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力测量仪表
force measuring instrument
测量机械设备中的作用力的机械量测量仪表，又称测力仪表。测力仪表一般由力传感器、测量电路和指示器等部分组成，并按力传感器的工作原理分类。力传感器是一种将被测力变换为电信号输出的测量元件。它的工作原理基本上有两种。一种是测量某些物质受力作用时其固有物理性质发生的变化，从而测得作用力的大小，如压电式、磁弹性式和振弦式等力传感器；另一种是利用被测力使弹性体变形，通过测量变形的程度来测出被测力的大小，如电阻应变式、电容式等力传感器。
电阻应变式力传感器 利用粘贴在弹性体上并组成电桥电路的应变片将被测力变换成电信号输出的传感器（图1[电阻应变式力传感器]）。当弹性体受到力F作用变形时,应变片R1～R4随同伸缩,其电阻值也因之改变,从而使电桥电路的输出电压发生变化。这一电压经放大器放大后，由显示仪表指示被测力值。这种传感器具有测量精确度高、响应快和测量范围宽等特点，故广泛用于称重仪表。测量上限值一般为10牛顿～100万牛顿,测量误差为0.05～0.5％。
磁弹性式力传感器 又称压磁式力传感器。它利用磁弹性体受力作用时内部产生应力应变，使材料的磁性质发生变化的磁弹性效应，将被测力变换成电信号输出（图2 [磁弹性式力传感器]）。磁弹性体由若干硅钢片粘结而成,在4个对称的、间距相等的孔中绕有两个垂直相交的绕组，分别作为励磁绕阻和测量绕组。励磁绕组由交流电源供电，当磁弹性体不受力时因材料磁性的各向同性,由励磁绕组产生的磁力线不与测量绕组交连,因而不产生感应电动势。当磁弹性体受力作用时，材料的磁导率在压应力方向降低，使磁力线分布发生变化，一部分磁力线与测量绕组交连而产生感应电动势，感应电动势大小随被测力大小而变。这种力传感器的特点是输出信号大，因内阻低而抗干扰性能好，能在恶劣的环境中工作，因而被广泛用于轧制力和张力测量仪表。测量上限值为160牛顿～5000万牛顿，测量误差为0.05～1％。
压电式力传感器 利用压电介质（如石英、钛酸钡等晶体）在力作用下发生极化而在两端表面间出现电势差的压电效应，将被测力变换成电信号输出的测量元件（图3 [压电式力传感器]）。两片电荷极性相反的压电片安装在钢壳中压电片之间的导电片为一电极,钢壳为另一电极。作用力F通过上盖均匀地传递到压电片时,两电极即产生电势差。这种传感器具有轻巧、频率响应范围宽等特点，适用于测量动态力、冲击力和短时间作用的静态力等。它的输出信号小和输出阻抗高，所以一般利用前置放大器把传感器输出信号放大，并将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。它的测量上限值为数千至数百万牛顿。
振弦式力传感器 利用振弦的固有振动频率随张力的大小而变化的特性，将被测力转换为频率信号输出的测量元件（图4 [振弦式力传感器]）。振弦为一张紧的弦丝，置于永久磁钢的磁场中，其一端固定，另一端与传感器运动部分相联为了测量振弦的固有振动频率,必须激发振弦振动。当激发脉冲加给继电器时继电器吸合。绕在永久磁钢上的线圈与电源E接通一脉冲电流使振弦一吸一放而产生振动。当激发脉冲使继电器断开时，振弦在磁场中的运动使线圈产生感应电动势U,其频率与振弦的振动频率相等。传感器输出的是频率信号，所以抗干扰性能好，而且信号能远距离传输。另外，这种传感器还具有价格低、寿命长的特点，特别适用于对土压力的测量,在土建施工中应用很广。测量范围为0.1牛顿～100万牛顿，测量误差为±1％。
参考书目
F.J.Oliver, Practical Instrumentation Trans-ducers, Hayden Book Co.,New York,1971.
许大才
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