1、11.1 力與扭矩的測(cè)量,11.1.1 力的測(cè)量,原理：力的靜力效應(yīng)和動(dòng)力效應(yīng),靜力效應(yīng)：彈性物體受力作用后產(chǎn)生相應(yīng)變形,動(dòng)力效應(yīng)：一定質(zhì)量的物體受到力的作用時(shí)， 其動(dòng)量發(fā)生變化,測(cè)量方法：比較法 直接比較法，測(cè)量精度取決于分級(jí)密度 和基準(zhǔn)量的準(zhǔn)確度。只適于靜態(tài)測(cè)量。 間接比較法，測(cè)量精度取決于傳感器的 質(zhì)量和標(biāo)定精度。適用于靜態(tài)/動(dòng)態(tài)測(cè)量。,第11章 其他機(jī)械參量測(cè)量,1，測(cè)力傳感器：,（1）應(yīng)變式測(cè)力傳感器,利用靜力效應(yīng)測(cè)力的位移型傳感器。測(cè)力彈性元件有柱式、環(huán)式、梁式等。,右圖為測(cè)量壓縮力的柱式應(yīng)變片測(cè)力頭的典型構(gòu)造,（2）壓電式測(cè)力傳感器,靜態(tài)特性好，動(dòng)態(tài)特性好，穩(wěn)定性好，但長(zhǎng)時(shí)間測(cè)靜

2、力將產(chǎn)生較大誤差。,（3）壓磁式測(cè)力傳感器,輸出功率大，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，適合多種環(huán)境。,（4）壓阻式測(cè)力傳感器,靈敏度高，動(dòng)態(tài)特性好，可靠性高，橫向效應(yīng)小，受溫度影響大，靈敏系數(shù)不是常數(shù)。,2，力測(cè)量典型事例之一切削力測(cè)量,靈敏度 、非線性度 、穩(wěn)定性 、靜剛度 、互干擾度 、 頻率響應(yīng)特性 、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、體積小、重量輕 、密封好,（1）切削測(cè)力儀應(yīng)具備的性能,（2）典型切削力測(cè)量系統(tǒng),（3）常用切削力測(cè)量?jī)x（根據(jù)彈性元件劃分）,懸臂梁式（兩分力）,桁條式（單分力）,彈性膜板式（三分力）,八角環(huán)式（三分力）,3，力測(cè)量典型事例之二瞬態(tài)沖擊力的測(cè)量,（2）瞬態(tài)沖擊力測(cè)量的特點(diǎn),a，沖擊過程

3、的作用和持續(xù)時(shí)間很短，要求測(cè)量?jī)x器響應(yīng)要快，上升時(shí)間短。 b，沖擊作用強(qiáng)度大，要求測(cè)量?jī)x器動(dòng)態(tài)范圍大。 c，沖擊波頻譜連續(xù)，包含所有頻率成分，要求測(cè)量?jī)x器有較寬的頻率范圍。 d，要求顯示記錄設(shè)備具有捕捉瞬態(tài)信號(hào)的能力。,（1）瞬態(tài)沖擊力測(cè)量的原理,動(dòng)力效應(yīng),加速度,瞬態(tài)沖擊力,沖擊波形的測(cè)量 系統(tǒng)主要組成：壓電加速度計(jì)、電荷放大器、記憶示波器,沖擊脈沖的頻譜分析 系統(tǒng)主要組成：壓電加速度計(jì)、電荷放大器、頻譜分析儀,（3）瞬態(tài)沖擊力主要測(cè)量參數(shù)及其測(cè)量系統(tǒng)的組成,沖擊加速度的測(cè)量 系統(tǒng)主要組成：壓電加速度計(jì)、電荷放大器、峰值電壓表,11.1.2 扭矩的測(cè)量,1，扭矩的分類,扭矩的時(shí)間歷程：扭矩隨

4、時(shí)間的變化過程,扭矩,動(dòng)態(tài)扭矩,靜態(tài)扭矩,靜止扭矩,恒定扭矩,緩變扭矩,微脈動(dòng)扭矩,振動(dòng)扭矩,過渡扭矩,隨機(jī)扭矩,扭矩不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化很小,扭矩隨時(shí)間變化很大,（時(shí)間歷程）,2，扭矩測(cè)量的基本原理,（1）應(yīng)變測(cè)扭矩,在扭矩M 的作用下，軸體表面沿與軸線成450和1350角方向上的主應(yīng)力在數(shù)值上與軸體表面的最大扭應(yīng)力相等。,45,135。,M,M,軸體表面應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖,*傳遞法（扭軸法）、平衡力法（反力法）及能量轉(zhuǎn)換法,（2）轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩,在扭矩M 的作用下，扭角與扭矩M 成正比。電磁耦合將扭角信號(hào)耦合成電信號(hào)，再經(jīng)定標(biāo)輸出扭矩值。,M,M,l,A,軸體扭轉(zhuǎn)角變位簡(jiǎn)圖,3，典型扭矩測(cè)量傳感

5、器,（1）電磁齒（柵）式扭矩傳感器,扭矩,扭角,兩路電信號(hào),檢測(cè)相差,磁電式扭矩檢測(cè)頭,（2）應(yīng)變片式數(shù)字扭矩傳感器,穩(wěn)定電源,應(yīng)變電橋,放大器,V/F轉(zhuǎn)換器,發(fā)光二極管,光敏三極管,T扭矩輸出 n 轉(zhuǎn)速輸出,信號(hào)電路,勵(lì)磁電源,能源環(huán)行變壓器,15V,變壓器 信號(hào)環(huán)行,齒輪盤,應(yīng)變扭矩傳感器原理圖（虛線內(nèi)為旋轉(zhuǎn)部分）,（3）光電式扭矩傳感器,4 轉(zhuǎn)速測(cè)量,5 功率測(cè)量,6 虛擬式扭矩、轉(zhuǎn)速、功率、機(jī)械效率測(cè)量?jī)x,QLVNJ-2型虛擬式扭矩、轉(zhuǎn)速和功率測(cè)量?jī)x,11.2 溫度的測(cè)量,根據(jù)感溫部分的測(cè)溫原理不同可將測(cè)溫儀分為： 接觸式測(cè)溫儀： 利用熱平衡原理，傳感器和被測(cè)對(duì)象直接接觸， 使二者處于

6、同一熱平衡狀態(tài)，具有同一溫度 非接觸式測(cè)溫儀 ：利用熱輻射原理，傳感器部和被測(cè)對(duì)象接觸,傳統(tǒng)測(cè)溫儀的組成：感溫部分、顯示機(jī)構(gòu),7個(gè)基本物理量之一,接觸式和非接觸式測(cè)溫儀特點(diǎn),11.2.1 接觸法測(cè)溫,根據(jù)傳感器的不同，有：熱電阻測(cè)溫儀、熱電偶測(cè)溫儀、 膨脹式測(cè)溫儀、數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫儀,1，熱電阻測(cè)溫儀,分類：金屬絲熱電阻測(cè)溫儀、熱敏電阻測(cè)溫儀,測(cè)溫原理、組成：,鉑電阻測(cè)溫方框圖,A,A/D,RAM,CPU,顯示,測(cè)溫理論：感溫元件的電阻與溫度的關(guān)系特性,a,列表法,快速、準(zhǔn)確。計(jì)算機(jī)查表比計(jì)算的速度快得多，快速查表算法的應(yīng)用。但有可能在表中找不到對(duì)應(yīng)的值。,表格法標(biāo)定,b,作圖法,可由列表法

7、所得。但這里指的是感溫元件電阻與溫度的關(guān)系圖。,c,內(nèi)插法分段曲線擬合,建立在列表法的基礎(chǔ)上，關(guān)鍵在于分段和多項(xiàng)式的階數(shù)設(shè)置。分段的合適與否以及多項(xiàng)式是否設(shè)為合適的階數(shù)，都會(huì)影響測(cè)試儀的精度。通常由表格可以得到如下表達(dá)的擬合曲線：,但是一個(gè)函數(shù)關(guān)系式無法準(zhǔn)確地表達(dá)整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)的電壓溫度函數(shù)關(guān)系，這就要求分段，分別對(duì)每一段進(jìn)行擬合，使得每一段用不同的多項(xiàng)式來表示，但段與段之間多項(xiàng)式的聯(lián)接是光滑的。這種方法稱為分段曲線擬合。當(dāng)多項(xiàng)式的次數(shù)為1次時(shí)，就變成了分段線性擬合，此時(shí)分段應(yīng)適當(dāng)，以獲得較高的精度 。得到如下所示的方程組：,2，熱電偶測(cè)溫儀,利用受熱時(shí)熱電偶閉合回路產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)的原理。在兩種

8、不同成分的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成的閉合回路中，如果它們的兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同，則回路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，稱之為熱電勢(shì)。它的大小和兩端的溫度差有關(guān)。A、B焊接成對(duì)后稱之為熱電偶。 熱電偶接點(diǎn)可通過軟焊、銅焊、熔焊或簡(jiǎn)單加壓等方法固定到被測(cè)表面上。絕緣的熱電偶絲應(yīng)與表面等溫部分緊密接觸，它既要正確傳輸固體表面的真實(shí)溫度又不干擾表面溫度。下面是熱電偶和被測(cè)表面的幾種連接方式：,接點(diǎn)直接固定在表面上,置于集熱包內(nèi)的接點(diǎn),固定在槽內(nèi)的接點(diǎn),固定在管閉弦向孔內(nèi)接點(diǎn),3，膨脹式測(cè)溫儀,4，數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫儀,熱電偶溫度儀測(cè)量回路,利用物質(zhì)的熱膨脹性質(zhì)與溫度的物理關(guān)系。按制造材料可分為：液體膨脹式（玻璃液

9、體測(cè)溫儀）、氣體膨脹式（壓力式測(cè)溫儀）、固體膨脹式（雙金屬測(cè)溫儀）。,t,+,_,+,_,_,+,1,2,4,3,5,1熱電偶 2補(bǔ)償導(dǎo)線 3補(bǔ)償器 4普通導(dǎo)線 5 顯示裝置,11.2.2 非接觸法測(cè)溫,1，紅外測(cè)溫儀,紅外測(cè)溫的基本原理也是斯蒂芬-波爾慈曼定律。 根據(jù)任何物體只要它的溫度在絕對(duì)零度以上，都不斷地發(fā)射紅外線，由斯蒂芬-波爾慈曼定律可知：物體溫度越高，輻射功率越大，它們之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系。如果測(cè)出物體所發(fā)射的紅外輻射功率，則可確定其溫度，此即紅外測(cè)溫的依據(jù)。,紅外測(cè)溫優(yōu)點(diǎn) ：,測(cè)溫響應(yīng)速度快。 測(cè)溫靈敏度高。 測(cè)溫范圍寬。,紅外測(cè)溫儀測(cè)溫的原理結(jié)構(gòu),2，雙色測(cè)溫儀（比色高溫

10、計(jì)）,比色高溫計(jì)的實(shí)質(zhì)是顏色測(cè)溫法。由于溫度上升時(shí)，黑體輻射的光譜向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)，因此其輻射光波顏色也變化。這樣某對(duì)應(yīng)的兩個(gè)溫度，有兩對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，有兩對(duì)應(yīng)的亮度，它們的比值隨溫度變化著。 比色高溫計(jì)就是利用黑體輻射的兩波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的亮度比=非黑體的相應(yīng)亮度比，這時(shí)的黑體溫度就為非黑體的顏色溫度（比色溫度）。 同樣被測(cè)物體的真實(shí)溫度也要進(jìn)行換算。,一般黑度,光電比色高溫計(jì)工作原理圖,3，光纖測(cè)溫,a,串迅光纖溫度傳感器,b,波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖溫度傳感器,波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光纖溫度傳感器系統(tǒng)原理框圖,光纖連接器,LED,放大器,光纜,光纖,充電 二極管,除法器,光纖探測(cè)器,傳感器晶體,11.2.3 虛擬式測(cè)溫儀,

11、虛擬式測(cè)溫儀是用虛擬儀器技術(shù)改造傳統(tǒng)測(cè)溫儀，使測(cè)溫儀具有更強(qiáng)大的功能，比如監(jiān)視、存儲(chǔ)、趨勢(shì)估計(jì)、邏輯控制等等。儀器系統(tǒng)通過前端感溫裝置的傳感元件，將被測(cè)對(duì)象的溫度轉(zhuǎn)換為電壓或電流等模擬信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路進(jìn)行功率放大、抗混濾波處理后，變成可被數(shù)據(jù)采集卡采集的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。在數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并在數(shù)據(jù)采集指令下將其送入計(jì)算機(jī)總線，在PC機(jī)內(nèi)利用已經(jīng)安裝的虛擬儀器軟件可對(duì)采集的數(shù)據(jù)做各種所需的功能處理。在需要的情況下，可將處理好的數(shù)據(jù)或圖形在打印設(shè)備上打印輸出。 虛擬式測(cè)溫儀系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分由前端感溫裝置（如溫度一體化變送器，溫度探測(cè)器等）、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)系統(tǒng)和打印設(shè)備組成，主要提供實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)采集、轉(zhuǎn)化、處理、