压磁式测力装置的原理

力的测量原理

通过对机械零件和机械结构的力、扭矩和压力的测量，可以分析其受力状况和工作状态，验证设计计算，确定工作过程和某些物理现象的机理。对设备的安全运行、自动控制及设计理论的发展等都有重要指导作用。

力的测量方法可以归纳为利用力的静力效应和动力效应两种。

10.1.1  应力、应变的测量

常用的力测量方法是用应变片和应变仪测量构件的表面应变，根据应变和应力、力之间的关系，确定构件的受力状态。

应变仪采用交流电桥时，输出特性与直流电桥(直流电桥的输出特性)类似。

应变片的布置和电桥组接（简称布片组桥）应根据被测量和被测对象受力分布来确定。还应利用适当的布片组桥方式消除温度变化和复合载荷作用的影响。

测量拉伸(压缩)应变时要采用适当的布片组桥方式，以便达到温度补偿(测轴向拉(压)时的温度补偿)、消除弯矩影响(用双工作片消除温度的影响)和提高测量灵敏度(用四工作片提高测量的灵敏度)的目的。

常用应力测量的布片和组桥方式:

当试件受到弯矩作用时，其上、下表面会分别产生拉应变或压应变。可通过应变测量求得弯矩，布片接桥时要注意利用电桥特性，在输出中保留弯应变的影响，消除轴向拉、压力产生的应变成分。

2 电阻应变式测力装置

其它测力传感器

1. 电容式力传感器 其特点是结构简单，灵敏度高，动态响应快，但是由于电荷泄漏难于避免，不适宜静态力的测量 (电容式力传感器的结构原理)。 2. 压电式力传感器 前面章节介绍过压电式传感器的原理和压电式振动加速度传感器，测力传感器的结构类似。其特点是体积小，动态响应快，但是也存在电荷泄漏，不适宜静态力的测量。使用中应防止承受横向力和施加予紧力。 3. 压磁式测力装置 其特点是硅钢材料受力面加大后，可以测量数千吨的力，且输出电势较大，甚至只需滤波整流，无需放大处理。常用于大型轧钢机的轧制力测量。使用中应防止因侧向力干扰而破坏硅钢的叠片结构(压磁式测力装置的工作原理)。 4. 差动变压器式测力传感器 其特点是工作温度范围较宽,为了减小横向力或偏心力的影响，传感器的高径比应较小。(差动变压器式测力传感器的工作原理) 电容式力传感器 在矩形的特殊弹性元件上，加工若干个贯通的圆孔，每个圆孔内固定两个端面平行的丁字形电极，每个电极上贴有铜箔，构成由多个平行板电容器并联组成的测量电路。在力F作用下，弹性元件变形使极板间矩发生变化，从而改变电容量，如左图(电容式力传感器)所示。 压磁式测力装置的原理 某些铁磁材料受到外力作用时，引起导磁率变化现象，称作压磁效应。其逆效应称作磁致伸缩效应。硅钢受压缩时，其导磁率沿应力方向下降，而沿应力的垂向增加；在受拉伸时，导磁率变化正好相反。如果在硅钢叠片上开有4个对称的通孔，孔中分别绕有互相垂直的两个线圈，如左图(图压磁元件工作原理)所示，一个线圈为励磁绕组，另一个为测量绕组。无外力作用时，磁力线不和测量绕组交链，测量绕组不产生感应电势。当受外力作用时，磁力线分布发生变化，部份磁力线和测量绕组交链，并在绕组中产生感应电势，且作用力愈大，感应电势愈大。

测量力时可以直接在被测对象上布片组桥，也可以在弹性元件上布片组桥，使力通过弹性元件传到应变片。常用的弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐等多种形式。

        柱式弹性元件  通过柱式弹性元件表面的拉(压)变形测力。应变片的粘贴和电桥的连接应尽可能消除偏心和弯矩的影响，一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部。柱式力传感器可以测量0.1~3000吨的载荷，常用于大型轧钢设备的轧制力测量。

        梁式弹性元件  类型有等截面梁、等强度梁和双端固定梁等，通过梁的弯曲变形测力，结构简单，灵敏度较高。

        环式弹性元件  分为圆环式和八角环式。它也是通过元件的弯曲变形测力，结构较紧凑。实际应用如切削测力仪。

        轮辐式弹性元件  轮幅式弹性元件受力状态可分为拉压、弯曲和剪切。前两类测力弹性元件经常采用，精度和稳定性已达到一定水平，但是安装条件变化或受力点移动，会引起难于估计的误差。剪切受力的弹性元件具有对加载方式不敏感、抗偏载、侧向稳定、外形矮等特点。