过控--测试技术--电阻应变片的粘贴和灵敏系数标定

电阻应变片的粘贴和灵敏系数标定一、实验目的了解应变片的结构；初步掌握电阻应变片的粘贴技术及其质量检查方法；了解掌握应变式八角环测力仪的仪器原理及使用方法。二、实验仪器CM-1A-20型数字静态应变仪三、实验原理1.应变式八角环测力仪原理应变式八角环测力仪是采用八角环为弹性元件，在相应的位置粘贴上电阻应变片，然后把各片按规律连接成电桥而成。八角环弹性元件实际上是由圆环演变而成，根据“材料力学”知识：一定壁厚的圆环，在单向径向力（例如压力）的作用下圆环各处的应变不同（图1），其中在与作用力成39.6°处应变为零，此处称为应变结点。图1壁厚圆环不同应变及应变结点图2应变片在圆环上的粘贴而在与作用力垂直的中心线上的外表面处为张（拉）应力，而环的内表面处为压应力。因此将应变片R1~R4牢固地粘贴在中心线上的内外表面时（图2）R1、R4受张应力而R2、R3受压应力。因为圆环不容易固定等原因，实际上常采用八角环代替。八角环在受纯径向力的作用时，应变最大位置也在与径向力垂直的水平线上。故应变片的粘贴如图3，其各片受力情况与园环相同。图3八角环上应变片的粘贴图4应变片的全桥联接方式把弹性元件上贴的四片电阻片按全桥方式联接（如图4），根据电桥理论，当电桥直流供电而R1·R3=R2·R4时，电桥平衡的，当弹性元件受力变形时贴在敏感部位的电阻片也应相应的引起变形。此时R1=R2=R3=R4=R5且四臂的电阻变化大小相同方向为相邻桥壁相反时，电桥的输出ReeR出。而由于电阻变化与弹性元件的敏感部件应变相对应，而在弹性元件的弹性范围内其受力后的应变又正比于力的大小，因此电桥的输出与受力的大小成比正。实际使用的国产应变仪对电桥供电多为交流供电。故电桥为交流电桥，对于交流电桥其平衡条件为Z1Z3=Z2Z4（Z是各臂的复数的阻抗）。但其输出仍然可以与直流电桥的分析相同，正比于作用力的大小。2.电阻应变片的布片、粘贴和连桥测力仪弹性元件的适当部位贴上电阻片并将其连成桥路，是一项细致而重要的工作，它往往是测力仪能否正常工作的关键环节。必须引起足够的重视，一般步骤如下：1．应变片准备1）外观检查：检查基底是否破损，敏感栅是否有锈斑，引线是否有折断的危险，观察敏感机是否排列整齐，是否有气泡存在，如果上述条件不符合，则认为该片不合格。2）阻值测量：测量电阻值，剔出断路、短路者，保证同一组应变片的阻值相差在±0.3欧范围内。2．粘贴表面准备为了使应变片粘贴牢固，需对被贴表面进行机械化学处理，处理范围应为应该片面积的三倍。首先去油污、锈斑、氧化膜等，然后用细砂布相对贴片轴向交叉450打磨，直到表面粗糙度为3.2左右。表面粗糙度过高或过低均影响应变片的粘贴牢固程度。经上述处理后，紧接着用浸有酒精或丙酮的砂布或棉球进行清洗，然后画出贴片定位线，再将浸有溶剂的砂布或棉球按一个方向擦洗（不要来回交替擦洗），直至砂布或棉球上不见污迹为止。擦过的表面要避免再次被污染，待溶剂挥发，表面干燥后，立即涂胶贴片。如不能及时粘贴，隔段时间后必须重新清洗。3．贴片（贴片工艺很多，此处仅限于502室温快干胶的介绍）在清洗过的八角环粘贴表面涂一层薄而均匀的胶水。然后迅速将应变片放在粘贴部位上（注意引线的方向），用捏子把应变片调整至贴片位置（使应变片上的一对互相垂直的对称线对准所画的位置线）如图5，然后将塑料薄膜盖于应变片上，用手指柔合滚压（切忌前后搓动使应变片移位），挤出多余胶水和应变片下之气泡，使应变片完全贴和，直至应变片贴牢为止（使用502胶水只需指压0.5—1分钟即可）。待自然干燥一段时间后，由应变片无引线一端开始向有引线一端揭掉塑料薄膜（用力）方向尽量与贴片表面平行，以免将片带起，然后把引线轻轻拉起（切勿用力过猛以防拉断引线）。至此贴片基本结束，然后对贴片的质量进行以下几项检查：1）基底或盖层有无破坏，敏感栅有无变形。2）贴片有无引起断路。3）粘结层中有否气泡和局部没有贴上的现象。4）对测力环表面是否短路，其绝缘强度是否达到要求。（用兆欧表检查，要求在100兆欧以上）。发现上述问题，如无法排除则必须刮掉后经清洗再重新贴片，若经检查合格，则用小套管把引线套好。4．连桥根据工作原理把所贴四片，按顺序联成全桥（如图4所示桥），焊接时应注意切勿使引线折断，然后焊上引出线。再用套管保护所有焊线处，连桥后再次检查电阻值，如果RAC=RBD，RAB=RCD=RDA则各桥路之间无断路现象此外还须进一步检查电桥电路与弹性元件之间的绝缘电阻，用兆欧表检查，绝缘电阻应大于100兆欧。经检查合格后，用腊进行密封以防潮（将膜溶化滴于应变片上，不要用烙铁在上面刮，以免损坏已贴好的应变片）。然后再检查电阻值和绝缘强度，合格后则可对测力仪进行标定。3.测力仪的标定测力仪投入使用之前必须用实验的方法找出他们的输入和输出之间的关系，判定它的各项性能指标，这个过程叫标定。作为静态测量或稳态测量（直流分量）的测力仪只须进行静态标定。但测力仪根据测力的范围、用途的不同要求，标定时注意事项不完全相同。在这里我们又介绍承受纯径向负载下的测力仪标定时应注意的问题。1．标准力值的精度与加载方向的要求；1）纯径向载荷的加力方向应准确，不得歪斜。2）纯径向载荷的加载力值应保证为标准力值，其误差应小于测力仪精度要求的1/10~1/5。图5应变片贴片图2．测力仪标定装置：测力仪标定时其加载方式有多种形式，其中常用的有砝码杠杆式，标准测力环配合螺旋加力器式等等。本实验采用螺旋加力器配合标准测力仪进行标定的方法，图6所示为压力传感器标定方法简图。扭动旋压力器，向下压测力仪，此时被标定测力仪上有一个输出。相应标准测力仪上也有一个输出，此输出已经标定过，故可查得此时作用于待标定测力仪上之力值，有了力值和输出即可求得待标定测力仪的输出与办值的比例关系——即灵敏度。在螺旋加力器，测力仪、标准测力仪中间旋转钢球是使加力时只传递轴向力而不传递扭力的作用。3．测力仪加力范围：测力仪静态标定时按测力仪的设计额定载荷选好加力等级，然后逐级加载记录读数，直到测力仪设计载荷的110%；然后逐级卸载并记录读数，直至全部卸完为止。如此反复进行3-5次，取其平均值然后进行处理得到测力仪的静态性能指标（线性、灵敏度、滞差）。4．仪器结构与工作原理CM-1A-20型数字静态应变仪由测量桥、放大器、滤波器、A/D、单片机、数字显示、电源等部分组成。图7应变仪原理图测量桥按120Ω电阻设计（如图8）（2）主要技术指标a.测量范围：0～±19000με图6加力器简图b.分辨率：1μεc.基本误差：测量值的±0.2%±2个字d.应变系数：K值可调范围为0.5～9.9e.主机可测点数：20点f．预调平衡范围：约±19000με图8测量桥（3）仪器使用说明I.顶部面板说明图9应变仪顶部面板本仪器共20点，单臂时10点一个公共补偿。各测量方法连线的具体要求是：a.单臂测量的联接：顶部面板的“变换器（单臂）”插头插好；补偿接线端子的A0与D0之间连接补偿应变片，10个点的A、B间接测量应变片。b.半桥测量的联接：顶部面板的“变换器（半桥）”插头插好，10个点的A、B间与B、C接测量应变片。c.全桥测量的联接：顶部面板的“变换器”插头拔下。10个点的A点接桥路的电压正极，C点接桥路电压的负极、B点和D点接桥路输出的正极和负极。II.前面板说明图10应变仪前面板“总清”键——对各测点自动进行清零。“复零”键——对面板上正显示的测点进行清零。“巡检”键——对各测点自动循环一次进行测量。“测量”键——开机后数字表显示测点号及其初始应变值，按一次该键数字表显示测点号及K值（应变值与K值显示最显著的差别是应变值无小数点，K值显示是2.000左右的数值）。“P/K增”和“P/K减”键——与“测量”键配合使用来调节测点、K值大小设置。III.仪器自检。打开电源，仪器进行自检，8位数码管发亮，数字面板表左部1－2点显示测点点数P，第3点显示正负号，第4－8点显示应变值或K值（仪器的应变片灵敏度系数）。预热半小时，检查每个测点初始不平衡值。不平衡值较小时表示此点连接正确。经此检查正确后按“总清”键进行清零。4．连接压力传感器与静态应变仪，并在第一次使用前进行标定。把传感器的桥压输入端的两条线接往CM-1A静态应变仪的某一点（如第10点）的A、C端，传感器的电压输出端的两条线接往这一点的B、D端。将表头调到显示第10点的数值，按“复零”键后，用标准压力机给出一标准力，如20KN，查看第10点显示的数据值。如果大于标准力，则调大K值，否则调小K值；按“测量”键查看应变数据是否达到标准值，否则重新调节K值。实际测量时先将第10点复零，给传感器一定压力后，第10点显示值即是传感器所受力值。5．将电阻应变片连接的电桥桥臂与静态应变仪各工作端点接好。10个点的A点接桥路的电压正极，C点接桥路电压的负极，B点和D点接桥路输出的正极和负极。6．逐级加载力值，并记录读数；然后逐级卸载并记录读数。如此反复进行3—5次，取其平均值，绘出测力仪力——应变曲线。7．整理试验数据，讨论试验结果，分析处理后得到测力仪的静态性能指标（线性、灵敏度、滞差）。