力的丈量办法

2017-05-06 14:21分类：机械维修阅读：

　　力的实质是物体之间的互相效果，不能直接得到其值的巨细。力施加于某一物体后，将使物体的运动状况或动量改动，使物体发作加速度，这是力的“动力效应”；还能够使物体发作应力，发作变形，这是力的“静力效应”。因而，能够运用这些改动来完结对力的查看。

　　力的丈量办法可概括为力平衡法、测位移法和运用某些物理效应测力等。

　　1．力平衡法

　　力平衡式丈量法是依据比照丈量的原理，用一个已知力来平衡待测的不知道力，然后得出待测力的值。平衡力能够是已知质量的重力、电磁力或气动力等。

　　（1）机械式力平衡设备

　　图3-20给出了两种机械式力平衡设备。图1（a）为梁式天平，经过调整砝码使指针归零，将被测力Fi，与规范质量（砝码G）的重力进行平衡，直接比照得出被测力Fi的巨细。这种办法需逐级加砝码，丈量精度取决于砝码分级的密度和砝码等级。

　　图1（b）为机械杠杆式力平衡设备，可滚动的杠杆支持在支点M上，杠杆左端上面悬挂有刀形支承N，在N的下端直接效果有被测力Fi；杠杆右端是质量m已知的可滑动砝码G；另在杠杆滚动基地上设备有归零指针。丈量时，调整砝码的方位使之与被测力平衡。当抵达平衡时，则有式中，a、b别离为被测力Fi和砝码G的力臂；g为本地重力加速度。

图1　机械式力平衡设备

　　　　　　　　　（1）

　　可见，被测力Fi的巨细与砝码重力mg的力臂b成正比，因而能够在杠杆上直接按力的巨细刻度。这种测力计安排简略，常用于资料实验机的测力体系中。

　　上述测力办法的利益是简略易行，可取得很高的丈量精度。但这种办法是依据静态重力力矩平衡，因而仅适用于作静态丈量。

　　（2）磁电式力平衡设备

　　图2所示为一种磁电式力平衡测力体系。它由光源、光电式零位查看器、扩展器和一个力矩线圈构成一个伺服式测力体系。无外力效果时，体系处于初始平衡方位，光线悉数被遮住，光敏元件无电流输出，力矩线圈不发作力矩。当被测力Fi效果在杠杆上时，杠杆发作偏转，光线经过窗口翻开的相应缝隙，照射到光敏元件上，光敏元件输出与光照成份额的电信号，经扩展后加到力矩线圈上与磁场互相效果而发作电磁力矩，用来平衡被测力Fi与规范质量m的重力力矩之差，使杠杆从头处于平衡。此刻杠杆转角与被测力Fi成正比，而扩展器输出电信号在采样电阻R上的电压降U0与被测力Fi成份额，然后可测出力Fi。

图2　磁电式力平衡测力体系

　　与机械杠杆式测力体系比照照，磁电式力平衡体系运用便利，受环境条件影响较小，体积小，呼应快，输出的电信号易于记载且便于远距离丈量和操控。

　　（3）液压和气压式测力体系

　　图3（a）给出了液压活塞式测力体系的原理。起浮活塞由膜片密封，液压体系内部空腔充溢油，且一般加有一预载压力。当被测力F，效果在活塞上时，致使油压改动△p，其值可由指示外表读出，也可选用压力传感器将读数改换为电信号。这么依据力平衡条件Fi=△p.S（S是活塞等效截面积），就能够经过丈量油的压力来丈量力。液压式测力体系具有很高的刚度，丈量方案很大，可达几十兆牛，精度可达0.1％，装备动态特性好的压力传感器也能够用于丈量动态力。

图3　液压和气压式测力体系

　　图3（b）是气压式测力体系原理。它是一种闭环测力体系。其间喷嘴挡板安排用在伺服回路中作高增益扩展器。当被测力Fi加到膜片上时，膜片股动挡板向下移动x，使喷嘴截面积减小，气体压力P0增高。压力P0效果在膜片面积S上发作一个等效会集力Fp，Fp力求使膜片回来到初始方位。当Fi=Fp时，体系处于平衡状况。此刻，气体压力P0与被测力F0的联络为

　　　（2）

　　式中，Kd托为膜片柔度（m／N）；Kn为喷嘴挡板安排的增益（N／m3）。

　　由上式可得

　　　　（3）

　　Kd实习上并非严厉为常数，但因为乘积Kd·Kd>>S，这么与S比照便可疏忽不计，所以式（3）变为：

　　　　　　　　　　（4）

　　即被测力Fi与P0成线性联络。

　　2．测位移法

　　在力效果下，弹性元件会发作变形。测位移法即是经过丈量不知道力所形成的使的位移，然后直接地测得不知道力值。

　　图4所示是电容传感器与弹性元件构成的测力设备。图中，扁环形弹性元件内腔上下平面上别离固连电容传感器的两个极板。在力效果下，弹性元件受力变形，使极板距离改动，致使传感器电容量改动。用丈量电路将此电容量改动改换成电信号，即可得到被测力值。一般选用调频或调相电路来丈量电容。这种测力设备可用于大型电子吊秤。

　　图5为两种常用的由差动变压器与弹性元件构成的测方设备。弹性元件受力发作位移，股动差动变压器的铁心运动，使两线圈互感发作改动，终究使差动变压器的输出电压发作和弹性元件受力巨细成份额的改动。图5（a）是差动变压器与绷簧组合构成的测力设备；图5（b）为差动变压器与筒形弹性元件构成的测力设备。