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1、第八章 力、力矩和压力的测量,信息与控制学院仪器系,1,信息与控制学院仪器系,1,8.1 概述,力概念：力是物质之间的相互作用。各种机械运动实质都是力或力矩传递的结果，因此力是最重要的物理量之一。力的效应,信息与控制学院仪器系,2,力的单位：牛顿（N）,8.1 概述,力矩、转矩、扭矩力矩：力矩是力和力臂的乘积转矩：力矩会使机械零部件转动，也称为转矩 对于一个旋转轴，转矩T=F*r，F是在半径r处的切向力扭矩：在转矩的作用下，机械零部件会发生一定程度的扭曲 变形，又称为扭转矩单位：牛顿米（N.m）,信息与控制学院仪器系,3,8.1 概述,压力概念：由静止的流体垂直作用在给定单位面积A上的力F称为
2、 该给定处的压力单位：帕斯卡（Pa）1Pa=1N/m2常用的名词术语大气压力：围绕地球的大气层对地球表面单位面积上所产生的压力，即大气自重所产生的压力，也称气压 气压随气象情况、海拔高度、地理纬度不同而变化 标准大气压：温度为0，纬度为45海平面上，重力加速度为 9.80665m/s2时的压力,信息与控制学院仪器系,4,8.1 概述,压力常用的名词术语表压力：以环境大气压作参考压力的差压，它是绝对压力与大气压力之差。常用的压力测量仪表测得的压力值都是表压力绝对压力：相对绝对真空所测得的压力，它是表压力和大气压力之和正压力：绝对压力高于大气压的表压力，通常称为压力,信息与控制学院仪器系,5,8.
3、1 概述,压力常用的名词术语负压力：绝对压力低于大气压时，大气压力与绝对压力之差真空：低于大气压力的绝对压力 当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值，其绝对值称为真空，此时绝对压力越小，真空度越高,信息与控制学院仪器系,6,信息与控制学院仪器系,7,8.1 概述,8.2 力的测量,力的测量方法,信息与控制学院仪器系,8,动力效应,静力效应,力的动力效应使物体产生加速度，测定了物体的质量及所获得的加速度大小就测定了力值,力的静力效应使物体产生变形，通过测定物体的变形量或用与内部应力相对应参量的物理效应来确定力值,8.2 力的测量,力的测量装置电阻应变式测力计压电式测力仪压磁式测力仪,信息与控制学
4、院仪器系,9,8.2 力的测量,电阻应变式测力仪工作原理：利用粘贴有电阻应变片的弹性体，在外力作用下产生应变，将其应变量经电桥电路转换成电量，再经电路处理显示出被测的作用力值。,信息与控制学院仪器系,10,8.2 力的测量,电阻应变式测力仪典型弹性体的结构型式,信息与控制学院仪器系,11,柱型,薄壁环型,8.2 力的测量,电阻应变式测力仪典型弹性体的结构型式,信息与控制学院仪器系,12,悬臂梁型,固定梁型,8.2 力的测量,电阻应变式测力仪柱型弹性体,信息与控制学院仪器系,13,R1、R3沿轴向粘贴，R2、R4沿横向粘贴,在负荷作用下应变片处弹性体的轴向应变为：,8.2 力的测量,电阻应变式测
5、力仪柱型弹性体,信息与控制学院仪器系,14,R1、R3沿轴向粘贴，R2、R4沿横向粘贴,8.2 力的测量,电阻应变式测力仪柱型弹性体,信息与控制学院仪器系,15,为电桥供桥电压,通常取0.52.5mV/V，其意义是在单位供电桥电压Ui下传感器的额定负荷的输出电压，它是测力传感器设计的原始依据。,8.2 力的测量,电阻应变式测力仪柱型弹性体测力传感器的截面尺寸的设计步骤：选定传感器电压灵敏度，得到计算实际应变量强度校核：在满足电压灵敏度要求下，所产生的应力是否小于材料的许用应用，一般取=s/3，s为屈服极限,信息与控制学院仪器系,16,8.2 力的测量,压磁式测力仪压磁效应（磁弹性效应）：由工业
6、纯铁、硅钢等铁磁材料制成的铁心在机械力的作用下磁导率发生变化,信息与控制学院仪器系,17,在铁心上安置一对线圈一励磁线圈（12）和测量线圈（34），两线圈的平面相互垂直。,8.2 力的测量,压磁式测力仪,信息与控制学院仪器系,18,在励磁线圈中通以交变电流时，铁磁体中就产生一定大小的磁场。若无外力作用，则磁感应线相对于测量线圈对称分布，合成磁场强度平行于测量线圈的平面，磁感应线不与测量线圈相交，故无感应电势输出。,当有压缩力F作用于铁心时，铁心磁导率改变，磁感应线的分布发生变化，有部分磁感应线与测量线圈相交，测量线圈被励磁线圈中的磁场交链而输出与外力大小成比例的感应电势，作用力越大，交链的磁通
7、越多，感应电势越大。,8.2 力的测量,压磁式测力仪,信息与控制学院仪器系,19,压磁式测力仪可以测量很大的负荷，达1MN以上。过载能力强，一般在300%左右，在极限负荷下静态测量误差不超过示值的1%。,8.2 力的测量,压电式测力仪压电效应 正压电效应：机械能转成电能 一些离子型晶体的电介质，在沿一定方向上受到外力的作用时，不仅几何尺寸会发生变化，其内部会产生极化现象，从而导致在它的两个相对表面上出现正负相反的束缚电荷。当外力去掉后，又会恢复到不带电的原状。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。,信息与控制学院仪器系,20,8.2 力的测量,压电式测力仪压电效应,信息与控制学院仪器系,
8、21,信息与控制学院仪器系,21,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。,8.2 力的测量,压电式测力仪工作原理：利用压电材料的压电效应，将被测力经弹性元件转换为与其成正比的电荷量输出，通过测量电路测出输出电荷，从而实现对力值的测量。用途：适用于动态力的测量 石英晶体测力传感器的特点？,信息与控制学院仪器系,22,8.3 力矩的测量,测量目的对旋转轴测量力矩，可以确定输出的功，也可以监测剪切应力下的材料失效 力矩的测量常常和功率、转速测量联系在一起,信息与控制学院仪器系,23,8.3 力矩的测量,转矩的
9、测量方法传递法：利用转矩使弹性轴产生扭转变形的方法力平衡法：利用平衡转矩去平衡被测转矩能量转换法：按照能量守恒定律来测量力矩,信息与控制学院仪器系,24,8.3 力矩的测量,传递法根据弹性元件在传递扭矩时产生的物理参量的变化（变形、应力或应变）来测量其转矩,信息与控制学院仪器系,25,8.3 力矩的测量,传递法,信息与控制学院仪器系,26,8.3 力矩的测量,传递法力矩测量装置电阻应变式转矩仪 在转轴上或直接在被测轴上，沿轴线的45或135方向将应变片粘贴上，当转轴受转矩M作用时，应变片产生应变，其应变量与转矩M成线性关系。对空心圆柱形轴：对方型截面轴：G为转轴的弹性模量,信息与控制学院仪器系
10、,27,8.3 力矩的测量,传递法力矩测量装置电阻应变式转矩仪,信息与控制学院仪器系,28,精度高，重复性好，测量范围宽：550000N.m 但它的安装要求高，调试技术复杂，易受温度影响，告诉测量误差大。,8.3 力矩的测量,传递法力矩测量装置相位差式转矩测量仪,信息与控制学院仪器系,29,8.3 力矩的测量,力平衡法当转轴受转矩作用时，机体上必定同时作用着方向相反的平衡力矩，因此测量出机体上的平衡力矩就可以知道被测转矩的大小M=M0=Fl。利用杠杆式平衡力矩法测量转矩：以重力为W的砝码及臂长l的杠杆去平衡被测力矩M该方法只能用于测量匀速 工作情况的转矩，不能用 来测量动态转矩,信息与控制学院
11、仪器系,30,8.3 力矩的测量,能量转换法它是通过测量其他与转矩有关的能量系数（如电能系数）来确定被测力矩大小的。E1=E2+E E1：输入力矩产生的能量 E2：机构输出能量 E：转换过程中损耗的能量 对电动机，其转矩M与输入能量或功率P、转速n、电动机效率的关系为M=P/(kn),信息与控制学院仪器系,31,8.3 力矩的测量,能量转换法根据能量转换法制作的测力矩仪一般多用于测量各种电机的转矩。因其影响因素较多，测量误差大，所以只有测量电参数的电机转矩测量仪应用较多。,信息与控制学院仪器系,32,8.4 压力的测量,测量方法以流体静力学原理为基础制成的液压式测压法根据弹性元件受力变形原理并
12、利用机械机构将变形量放大的弹性变形测压法基于静力平衡原理与作用在已知面积上重量相比较的负荷测压法通过弹性元件制成测力传感器将被测压力转换成电阻量、电感量、电容量、频率量等各种电学量测压力的方法。,信息与控制学院仪器系,33,8.4 压力的测量,测量仪表液体式压力计弹性式压力表负荷式活塞压力计电气式压力仪表,信息与控制学院仪器系,34,8.4 压力的测量,液体式压力计工作原理：根据流体静力平衡原理，将被测压力与一定高度的工作液体产生的重力相平衡，采用液柱的高度差来测量压力的仪器可用液体：水银、蒸馏水、乙醇 所用液体不能与被测介质起化学作用，并使其分界面具有清晰的分界线，便于判别读数。,信息与控制
13、学院仪器系,35,8.4 压力的测量,液体式压力计U形管压力计,信息与控制学院仪器系,36,测量范围：20Pa140KPa精度：1%,8.4 压力的测量,弹性式压力计工作原理：基于弹性元件（单圈/多圈弹簧管、膜盒、膜片、波纹管等）受压后产生的位移与被测压力呈一定函数关系的原理制成的。,信息与控制学院仪器系,37,8.4 压力的测量,弹性式压力计弹簧管压力表,信息与控制学院仪器系,38,基于弹性元件受压后产生的位移与被测压力呈一定函数关系的原理制成的 被测压力迫使弹簧管2自由端5位移，位移量由曲柄连杆6、扇形齿轮4和小齿轮1构成的机械式传动机构放大，转换成指针的旋转在度盘上指示出被测压力值。,8
14、.4 压力的测量,弹性式压力计,信息与控制学院仪器系,39,8.4 压力的测量,弹性式压力计磁阻式弹性压力计,信息与控制学院仪器系,40,8.4 压力的测量,弹性式压力计,信息与控制学院仪器系,41,8.4 压力的测量,负荷式压力计工作原理：基于静力平衡原理进行压力检测,信息与控制学院仪器系,42,校准压力表20Pa2000kPa,8.4 压力的测量,负荷式压力计,信息与控制学院仪器系,43,当被校准的压力仪表安装上后，转动手轮9，使油压系统压力升高，直至活塞2被顶起，这时压力表的指示值应等于砝码重力W和砝码盘及活塞重力W0的总重力处理活塞有效面积AP=(W+W0)/A,8.4 压力的测量,电
15、气式压力仪表电容式压力传感器,信息与控制学院仪器系,44,左图所示的是由圆形固定电极和弹性膜片组成的平行平板电容器。当弹性膜片在均匀的压力p作用下，膜片产生位移，即固定极板与膜片构成了变间隙式电容测压传感器。,8.4 压力的测量,电气式压力仪表电容式压力传感器,信息与控制学院仪器系,45,8.4 压力的测量,电气式压力仪表电位计式压力仪,信息与控制学院仪器系,46,8.4 压力的测量,真空的测量定义：凡是低于标准大气压的称为低压或真空单位：一般以绝对压力来表示，单位为托 绝对压力越小，真空程度越高划分：粗真空(105103)Pa，低真空(10310-1)Pa 高真空(10-110-6)Pa，超
16、高真空(10-610-12)Pa 极高真空(10-12)Pa,信息与控制学院仪器系,47,8.4 压力的测量,真空的测量测量仪器按用途的分类真空计：主要用于测量低于大气压稀薄气体的压力分压强计：主要用于真空系统内气体组成的分析和分压强 的测量检漏计：主要用于检测真空系统或器件的泄露,信息与控制学院仪器系,48,8.4 压力的测量,真空的测量测量方法的分类基于力的作用原理：U形波纹管，波登管式，波纹管式，膜片式；基于压缩作用原理：麦氏真空计；基于导热作用原理：电阻真空计，热电偶真空计；基于电离作用原理：热阴极式，冷阴极式，放射性真空计,信息与控制学院仪器系,49,8.4 压力的测量,真空的测量U
17、形管真空计,信息与控制学院仪器系,50,一根由玻璃管制成的U形管中盛上水银或油，U形管的一端接到真空系统上，另一端为大气。随着系统中真空的度的升高，U形管真空侧的液面在大气作用下随之上升。这样依据两罐中液面的高度差，就可以测得真空系统的真空度。,8.4 压力的测量,真空的测量压缩式真空计基于玻意尔-马略特定律,信息与控制学院仪器系,51,玻意尔-马略特定律：对于一定质量的气体，在其温度保持不变时，它的压强和体积成反比，或者说其压强P与它的体积V的乘积为一常量，即PV=C（常数）（T不变时）,8.4 压力的测量,真空的测量压缩式真空计,信息与控制学院仪器系,52,1874年由麦克劳研制，故命名为
18、麦克劳真空计，它是一种绝对真空计。测量范围为1.310-8-1.3x103帕，精度高，可作为其它真空计的标准。主要由毛细管A、毛细管B、玻璃泡、导液管、水银瓶构成。,8.4 压力的测量,真空的测量压缩式真空计,信息与控制学院仪器系,53,毛细管A、玻璃泡及下面一段管子（到a-a面为止）的体积为V1玻璃泡和毛细管A中气体被压缩到毛细管A的顶部，其体积为V2根据波义耳定律:pV1=(p+h)V2其中p为真空系统中压强,8.4 压力的测量,真空的测量热导式真空计工作原理：气体压强低于某一定值时，气体的导热系数K与P成正比。K=bP b：比例常数用途：是一种测量低真空的真空计,信息与控制学院仪器系,5
19、4,8.4 压力的测量,真空的测量热导式真空计 假设灯丝由导热损失的热量与加热电流I所产生的热量平衡时，灯丝温度不变。其平衡方程为：R为灯丝电阻；E1为气体分子迁移热量；E2为辐射迁移热量；E3为引出导线的迁移热量。若由于压力p减小使E1减小，当I不变时，平衡方程将失去平衡，使灯丝温度变化。由此可根据灯丝温度来衡量压力的变化。,信息与控制学院仪器系,55,8.4 压力的测量,真空的测量热导式真空计,信息与控制学院仪器系,56,根据测定气体热传导方法的不同，热导式真空计分为电阻真空计和热电偶真空计两种。,8.4 压力的测量,真空的测量电阻真空计（皮喇尼真空计）,信息与控制学院仪器系,57,由电阻
20、式规管和测量电路两部分组成。电阻规管内封装一只电阻温度系数较大的电阻丝，常用的有钨丝和铂丝。测量时规管与被测真空计系统相连。在较低的压力（小于13.3Pa）时，热电阻丝的电阻值取决于周围气体的压强。,8.4 压力的测量,真空的测量热电偶真空计,信息与控制学院仪器系,58,热偶真空计由热偶式规管和测量电路组成。热偶规管主要由玻璃壳、铂丝、热电偶构成。铂丝通以恒定电流加热热电偶，其温度为100-200。热电势的大小与温度大小有一定的函数关系，只要测出热电势即可决定其温度差，由此可以获知被测真空的大小。,8.4 压力的测量,真空的测量热电偶真空计,信息与控制学院仪器系,59,热偶计只能测量低真空；真
21、空度再高时，压强变化与气体热传导无关，故不能用于高真空测量。,8.4 压力的测量,真空的测量电离真空计,信息与控制学院仪器系,60,电离真空计是诞生于1916年，由巴克利首先研制成功。以后不断地改进，使其测量范围达到1.310-21.310-5帕,变成了高真空区域广泛使用的真空计。这种真空计可以远距离测量，易于实现自动记录及控制，由于有炽热的灯丝，不适于测高氧气体。,8.4 压力的测量,真空的测量电离真空计,信息与控制学院仪器系,61,电离真空计是通过在稀薄气体中引起电离，然后利用离子电流测量压力。在气体中如果有动能足够大的电子与气体分子相碰撞，它可以从气体分子中击出一个或几个电子使气体分子成
22、为正离子。把这种正离子收集到一个电极上使其产生离子电流，在稀薄气体中，它与气体压力有关。,8.4 压力的测量,真空的测量电离真空计,信息与控制学院仪器系,62,电离规管由阴极（灯丝）、螺旋型栅极（加速极）和圆筒形收集极构成。测量时规管与被测真空系统相连。通电后阴极加热所发射的电子在带正电的加速极作用下，以加速度运动。当电子的动能足够大，在飞向加速度极的路途中管内低压气体分子碰撞，即可气体分子电离。电离产生的电子和正离子分别在加速极和收集极上形成电流和离子流。,8.4 压力的测量,真空的测量电离真空计,信息与控制学院仪器系,63,当压力足够低时，离子电流与电子电流之比正比于气体的压力,式中k为规管的灵敏度，由于用电离真空计测量压力时，电子电流保持不变，故,Thank You!,
