力的主要测量方法概述：基本原理及适用场合

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　　力的本质是物体之间的相互作用，不能直接得到其值的大小。力施加于某一物体后，将使物体的运动状态或动量改变，使物体产生加速度，这是力的“动力效应”;还可以使物体产生应力，发生变形，这是力的“静力效应”。因此，可以利用这些变化来实现对力的检测。

　　力的测量方法可归纳为力平衡法、测位移法和利用某些物理效应测力等。

　　力平衡法

　　力平衡式测量法是基于比较测量的原理，用一个已知力来平衡待测的未知力，从而得出待测力的值。平衡力可以是已知质量的重力、电磁力或气动力等。

　　1. 机械式力平衡装置

　　图1给出了两种机械式力平衡装置。图1(a)为梁式天平，通过调整砝码使指针归零，将被测力Fi，与标准质量(砝码G)的重力进行平衡，直接比较得出被测力Fi的大小。这种方法需逐级加砝码，测量精度取决于砝码分级的密度和砝码等级。

　　图1 机械式力平衡装置

　　图1(b)为机械杠杆式力平衡装置，可转动的杠杆支撑在支点M上，杠杆左端上面悬挂有刀形支承N，在N的下端直接作用有被测力Fi;杠杆右端是质量m已知的可滑动砝码G;另在杠杆转动中心上安装有归零指针。测量时，调整砝码的位置使之与被测力平衡。当达到平衡时，则有下式：

　　式中：a、b分别为被测力Fi和砝码G的力臂;g为当地重力加速度。

　　可见，被测力Fi的大小与砝码重力mg的力臂b成正比，因此可以在杠杆上直接按力的大小刻度。这种测力计机构简单，常用于材料试验机的测力系统中。

　　上述测力方法的优点是简单易行，可获得很高的测量精度。但这种方法是基于静态重力力矩平衡，因此仅适用于作静态测量。

　　2. 磁电式力平衡装置

　　图2所示为一种磁电式力平衡测力系统。它由光源、光电式零位检测器、放大器和一个力矩线圈组成一个伺服式测力系统。

　　图2 磁电式力平衡测力系统

　　无外力作用时，系统处于初始平衡位置，光线全部被遮住，光敏元件无电流输出，力矩线圈不产生力矩。当被测力Fi作用在杠杆上时，杠杆发生偏转，光线通过窗口打开的相应缝隙，照射到光敏元件上，光敏元件输出与光照成比例的电信号，经放大后加到力矩线圈上与磁场相互作用而产生电磁力矩，用来平衡被测力Fi与标准质量m的重力力矩之差，使杠杆重新处于平衡。此时杠杆转角与被测力Fi成正比，而放大器输出电信号在采样电阻R上的电压降U0与被测力Fi成比例，从而可测出力Fi。

　　与机械杠杆式测力系统相比较，磁电式力平衡系统使用方便，受环境条件影响较小，体积小，响应快，输出的电信号易于记录且便于远距离测量和控制。

　　3. 液压和气压式测力系统

　　图3(a)给出了液压活塞式测力系统的原理。浮动活塞由膜片密封，液压系统内部空腔充满油，且通常加有一预载压力。当被测力F，作用在活塞上时，引起油压变化△p，其值可由指示仪表读出，也可采用压力传感器将读数转换为电信号。这样根据力平衡条件Fi=△p·S(S是活塞等效截面积)，就可以通过测量油的压力来测量力。液压式测力系统具有很高的刚度，测量范围很大，可达几十兆牛，精度可达0.1%，配置动态特性好的压力传感器也可以用于测量动态力。

　　图3 液压和气压式测力系统

　　图3(b)是气压式测力系统原理。它是一种闭环测力系统。其中喷嘴挡板机构用在伺服回路中作高增益放大器。当被测力Fi加到膜片上时，膜片带动挡板向下移动x，使喷嘴截面积减小，气体压力P0增高。压力P0作用在膜片面积S上产生一个等效集中力Fp，Fp力图使膜片返回到初始位置。当Fi=Fp时，系统处于平衡状态。此时，气体压力P0与被测力F0的关系为：

　　式中，Kd托为膜片柔度(m/N);Kn为喷嘴挡板机构的增益(N/m3)。

　　由上式可得：

　　Kd实际上并非严格为常数，但由于乘积Kd·Kd>>S，这样与S相比便可忽略不计，于是上式变为：

　　即被测力Fi与P0成线性关系。

　　测位移法

　　在力作用下，弹性元件会产生变形。测位移法就是通过测量未知力所引起的位移，从而间接地测得未知力值。

　　图4 电容式测力装置

　　图4所示是电容传感器与弹性元件组成的测力装置。图中，扁环形弹性元件内腔上下平面上分别固连电容传感器的两个极板。在力作用下，弹性元件受力变形，使极板间距改变，导致传感器电容量变化。用测量电路将此电容量变化转换成电信号，即可得到被测力值。通常采用调频或调相电路来测量电容。这种测力装置可用于大型电子吊秤。

　　图5 差动变压器式测力装置

　　图5为两种常用的由差动变压器与弹性元件构成的测方装置。弹性元件受力产生位移，带动差动变压器的铁心运动，使两线圈互感发生变化，最后使差动变压器的输出电压产生和弹性元件受力大小成比例的变化。图5(a)是差动变压器与弹簧组合构成的测力装置;图5(b)为差动变压器与筒形弹性元件组成的测力装置。

　　利用某些物理效应测力

　　物体在力作用下会产生某些物理效应，如应变效应、压磁效应、压电效应等，可以利用这些效应间接检测力值。各种类型的测力传感器就是基于这些效应。

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