第五章机械工程典型参数测量技术第一节力和转矩的测量力和转矩是重要的机械工程参数，在机械测试中占有很大比重。通过力和转矩的测量，可以分析零部件、结构或机构的受力状况和工作状态，验证设计计算的正确性，确定整机工作过程的载荷谱等。因此，对发展机械设计理论、保证机器的安全运行、实现自动检测、自动控制等都具有重要意义。力的测量仪表有机械式、液力式和电气式。电气式测量仪表依据其转换方式可分为电阻应变式压磁式、压电式、电感式、电容式等，电阻应变片式是力测量中应用最为广泛的一种，它利用粘贴在弹性元件上的应变片将应变转换为电阻的变化，经电桥电路转换为电压或电流，由电阻应变仪放大输出。本节以应变式测力装置为例，讨论力和力矩的测量。一、 力的测量应变片感受的是弹性元件表面某点（微小区域）的拉应变或压应变。而该应变往往是由多种载荷（如拉压、弯曲、扭转、剪切等）复合作用的结果。为了测量某一种载荷，且能消除其它非测量载荷的影响，必须恰当地选择贴片的位置和方向，并合理地组成电桥电路。（一）测点的选择与布片原则测量时所遇到的载荷往往是多种多样的，有单一的载荷，也有复杂的应力状态。测量时首先应考虑测点的选择和贴片的方向，提高测试的灵敏度和精度。具体归纳为下面5个方面：(1)预先对试件进行受力分析，找出应力或变形最大的部位。应力或应变的变化与电阻应变片的电阻增量成正比，提高电阻增量可提高测试的灵敏度。(2)避开应力集中的部位（测量应力分布时除外)。应力集中部位的应力分布比较复杂，应力场变化大，影响测量的精度，不适宜粘贴应变片。(3)将应变片贴在主应力方向。由材料力学可知，主应力方向的应力最大，为提高应变片的电阻增量，应使应变片敏感元件的长度方向与主应力方向一致。(1)能消除非测量载荷的影响。有两方面的问题需要考虑：一是测量载荷多于一个，而一组应变片（或一个电桥）只能测量一个载荷，所以应能消除其它测量载荷的影响：二是测量载荷只有一个但存在非测量载荷的干扰，应能消除或减小其影响。(5)实现温度补偿。绝大多数弹性元件或试件的温度系数都比较大，即对温度比较敏感，由于温度变化而产生的应变对测试影响非常大，因此应通过贴片和组桥来消除温度变化所带来的影响
1 第五章 机械工程典型参数测量技术 第一节 力和转矩的测量 力和转矩是重要的机械工程参数，在机械测试中占有很大比重。通过力和转矩的测量，可以分 析零部件、结构或机构的受力状况和工作状态，验证设计计算的正确性，确定整机工作过程的载荷 谱等。因此，对发展机械设计理论、保证机器的安全运行、实现自动检测、自动控制等都具有重要 意义。 力的测量仪表有机械式、液力式和电气式。电气式测量仪表依据其转换方式可分为电阻应变式、 压磁式、压电式、电感式、电容式等，电阻应变片式是力测量中应用最为广泛的一种，它利用粘贴 在弹性元件上的应变片将应变转换为电阻的变化，经电桥电路转换为电压或电流，由电阻应变仪放 大输出。本节以应变式测力装置为例，讨论力和力矩的测量。 一、力的测量 应变片感受的是弹性元件表面某点（微小区域）的拉应变或压应变。而该应变往往是由多种载 荷（如拉压、弯曲、扭转、剪切等）复合作用的结果。为了测量某一种载荷，且能消除其它非测量 载荷的影响，必须恰当地选择贴片的位置和方向，并合理地组成电桥电路。 （一）测点的选择与布片原则 测量时所遇到的载荷往往是多种多样的，有单一的载荷，也有复杂的应力状态。测量时首先应 考虑测点的选择和贴片的方向，提高测试的灵敏度和精度。具体归纳为下面 5 个方面： ⑴预先对试件进行受力分析，找出应力或变形最大的部位。应力或应变的变化与电阻应变片的 电阻增量成正比，提高电阻增量可提高测试的灵敏度。 ⑵避开应力集中的部位（测量应力分布时除外）。应力集中部位的应力分布比较复杂，应力场变 化大，影响测量的精度，不适宜粘贴应变片。 ⑶将应变片贴在主应力方向。由材料力学可知，主应力方向的应力最大，为提高应变片的电阻 增量，应使应变片敏感元件的长度方向与主应力方向一致。 ⑷能消除非测量载荷的影响。有两方面的问题需要考虑：一是测量载荷多于一个，而一组应变 片（或一个电桥）只能测量一个载荷，所以应能消除其它测量载荷的影响；二是测量载荷只有一个， 但存在非测量载荷的干扰，应能消除或减小其影响。 ⑸实现温度补偿。绝大多数弹性元件或试件的温度系数都比较大，即对温度比较敏感，由于温 度变化而产生的应变对测试影响非常大，因此应通过贴片和组桥来消除温度变化所带来的影响
（二）测量各种载荷时应变片的排列和组桥表5一1以简单支梁弹性元件为例，列出了测量不同载荷时，应变片的排列和组桥方案。选择时应优选（对被测载荷）测量灵敏度高，能消除非测量载荷的干扰且能实现温度补偿的方案
2 （二）测量各种载荷时应变片的排列和组桥 表 5—1 以简单支梁弹性元件为例，列出了测量不同载荷时，应变片的排列和组桥方案。选择时， 应优选（对被测载荷）测量灵敏度高，能消除非测量载荷的干扰且能实现温度补偿的方案
表5一1测量不同载荷时应变片的排列和组赖序皮变受力状况电桥组合型式测量项目状片数电桥电桥输出电压特点及应变值简电桥接法3型式需另设补偿片才能实现温度补R1-K-S.U拉（压）应变U.偿，输出偿号弱，且不能消除弯轴矩的影响6=6R2拉（压）应变能实现温度补偿，且输出信号较K-E-U(I+μ)强，但不能消除弯矩的影响c=E, (1+μ)拉RK-S-U控（压）应变能实现温度补偿，输出信号强，R8=8,2且可消除弯矩影响-R2R41向R2R1U.nK-E.U(I+M)能实现温度补借，输出信号较强，TR4R3年拉（压）应变且能消除弯矩的影响桥=8, /2(1+μ)RZ乐(R4)（R3)编
3 表 5—1 测量不同载荷时应变片的排列和组桥 序 号 受力状况 应 变 片 数 量 电桥组合型式 电桥输出电压 测 量 项 目 及 应 变 值 状 特 点 态 简 图 电 桥 型式 电桥接法 1 轴 向 拉 2 半 桥 式 UBD = K U 4 1 拉（压）应变 i = 需另设补偿片才能实现温度补 偿，输出信号弱，且不能消除弯 矩的影响 2 2 (1 ) 4 1 U BD = K U + 拉（压）应变 i = /(1+ ) 能实现温度补偿，且输出信号较 强，但不能消除弯矩的影响 3 伸 ⌒ 压 缩 ︶ 4 全 桥 式 UBD = K U 2 1 拉（压）应变 i = /2 能实现温度补偿，输出信号强， 且可消除弯矩影响 4 轴 向 拉 伸 ︵ 压 缩 ︶ 4 全 桥 式 (1 ) 2 1 UBD = K U + 拉（压）应变 i = / 2(1+ ) 能实现温度补偿，输出信号较强， 且能消除弯矩的影响
拉变序受力状况电桥组合型式测量项目片数电桥状电桥输出电压特点量简图电桥接法及应变值态型式号需另设补偿片才能实现温度补偿，输出偿号弱，且不能消除拉R1弯曲应变.K.S.UUBp（压）影响E=E弯曲应变R能实现温度补偿，输出信号较强，.K-S-UUsn且能消除拉（压）影响E=E2R2R1 (R3)考曲应变能实现溢度补带，输出信号较强，R2(R4)UBD=K-E-U且能消除拉（压）的影响E=6,14R3(R4R1(R2)0T
4 序 号 受力状况 应 变 片 数 量 电桥组合型式 电桥输出电压 测 量 项 目 及 应 变 值 状 特 点 态 简 图 电 桥 型式 电桥接法 5 弯 曲 2 全 桥 式 UBD = K U 4 1 弯曲应变 i = 需另设补偿片才能实现温度补 偿，输出信号弱，且不能消除拉 （压）影响 6 2 UBD = K U 2 1 弯曲应变 i = /2 能实现温度补偿，输出信号较强， 且能消除拉（压）影响 7 4 全 桥 式 UBD = K U 弯曲应变 i = /4 能实现温度补偿，输出信号较强， 且能消除拉（压）的影响
应变序受力状况电桥组合型式测量项目片数款电桥输出电压电桥特点量简图电桥接法及应变值囍型式号能实现温度补费，输出信号较强，且能消除拉（压）影响，仅测弯弯曲应变Ry1(Ry3) Rx1 Rx2UBD-K-E.U0PxB8=6,4压1Ry2(Rya)Rx3Rx4gRy3(Ry4)Rx1(Rx3) PyLPa一Rx2 (Rx4)Ry1(Ry2)BX1RX控（压）应变能实现溢度补偿，输出信号较强，UB-IK-S.U且能消除弯曲的影响仪测拉（压）C(I+μ)8=6, /2(1+μ)Rx3
5 序 号 受力状况 应 变 片 数 量 电桥组合型式 电桥输出电压 测 量 项 目 及 应 变 值 状 特 点 态 简 图 电 桥 型式 电桥接法 8 拉 压 湾 联 合 作 用 4 全 桥 式 UBD = K U 弯曲应变 i = /4 能实现温度补偿，输出信号较强， 且能消除拉（压）影响，仅测弯 曲 4 全 桥 式 (1 ) 2 1 + UBD = K U 拉（压）应变 i = / 2(1+ ) 能实现温度补偿，输出信号较强， 且能消除弯曲的影响仅测拉（压）