Лекция 14. Основные методы измерения силы:

Основные методы измерения силы:

1. Измерением ускорения тела с из­вестной массой F = та:

посредством акселерометра; измерением амплитуды и частоты колебаний

2. Сравнением неизвестной силы с си­лой тяжести Р =mg: непосредственным нагружением об­разцовыми гирями;

посредством гидропередачи и об­разцовых гирь;

посредством рычагов и образцовых гирь;

посредством рычагов и маятника

3. Измерением упругой деформации

тела, взаимодействующего с неиз-

вестной силой F = с |; посредством датчиков деформации; посредством датчиков перемеще­ния 4. Сравнением неизвестной силы с си­лой взаимодейтсвия тока с магнит­ным полем F = / В I sin a посредством электродинамическо­го силовозбудителя. Измерение переменной гармонической силы путем определения амплитуды и частоты колебаний тела с известной мас­сой может быть осуществлено с высокой точностью. Массу можно измерить с по­грешностью, не превышающей несколь­ких тысячных долей процента. С такой же точностью можно измерить и частоту колебаний. Амплитуду колебаний тела с известной массой можно измерить с погрешностью, не превышающей не­скольких десятых долей процента, кото­рая, по существу, и будет определять по­грешность измерения силы указанным методом.

Метод измерения силы сравнением не­известной силы с силой тяжести исполь-

зуют при точных измерениях и воспроиз­ведении статических и квазистатических сил.

Метод непосредственного нагружения используют для создания Государствен­ных первичных эталонов единицы силы, воспроизводящих ее с наивысшей точ­ностью.

Метод сравнения неизвестной силы с силой тяжести посредством рычагов и образцовых гирь используют для созда­ния образцовых средств второго разряда для измерения силы, обеспечивающих ее измерение с погрешностью, не превы­шающей 0,2 % измеряемой величины, а также в силоизмерителях испытательных машин, обеспечивающих измерение силы с погрешностью, не превышающей 1 % измеряемой силы в диапазоне 0,04 — 1 от верхнего предела силоизмерителя.

Метод сравнения неизвестной силы с силой тяжести посредством гидропере­дачи и образцовых гирь используют так­же в образцовых средствах второго раз­ряда для измерения силы и в силоизме­рителях испытательных машин. Для ис-

ключения трения в гидропередаче приме­няют пару поршень-цилиндр, в которой один из элементов вращается относи­тельно другого.

Метод сравнения неизвестной силы с силой тяжести посредством рычагов и маятника используют в силоизмерите-лях испытательных машин.

Все средства для измерения силы, основанные на методах сравнения неиз­вестной силы с силой тяжести, обычно представляют собой стационарные уста­новки. Процесс сравнения сил в этих установках механизирован.

Измерение силы посредством изме­рения упругой деформации тела, взаимо­действующего с неизвестной силой, яв­ляется самым распространенным мето­дом, который используют как в стацио­нарных, так и в переносных средствах для измерения статических и перемен­ных во времени сил. Этот метод исполь­зуют в образцовых динамометрах перво­го разряда, обеспечивающих передачу единицы силы от Государственного эта­лона к образцовым средствам второго разряда с погрешностью, не превышаю­щей 0,1 % измеряемой силы. Кроме того, этот метод используют в рабочих средствах измерения статических и пере­менных во времени сил.

Метод позволяет создать стационар­ные и переносные средства измерения растягивающих и сжимающих сил — ди­намометры, которые содержат упругий элемент, снабженный для его включения в силовую цепь захватами либо опорами. В упругом элементе возникает сила реакции, противодействующая измеряе­мой силе. Упругий элемент может быть электрически неактивным либо электри­чески активным, т. е. он является одно­временно и чувствительным элементом.

Упругий электрически неактивный элемент выполняет чисто механические функции. Возникающая деформация упругого элемента воспринимается чув­ствительным элементом, которым может быть либо датчик деформации, либо

датчик перемещения, преобразующий ее в выходную величину.

Упругий, электрически активный эле­мент реагирует на созданное измеряемой силой поле механических напряжений или деформаций изменением своих элек­трических или магнитных характеристик. К упругим, электрически активным эле­ментам относят, например, пьезоэлектри­ческие и магнитоанизотропные.

Для достижения оптимальных метро­логических характеристик динамометра необходимо соблюдение нескольких принципов.

Принцип цельности конструкции. Из­меряемая сила должна передаваться в ди­намометре по сплошной среде из одного материала. Нарушение сплошности кон­струкции упругого элемента является причиной возникновения трения между сопрягаемыми элементами. С этим тре­нием связаны погрешности измерения силы, которые могут быть значитель­ными.

Принцип интегрирования. Динамометр тем точнее, чем лучше чувствительный элемент распределен по поперечному се­чению упругого элемента. С этой целью используют усреднение — интегрирование напряжения или деформации упругого элемента, которое можно охарактери­зовать или как мнимое, или как дей­ствительное.

При мнимом интегрировании о всем поле напряжения или деформации, а сле­довательно, и об измеряемой силе судят по состоянию в одной точке этого поля. При этом предполагают, что внутри огра­ниченной области упругого элемента су­ществует определенное механическое по­ле, которое не зависит от точки прило­жения силы. Это дает возможность ис­пользовать один чувствительный эле­мент. Конструктивными решениями, обеспечивающими мнимое интегрирова­ние, являются удаление силовосприни-мающих частей упругого элемента от области расположения чувствительного элемента, ограничение области возмож­ных точек приложения силы.