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冲击和跌落测试中力传感器的选择-光宇拉线编码器,光宇拉绳编码器
添加时间:2022/7/6
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冲击和跌落测试中力传感器的选择-光宇拉线编码器,光宇拉绳编码器   
       根据能量守恒定律, U UT (被测设备) 势能 PE 与动能 KE 的变化是相等的, 即:PE  = KE
针对跌落测试, m = 质量, h = 跌落高度, g = 重力加速度, v = 冲击速度, 则能量守恒等式为:mgh =  ½  mv 2,冲击速度 V 不受质量影响, 在忽略空气阻力的前提下, 速度可按下面等式近似计算:v  = √ 2 g h
       冲击位移与力的关系:
       根据能量定理冲击过程中的纯功等于平均力乘以冲击位移, 可得到预估的力W  纯   =  ½  mv 终 2 -  ½  mv  初 2在跌落测试中, 初速度为零, 所以W  纯  =  ½  mv  终 2如果假设冲击位移距离为 d, 则平均力 F 可按照如下等式计算:F  = W 纯 /d
       但是在实际测试中,d 不是很容易确定,我们可以通过一个钢球落到钢板,塑料,或者泡沫等帮助理解;如下表所以,针对不同材料的不同的冲击位移会对应不同的冲击力,条件: 4.5 公斤 的 UUT(被测设备)从 1 米的高度自由下落:
运用能量和冲击位移来预估力的大小
材料
h (m)
m (kg)
v 终 (m/s)
KE (J)
d (m)
F (lbs)
F (N)
钢板
1
4.5
4.427
44.1
0.0001
99,137
441,000
塑料
1
4.5
4.427
44.1
0.1
99
441
泡沫
1
4.5
4.427
44.1
5
2
9
       时间与力的关系:
       另外,还可以利用力的脉宽 TP 和牛顿第二运动定律 F=ma 来近似计算冲击力。利用等式 v = √2gh 计算最终速度,并确定和计算冲击加速度的值。
       计算加速度需要依据力-时间曲线的脉冲宽度,需要根据不同的材料的来进行预估,就像预估冲击位移一样。冲击加速度可根据脉宽时间内速度的变化的进行计算,即:a = dv/ dt = dv/ Tp,最大峰值冲击力出现在刚性碰撞的情况下,在这种情况下,完美的回弹是的初速度和终速度大小相等,方向相反,这时可用如下等式计算:a = (v 初 - v 终 )/TP = (2 * √2gh)/TP,然后通过牛顿第二运动定律进行计算,即:F = ma=m(2 * √2gh)/TP。脉宽会因为之前提到的冲击位移的不同而不同,越软的冲击表面具有更长的冲击脉宽,会引起更小的冲击力。运用牛顿第二定律,针对三种不同材料的计算出的冲击力,如下表所示,条件: 4.5 公斤 的UUT(被测设备)从 1 米的高度自由下落:
使用牛顿第二定律和脉宽来预估冲击力
材料
h (m)
m (kg)
v final (m/s)
KE (J)
Tp
F (lbs)
F (N)
钢板
1
4.5
4.427
44.1
0.0005
18,068
80,294
塑料
1
4.5
4.427
44.1
0.002
4,517
20,076
泡沫
1
4.5
4.427
44.1
0.100
90
40
       越硬的材料具有更大冲击力和更小的脉宽。测试中我们要选择的传感器刚度必须是 UUT(被测设备)的好几倍。否则传感器会吸收能量,并引起测量误差。
       虽然应变测量技术也可以进行冲击测量,但是石英力传感器具有更高的刚度,而且比应变载荷传感器高好几个数量级,能够轻松测量几十KHz 的信号,大大超过大多数载荷传感器的振铃频率。
       多数应变片要达到满量程输出需要 0.001 到 0.003 inches (0.025 到 0.076 mm) 的变形。对于 100 lb 和 10k lb (450 N和 45 kN) 的满量程测量来讲, 刚度分别相当于只有 0.03 到 6.7 lbs/in (0.005 到 1.173 kN/ m) 。传感器的自然频率可通过如下等式计算:fn ( kHz)= ½π* √k/m, k = 刚度(N/m),m =质量(kg),因为 ICP® 力传感器刚度的平方根与频率成正比,而与质量的平方根成反比,所以具有更高的频响。
       力传感器的上升时间相对于冲击脉宽也必须足够快,以便实现精确的测量。由于特定的应用不同,力传感器的上升时间也很难确定。力传感器上面的质量越大,安装频率就会越低,上升时间也会越慢。ICP®力传感器的上升时间可以按照如下公式计算:Tp = ½*(1/fn), fn = 自然频率, Tp = 峰值时间
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