件的工作載荷屬于隨機載荷,要精確地計算這些載荷及所產生的影響是十分困難的。而通過對其力學參數的測量則可以分析和研究機械零件、機構或整體結構的受力情況和工作狀態,驗證設計計算的正確性,確定整機工作過程中載荷譜和某些物理現象的機理。因此力學參數測量對發展設計理論、保證安全運行,以及實現自動檢測和自動控制等都具有重要的作用。

當力施加于某一物體后,將產生兩種效應,一是使物體變形的效應,二是使物體的運動狀態改變的效應。由胡克定律可知:彈性物體在力的作用下產生變形時,若在彈性范圍內,物體所產生的變形量與所受的力值成正比。因此只需通過一定手段測出物體的彈性變形量,就可間接確定物體所受力的大小,如本章第一節所述可知利用物體變形效應測力是間接測量測力傳感器中“彈性元件”的變形量。物體受到力的作用時,產生相應的加速度。由牛頓第二定律可知:當物體質量確定后,該物體所受的力和所產生的加速度,兩者之間具有確定的對應關系。只需測出物體的加速度,就可間接測得力值。故通過測量力傳感器中質量塊的加速度便可間接獲得力值。一般而言在機械工程當中,大部分測力方法都是基于物體受力變形效應。12.2力的測量12.2.1幾種常用力傳感器的介紹1.彈性變形式力傳感器

該傳感器的特點是首先把被測力轉變成彈性元件的應變,再利用電阻應變效應測出應變,從而間接地測出力的大小。所以彈性敏感元件是這類傳感器的基礎,應變片是其核心。彈性元件的性能好壞是保證測力傳感器使用質量的關鍵。為保證一定的測量精度,必須合理選擇彈性元件的結構尺寸、形式和材料,仔細進行加工和熱處理;并需保證小的表面粗糙度值等。衡量彈性元件性能的主要指標有非線性、彈性滯后、彈性模量的溫度系數、熱膨脹系數、剛度、強度和固有頻率等。力傳感器所用的彈性敏感元件有柱式、環式、梁式和S形幾大類。12.2力的測量(1)圓柱式電阻應變式力傳感器

圖12-4是一種用于測量壓縮力的應變式測力頭的典型構造。受力彈性元件是一個由圓柱加工成的方柱體,應變片粘貼在四側面上。圖12-4貼應變片柱式力傳感器12.2力的測量

在不減小柱體的穩定性和應變片粘貼面積的情況下,為了提高靈敏度,可采用內圓外方的空心柱。側向加強板用來增大彈性元件在x-y平面中的剛度,減小側向力對輸出的影響。加強板的z向剛度很小,以免影響傳感器的靈敏度。應變片按圖示粘貼并采用全橋接法,這樣既能消除彎矩的影響,也有溫度補償的功能。對于精確度要求特別高的力傳感器,可在電橋某一臂上串接一個熱敏電阻RT1,以補償4個應變片電阻溫度系數的微小差異。用另一熱敏電阻RT2和電橋串接,可改變電橋的激勵電壓,以補償彈性元件彈性模量隨溫度而變化的影響。這兩個電阻都應裝在力傳感器內部,以保證和應變片處于相同的溫度環境。12.2力的測量(2)梁式拉壓力傳感器

為了獲得較大的靈敏度,可采用梁式結構。圖12-5所示是用來測量拉/壓力傳感器的典型彈性元件。顯然,剛度和固有頻率都會相應地降低。如果結構和粘貼都對稱,應變片參數也相同,則這種傳感器具有較高的靈敏度,并能實現溫度補償和消除x和y方向的干擾。圖12-5貼應變片梁式力傳感器12.2力的測量2.差動變壓器式力傳感器

如圖12-6所示是一種差動變壓器式力傳感器的結構示意圖,該傳感器采用一個薄壁圓筒1作為彈性元件。彈性圓筒受力發生變形時,帶動鐵心2在線圈3中移動,兩者的相對位移量即反映了被測力的大小。該類力傳感器是通過彈性元件來實現力和位移間的轉換。彈性元器件的變形由差動變壓器轉換成電信號,其工作溫度范圍比較寬(-54~93℃),在長、徑比較小時,受橫向偏心力的影響較小。圖12-6差動變壓器式測力傳感器12.2力的測量3.壓磁式力傳感器

壓磁式力傳感器的工作基礎是基于鐵磁材料的壓磁效應。它是指某些鐵磁材料(如正磁致伸縮材料),受壓時,其磁導率沿應力方向下降,而沿著與應力垂直的方向則增加。材料受拉時,磁導率變化正好相反。通過材料中孔槽的載流導線,如無外力作用下材料中的磁力線成為以導線為中心的同心圓分布。在外力作用下,磁力線則成橢圓分布。當外力為拉力時,橢圓長軸與外力方向一致;當外力為壓力時,則與外力方向垂直。若該鐵磁材料開有4個對稱的通孔,如圖12-7所示,在1、2和3、4孔中分別繞著互相垂直的兩繞組,其中1-2繞組通過交流電流I,作為勵磁繞組;3-4繞組作為測量繞組。在無外力作用下,勵磁繞組所產生的磁力線在測量繞組兩側對稱分布,合成磁場強度與測量繞組平面平行,磁力線不和測量繞組交鏈,從而不使后者產生感應電感。一旦受到外力作用,磁力線分布發生變化,部分磁力線和測量繞組交鏈,在該繞組中產生感應電動勢。作用力越大,感應電動勢越大。12.2力的測量圖12-7壓磁元件及其工作原理12.2力的測量

圖12-8所示為一種典型的壓磁式力傳感器結構,彈性梁3的作用是對壓磁元件施加預壓力和減少橫向力和彎矩的干擾,鋼球4則是用來保證力F沿垂直方向作用,壓磁元件和基座的連接表面應十分平整密合。

壓磁式力傳感器具有輸出功率大、抗干擾能力強、精度較高、線性好、壽命長、維護方便等優點。同時,這類力傳感器的輸出電動勢較大,一般不必經過放大,但需經過濾波和整流處理。它適用于冶金、礦山、造紙、印刷、運輸等行業,有較好的發展前景。圖12-8壓磁式力傳感器12.2力的測量4.壓電式力傳感器

壓電式傳感器應用壓電效應,將力轉換成電量。作為測力傳感器它具有以下特點:靜態特性良好,即靈敏度、線性度好、滯后小,因壓電式測力傳感器中的敏感元件自身的剛度很高,而受力后,產生的電荷量(輸出)僅與力值有關而與變形元件的位移無直接關系,因而其剛度的提高基本不受靈敏度的限制,可同時獲得高剛度和高靈敏度;動態特性亦好,即固有頻率高、工作頻帶寬幅值相對誤差和相位誤差小、瞬態響應上升時間短,故特別適用于測量動態力和瞬態沖擊力;穩定性好、抗干擾能力強;當采用時間常數大的電荷放大器時,可以測量靜態力和準靜態力,但長時間的連續測量靜態力將產生較大的誤差。因此壓電式測力傳感器已成為動態力測量中的十分重要的部件。12.2力的測量

選擇不同切型的壓電晶片,按照一定的規律組合,則可構成各種類型的測力傳感器。圖12-9所示是兩種壓電式力傳感器的構造圖,圖12-9a所示的力傳感器的內部加有恒定預壓載荷,使之在1000N的拉伸力到5000N的壓縮力范圍內工作時,不致出現內部元件的松弛。圖12-9b所示的力傳感器,帶有一個外部預緊螺母,可以用來調整預緊力,以保證力傳感器在4000N拉伸力到16000N壓縮力的范圍中正常工作。圖12-9壓電式力傳感器的構造圖12.2力的測量12.2.2空間力系測量裝置

一般空間力系包括三個互相垂直的分力和三個互相垂直的力矩分量。對未知作用方向的作用力,如需完全測定它,也需按空間力系來處理。在空間力系測量工作中,巧妙地設計受力的彈性元件和布置應變片或選擇壓電晶體片的敏感方向是成功的關鍵。圖12-10所示為壓電式三向測力傳感器元件組合方式的示意圖。圖12-10用于三向測力的傳感元件的組合圖

其傳感元件由三對不同切型的壓電石英片組成,其中一對為X0型切片,具有縱向壓電效應,用它測量z向力Fz,另外兩對為Y0型切片,具有橫向壓電效應,兩者互成90°安裝,分別測y向力Fy和x向力Fx。此種傳感器可以同時測出空間任意方向的作用力在x、y、z三個方向上的分力。多向測力傳感器的優點是簡化了測力儀的結構,同時又提高了測力系統的剛度。12.2力的測量圖12-10用于三向測力的傳感元件的組合圖12.2力的測量12.2.3動態測力裝置的使用特點

動態測力裝置除了在靈敏度、線性誤差、頻率范圍等方面應滿足預定要求外,使用時還應考慮動力學方面的一些特點。1.動態測力裝置的動態誤差

如前所述,近代測力裝置基本上都是以某一彈性元件所產生的彈性變形(或與之成比例的彈性力)作為測力基礎的,因而大多數測力裝置可以近似抽象如圖7-1所示的單自由度振動系統。但是在測量過程中,它與被測系統以及它的支承系統組成非常復雜的多自由度振動系統。這樣在動態力作用下,該彈性元件的彈性變形(或彈性力)同動態力的關系也就相當復雜,兩者在幅值、相位方面都有較大的差異,這些差異和測力裝置的動態特性、支承系統、負載效應都有密切關系。以彈性元件的彈性變形(或彈性力)為基礎的力學測力裝置,應保證該彈性力和被測力成比例、同相位。然而一旦將測力裝置和被測系統相接,由于負載效應,將使被測力發生變化,使作用于測力裝置的施加力和原來被測力不一樣。12.2力的測量

要完全消除這種差別唯有取被測系統的構件作為測力裝置的彈性元件。其次,作為時間矢量,實際作用力F和測力裝置的阻尼力Fc、慣性力Fm以及彈性元件的彈性力Fk之間的關系如圖12-11所示。顯然,彈性力和實際作用力在幅值和相位兩方面都不一樣。最后,即使可以用二階系統的響應特性來近似描述這類裝置,也只有在一定頻率范圍內,即其工作頻率ω遠小于其固有頻率ωn的情況下,才能近似滿足不失真的測量條件。如果支承系統的剛性不好,情況會更加惡化,與不失真測量條件相差更遠。圖12-11實際作用力和測量測力裝置的慣性力、阻尼力以及彈性力的關系12.2力的測量

總之,在一般情況下,由于上述三方面的原因,測力彈性元件的彈性力(或彈性變形)和被測力總有幅值和相位的差異。因此在實際使用條件下,在整個工作頻率范圍內進行全面的標定和校準是一件必不可少的工作。

此外,從圖中還可看出,如果能測出阻尼力Fc和慣性力Fm,將它們與彈性力Fk相加,就可以得出實際作用力F來,從而消除了測量的方法誤差。由于Fk、Fc和Fm分別和測力裝置的位移、速度和加速度成正比,但方向相反,若用一個質量甚小的加速度計來測量測力裝置的加速度,用微分電路由彈性位移信號求得速度信號,然后用運算放大器將這兩項信號按適當比例加進位移信號中,對Fk進行補償,便可得到實際作用力F,消除了測量方法誤差。圖12-11實際作用力和測量測力裝置的慣性力、阻尼力以及彈性力的關系12.2力的測量2.注意減小交叉干擾

一個理想的多向測力裝置,要求在互相垂直的三個方向中的任何一個方向受到力的作用時,其余兩方向上不應有輸出。實際上卻常常會有微小輸出,這種現象稱為交叉干擾。為了減小交叉干擾,必須采用相應的措施,例如精心設計彈性元件,使其受力變形合理;正確選擇應變片的粘貼部位并準確地粘貼之;最后,還往往利用測力裝置標定結果來修正交叉干擾的影響。12.2力的測量3.測力裝置頻率特性的測定

確定整個測力裝置頻率特性的具體辦法與確定某一系統,特別是機械系統的頻率響應特性的方法沒有原則差別。但是必須特別強調的是,動態特性測定必須在實際工作條件下進行。常用的激勵是正弦激勵和沖擊激勵。對于后者,在測得激勵力x(t)和測力裝置的響應y(t)之后,一般采用Sxy(f)=Sxx(f)=H(f)Sx(f)(12-5)來確定其頻率響應函數H(f)。12.2力的測量12.2.4測力傳感器的標定

為確保力測試的正確性和準確性,使用前必須對測力傳感器進行標定。標定的精度將直接影響傳感器的測試精度。測力傳感器在出廠時,盡管已對其性能指標逐項進行過標定和校準,但在使用過程中還應定期進行校準,以保證測試精度。此外,由于測試環境的變化,使得系統的靈敏度亦發生變化。因此必須對整個測試系統的靈敏度等有關性能指標重新標定。測力傳感器的標定分靜態標定和動態標定兩個方面。12.2力的測量1.靜態標定

靜態標定最主要的目的是確定標定曲線、靈敏度和各向交叉干擾度。為此,標定時所施加的標準力的量值和方向都必須精確。加載方向對確定交叉干擾度有著重大影響,力的作用方向一旦偏離指定方向,就會使交叉干擾度產生變化。標定時對測力傳感器施加一系列標準力,測得相應的輸出后,根據兩者的對應關系繪制標定曲線,再求出表征傳感器靜態特性的各項性能指標,如靜態靈敏度、線性度、回程誤差、重復性、穩定性以及橫向干擾等。

靜態標定通常在特制的標定臺上進行。所施加的標準力的大小和方向都應十分精確,其力值必須符合計量部門有關量值傳遞的規定和要求。通常標準力的量值用砝碼或標準測力環來度量。標定時采用砝碼-杠桿加載系統、螺桿-標準測力環加載系統、標準測力機加載等。12.2力的測量2.動態標定

動態標定使用于瞬變力和交變力等動態測試的傳感器。對于用于動態測量的傳感器,僅做靜態標定是不夠的,有時還需進行動態標定。動態標定的目的在于獲取傳感器的動態特性曲線,再由動態特性曲線求得測力傳感器的固有頻率、阻尼比、工作頻帶、動態誤差等反映動態特性的參數。對測力傳感器或整個測力系統進行動態標定的方法就是輸入一個動態激勵力,測出相應的輸出,然后確定出傳感器的頻率響應特性等。12.2力的測量

沖擊法也是獲取測力系統動態特性的方法之一。沖擊法可獲得半正弦波瞬變激勵力,此法簡單易行。如圖12-12a所示,將待定的測力傳感器安放在有足夠質量的基礎上,用一個質量為m的鋼球從確定的高度h自由落下,當鋼球沖擊傳感器時,由傳感器所測得的沖擊力信號經放大后輸入瞬態波形存儲器,或直接輸入信號分析儀,即可得到如圖12-12b所示的波形。圖中,0~t1為沖擊力作用時間,點畫線為沖擊力波形,實線為實際的輸出波形,t1~t段為自由衰減振蕩信號,它和0~t1段中疊加在沖擊力波形上的高頻分量反映了傳感器的固有特性,對其做進一步分析處理,可獲得測力傳感器的動態特性。圖12-12沖擊標定系統及沖擊力波形12.3

扭矩的測量

旋轉軸上的扭矩是改變物體轉動狀態的物理量,是力和力臂的乘積。扭矩的單位是N·m。測量扭矩的方法甚多,其中通過轉軸的應變、應力、扭角來測量扭矩的方法最常用,也即根據彈性元件在傳遞扭矩時所產生物理參數的變化(變形、應力或應變)來測量扭矩。例如在被測機器的軸上或是在裝于機器上的彈性元件上粘貼應變片,然后測量其應變。其中裝于機器上的彈性元件屬扭矩傳感器的一部分。這種傳感器就是專用于測量軸的扭矩。12.3.1應變式扭矩傳感器的工作原理

扭矩的測量以測量轉軸應變和測量轉軸兩橫截面相對扭轉角的方法最常用。應變式扭矩傳感器所測得的是在扭矩作用下轉軸表面的主應變ε。從材料力學得知,該主應變和所受到的扭矩成正比關系。也可利用彈性體把轉矩轉換為角位移,再由角位移轉換成電信號輸出。12.3

扭矩的測量

圖12-13給出了一種用于扭矩傳感器的扭矩彈性元件。把這種彈性軸連接在驅動源和負載之間,彈性軸就會產生扭轉,所產生的扭轉角為圖12-13用于測量扭矩的彈性軸式中

φ——彈性軸的扭轉角(rad); l——彈性軸的測量長度(m);

D——彈性軸的直徑(m); M——扭矩(N·m);G——彈性軸材料的切變模量(Pa)。12.3

扭矩的測量

由于扭角與扭矩M成正比,在實際測量中,常在彈性軸圓軸上安裝兩個齒輪盤,齒輪盤之間的扭角即為彈性軸的扭角,通過電磁耦合將扭角信號耦合成電信號,再經標定得到輸出扭矩值。按彈性軸變形測量時按彈性軸應力測量時按彈性軸應變測量時式中

ε45°、ε135°——彈性軸上與軸線成45°、135°角的方向上的主應變。

從式(12-6)~式(12-9)可以看出,當彈性軸的參數固定,轉矩對彈性軸作用時,產生的扭轉角或應力、應變與轉矩成正比關系。因此只要測得扭轉角或應力、應變,便可知扭矩的大小。按扭矩信號的產生方式可以設計為光電式、光學式、磁電式、電容式、電阻應變式、振弦式、壓磁式等各種扭矩儀器。12.3

扭矩的測量12.3.2應變片式扭矩傳感器

當作為扭矩傳感器上的彈性軸發生扭轉時,在相對于軸中心線45°方向上會產生壓縮或拉伸力,從而將力加在旋轉軸上。如果在彈性軸上或直接在被測軸上,沿軸線的45°或135°方向將應變片粘貼上,當傳感器的彈性軸受轉矩M作用時,應變片產生應變,其應變量ε與轉矩M呈線性關系。

對于空心圓柱形彈性軸式中

G——彈性軸的彈性模量; d、D——空心轉軸的內徑和外徑。

對于正方形截面積彈性軸式中

a——彈性軸的邊長。12.3

扭矩的測量

當測量彈性軸的扭矩時,將應變片R1,R2按圖12-14a所示的方向(與軸線成45°角,并且兩片互相垂直)貼在彈性軸上,則沿應變片R1方向的應變為沿應變片R2方向的應變為式中

E——彈性軸材料的彈性模量(N/m2)。因σ1=-σ3,故ε1=-ε3。圖12-14扭力桿上應變片的粘貼12.3

扭矩的測量

圖12-14a所示的半橋,不但能使測量靈敏度比貼一片45°方向的應變片時高一倍,而且還能消除由于彈性軸安裝不善所產生的附加彎矩和軸向力的影響,但這種貼片的接橋方式不能消除附加橫向剪力的影響。如果在彈性軸上粘貼4片應變片并將它們接成半橋或全橋,就能消除附加橫向剪力的影響(見圖12-14b)。這種在彈性軸的適當部位按圖粘貼4片應變片后,作為全橋連接構成的扭矩傳感器,若能保證應變片粘貼位置準確、應變片特性匹配,則這種裝置就具有良好的溫度補償和消除彎曲應力、軸向應力影響的功能。粘貼后的應變片必須準確地與軸線成45°,應變片1和3、2和4應在同一直徑的兩端。采用應變花可以簡化粘貼并易于獲得準確的位置。在用應變片直接粘貼在彈性軸上的情況下,有時為了提高靈敏度,將機器彈性軸的一部分設計成空心軸,以提高應變量。對于專用的扭矩傳感器的彈性元件可以設計的應變量較大,以提高測量靈敏度。12.3

扭矩的測量

彈性軸截面最常用的是圓柱形,如圖12-15所示。但對于測量小轉矩的彈性軸,考慮到抗彎曲強度、臨界轉速、電阻應變片尺寸及粘貼工藝等因素,多采用空心結構。大量程轉矩測量一般多采用實心方形截面彈性軸,應該注意應變片的中心線必須準確地粘貼在表面的45°及135°螺旋線上,否則彈性軸在正、反向力矩作用下的輸出靈敏度將有差別,造成方向誤差。一般允許粘貼角度的誤差的范圍為±0.5°。圖12-15各種截面形狀轉軸12.3

扭矩的測量

圖12-16是這種傳感器的工作原理圖。為了給旋轉的應變片輸入電壓和從電橋中檢測出信號,在整個檢測系統上安裝有集流環和電刷。扭矩傳感器由彈性軸和貼在其上的應變片組成,并成為扭矩傳遞系統的一個環節,和轉軸一起旋轉。為了給旋轉著的應變片輸入電壓和從電橋中取出檢測信號,采用由電環和電刷組成的集流環部件來完成傳遞。通過此旋轉元件(電環,固定在轉軸上)和靜止元件(電刷,固定在機架上)的接觸,將傳感器所需的激勵電壓輸入和檢測信號的輸出。或者采用發射器件和接收器件之間電磁場的耦合方式,無接觸地將傳感器的信號耦合到接收端。圖12-16應變式扭矩傳感器工作原理12.3

扭矩的測量12.3.3信號傳輸1.集流環裝置

集流環部件由兩部分組成:一部分與應變片的引出線連接并固定在轉軸上隨轉軸一起轉動,稱為轉子;另一部分與應變儀導線連接,靜止不動,稱為定子。轉子與定子能夠相對運動,從而既用來輸出構件上應變片轉換的電信號和輸出熱電偶等各種傳感器的電信號,亦可用來輸入外部對傳感器的激勵電壓。集流環的優劣直接影響測量精度,質量低劣或維護不當的集流環所產生的電噪聲甚至能淹沒扭矩信號,使測量無法進行。因此對集流環的要求是:接觸電阻變化要小,一般希望接觸電阻的變化小到應變片電阻變化的1/50~1/100。12.3

扭矩的測量

測量電路的接法對應變式扭矩傳感器的測量精度也有很大的影響,若像圖12-17a所示,扭力軸上的應變片組成半橋,在A、B、C三點通過集流環引出,接到應變儀的測量電路上去。在這種情況下集流環的接觸電阻是串入橋臂的,因此接觸電阻的變化和扭矩變化一樣,也要引起應變儀輸出的變化,從而給測量造成誤差。而像圖12-17b所示彈性軸上粘4個應變片,接成全橋,其4個結點通過4個集電環-電刷引出,那么各接觸電阻就不在橋臂之內,因此由接觸電阻的變化所引起的測量誤差就大大減小了。圖12-17測量電路的接法12.3

扭矩的測量2.無線傳輸方式

無線傳輸方式可以克服有線傳輸的缺點,因而得到越來越多的應用。它分為電波收發方式和光電脈沖傳輸方式。這兩種方式從使用的角度來看都取消了中間接觸環節、導線和專門的集流裝置。電波收發方式測量系統要求可靠的發射、接收和遙測裝置,且其信號容易受到干擾;而光電脈沖測量抗干擾能力較強,它是把測試數據數字化后以光信號的形式從轉動的測量盤傳送到固定的接收器上,然后經解碼器后還原為所需的信號。12.3

扭矩的測量12.3.4其他類型的扭矩傳感器

轉軸受扭矩作用后,產生扭轉變形,兩橫截面的相對扭轉角與扭矩成正比。利用光電式、感應式等傳感器可以測得相對扭轉角,從而測得扭矩。感應式扭矩傳感器是在轉軸上固定兩個齒輪,它們的材質、尺寸、齒形和齒數均相同。由永久磁鐵和線圈組成的磁電式檢測頭對著齒頂安裝。在轉軸不承受扭矩時,兩線圈輸出信號有一初始相位差。承載后,該相位差將隨兩齒輪所在橫截面之間的相對扭轉角的增加而加大,其大小與相對扭轉角、扭矩成正比。12.3

扭矩的測量

光電式扭矩傳感器是在轉軸上固定兩圓盤光柵,光柵圓盤外側放置有光源和光敏元件,可通過兩光柵圓盤之間的相對扭轉角來測量扭矩。如圖12-18所示,在未承受扭矩時,兩光柵的明暗區正好互相遮擋,沒有光線透過光柵照射到光敏元件,也無輸出。當轉軸受扭矩后,扭轉變形將兩光柵相對轉過一角度,使部分光線透過光柵照射到光敏元件上而產生輸出,扭矩越大,扭轉角越大,穿過光柵的光量越多,輸出越大,從而可測得扭矩。圖12-18光電式轉矩傳感器12.3

扭矩的測量

壓磁式扭矩傳感器是利用鐵磁材料制成的轉軸,在受扭矩作用后,應力變化導致磁阻變化的現象來測量扭矩的。如圖12-19所示,兩個繞有線圈的

型鐵心A和B,其中A—A沿軸線、B—B沿垂直與軸線方向放置,兩者相互垂直。其開口端和被測表面保持1~2mm的空隙。當A—A線圈通過交流電流,形成通過轉軸的交變磁場。在轉軸不受扭矩時,磁力線和B—B線圈不交鏈。當轉軸受扭矩作用后,轉軸材料磁阻沿正應力方向減小,沿負應力方向增大,從而改變了磁力線分布狀況,使部分磁力線與B—B線圈交鏈,并在其中產生感應電動勢,感應電動勢將隨扭矩增大而增大,并在一定范圍內兩者呈線性關系。此種傳感器是一種非接觸測量方式,使用方便。圖12-19壓磁式扭矩傳感器原理圖12.3

扭矩的測量12.3.5國內外扭矩傳感器介紹

常用扭矩傳感器的使用見表12-3所示。扭矩傳感器主要有兩大類,第一類是通過磁電感應獲取信號的磁(齒)柵式傳感器,這類傳感器的輸出信號的本質是兩路相角位移信號,需要對信號進行組合處理才能得到扭矩信息。它是非接觸式傳感器,無磨損、無摩擦,可用于長期測量。但體積大、不易安裝、不能測靜止扭矩,轉速過低時,須用小電動機補償轉速,操作復雜等。第二類是以電阻應變片為敏感元件組成的扭矩傳感器,它在轉軸或與轉軸串接的彈性軸上安裝了4片精密電阻應變片,并把它們連成一片平衡電橋。輸出信號與扭矩成比例。橋的激勵電壓和測量信號的傳送方式有兩種:一種是接觸式傳送,通過集電環和電刷傳送激勵電壓和測量信號,電刷壽命可達到一億轉次;另一種是非接觸式傳送,包括傳感器感應方式傳送,或微電池供電、無線電傳送。這類傳感器具有可測量靜態和動態扭矩、高頻沖擊和振動信息,體積小、重量輕、輸出信號易于計算機處理等特點,正逐漸得到越來越多的應用。12.3

扭矩的測量關于詳細有關的扭矩傳感器的介紹,可參閱有關專著。思考題與習題12-1

說明應變式壓力和力傳感器的基本原理。12-2

有一個應變式力傳感器,彈性元件為實心圓柱,直徑D=40mm,在其上沿軸向和周向各貼兩片應變片(靈敏度系數S=2),組成全橋電路,橋壓為10V。已知材料彈性模量E=2.0×1011Pa,泊松比ν=0.3,試求該力傳感器的靈敏度,單位用μV/kN表示。12-3

有一電阻應變片如圖12-20所示,其靈敏度S=2,R=120Ω,設工作時其應變為1000με(注:με為微應變),問ΔR=?設將此應變片接成如圖所示的電路。試求:1)無應變時電流表示值;2)有應變時電流表示值;3)電流表指示值相對變化量;4)試分析這個變動量能否從表中讀出。圖12-20題圖12-3謝謝！第13章

流體參量測量目錄壓力的測量流量的測量13.113.2

壓力和流量等流體參量的測量,在工業生產等眾多工程領域中都具有十分重要的意義。

各種壓力和流量測量裝置盡管在測量原理或結構上有很大差別,但共同特點都是通過中間轉換元件,把流體的壓力、流量等參量轉換為中間機械量,然后再用相應的傳感器將中間機械量轉換成電量輸出。中間轉換元件對測量裝置的性能有著重要的影響。另一個特點是在壓力和流量測量中,測量裝置的測量精確度和動態響應不僅與傳感器本身及由它所組成的測量系統的特性有關,而且還與由傳感器、連接管道等組成的流體系統的特性有關。13.1壓力的測量

壓力的測量一般用于液體、蒸汽或氣體等流體。物理學中將單位面積上所受到的流體作用力定義為流體的壓強,而工程上則習慣于稱其為“壓力”,本書將采用“壓力”這個名詞。在國際單位制中,壓力是由質量、長度和時間三個基本量得出的導出量,其單位為Pa(帕斯卡),1Pa=1N/m2。雖然已經有非常精確的壓力表來提供壓力的基準量,但是這些基準量最終必須依靠上述三個基本量的基準量來保證其精確度。

由于參照點的不同,在工程中流體的壓力有以下幾種表示方法:絕對壓力——相對于完全真空(絕對壓力零位)所測得的壓力;大氣壓力——由地球表面大氣層空氣柱重力所形成的壓力;差壓(壓差)——任意兩個壓力之間的差值;表壓力——以大氣壓力為參考點,高于或低于大氣壓力的壓力,高于大氣壓力的壓力稱為正壓,低于大氣壓力的壓力稱為負壓。壓力測量裝置大多采用表壓力作為指示值,而很少采用絕對壓力。13.1壓力的測量

壓力按其與時間的關系可分為靜態壓力和動態壓力。靜態壓力指不隨時間變化或隨時間變化緩慢的壓力;動態壓力指隨時間作快速變化的壓力。作用在確定面積上的流體壓力能夠很容易地轉換成力,因此壓力測量和力測量有許多共同之處。常用的兩種壓力測量方法是靜重比較法和彈性變形法。前者多用于各種壓力測量裝置的靜態校準,而后者則是構成各種壓力計和壓力傳感器的基礎。13.1.1彈性式壓力敏感元件

指針式壓力計(壓力表)和壓力傳感器主要是基于彈性變形原理工作的。某種特定形式的彈性元件,在被測流體壓力的作用下,將產生與被測壓力成一定函數關系的機械變位(或應變)。這種中間機械量可通過各種放大杠桿或齒輪副等轉換成指針的偏轉,從而直接指示被測壓力的大小。中間機械量也可通過各種位移傳感器(以應變為中間機械量時,則可通過應變片)及相應的測量電路轉換成電量輸出。由此可見,感受壓力的彈性敏感元件是壓力計和壓力傳感器的關鍵元件。13.1壓力的測量通常采用的彈性式壓力敏感元件有波登管、膜片和波紋管三類(見圖13-1)。圖13-1彈性壓力敏感元件13.1壓力的測量1.波登管

波登管是大多數指針式壓力計的彈性敏感元件,同時也被廣泛用于壓力變送器(用于穩態壓力測量,其輸出量為電量的壓力測量裝置)中。圖13-1a所示的各種結構形式的波登管,都是橫截面為橢圓形或平橢圓形的空心金屬管子。當這種彈性管一側通入有一定壓力的流體時,由于內外側的壓力差(外側一般為大氣壓力),迫使管子截面發生由橢圓形截面向圓形變化的變形。這種變形導致C形、螺線形和螺旋形波登管的自由端產生變位,而對于扭轉型波登管來說,其輸出運動則是自由端的角位移。

雖然采用波登管作為壓力敏感元件可以得到較高的測量精確度,但由于其尺寸較大、固有頻率較低以及有較大的滯后,故不宜作為動態壓力傳感器的敏感元件。13.1壓力的測量2.膜片和膜盒

膜片是用金屬或非金屬材料制成的圓形薄片(見圖13-1b)。若膜片的斷面是平的,稱其為平膜片;若膜片的斷面呈波紋狀的,稱其為波紋膜片。將兩個膜片邊緣對焊起來,就構成膜盒;將幾個膜盒連接起來,就組成膜盒組。平膜片比波紋膜片具有較高的抗振和抗沖擊能力,在壓力測量中使用得較多。

中、低壓壓力傳感器多采用平膜片作為壓力敏感元件。這種敏感元件是周邊固定的圓形平膜片,其固定方式有周邊機械夾固式、焊接式和整體式三種(見圖13-2)。盡管機械夾固式的制造比較簡便,但由于膜片和夾緊環之間的摩擦要產生滯后等問題,故較少采用。圖13-2平膜片13.1壓力的測量

以平膜片作為壓力敏感元件的壓力傳感器,一般采用位移傳感器來感測膜片中心的變位或在膜片表面粘貼應變片來感測其表面應變。圖13-1b所示的懸鏈膜片是一種受溫度影響較小的膜片結構。當被測壓力較低,平膜片產生的變位過小,不能達到所要求的最小輸出時,可采用圖13-1b所示的波紋膜片和波紋膜盒。一般波紋膜片中心的最大變位量約為直徑的2%,它用于穩態低壓(低于幾兆帕)測量或作為流體介質的密封元件。13.1壓力的測量3.波紋管

波紋管是外周沿軸向有深槽形波紋狀皺褶、可沿軸向伸縮的薄壁管子,一端開口,另一端封閉。將開口端固定,封閉端處于自由狀態,如圖13-1c所示。在通入一定壓力的流體后,波紋管將伸長,在一定壓力范圍內其伸長量(即自由端位移)與壓力成正比。

波紋管可在較低壓力下得到較大的變位。它可測的壓力較低,對于小直徑的黃銅波紋管,最大允許壓力約為1.5MPa。無縫金屬波紋管的剛度與材料的彈性模量成正比,而與波紋管的外徑和波紋數成反比,同時剛度與壁厚成近似的三次方關系。13.1壓力的測量13.1.2常用壓力傳感器1.應變式壓力傳感器

目前常用的應變式壓力傳感器有平膜片式、圓筒式和組合式等。它們的共同特點是利用粘貼在彈性敏感元件上的應變片,感測其受壓后的局部應變,從而測得流體的壓力。

(1)平膜片式壓力傳感器圖13-3為平膜片式壓力傳感器結構示意圖。它利用粘貼在平膜片表面的應變片,感測膜片在流體壓力作用下的局部應變,從而確定被測壓力值的大小。

對于周邊固定、一側受均勻壓力p作用的平膜片,若膜片應變值很小,則可近似地認為膜片的應力(或應變)與被測壓力呈線性關系。在壓力p作用下,膜片產生徑向應變和切向應變,一般在中心貼片,并在邊緣沿徑向貼片,也可使用適應膜片應變分布的專用箔式應變花。

平膜片式壓力傳感器的優點是:結構簡單、體積小、質量小、性能價格比高等;缺點是:輸出信號小、抗干擾能力差、受溫度影響大等。圖13-3平膜片式壓力傳感器13.1壓力的測量13.1壓力的測量(2)圓筒式壓力傳感器如圖13-4所示,它一端密封并具有實心端頭,另一端開口并有法蘭,以便固定薄壁圓筒。當壓力從開口端接入圓柱筒時,筒壁產生應變。圓筒的外表面粘貼有4個相同的應變片R1、R2、R3、R4,組成四臂電橋。當筒內外壓力相同時,電橋的4個橋臂電阻相等,輸出電壓為零;當筒內壓力大于筒外壓力時,R1和R4發生變化,電橋輸出相應的電壓信號。這種圓筒式壓力傳感器常在高壓測量時應用。圖13-4圓筒式壓力傳感器13.1壓力的測量(3)組合式壓力傳感器此類傳感器中的應變片不直接粘貼在壓力感受元件上,而是采用某種傳遞機構將感壓元件的位移傳遞到貼有應變片的其他彈性元件上,如圖13-5所示。圖13-5a利用膜片1和懸臂梁2組合成彈性系統。在壓力作用下,膜片產生位移,通過桿件使懸臂梁產生變形。圖13-5b利用膜片1將壓力傳給彈性圓筒3,使之發生變形。圖13-5c利用波登管4并在壓力的作用下,自由端產生拉力,使懸臂梁2產生變形。圖13-5d利用波紋管5產生的軸向力,使梁6變形。圖13-5組合式壓力傳感器13.1壓力的測量2.壓阻式壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器(見圖13-6)是在某一晶面的單晶硅膜片上,沿一定的晶軸方向擴散上一些長條形電阻。硅膜片的加厚邊緣燒結在有同樣膨脹系數的玻璃基座上,以保證溫度變化時硅膜片不受附加應力。當硅膜片受到流體壓力或壓差作用時,硅膜片內部產生應力,從而使擴散在其上的電阻阻值發生變化。它的靈敏度一般要比金屬材料應變片高70倍左右。圖13-6壓阻式壓力傳感器13.1壓力的測量

這種壓阻元件一般只在硅膜片中心變位遠小于其厚度的情況下使用。有的傳感器使用隔離膜片將被測流體與硅膜片隔開,隔離膜片和硅膜片之間充填硅油,用它來傳遞被測壓力。

這類傳感器由于采用了集成電路的擴散工藝,因此尺寸可以做得很小。例如有的直徑只有1.5~3mm,這樣就可用來測量局部區域的壓力,并且大大改善了動態特性(工作頻率可從0到幾百千赫)。由于電阻直接擴散到膜片上,沒有粘貼層,因此零漂小、靈敏度高、重復性好。13.1壓力的測量3.壓電式壓力傳感器

圖13-7所示的膜片式壓電壓力傳感器是目前廣泛采用的一種結構。3是承壓膜片,有密封、預壓和傳遞壓力的作用。由于膜片的質量很小,而壓電晶體的剛度又很大,所以傳感器有很高的固有頻率(可高達100kHz以上),因此它是動態壓力測量中常用的傳感器。壓電式壓力傳感器工作可靠、測量范圍寬、體積小、結構簡單,并且具有較高的靈敏度和分辨率。缺點是壓電元件的預壓縮應力是通過擰緊殼體施加的,這將使膜片產生彎曲變形,導致傳感器的線性度和動態性能變壞。圖13-7膜片式壓電壓力傳感器

為克服壓電元件在預加載過程中引起膜片的變形,可采用預緊筒加載結構,如圖13-8所示。預緊筒8是一個薄壁厚底的金屬圓筒,通過拉緊預緊筒對壓電晶片組施加預壓縮應力。在加載狀態下,用電子束焊將預緊筒與芯體焊成一體。感受壓力的膜片7是后來焊接到殼體上去的,它不會在壓電元件的預加載過程中發生變形。預緊筒外的空腔內可以注入冷卻水,以降低晶片溫度,保證傳感器在較高的環境溫度下正常工作。采用多片壓電元件層疊結構是為了提高傳感器的靈敏度。13.1壓力的測量圖13-8多片層疊壓電晶體壓力傳感器13.1壓力的測量

壓電式壓力傳感器可以測量幾百帕到幾百兆帕的壓力,并且外形尺寸可以做得很小(幾毫米直徑)。這種壓力傳感器和壓電加速度計、壓電力傳感器一樣,需采用有極高輸入阻抗的電荷放大器作為前置放大,其可測頻率下限是由這些放大器所決定的。

由于壓電晶體具有一定的質量,故壓電壓力傳感器在有振動的條件下工作時,就會產生與振動加速度相對應的輸出信號,從而造成壓力測量誤差。特別是在測量較低壓力或要求較高的測量精確度時,該影響不能忽視。圖13-9為帶加速度補償的壓力傳感器。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晶體,在振動條件下,附加質量使補償壓電晶片產生的電荷與測量壓電晶片因振動產生的電荷相互抵消,從而達到補償目的。圖13-9用附加質量補償加速度的影響13.1壓力的測量4.電容式壓力傳感器

電容式壓力傳感器采用變電容測量原理,即被測壓力會引起傳感器電容極板間的面積或極距發生變化,測出變化的電容量,便可知道被測壓力的大小。電容式壓力傳感器有以下兩種:(1)差動變極距電容式壓力傳感器圖13-10是一種差動變極距電容式壓力傳感器的結構示意圖。圖13-10差動變極距電容式壓力傳感器13.1壓力的測量

感壓元件是一個全焊接的差動電容膜盒。玻璃絕緣層內側的凹球面形金屬鍍膜作為固定電極1,中間被夾緊的彈性測量膜片2作為可動電極,從而組成一個差動電容。被測壓力p1、p2分別作用于左右兩片隔離膜片3上,通過硅油4將壓力傳遞給測量膜片2。在差壓的作用下,中心最大位移為±0.1mm左右。當測量膜片2在差壓作用下向一邊鼓起時,它與兩個固定電極1間的電容量一個增大一個減小。測量這兩個電容的變化,便可知道差壓的數值。這種傳感器結構堅實、靈敏度高、過載能力大;精度高,其精確度可達±0.25%~±0.05%;儀表測量范圍為0~0.00001MPa至0~70MPa。13.1壓力的測量(2)變面積電容式壓力傳感器圖13-11所示為一種變面積式電容壓力傳感器。被測壓力作用在金屬膜片7上,通過中心柱1和支撐簧片5,使可動電極4隨簧片中心位移而動作。可動電極4與固定電極3均為金屬同心多層圓筒,其斷面呈梳齒形,其電容量由兩電極交錯重疊部分的面積所決定。固定電極3與外殼之間絕緣,可動電極4則與外殼導通。壓力引起的極間電容變化由中心柱1引至適當的變換電路,轉換成反映被測壓力的電信號輸出。膜片中心位移不超過3mm,膜片背面為無硅油的封閉空間,不與被測介質接觸,可視為恒定的大氣壓,故僅適用于壓力測量,而不能測量壓差。圖13-11變面積電容式壓力傳感器13.1壓力的測量5.諧振式壓力傳感器

諧振式壓力傳感器是利用感壓元件本身的諧振頻率與壓力的關系,通過測量頻率信號的變化來檢測壓力的,有振筒式、振弦式、振膜式、石英諧振式等多種形式。以下以振筒式壓力傳感器為例說明。

振筒式壓力傳感器的感壓元件是一個薄壁圓筒,圓筒本身具有一定的固有頻率,當筒壁受壓張緊后,其剛度發生變化,固有頻率相應改變。在一定的壓力作用下,變化后的振筒頻率可以近似地表示為式中fp——受壓后的振筒頻率; f0——固有頻率;

α——結構系數; p——被測壓力。13.1壓力的測量

傳感器由振筒組件和激振電路組成,如圖13-12所示。振筒用低溫度系數的恒彈性材料制成,一端封閉為自由端,開口端固定在基座上,壓力由內側引入。絕緣支架上固定著激振線圈和檢測線圈,兩者空間位置互相垂直,以減小電磁耦合。激振線圈使振筒按固有的頻率振動,受壓前后的頻率變化可由檢測線圈檢出。

這種儀表體積小、輸出頻率信號、重復性好、耐振;精確度為±0.1%和±0.01%;測量范圍為0~0.014MPa至0~50MPa;適用于氣體測量。圖13-12振筒式壓力傳感器結構示意圖13.1壓力的測量6.位移式壓力傳感器

位移式壓力傳感器是將彈性式壓力敏感元件與其他元件相連,壓力轉換為位移等參量,進而轉換為電量,常見的有以下幾種:(1)電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器一般由兩部分組成,一部分是彈性元件,用來感受壓力并把壓力轉換成位移量,另一部分是由線圈和銜鐵6組成的電感式傳感器。電感式壓力傳感器可分為自感型和差動變壓器型。圖13-13為其結構原理圖。圖13-13電感式壓力傳感器13.1壓力的測量

圖13-13a為膜盒4與變氣隙式自感傳感器構成的壓力傳感器,流體壓力使膜盒4變形,從而推動固定在膜盒自由端的銜鐵上移而引起電感變化。圖13-13b為膜盒4與差動變壓器2構成的微壓力傳感器。銜鐵6固定在膜盒的自由端。無壓力時,銜鐵6在差動變壓器線圈的中部,輸出電壓為零。當被測壓力通過接頭輸入膜盒4后,膜盒4變形推動銜鐵6移動,使差動變壓器2輸出正比于被測壓力的電壓。13.1壓力的測量(2)霍爾式壓力傳感器霍爾式壓力傳感器一般由兩部分組成,一部分是彈性元件(波登管、膜盒等),用來感受壓力并把壓力轉換成位移量,另一部分是霍爾元件和磁路系統。通常把霍爾元件固定在彈性元件上,當彈性元件在壓力作用下產生位移時,就帶動霍爾元件在均勻梯度的磁場中移動,從而產生霍爾電動勢。圖13-14為霍爾式壓力傳感器的結構原理圖。它是用霍爾元件把波登管的自由端位移轉換成霍爾電動勢輸出。霍爾式壓力傳感器結構簡單、靈敏度較高,可配通用的儀表指示,還能遠距離傳輸和記錄。圖13-14霍爾式壓力傳感器13.1壓力的測量(3)光電式壓力傳感器利用彈性元件和光敏元件可組成光電式壓力傳感器,如圖13-15所示。當被測壓力p作用于膜片時,膜片中心處位移引起兩遮光板中的狹縫一個變寬,一個變窄,導致折射到兩光敏元件上的發光強度一個增強,一個減弱。把兩光敏元件接成差動電路,差動輸出電壓可設計成與壓力成正比。圖13-15光電式壓力傳感器原理圖13.1壓力的測量(4)光纖式壓力傳感器在壓力測量中,微壓及微差壓力的傳感技術一直是一個難題,特別是為獲得與其相應的靈敏度及可靠性方面存在一些難點。采用光纖傳感器技術可得到較好的效果。圖13-16所示是一種光纖式壓力傳感器的原理圖。將一個具有一定反射率且質地柔軟的反射鏡貼在承受壓力(壓差)的膜片上,當壓(差)力使膜片發生微小變形時,便會改變反射鏡所反射的入射光的發光強度,從而測得其壓(差)力。圖13-16光纖式壓力傳感器原理圖13.1壓力的測量13.1.3壓力測量裝置的校準

一般用靜態校準來確定壓力傳感器或壓力測量系統的靜態靈敏度等各種靜態性能指標,而用動態校準來確定其動態響應特性。1.壓力測量裝置的靜態校準

壓力測量裝置的靜態校準一般采用靜重比較法,即標準砝碼的重力通過已知直徑和質量的柱塞,作用于密閉的液體系統,從而產生的標準壓力為式中p——標準壓力(Pa); gn——當地的重力加速度(m/s2);

M1——標準砝碼的質量(kg); M2——柱塞的質量(kg);D——柱塞直徑(m)。此標準壓力作用于壓力傳感器的敏感元件上,實現靜態校準。13.1壓力的測量

常用的靜態壓力校準裝置為圖13-17所示的活塞壓力計。使用時打開貯油器6的進油閥7,將液壓缸的活塞退至最右側,使整個管道充滿油液。然后關閉閥門7,并分別打開通向被校準壓力計和測量缸3的閥門,搖動手輪使壓力缸1的活塞左移,壓縮油液2。當測量柱塞4連同標準砝碼5在壓力油的作用下上升到規定的高度后,使砝碼5和測量柱塞4一起旋轉,以減小柱塞和缸體之間的摩擦力。此時即產生由式(13-2)所確定的標準壓力,增減砝碼的數量可改變此壓力值。

在進行低壓高精確度的靜態壓力校準時,還要計及砝碼所受到的空氣浮力。圖13-17活塞壓力計示意圖13.1壓力的測量2.壓力測量裝置的動態校準

通常壓力測量裝置的動態校準有兩種目的:一是確定壓力測量裝置的動態響應,以便估計動態誤差,必要時可進行動態誤差的修正;二是考慮有些壓力測量裝置的動態靈敏度與靜態靈敏度不同,因此必須由動態校準確定靈敏度。

所謂動態壓力校準,就是利用波形和幅值均能滿足一定要求的壓力信號發生裝置,向被校準的壓力測量裝置輸入動態壓力,通過測量其響應,而得到輸入和輸出間的動態關系。壓力信號發生裝置一般有正弦壓力信號發生器和瞬態壓力信號發生器兩類。前者測量及信號處理都比較簡單,但它僅適用于低壓和低頻的情況;后者則是目前應用最廣泛的動態壓力信號發生裝置,這里只討論這種裝置。

瞬態壓力信號發生器是指能產生階躍或脈沖壓力信號的裝置。對于動態壓力校準而言,目前階躍壓力信號發