第四章力参量测量.

第四章力参量的测量章节安排第四章力参量测量第一节：电阻应变式传感器(P38)一、电阻应变效应二、金属电阻应变片（丝式、箔式）三、半导体电阻应变片四、应变片的主要参数（灵敏度系数、标称电阻…）五、应变式力传感器第二节：电阻应变仪一、概述（工作原理及分类）二、电阻应变仪的测量电桥(P73)三、电阻应变仪的使用（晶明为例介绍）第三节：影响测量的因素及消除方法(P124)一、温度的影响及其消除办法二、长引线的影响及其消除第四节：典型力参量测量时的贴片和接桥方法(P118)力是物体之间的相互作用，各种机械运动都是力或力矩传递的结果，因此力参量是机械工程中最常见的基础被测参量之一。在研究机器零件的刚度、强度、设备的力能关系以及工艺参数时都要进行应力应变的测量。力参量测量方法机械测力法光学测力法电测法电阻应变式电容式电感式…电阻应变式电测法，其测量系统主要由电阻应变式传感器、测量电路、显示与记录仪器或计算机等设备组成。U、i或εε电阻应变式传感器测量电路显示、记录仪器或计算机R§4-1电阻应变式力传感器（P38）电阻应变式力传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。应变式电测技术的优点：非线性小，电阻的变化同应变成线性关系；应变片尺寸小（我国的应变片栅长最小达0.178mm），重量轻（一般为0.1~0.2g），惯性小，频率响应好，可测0～500kHz的动态应变；③测量范围广，一般测量范围为10~10-4量级的微应变；测量精度高，动态测试精度达1%，静态测试技术可达0.1%；可在各种复杂或恶劣的环境中进行测量。基本元件电阻应变片可分为金属电阻应变片和半导体应变片两类，是一种将应变转换成电阻变化的变换元件。应变片不仅能测应变，而且对能转化为应变变化的物理量，如力、扭矩、压强、位移、温度、加速度等，都可利用应变片进行测量，所以它在测试中应用非常广泛。设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为两边取对数，得等式两边取微分，一、电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。SlRSlRlnlnlnlnSdSldldRdRl△ldR/R——电阻的相对变化；dρ/ρ——电阻率的相对变化；dl/l——金属丝长度相对变化，用ε表示，ε=dl/l,称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；dS/S——截面积的相对变化。S=πr2dS/S=2·dr/rdr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。εr=–με由材料力学知：将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，则)21()21(dldldRdRSKllEllllRR)21()//21(金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。变形变性物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。KS由两部分组成：前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；后一部分为，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。对金属材料，以前者为主，则KS≈1+2μ；对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定。实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.8～3.6范围内。ll//二、金属电阻应变片金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。金属应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。1、丝式应变片由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。2341bl栅长栅宽电阻应变片结构示意图（1）敏感栅由金属细丝绕成栅形，直径：（0.015～0.05）mm应变片的阻值：60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。（允许有一定的误差，但不能太大，否则影响平衡）标距=栅宽×栅长=b×l较大的应变片：5×100（200）mm较小的应变片：1×1（2）mm等。结构：回线式（a）和短接式（b）一般至少用两个，一个做测量，一个做温度补偿，或用四个，两个做测量，两个做温度补偿。2、箔式应变片金属箔式应变片则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅系用光刻技术制造，适于大批量生产。其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片厚约1—10μm，散热好，粘结情况好，传递试件应变性能好。因此目前使用的多系金属箔式应变片。箔式应变片的优点能确保敏感栅尺寸正确、线条均匀，可制成任意形状以适应不同的测量要求；敏感栅截面为矩形，表面积对截面积之比远比圆断面的大，故粘合面积大；敏感栅薄而宽，粘结性能及传递试件应变性能好；散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号；敏感栅弯头横向效应可忽略，蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。三、半导体应变片半导体应变片最简单的典型结构如图所示。半导体应变片的使用方法与金属电阻应变片相同，即粘贴在弹性元件或被测物体上，其电阻值随被测试件的应变而变化。半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。xRR)21(所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率ρ发生明显变化的现象。优点：灵敏度高（Ks=60~500）；缺点：稳定性差，非线性严重。做一批应变片，各不相同；同一批应变片在不同条件下，变化很大。四、应变片的主要参数1、灵敏度系数K：金属应变片的灵敏度系数——指应变片安装于试件表面，在其轴向方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。Ks:金属丝的灵敏度系数——金属单丝的电阻相对变化与它所感受的应变之比。当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。即：K为金属应变片的灵敏系数。注意，K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。KRRRRK测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。思考：K与KS大小的关系？使用最多2、标称电阻指未安装的应变片，在不受到外力的情况下，于室温条件下测定的电阻值。已标准化：60Ω，120Ω，240Ω，350Ω，600Ω等3、绝缘电阻即敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于1010Ω。4、允许电流指不因电流产生热量影响精度的前提下，应变片允许通过的最大电流。静态：25mA动态：75~100mA5、应变极限在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变。主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。εlim真实应变εz指示应变εi应变片的应变极限±10%16、零点漂移和蠕变对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。金属应变片,除了直接用于测定试件应力、应变外，还制造成多种应变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力等其它物理量。应变式力传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是应变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。柱式力传感器梁式力传感器五、应变式力传感器1、柱式力传感器圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。柱式力传感器-ε2+ε1截面积SFFF面积S-ε1+ε2b）a）在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的α方向，柱式力传感器（压力测量）2、梁式力传感器等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。LR1R3R2R4xFhb等强度梁弹性元件b0R4力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。EhbLF206测量实例图4-6梁式力传感器a)结构图b)接桥电路典型实例连接器测量电路记录器显示仪表传感器物料台面P传感器应变式称重仪表原理§4-2电阻应变仪应变式力传感器输出的电阻变化量很小很小，进行传输和记录都存在许多不便之处，因此需要对应变片的输出信号进行转换调理，用于完成这一任务的仪器称应变仪。一电阻应变片，其灵敏度系数K=2，R=120Ω，设其感受到的应变为100με，求电阻的相对变化量。已知：K=2，R=120Ω,ε=100με(注：1με=10-6ε)解：642100101200.024210RKRKRRRR电阻应变仪的分类：按被测应变的变化频率及相应的电阻应变仪的工作频率范围可分为：静态应变仪：应变信号变化十分缓慢或变化一次后能相对稳定；静动态应变仪：测量静态应变为主，也可测量频率在100~200Hz以下的动态应变。动态应变仪:测量的工作频率可达0～2000Hz,个别可达10kHz；超动态应变仪:工作频率高于10kHz的应变仪称超动态应变仪，主要用于爆炸、高速冲击等瞬态应变测量。按放大器工作原理可分为直流放大式电阻应变仪和交流放大式电阻应变仪两类。直流电阻应变仪的组成框图测量电桥：将电阻应变片阻值变化量转变为可以用于分析的电压或电流信号滤波电路：硬件滤波，消除高频谐波信号的干扰直流放大器：将μv级的微弱电压信号进行放大测量电桥直流放大器低通滤波电路电阻应变片输出显示A/D转换电阻应变仪的工作原理交流动态电阻应变仪的组成框图4-2-1测量电桥电桥是将电阻R、电感L、电容C等电参数变为电压Δu或电流Δi信号后输出的一种测量电路。按激励电压分:供桥电源电压是直流电压时，称直流电桥；供桥电源电压为交流电压时，称交流电桥。一、直流电桥(惠斯登电桥)R1，R2，R3，R4应变片或固定电阻AC——供桥电压端BD——输出端(U0)（一般视为开路）Rg——负载电阻U0CR1R2R3R4RgBADUi（一）、直流电桥的平衡条件i43214231i434i2114211DABA0URRRRRRRRURRRURRRRIRIUUU))((由上式可见：若R1R3=R2R4，则输出电压必为零，此时电桥处于平衡状态，称为平衡电桥。直流电桥的平衡条件为：R1R3=R2R4R1/R2=R4/R3（对臂电阻的乘积相等，或邻臂电阻的比值相等）Ui（二）、电桥的输出1、半桥单臂以桥臂电阻R1作为工作臂，如图4-1。设R2=R3=R4=R，R1=R+ΔR，其中R为一常数，则输出电压RR4UUR4RRU4R3R2R1R3RR4R2R3RRU4R3R2RR1R4R2R3RRRU