模块三 力的测量

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1、模块三 力的测量n 力普遍存在于日常生活中。在科学研究和工农业生产中，力更是起着重要的作用。n 在生产过程中，压力检测与调节控制系统的应用非常广泛，例如锅炉蒸汽和水的压力监控；炼油厂减压蒸馏需要的低于大气的真空压力检测;在航空发动机试验研究中，为了研究发动机性能，必须测量过渡态的压力变化；电力系统中油路压力的测量和控制等。对压力监控是保证工艺要求、生产设备和人身安全，实现经济运行所必须的。n 检测力的传感器主要有电阻应变式传感器、压电式传感器、电容式传感器、压阻式传感器、电感式传感器等，本项目主要介绍电阻应变式电阻应变式和压压电式测力传感器电式测力传感器。课题一 应变式传感器 电阻应变片（也称

2、应变计或应变片）是电阻应变片（也称应变计或应变片）是电阻应电阻应变式传感器的变式传感器的核心元件，核心元件，它是一种电阻传感器，它是一种电阻传感器，主要由弹性敏感元件或试件、电阻应变片和测量主要由弹性敏感元件或试件、电阻应变片和测量转换电路组成。转换电路组成。 它是把应变转换为电阻变化，再用相应的测它是把应变转换为电阻变化，再用相应的测量电路将电阻转换成电压输出的传感器。利用电量电路将电阻转换成电压输出的传感器。利用电阻应变式传感器可以直接测量力，也可以间接测阻应变式传感器可以直接测量力，也可以间接测量位移、形变、加速度等参数。量位移、形变、加速度等参数。 常用的电阻应变片有常用的电阻应变片有

3、电阻丝应变片电阻丝应变片和和半导体半导体应变片应变片两种两种。一、应变效应一、应变效应 电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械形导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械形变时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为变时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应应变效应”。 由电工学可知，金属丝电阻由电工学可知，金属丝电阻R可用下式表示：可用下式表示：式中式中 电阻率，电阻率，m； l电阻丝长度，电阻丝长度，m； A电阻丝截面积，电阻丝截面积，m2。 实验证明，电阻应变片的电阻应变实验证明，电阻应变片的电阻应变R=R/

4、R与电阻应变片的纵向应变与电阻应变片的纵向应变x的关系的关系在很大范围内是线性的，即在很大范围内是线性的，即式中式中 R/ R 电阻应变片的电阻应变；电阻应变片的电阻应变； K 电阻丝的灵敏度。电阻丝的灵敏度。二、电阻应变片的结构、材料与分类二、电阻应变片的结构、材料与分类 电阻应变片的典电阻应变片的典型结构如图所示，由型结构如图所示，由敏感栅、基底、覆盖敏感栅、基底、覆盖层和引线等部分组成层和引线等部分组成。电阻应变片的分类：电阻应变片的分类：三三 电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器的测量电路 R1为电阻应变片，为电阻应变片，R2、R3、R4为电桥固定为电桥固定电阻，这就构成了单臂电

5、桥。电阻，这就构成了单臂电桥。 n=1时，为最大值时，为最大值 当电源电压当电源电压U和电阻相对变化量一定时，电桥的输出电压也是和电阻相对变化量一定时，电桥的输出电压也是定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。)(4443322110RRRRRRRRUU)(443210KUU单臂半桥时：单臂半桥时：KUU40E双臂半桥双臂半桥：R1、R2均为相同应变测量片，又互为补偿片。有应变时，一片受拉，另一片受压，此时阻值为R1+R1R1+R1和R2-R2R2-R2，KURRUU22110全桥电路：全桥电路：UKRRUU110四四 常见的弹性敏感元件的类型常见的弹性敏感元件的类型（

6、1）弹簧管）弹簧管常见的压力弹簧管有单圈弹簧管（又称包端管、波登管或C型管）、多圈（螺旋）弹簧管和S型弹簧管。 弹簧管的结构通常是一种弯成圆弧形的空心扁管，其横截面为椭圆形或扁圆形，其开口端与接口焊接在一起，其自由端封闭。当被测压力的介质进入弹簧管内腔时，其自由端产生位移，此位移通过传动放大机构带动指针，从而指示出压力。 螺旋弹簧管能产生特别大的位移，故多用于压力记录式仪表，而S形弹簧管其端部能产生直线位移，所以多用于较高压力的测量。（2）膜片及膜盒）膜片及膜盒膜片是一种沿外缘固定的片形测压弹性敏感元件，按剖面形状分为平膜片和波纹膜片。 平膜片是具有一定厚度的扁平面圆形薄片，多用于测量变动压力

7、，在远传压力表和差压变送器上常见到这种位移很小的膜片。波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄膜，其波纹的数目、形状、尺寸及分布视膜片用途与测量范围而定。膜盒是将两个金属膜片对合，并将其外缘焊接而成的测压弹性敏感元件。膜盒按内腔与大气是否连通分为开口、闭口两类，并可根据不同需要，以不同方式将多个膜盒串联在一起，组成膜盒组。 （3）波纹管）波纹管波纹管是一种具有轴对称、圆筒形、等间距环状波纹、能沿轴向伸缩的测压弹性敏感元件。它在轴向力、横向力和弯矩作用下都能产生相应的位移，因此在许多技术领域中都能得到应用。五、电阻应变式传感器的应用五、电阻应变式传感器的应用电阻应变式纱线张力测试装置1、电阻应变式

8、纱线张力测量、电阻应变式纱线张力测量 在纱线加工过程中，随着纱线张力变化，悬臂梁相应地产生与张力成比例的应变，而使电阻应变片产生相应的变形，并输出相应的R/R，因而破坏了电桥平衡，由此输出放大的电压信号。此电压信号再经动态电阻应变仪放大、检波、滤波后，输出一个放大的并与应变成比例的电压信号，最终由函数记录仪在感光纸上描绘成脉冲图形。 筒式压力传感器 2、筒式压力传感器、筒式压力传感器 当被测压力与应变管的内腔相通时，应变管部分产生应变， 在薄壁筒上贴2片应变计做工作片，实心部分贴2片应变计做温度补偿应变片。没有压力作用时，这4片应变片构成的全桥处于平衡；当外部压力作用于应变管内腔时，圆管发生形

9、变，使全桥失去平衡。这种压力传感器测量范围在106Pa107Pa或更高的压力。其结构简单，制作方便，使用面宽，在测量火炮、炮弹、火箭的动态压力方面得到了广泛应用。3、膜片压力式传感器、膜片压力式传感器 测量气体或液体压力的膜片式压力传感器如图所示。 圆形膜片的固定方式，可采用如图所示嵌固形式，也可以采用与外壳做成一体的形式。膜片压力传感器的工作原理是，当气体或液体压力作用在弹性元件膜片的承压面上时，膜片变形，使粘贴在膜片另一面的电阻应变片随之形变，并改变阻值。这时测量电路中的电桥失去平衡，产生输出电压。图中所示贴在圆筒内壁上的应变片为温度补偿应变片。 组合式压力式传感器4、组合式压力传感、组合

10、式压力传感 组合式压力传感器用于测量小压力，结构图如图3-14所示，由波纹膜片、膜盒、波纹管等弹性敏感元件构成。电阻应变计粘贴在梁的跟部感受应变。当元件感受压力后，推动推杆使梁变形，从而使电阻应变片随之变形，并改变阻值。悬臂梁的刚性较大，用于组合式压力传感器，可以提高测量的稳定性，减小机械滞后。5、力和扭矩传感器、力和扭矩传感器 下下图所示列出了几种力和扭矩传感器的弹性敏感元件。拉伸应力作用下的细长杆和压缩应力作用下的短粗圆柱体如图所示。测量时都可以在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向上布置同样数目的应变片。后者拾取符号相反的横向应变，从而构成差动式。 弯曲梁和扭转轴上的应变片也均可购成差分

11、式，如图c、d 所示。 另外用环状弹性敏感元件测拉(压)力也是较普遍的， 如右图所示。应变式加速度传感器 6、应变式加速度传感器、应变式加速度传感器 应变式加速度传感器如图所示。它由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁跟部的应变片、基座及外壳等组成。应变式加速度传感器是一种惯性式传感器。测量时，根据所测振动体的方向，将传感器粘贴在被测部位。当被测点的加速度沿图中所示箭头方向时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块m向加速度a相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。认识几种应变式传感器认识几种应变式传感器六、计算六、计