力和力矩的测量教学文稿

力和力矩的测量

力和力矩的测量

力的定义：力是物体之间的相互作用。大小、方向、作用点是力的三要素。

牛顿第二定律表述：动量对时间的变化率。F dp /d t =

国际单位：牛顿，简称牛，符号是N 。211/N kg m s =?

力矩定义：位矢和力的叉乘。物理学上指使物体转动的力乘以到转轴的距离。

力矩单位是牛顿·米（N ·m ）

对力的测量问题有两种基本方法：（1）直接比较（2）使用标准传感器进行间接比较

直接比较方法利用某种形式的梁式天平，并且使用零位平衡技术。

1 力的测量

1.1等臂天平（如图中分析天平，精度可达0.1mg ）或非等臂天平。

最简单的重量或力的测量系统。基于力矩比较原理工作的。由未知的重量或力产生的力矩，和一个已知量产生的力矩进行比较。

1.2摆式测力机构

如摆式秤。

输入量施加到负载杆上，使配重旋转向外移动。该移动使得配重作用力矩增加，直到负载力矩和摆秤力矩相等。

1.3 弹性传感器

很多力传感器系统利用某种机械弹性件或弹性件的组合，对弹性件施加载荷导致一种类似的变形，通常是线性的，然后对该变形直接观察并且用于力的测量，或者使用另一个传感器来将该位移转换成另一种形式的输出，通常是电的形式。

通常要对弹性件进行标定，如调整螺旋弹簧的有效圈数等。

1.4应变片测力计

与将总变形用于测量载荷不同的是，应变片测力计根据单位应变来测量负载。电阻型应变片非常适合于这一用途。若要测量的是大载荷，可以使用直接拉压型元件。如果是小载荷，则可通过弯曲来放大应变。

金属电阻应变片的原理：当金属丝或金属箔片被机械地拉长时，导体的长度将变长，截面将变小，因此其电阻发生变化。如果电阻元件长度紧密附着在发生这样应变的构件上，使得电阻元件也产生应变，那么测出的电阻变化可以根据应变来定标。

金属应变片的应变片因子F 在通常要求的应变范围内基本上是个常数，而由实验确定的应变片因子F 的值，对于一种给定的材料是相当一致的。

1R F R

ε?=

在实际应用中，F 和R 的值是由应变片制造商提供的，使用者要根据被测的输入量情况确定R ?

图中所示的拉压型电阻应变片测力计的电桥常数是2(1+u)，其中u是材料的

泊松比。这种承压元件承载能力为3百万磅。这种布置方式可以补偿温度，消除因加载偏心而造成的附加弯矩。

此外还可通过梁式弹性元件、环式弹性元件、轮辐式弹性元件进行测力。

1.5压电测力计

基于正压电效应，即某些电介质在沿一定方向上收到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，而当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态。

单片压电晶片难以产生足够的表面电荷，在压电式传感器中常采用两片或两片以上压电晶片组合在一起使用。由于压电晶体是有极性的，因而两片压电晶体构成的传感器有两种接法：串联和并联。