力压力和位移测量课件.ppt

1、第七章第七章机械工程测试技术机械工程测试技术力、压力和位移测量（力、压力和位移测量（2）内容1、力传感器及其测量技术、力传感器及其测量技术2、流体压力传感器及其测量技术、流体压力传感器及其测量技术3、位移传感器及其测量技术、位移传感器及其测量技术重点：重点：掌握各种常见的力、压力和位移测量方法掌握各种常见的力、压力和位移测量方法1、力测量?力物体对物体的作用：物体对物体的作用：物体变形；物体运动物体变形；物体运动单位：牛顿（单位：牛顿（N）、千牛（）、千牛（kN）、公斤（）、公斤（kg）1 kg 9.8 N分类：静力、动态力分类：静力、动态力应用：称重、应变、扭矩应用：称重、应变、扭矩?1、力

2、测量?应变式应变式柱式及筒式测力传感器柱式及筒式测力传感器?结构结构敏感元件敏感元件弹性柱弹性柱/筒筒力作用在轴向产生变形1弹性柱（筒）弹性柱（筒）2应变片应变片转换元件转换元件应变片应变片3横向定位膜片横向定位膜片4传感器体传感器体转换电路转换电路电桥电桥工作方式：受压式、受拉式工作方式：受压式、受拉式力的作用点或方向造成横向力力的作用点或方向造成横向力-产生产生附加弯矩附加弯矩-造成测力误差造成测力误差采用径向刚度大大高于轴向刚度的横向采用径向刚度大大高于轴向刚度的横向定位膜片定位膜片特点特点:体积小、结构紧凑、构造简单、可以承受很大的载荷体积小、结构紧凑、构造简单、可以承受很大的载荷?1

3、、力测量?F应变式应变式剪切梁式测力传感器剪切梁式测力传感器?剪切力结构结构R1(R3)R2(R4)?敏感元件敏感元件剪切梁剪切梁受力F作用，在梁的切向产生剪切力（沿梁的方向等强度分布）切应力切应力与梁的中心轴线成与梁的中心轴线成45o方向有拉伸和压缩应力方向有拉伸和压缩应力?转换元件转换元件应变片应变片贴在梁侧面与中心轴成45度并相互垂直的位置上?转换电路转换电路电桥电桥R1、R3受拉伸?增加；R2、R4受压缩?减小减小全桥测量全桥测量特点：体积小、结构简单、线性好、测量精度高特点：体积小、结构简单、线性好、测量精度高1、力测量?压电式压电式动态动态力传感器力传感器?引线引线传感器体传感器体

4、电极电极压电元件压电元件?结构结构敏感元件敏感元件弹性膜片弹性膜片受力F作用，弹性膜片传递力转换元件转换元件压电元件压电元件F弹性膜片弹性膜片?转换电路转换电路电压放大器电压放大器受频率以及电缆影响，一般精度测量受频率以及电缆影响，一般精度测量电荷放大器电荷放大器几乎不受电缆长度影响，高精度测量几乎不受电缆长度影响，高精度测量1、力测量?压电式压电式动态动态力传感器力传感器?应用应用?电荷泄漏电荷泄漏不可用于静态、准静态信号的测量不可用于静态、准静态信号的测量（频率下限由后续放大器性质决定）在振动最小错误的 正确的 电缆应在振动最错误正确点离开试件点离开试件?减小电缆的影响减小电缆的影响固定好

5、传感器的引出电缆选用低噪声的同轴电缆?接地问题接地问题消除接地回路：绝缘连接、单点接地?转换电路转换电路1、力测量?测力装置的动态测量测力装置的动态测量?动态误差动态误差负载效应负载效应：改变：改变/影响了被测体状态，造成力测量的误差影响了被测体状态，造成力测量的误差直接利用被测系统的直接利用被测系统的构件作为测力装置的弹性元件?测量装置阻尼力及惯性力的影响（弹性测量装置阻尼力及惯性力的影响（弹性质量）质量）测量装置为测量装置为二阶系统二阶系统，其频率特性不满足不失真测量，其频率特性不满足不失真测量在整个频率范围内进行全面标定和校准在整个频率范围内进行全面标定和校准1、力测量?测力装置的动态测

6、量测力装置的动态测量?交叉干扰交叉干扰多向测力，相互影响多向测力，相互影响精心设计弹性元件，使变精心设计弹性元件，使变形合理形合理正确选择应变片粘贴部位正确选择应变片粘贴部位利用修正来减小交叉干扰利用修正来减小交叉干扰?频率特性频率特性校准校准1、力测量?LC05系列产品系列产品?测量动态、短期静态的振动和冲击力，机械结构的拉伸和压缩力测量动态、短期静态的振动和冲击力，机械结构的拉伸和压缩力与激振器配合，能够测量和控制激振力与激振器配合，能够测量和控制激振力与加速度、速度传感器配合，可测量机械阻抗与加速度、速度传感器配合，可测量机械阻抗 型型号号 LC0501 LC0502 LC0503 LC

7、0504 灵灵敏敏度度 pC/N 量量程程压压缩缩/拉拉伸伸 重重量量 gm 4 4 4 4 5/1 kN 50/20 kN 100 kN 300kN 22 50 100 200 LC05 系系列列有有如如下下共共同同指指标标：1.固固有有频频率率40 kHz 2.线线性性度度1%FS 3.绝绝缘缘电电阻阻1012 2、流体压力测量?流体压强单位面积上所受到的流体作用力，即单位面积上所受到的流体作用力，即垂直作用力垂直作用力/面积面积工程上则习惯于称其为工程上则习惯于称其为“压力压力”单位：单位：Pa(帕、帕、N/m2)、兆帕（、兆帕（MPa）应用：气压、液应用：气压、液/油压油压?2、流体压

8、力测量P0P?U U形管压力计测量技术形管压力计测量技术原理：压力平衡原理：压力平衡U U形管形管定量工作液体定量工作液体若一端通压力（或大气）P0，另一端接被测压力P22被测介质被测介质11工作液体工作液体hP?P?h(?)012?h为两侧的液面差值为两侧的液面差值,为为重度（密度密度x g重力加速度）被测介质（如气体）重度远小于工作液体的重度：P?P?h.?0?11越小，h就越大,说明选用密度较小的工作液体，可以提高压力计的灵敏度。2、流体压力测量?U U形管压力计测量技术形管压力计测量技术精度：取决于精度：取决于刻度刻度及及读数读数的方式的方式一般U形管压力计读数刻度的最小单位是1mm配

9、备光学读数装置，提高读数精度P0P?适用范围适用范围测量低压负压或压差22被测介质被测介质11工作液体工作液体h?优点优点:结构简单、使用方便、价格低廉缺点缺点:玻璃管易破碎、体积偏大、读数不方便2、流体压力测量?U U形管压力计测量技术形管压力计测量技术误差误差环境条件的影响环境条件的影响?读数标尺因温度变化会膨胀或收缩?工作液体比重也会受当地温度和重力加速度的影响安装的影响：安装的影响：自由悬挂毛细管现象的影响毛细管现象的影响?管内的毛细现象:将使液柱产生附加的升高或降低，其值取决于工作液的种类、温度及管子内径?要求所用液柱管的内径不能太细读数方面的影响读数方面的影响?由于液体与固体间表面

10、张力的影响，玻璃管中水银柱液体是凸起的，而水面则是下凹的?读数时，应注意从凸面或凹面的顶点算起?2、流体压力测量?斜管微压计斜管微压计结构：结构：U形管的垂直管倾斜到夹角，放大了读数P?PL?sin?0?精度精度：读数最小单位是0.1mm0.1mm适用范围：适用范围：专供测量微小压力的实验用仪器?实际应用时实际应用时可以改变，可以改变，越小，灵敏度越高越小，灵敏度越高?液面拉得也越长，会影响读数的准确性，并且液面拉得也越长，会影响读数的准确性，并且太小太小会使压力测量范围过小会使压力测量范围过小?一般一般不小于不小于15150 02、流体压力测量?弹性式压力计：弹性式压力计：波登管、膜片、波纹

11、管波登管、膜片、波纹管波登管波登管:指针式压力计的弹性敏感元件横截面为空心椭圆形或扁圆形的金属管通入有一定压力的流体时，管内外的压力差迫使管 截面趋于圆形，导致波登管封闭的自由端产生线位移或角位移横截面纵横直径比愈大，波登管灵敏度越高，但强度降低?优点是：测量精度高，可测兆帕级压力缺点是：尺寸大，固有频率较低，不宜作为动态测量2、流体压力测量?弹性式压力计：弹性式压力计：波登管、膜片、波纹管波登管、膜片、波纹管膜片膜片:中低压压力计的敏感元件在压力作用下，迫使膜片产生相应的弹性变形位移位移借助连杆组经传动机构的传动并予放大?齿轮?指针在膜片表面粘贴应变片来感测其表面应变?平膜片:周边固定的弹性

12、膜片,最低阶固有频率与膜片厚度、膜片半径、膜片材料的密度、弹性膜量等许多因素有关波纹膜片和膜盒：灵敏度高2、流体压力测量?弹性式压力计：弹性式压力计：波登管、膜片、波纹管波登管、膜片、波纹管波纹管波纹管:指针式压力计的弹性敏感元件在压力作用下，迫使波纹管轴向产生相应的弹性变形在压力作用下，迫使波纹管轴向产生相应的弹性变形位移位移?特点：在较低的压力下得到较大的变位，灵敏适用介质：液体，空气，天然气及相容气体黄铜波纹管、不锈钢波纹管2、流体压力测量?动态流体压力测量动态流体压力测量应变式应变式弹性元件：悬链膜片、平膜片等转换元件：采用应变片来感受弹性元件受压后的局部变形转换电路：电桥常用应变式压

13、力传感器?悬链膜片-应变筒式平膜片式2、流体压力测量?动态流体压力测量动态流体压力测量应变式应变式:SPTA系列系列?敏感元件采用合金材料与箔式自补敏感元件采用合金材料与箔式自补偿应变片组成全桥电路，内装高精偿应变片组成全桥电路，内装高精度、低噪声、低漂移集成放大器度、低噪声、低漂移集成放大器输出信号可达输出信号可达 5V,5V,可解决小信号的远可解决小信号的远距离传输距离传输精度高，稳定性好，结构简单，使精度高，稳定性好，结构简单，使用方便用方便适用于气体，液体及腐蚀介质的静适用于气体，液体及腐蚀介质的静态及缓变压力参数的测量态及缓变压力参数的测量1V;3V;5V0.10.3%F.S/10压

14、力范围压力范围系统精度系统精度00.5;0.6;0.8;1;3;6;10;15;20;25;60MPa0.10.3%F.S输出电压输出电压零点温漂零点温漂灵敏度温漂灵敏度温漂工作环境温度工作环境温度重量重量0.10.3%F.S/10-40+90约约130克克供电电压供电电压过载能力过载能力负载阻抗负载阻抗15VD.C120%10K2、流体压力测量?动态流体压力测量动态流体压力测量压阻式压阻式弹性元件：单晶硅平膜片转换元件：沿一定晶轴方向扩散着一些长条形电阻一些长条形电阻应变片转换电路：电桥?特点：灵敏度比一般金属应变片高的多2、流体压力测量?动态流体压力测量动态流体压力测量压电式压电式弹性元件

15、：膜片式转换元件：压电元件引线引线壳体壳体?转换电路：电荷放大器绝缘绝缘?传感器有很高的固有频率电极电极压电元件压电元件膜片膜片压力压力2、流体压力测量?动态流体压力测量动态流体压力测量压电式：压电式：6301?测量液体、气体的缓变和速变压力测量液体、气体的缓变和速变压力?主要技术指标主要技术指标压力范围：压力范围：6Mpa 最大压力：最大压力：10MPa 灵灵 敏敏 度：度：210-4pC/Pa非线性度：非线性度：1%满量程满量程迟迟 滞：滞：0.5%满量程满量程谐振频率：谐振频率：125kHz上升时间：上升时间：2.4s电电容：容：8pF绝缘电阻：绝缘电阻：1012温度范围：温度范围：-1

16、96+200重重 量：量：24.5g2、流体压力测量?动态流体压力测量动态流体压力测量压电式：压电式：AKAK系列系列?采用外壳和膜片为一体的采用外壳和膜片为一体的圆膜片结构圆膜片结构频响高，精度高，性能稳频响高，精度高，性能稳定可靠定可靠适用于各种动、静态，气、适用于各种动、静态，气、液体介质的压力测量液体介质的压力测量尺寸小，安装方便尺寸小，安装方便?连接螺纹：连接螺纹：M20M201.51.5?最小外形尺寸最小外形尺寸?10?10?2、流体压力测量?压力传感器标定压力传感器标定?静态标定：确定传感器的静态指标静态标定：确定传感器的静态指标?灵敏度灵敏度非线性度、重复性非线性度、重复性精度

17、精度量程量程频率响应特性频率响应特性?动态标定动态标定?2、流体压力测量?压力传感器标定压力传感器标定静态标定静态标定仪器：标准活塞压力计仪器：标准活塞压力计以作用在某一以作用在某一确定面积上的已知重力确定面积上的已知重力来平衡被测压力的来平衡被测压力的确定的柱塞面积、精确的标准砝码确定的柱塞面积、精确的标准砝码柱塞柱塞压力计压力计油杯油杯标定传感器标定传感器砝码砝码H压力压力油缸油缸手轮手轮工作原理工作原理被标定：压力计、传感器被标定：压力计、传感器油杯手轮油缸活塞油杯手轮油缸活塞充油充油砝码手轮砝码手轮?H砝码砝码/标准压力标准压力（确定面积上的已知重力确定面积上的已知重力）?高精度：高精

18、度：0.02、0.05、0.2、0.5?宽量程：标准砝码宽量程：标准砝码柱塞座柱塞座阀门阀门油缸活塞油缸活塞2、流体压力测量?压力传感器标定压力传感器标定静态标定静态标定应变式、压阻式压力传感器应变式、压阻式压力传感器?均匀、逐步加载和卸载均匀、逐步加载和卸载?加砝码时要避免因冲击引起的压力值的过冲加砝码时要避免因冲击引起的压力值的过冲滞后特性滞后特性?压电式压力传感器压电式压力传感器?测量系统具有足够高的绝缘电阻，以防止电荷的泄露测量系统具有足够高的绝缘电阻，以防止电荷的泄露?为提高标定精度，标定过程中采用为提高标定精度，标定过程中采用快速卸载法快速卸载法2、流体压力测量?压力传感器标定压力

19、传感器标定动态标定动态标定标准激励信号标准激励信号?周期函数：如正弦波、三角波等周期函数：如正弦波、三角波等以正弦波为常用，如正弦压力信号发生器以正弦波为常用，如正弦压力信号发生器低压、低压、低频率低频率?瞬变函数：如阶跃波、半阶跃波等瞬变函数：如阶跃波、半阶跃波等以阶跃波最常用，适用于高频范围标定以阶跃波最常用，适用于高频范围标定2、流体压力测量?压力传感器标定压力传感器标定动态标定动态标定标准激励信号：激波管装置标准激励信号：激波管装置高压气源高压气源刺膜机构刺膜机构激波管高压管段激波管高压管段压力表压力表膜片膜片触发点触发点低压管段低压管段触发点触发点传感器传感器工作原理工作原理被标定：

20、传感器被标定：传感器高压气源高压气源?激波管激波管高压管段高压管段?压力表压力表形成一定的压力形成一定的压力刺膜机构刺膜机构?膜片膜片?音速激波音速激波?低压管段低压管段?传感器传感器阶跃激励阶跃激励阶跃压力波：阶跃压力波：10MPa3、位移测量?位移位移?物体移动的距离物体移动的距离微小移动距离：毫米纳米微小移动距离：毫米纳米?单位：单位：mm(毫米毫米)、m(微米微米)传感器类型传感器类型?电感式传感器电感式传感器涡流式传感器涡流式传感器电容式传感器电容式传感器3、位移测量M21i(t)x?电感式传感器电感式传感器(单边单边)差动变压器差动变压器结构：结构：2组线圈、一根铁芯组线圈、一根铁

21、芯u2?N2N1线圈线圈1通入交变电流通入交变电流i(t)，在线圈附近空间产生磁通，通过，在线圈附近空间产生磁通，通过耦合，从而在线圈耦合，从而在线圈2产生感生电压产生感生电压U2，则，则?M21是两线圈之间的互感和铁芯的位置有关是两线圈之间的互感和铁芯的位置有关当铁心在两个线圈的孔中左、右移动时，当铁心在两个线圈的孔中左、右移动时，u2随之变化，但随之变化，但是与是与x之间的关系呈现之间的关系呈现非线性非线性，灵敏度也低，灵敏度也低实用中常采用双边实用中常采用双边差动差动变压器结构改善其变压器结构改善其非线性非线性d(M21.i(t)u2?dtM21i(t)x3、位移测量?u2?N2N1电感

22、式传感器电感式传感器双边（三段式）差动变压器双边（三段式）差动变压器结构：结构：初级线圈、完全对称的反极性串联的次级线圈、衔铁铁芯铁芯 初级初级骨架骨架绝缘杆绝缘杆?次级开路时输出：与铁心次级开路时输出：与铁心位移、速度位移、速度成正比成正比i()t?isin?t1mu2k.i(.x?.cos?t?v.sin?t)o?mm3、位移测量?电感式传感器电感式传感器?双边（三段式）差动变压器双边（三段式）差动变压器?双边差动变压器双边差动变压器特性曲线特性曲线缺点缺点：一个输出，对应两个输入：一个输出，对应两个输入改善改善：后接：后接相敏相敏检波器检波器?线性度：非线性度可达到线性度：非线性度可达到

23、0.1?用途：小位移用途：小位移1020mm?优点：输出功率大，性能稳定优点：输出功率大，性能稳定精度高精度高x0零点零点UT残余电压残余电压理论实际Uoox3、位移测量励磁励磁外壳外壳滑动支架滑动支架?电感式传感器电感式传感器二段式差动变压器二段式差动变压器大位移测量：数百毫米大位移测量：数百毫米结构：激励线圈结构：激励线圈2x感应线圈铁芯感应线圈铁芯在中心位置：感应电压等值反向激励电流以及输出电压：it()?I?isin?t0mu2ki.(.v?x.?.cos?t?v.sin?t)cd?I0mmim感应线圈感应线圈L输出：输出：ucd感应线圈感应线圈R铁芯铁芯速度速度(低频低频)位移位移(

24、载波载波)速度速度(载波载波)3、位移测量?电感式传感器电感式传感器二段式差动变压器二段式差动变压器大行程测量仪结构图it()?I?i sin?t0mu2ki.(.v?x.?.cos?t?v.sin?t)cd?I0mmim?第一个分量是低频信号，其频率与v相同，可用于测量速度第二个分量是调幅信号（正比于位移x），可作为位移测量信号第三个分量是调幅信号（正比于位移v），相差90o，相敏滤去3、位移测量?国产差动变压器传感器主要技术参数国产差动变压器传感器主要技术参数型号1型5型10型15型30型50型200型010 5、0100 10、0200 15、0300 30、0600 50、01000

25、200、0400量程（mm）线性度（）0.50.80.81111分辨力（m）121010202030灵敏度DC(mv/mm)60060030010027015050输出DC(v)0.6331.588103、位移测量?涡流式传感器涡流式传感器工作原理工作原理结构：变压器结构：变压器-变互感变互感原边原边激励线圈激励线圈次边次边输出短路的一匝输出短路的一匝/环路环路间隙间隙控制互感控制互感/耦合耦合导导体体?电涡流线圈等效阻抗电涡流线圈等效阻抗Z=R+jLZ=f（i1、f、?、?、t、?）Z和距离和距离?、导体、导体?、?、t有关有关3、位移测量?铁磁材料铁磁材料：导磁率大大于空气的：导磁率大大于

26、空气的材料（铁氧体、钕铁硼，钐钴）材料（铁氧体、钕铁硼，钐钴）非磁材料非磁材料：铜、铝：铜、铝涡流式传感器涡流式传感器工作原理工作原理谐振电路谐振电路C1谐振电容谐振电容L、R等效电感及电阻等效电感及电阻谐振频率以及阻抗谐振频率以及阻抗?0?1LC1(Q?)0L/R2Zab?RQ?，互感为，互感为0，Zab峰值最大峰值最大，Zab峰值降低（回路失谐）峰值降低（回路失谐）12?阻抗下降（阻抗下降（a、b）3、位移测量?涡流式传感器涡流式传感器测量系统测量系统晶 体 振荡器UeRUx放大检波滤波UoLC1ZUx?UeR?Z?灵敏度取决于：灵敏度取决于：被测面材料、被测面形状被测面材料、被测面形状标

27、定标定优点：非接触测量优点：非接触测量、线性好，工作范围宽，分辨率小、线性好，工作范围宽，分辨率小缺点：灵敏度缺点：灵敏度稍低于稍低于电容式传感器电容式传感器3、位移测量?涡流式传感器涡流式传感器一体化电涡流位移/振动传感器（内置前置器）常用的涡流探头前置器3、位移测量?涡流式传感器涡流式传感器涡流传感器涡流传感器:3300传感器?量程 0.252.3mm灵敏度 7.87V/mm频响 010 kHz 精度 4线性 0.0254mm 供电-24Vdc,12mA 温漂 10(22177)3、位移测量?涡流式传感器涡流式传感器eddyNCDT 3300 电涡流位移传感器电涡流位移传感器?线性量程:2

28、 mm绝对误差绝对误差:0.25%FSO分辨率:0.005%FSO频率响应:25 kHz(-3 dB)探头适用温度：-50 至至+1503、位移测量?涡流式传感器涡流式传感器EX-V EX-V 系列数字位移感应传感器系列数字位移感应传感器高速：采样频率40kHz高精度：线性修正模拟输出：5V3、位移测量?电容式传感器电容式传感器测量电路测量电路:3 3种种调频调频?调幅调幅Z1 Z3 Ue Z2 Z4?运放运放固定电容固定电容UsU0 交交流流放放大大器器 电容传感器电容传感器Uo相相敏敏检检波波器器 低低通通滤滤波波器器 3、位移测量?电容式传感器电容式传感器特点特点结构简单，配合适当的测量

29、电路，可得到结构简单，配合适当的测量电路，可得到 较较大的灵敏度大的灵敏度工作频率高工作频率高，适于对变化速率高的位移进行，适于对变化速率高的位移进行测量测量如果把被测件作为一个极板片，可以实现如果把被测件作为一个极板片，可以实现 非非接触式测量接触式测量?3、位移测量?电容式传感器电容式传感器非接触非接触DWC型电容式位移传感器型电容式位移传感器?线性量程:5/10/50/100/500/1000/2000/3000/4000/5000m?分辨率:0.01%FS?非线性:0.25%FS?频响:0-7.5KHz?电源:+15V,-15V?输出:-5V-+5V?温度稳定性:0.25%FS/h?长期稳定性:0.05%FSO/y3、位移测量?传感器比较传感器比较传感器传感器量程量程0.0011mm特点特点精度一般为精度一般为1 13 3电感式（自感式）电感式（自感式）三段式差动变压器式三段式差动变压器式二段式差动变压器式二段式差动变压器式电涡流式电涡流式1020mm数百毫米数百毫米1100mm输出功率大、性能稳定、输出功率大、性能稳定、精度高精度高测量线性范围大、测量线性范围大、非接触非接触式，振动、位移测量式，振动、位移测量电容式电容式0.0010.1mm灵敏度高、非接触式灵敏度高、非接触式，振，振动、位移测量动、位移测量