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力、力矩、压力测量

力、力矩、压力测量. 7.1 概念 7.1.1 力 （ 1 ）什么是力 ? 力是物体之间的相互作用。各种机械运动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 动力效应 ：力改变物体的机械运动状态； 力的 静力效应： 造成物体的变形。. （ 2 ）力矩、扭矩、转矩（ torque ） 力矩是力和力臂的乘积。 力矩能使物体转动，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。 轴在转矩作用下会发生扭曲变形，材料内部会产生剪切应力和应变，也称为扭矩。. （ 3 ）压力 垂直作用于单位面积上的力

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力、力矩、压力测量

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  1. 力、力矩、压力测量

  2. 7.1 概念 7.1.1 力 （1）什么是力? 力是物体之间的相互作用。各种机械运动是力或力矩传递的结果，因此力是最重要的物理量之一； 力的动力效应：力改变物体的机械运动状态； 力的静力效应：造成物体的变形。

  3. （2）力矩、扭矩、转矩（torque ） • 力矩是力和力臂的乘积。 • 力矩能使物体转动，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。 • 轴在转矩作用下会发生扭曲变形，材料内部会产生剪切应力和应变，也称为扭矩。

  4. （3）压力 垂直作用于单位面积上的力 P=F/A单位 : 帕斯卡（Pa） 1Pa=1N/m2 大气压力: 由于大气重力，包围地球的大气对单位面积的地球表面施加的压力。简称气压。它随天气情况，海拔高度和纬度而变。

  5. 绝对压力（Absolute pressure）: 相对于绝对真空所测得的压力。 表压（Gauge pressure）: 相对于大气压力的差压。绝对压力和大气压力之间的差压。 正压力（ Positive pressure）：绝对压力高于大气压力时的表压，简称正压。 负压力（ Negative pressure）：绝对压力低于大气压力时的表压，简称负压。 真空（ Vacuum）：低于大气压力的绝对压力。 :

  6. 7.2 测量方法 7.2.1 力的测量方法 （1） 根据静力或动力效应 静力效应---- 测量物体的机械变形或利用与力有关的物理效应； 动力效应--- 根据牛顿第二定律：F=ma

  7. （2）根据不同的结构和仪器来划分 1. 力平衡的方法（Force balance methods ） 物体处于静态平衡时，绕某一轴线的顺时针方向的力矩等于逆时针方向的力矩。 2. 弹性元件的方法（Elastic element methods） 3. 压力方法（Pressure methods）

  8. 力、力矩 电信号 机械变形 应变 弹性元件 传感器 弹性元件的方法 各种弹性元件：最简单的就是弹簧。 电阻应变计是广泛使用的一种方法。

  9. 典型的弹性体结构: 柱状测力仪

  10. 应变片的相对变形 : Δl-------应变片的总变形 l--------应变片的基长 F------作用力 A------弹性元件的工作面积 E------弹性元件的弹性模量 σ------弹性元件的工作应力

  11. 应变片的灵敏度 ----弹性元件的泊松系数 弹性体的总应变：

  12. 测力仪电压灵敏度（mv/v）: 通常选k=2 [σ]：材料的许用应力 [σs]：材料的屈服极限 kn： 超载系数 强度校核或弹性体截面设计

  13. 例题：电压灵敏度1mV/V，负荷力50KN，应变片灵敏度系数k为2， 求正方形截面的柱式弹性体的截面尺寸。

  14. 悬臂梁 Applied force 测力环

  15. 电阻应变式测力仪原理框图

  16. 其他测力的方法 (1) 压电式测力仪 利用压电材料(石英晶体、压电陶瓷）的压电效应，将被测力转换为与其成正比的电荷量输出； 石英晶体：性能稳定、动态响应好，机械强度高，线性范围宽，多用于高精度高大量程测量, mN~MN。 压电陶瓷：压电常数远高于压电晶体，价格便宜，用途广泛 dij: 压电常数 主要用于动态力测量

  17. 多分量式

  18. 压磁式测力仪（Piezomagnetic dynamometry） 压磁效应：工业纯铁、硅钢等铁磁材料在机械力的作用下磁导率发生变化； 硅钢受压缩时，其导磁率沿应力方向下降，而沿应力的垂向增加；在受拉伸时，导磁率变化正好相反。 可测很大负荷，达1M牛以上，精度1％。

  19. 7.2.2 力矩测量 • 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（转矩）测量常常和功率、转速测量联系在一起。 力所作的功=力×在力方向上的位移 每秒所作的功 P=F×2rn= 旋转轴所传递的功率 P=2nT=T，= 2n F: 半径 r处的切向力 T: 作用在轴上使其旋转的力矩

  20. 力矩测量的基本方法： （1）传递法（Transmission method ） （扭轴法）：转矩使弹性轴产生扭转变形 （2）力平衡法（Force balance method ） （3）能量转换法（Power transformation method）: E1=E2+ΔE，测量各种电机的转矩； 电动机： 发电机： P为输入功率，k为单位系数，n为转速，η为电动机效率 P2为输出功率

  21. 一、传递法测力矩 （1）当力矩作用在弹性轴上，轴会产生扭曲变形、剪切应变和应力 G: 材料的切变模量；: 扭转角；IP : 极惯性矩

  22. 测量扭转角: 测量剪切应力  : 测量轴的应变: 45、135: 沿着和轴成45o、135o夹角方向的主应变。

  23. 1.电阻应变式转矩仪 在被测轴上，沿轴线的45。或135。方粘贴应变片，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： 对方形截面轴： G为转轴的切变模量

  24. 精度高±(0.2-0.5)%，重复性好，测量范围宽5～50000N·m精度高±(0.2-0.5)%，重复性好，测量范围宽5～50000N·m

  25. 2、相位差式转矩测量仪 θ为两齿轮的 相对转角 z为齿数 • 测量范围可达0.2-105 N·m，精度±（0.1-0.2）%

  26. 二、力平衡法测力矩 利用平衡力矩M0去平衡被测力矩M，从而求得M的方法。 只能测量匀速工作情况的转矩，不能测量动态转矩。

  27. 由测量轴2、静压空气支承3、角位移传感器5、力矩电动机4和标准电阻Ro及电路组成。由测量轴2、静压空气支承3、角位移传感器5、力矩电动机4和标准电阻Ro及电路组成。

  28. 7.2.3 压力测量 定义：垂直均匀地作用于单位面积上的力称为压力，又称压强。压力测量仪表用来测量气体或液体压力，又称压力表或压力计。 压力测量方法的分类 1. 液体式压力计（Manometers） • U形管（U-tube manometer） • 槽式压力计（ The cistern manometer ） • 倾斜式U形管（The inclined tube manometer） 2. 弹性式压力计（Diaphragms） • 波顿管（Bourdon tubes）

  29. 3、 力平衡式（Force-balance ） 负荷式压力计（Dead-weight tester） 4、电气式压力仪（Electrical pressure gauge） • 电阻应变式 • 压电式 • 压阻式 • 电容式 • 电感式

  30. 一、液体式压力计 P2 根据流体静力学原理 P1 U形管

  31. 水、酒精和水银是常用的液体。 测量范围： 20 Pa to 140KPa 精度： 1%. 温度影响--------液体的膨胀

  32. P2 P1 A1 d h H A2 槽式压力计（Cistern manometer） 只需测量一边液面的变化

  33. P2 P1 d x H h  倾斜式压力计（The inclined tube manometer ） 起始液面没有压力差 A2<<A1，可近似为：

  34. 二、弹性式压力计（Diaphragms） 根据弹性元件受力变形原理并利用机械结构将变形量放大。

  35. 波顿管（Bourdon tubes）

  36. 三、负荷式压力计（force balance gauge） 提供做压力基准器 校准压力表：20Pa～ 2000kPa 基于静力平衡原理进行压力测量

  37. 被校准压力表安装上后，转动手轮，使油压系统压力升高，直到活塞被顶起。被校准压力表安装上后，转动手轮，使油压系统压力升高，直到活塞被顶起。 M：砝码质量 A：活塞有效面积

  38. 四、电测式压力测量仪表 • 利用金属或半导体的物理特性将压力转换为电压、电流信号或电荷信号输出，或是将弹性体的形变转换为电阻量、电容量、电感量、频率量等电学量输出。 • 类别：压电式、压阻式、应变式、电感式、电容式等。 • 精确度可达0.02级，测量范围从数十帕至700兆帕不等。

  39. 1、 电感式（磁阻式）弹性压力计 ( Reluctance diaphragm gauge ）

  40. 2、电容式弹性压力计 根据压力类型的不同可测绝对压力或差压。

  41. 式中，E为弹性膜片的弹性模量；u为材料的泊松比式中，E为弹性膜片的弹性模量；u为材料的泊松比

  42. 7.2.3 真空测量 (vacuum measurement) 真空：小于大气压力的压力。即低于 1.013×105 Pa的压力。 工程应用中，常采用单位：托（torr）。 1mmHg=133.322Pa=1 torr 绝对压力越低，真空度越高。

  43. 真空划分(10-12~105) • 粗真空 103～105Pa • 低真空103～10-1Pa • 高真空10-1～10-6Pa • 超高真空10-6～10-12Pa • 极高真空<10-12Pa

  44. 现在真空技术在生产、科研中的用途愈来愈广，在整个真空范围内所采用的测量方法也是多种多样的。现在真空技术在生产、科研中的用途愈来愈广，在整个真空范围内所采用的测量方法也是多种多样的。 按测量方法的原理来分可以分为： • 基于力的作用原理：U形管，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。

  45. （1）液柱式真空计 最简单的真空计。 U形管中盛上水银, 一端接真空系统，另一端为大气。随着系统中真空度的升高，U形管真空侧的液面在大气作用下随之上升。 真空度p=pa-h，其中p为系统中真空度，pa为大气压值，h为两液面之差。

  46. （2） 压缩式真空计 玻义耳-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。 PV=C（常数）（T不变时） 或 P1V1＝P2V2=…=PnVn 利用波义耳定律，将被测真空系统中一定的残余气体加以压缩，比较压缩前后体积、压力的变化，即能算出真空度。

  47. 1874年由麦克劳研制，故命名为麦克劳真空计，简称麦氏计。1874年由麦克劳研制，故命名为麦克劳真空计，简称麦氏计。 • 麦氏计是一种绝对真空计； • 测量范围为1.3x103-1.3×10-8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。 麦克劳真空计

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