[學(xué)習(xí)]電阻應(yīng)變式傳感器力及力矩測(cè)量

1、電阻應(yīng)變式傳感器·力及力矩測(cè)量,本章內(nèi)容,2.1 電阻應(yīng)變片的工作原理 2.2 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、種類和材料 2.3 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù) 2.4 電阻應(yīng)變片的選用 2.5 轉(zhuǎn) 換 電 路 2.6 電阻應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償 2.7 電阻應(yīng)變儀 2.8 測(cè)力基本知識(shí)及測(cè)力傳感器 2.9 力矩測(cè)量轉(zhuǎn)速及力矩傳感器,第2章 電阻應(yīng)變式傳感器.力及力矩測(cè)量,,電阻應(yīng)變式傳感器概述,工作原理：金屬絲

2、、箔、薄膜在外界應(yīng)力 作用下電阻值變化的效應(yīng)——電阻應(yīng)變效應(yīng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便,可測(cè)力、壓力、位移、應(yīng)變、加速度等物理量；,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、多點(diǎn)及遠(yuǎn)距離測(cè)量、遙測(cè)；,靈敏度高，測(cè)量速度快，適合靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量；,第2章 電阻應(yīng)變式傳感器.力及力矩測(cè)量,,,第2章 電阻應(yīng)變式傳感器.力及力矩測(cè)量,應(yīng)變片用于各種電子衡器,磅秤,電子天平,第2章 電阻應(yīng)變式傳感器.力及力矩測(cè)量,材料應(yīng)變的測(cè)量,斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測(cè)試,第2章 電阻應(yīng)變式傳

3、感器.力及力矩測(cè)量,汽車衡稱重系統(tǒng),第2章 電阻應(yīng)變式傳感器.力及力矩測(cè)量,汽車衡,第2章 電阻應(yīng)變式傳感器.力及力矩測(cè)量,2.1 電阻應(yīng)變片的工作原理,——金屬的電阻－應(yīng)變效應(yīng),金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。,金屬絲受拉時(shí)，l變長(zhǎng)、r變小，導(dǎo)致R變大 。,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,——金屬絲的軸向應(yīng)變；,——金屬絲的徑向應(yīng)變（ dS /S=2dr/r）,εx= -μ εY

4、 ； μ——泊松系數(shù)；(Poisson ratio),Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,式中：KS ——金屬絲的靈敏系數(shù)；(gage factor),令：,在金屬絲的彈性范圍內(nèi)，靈敏系數(shù)KS 為常數(shù)，即 ：,,線性關(guān)系,x通常很小，常用10-6表示之。例如，當(dāng)? x為0.000001時(shí)，在工程中常表示為1?10-6或?m/m。在應(yīng)變測(cè)量中，也常將之稱為微應(yīng)變(με)。對(duì)金屬材料而言，當(dāng)它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不要大于1?10-3

5、，即1000?m/m，否則有可能超過材料的極限強(qiáng)度而導(dǎo)致斷裂。,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,2.2.1應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),2.2 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、種類和材料,2.2.2應(yīng)變片的種類,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,1.金屬絲式應(yīng)變片 (bonded metal-wire gage) 直徑在0.012～0.05mm的金屬絲；,2.金屬箔式應(yīng)變片(bonded metal-foil gage)厚度在0.001～0.01mm

6、的金屬箔；,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。箔式應(yīng)變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。還可以對(duì)金屬箔式應(yīng)變片進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚蛊渚€脹系數(shù)、電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)三者相互抵消，從而將溫度影響減小到最小的程度，目前廣泛用于各種應(yīng)變式傳感器中。,3.金屬薄膜式應(yīng)變片(

7、vacuum-deposited thin-metal-film gage, sputter- deposited thin-metal-film gage)厚度在0. 1μm以下的金屬箔；,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,2.2.3 應(yīng)變片的材料,1.敏感柵材料,對(duì)敏感柵的材料的要求：①應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以

8、便于制造小柵長(zhǎng)的應(yīng)變片；③電阻溫度系數(shù)要??；④抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；⑤在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；⑥加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；⑦易于焊接，對(duì)引線材料的熱電勢(shì)小。 常用材料有：康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、鉑、鉑鎢合金等，如下表。,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保

9、護(hù)敏感柵?；椎娜L(zhǎng)稱為基底長(zhǎng)，其寬度稱為基底寬。 基底材料有紙基和膠基。膠基由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚度約0.03～0.05mm,2.基底材料,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,2.3電阻應(yīng)變片的主要參數(shù),Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,2.絕緣電阻：指敏感柵與基底間的電阻值，要求>1010歐姆；,K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。注意，K是在試件受一維應(yīng)力作用，應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向

10、一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時(shí)測(cè)得的。測(cè)量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的因素。,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,,4.機(jī)械滯后,應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合，即為機(jī)械滯后。產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，如果敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘哒?/p>

11、結(jié)劑固化不充分。,機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。所以，通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。,,,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,對(duì)于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。,5.零漂和蠕變,如果在一定溫度下，使

12、應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。,這是兩項(xiàng)衡量應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性的指標(biāo)，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中其意義更為突出。實(shí)際上，蠕變中包含零漂，它是一個(gè)特例。,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,6.應(yīng)變極限、疲勞壽命,在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對(duì)測(cè)試值的真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時(shí)的最大真

13、實(shí)應(yīng)變值。在圖中，真實(shí)應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機(jī)械載荷，在被測(cè)試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力(包括機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力)時(shí)所引起的表面應(yīng)變。,主要因素：粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應(yīng)變片的安裝質(zhì)量。制造與安裝應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)劑和基底材料。基底和粘結(jié)劑的厚度不宜過大，并應(yīng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓袒幚恚拍塬@得較高的應(yīng)變極限。,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,疲勞壽命指對(duì)已粘貼好的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞

14、的循環(huán)次數(shù)。,7.允許電流：靜態(tài)25mA,動(dòng)態(tài)：75～100mA；,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,而在圓弧的其他各微段上，其軸向感受的應(yīng)變是由+εx變化到－εy的，因此圓弧段部分的電阻變化，顯然將小于其同樣長(zhǎng)度沿軸向安放的金屬絲的電阻變化。由此可見，將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，因此靈敏系數(shù)有所降低，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。,應(yīng)變片的橫向效應(yīng)表明，當(dāng)實(shí)際使用應(yīng)變片的

15、條件與標(biāo)定靈敏度系數(shù)K時(shí)的條件不同時(shí)，由于橫向效應(yīng)的影響，實(shí)際K值要改變，由此可能產(chǎn)生較大測(cè)量誤差。為了減小橫向效應(yīng)的影響，一般多采用箔式應(yīng)變片。,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,9.動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,當(dāng)被測(cè)應(yīng)變值隨時(shí)間變化的頻率很高時(shí)，需考慮應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性。因應(yīng)變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應(yīng)變波傳到應(yīng)變片的時(shí)間很短(估計(jì)約0.2μs)，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向傳播時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 設(shè)一頻率為 f 的正弦應(yīng)變波在構(gòu)件中以速度 v 沿應(yīng)

16、變片柵長(zhǎng)方向傳播，在某一瞬時(shí) t，應(yīng)變量沿構(gòu)件分布如圖所示。,,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,,設(shè)應(yīng)變波的波長(zhǎng)為λ，應(yīng)變片的基長(zhǎng)為l，其兩端的坐標(biāo)為，,,應(yīng)變片在其基長(zhǎng)內(nèi)測(cè)得的平均應(yīng)變最大值為:,故應(yīng)變波幅測(cè)量誤差為,,,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,由上式可見，相對(duì)誤差δ的大小只決定于 的比值，表中給出了為1/10和1/20時(shí)δ的數(shù)值。,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,由表可知，應(yīng)變片柵長(zhǎng)與正弦應(yīng)變波的波長(zhǎng)之比愈小，相對(duì)誤差δ

17、愈小。當(dāng)選中的應(yīng)變片柵長(zhǎng)為應(yīng)變波長(zhǎng)的（1/10-1/20）時(shí)，δ將小于2%。因?yàn)槭街?υ——應(yīng)變波在試件中的傳播速度；f——應(yīng)變片的可測(cè)頻率。取 ，則若已知應(yīng)變波在某材料內(nèi)傳播速度υ，由上式可計(jì)算出柵長(zhǎng)為L(zhǎng)的應(yīng)變片粘貼在某種材料上的可測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變最高頻率。,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,基長(zhǎng)l0 （mm） 1 2 3 5

18、 10 15 20最高工作頻率（KHz) 250 125 83.3 50 25 16.6 12.5,下表為鋼材，v=5000m/s, ＝20的計(jì)算結(jié)果,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,2.4 電阻應(yīng)變片的應(yīng)用,2.4.1應(yīng)變片的選擇,應(yīng)變片類型的選擇,根據(jù)應(yīng)變測(cè)量的目的，被測(cè)試件的材料和應(yīng)力狀態(tài)、測(cè)量精度選擇應(yīng)變片的形式。,對(duì)于測(cè)試點(diǎn)主應(yīng)力方向已知的一維應(yīng)力測(cè)量，選用單軸絲式或箔式應(yīng)變

19、片；,對(duì)于平面應(yīng)變場(chǎng)主應(yīng)力方向已知的二維應(yīng)變測(cè)量，可以使用直角應(yīng)變花，并使其中一條應(yīng)變柵與主應(yīng)力方向一致,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,對(duì)于應(yīng)變式傳感器，應(yīng)變片的形式主要取決于彈性元件。對(duì)柱式、梁式、環(huán)式等彈性元件，它們工作時(shí)受拉/壓應(yīng)力或彎曲應(yīng)力，所以應(yīng)變片均采用單軸應(yīng)變片；對(duì)于輪輻式等利用剪應(yīng)力測(cè)量的彈性元件，一般使用雙軸45°應(yīng)變片。,如果應(yīng)力方向未知就必須使用三柵或四柵的應(yīng)變花,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,3.阻

20、值的選擇,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的常溫應(yīng)變片使用溫度為-30～+600℃，常溫應(yīng)變片一般采用康銅制造；由于基底材料和粘接劑的限制，目前200～250℃的中溫箔式電阻應(yīng)變片一般都使用卡瑪合金制作；工作溫度大于350℃的高溫應(yīng)變片需訂做，常用金屬基底，使用時(shí)用點(diǎn)焊將應(yīng)變片焊接在試件上。,依據(jù)測(cè)量電路或儀器選定應(yīng)變片的標(biāo)稱阻值。如配用電阻應(yīng)變儀，常選用120Ω阻值。,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,4.尺寸的選擇,測(cè)量時(shí)為提高靈敏度，常用較高的供橋電

21、壓，由于350Ω，500Ω等大阻值應(yīng)變片具有通過電流小、自熱引起的溫升低、持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)測(cè)量信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣,按照試件表面粗糙度、應(yīng)力分布狀態(tài)、粘貼面積大小、應(yīng)變波頻率等選擇尺寸。若被測(cè)試件材質(zhì)均勻、應(yīng)力梯度大，則選用柵長(zhǎng)小的應(yīng)變片；對(duì)材質(zhì)不均勻而強(qiáng)度不等的材料(如混凝土)，或應(yīng)力分布變化比較緩慢的構(gòu)件，應(yīng)選用柵長(zhǎng)大的應(yīng)變片；對(duì)于沖擊載荷或高頻動(dòng)荷作用下的應(yīng)變測(cè)量，還要考慮應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。一般來說，應(yīng)變片柵長(zhǎng)越小

22、，測(cè)量頻率越高，越能正確反映出被測(cè)量點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變。,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,1. 去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。,,,2.4.2應(yīng)變片的使用,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,,,2.貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠 ，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄

23、膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡 。,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,3.測(cè)量 ： 從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測(cè)量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。,,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,4.焊接： 將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。,,,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,5.固定： 焊接后用膠布將引線和被測(cè)對(duì)象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。,,,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,2.5 轉(zhuǎn)換電路,應(yīng)變片

24、將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化ΔR/R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測(cè)儀表進(jìn)行測(cè)量。電阻應(yīng)變片的測(cè)量線路多采用交流電橋(配交流放大器)，其原理和直流電橋相似。直流電橋比較簡(jiǎn)單，因此首先分析直流電橋。,2.5.1恒壓源直流電橋,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,如圖所示。電源E為恒壓源，其內(nèi)阻為零。根據(jù)電路學(xué)中的克希霍夫定律，列出電路方程：,,,,,,,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,式中 R0為負(fù)載電阻，因而其輸出電壓

25、U0為:,聯(lián)立求解上述方程，求出檢流計(jì)中流過的電流Io為:,當(dāng)R1R4=R2R3時(shí)，I0=0，U0=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。若電橋的負(fù)載電阻R0為無窮大，則B、D兩點(diǎn)可視為開路，上式可以化簡(jiǎn)為:,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,設(shè)R1為應(yīng)變片的阻值，工作時(shí)R1有一增量ΔR1，當(dāng)為拉伸應(yīng)變時(shí)，ΔR1為正；壓縮應(yīng)變時(shí)，ΔR1為負(fù)。在上式中以R1+ΔR1代替R1，則,(2-12),Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,由于ΔR1 <<

26、R1 ,略去(2-13)分母中的 ΔR1 /R1得：,定義橋臂比：,(2-14),Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,(2-15) 當(dāng)dKU/dn=0時(shí)， dKU最大，此時(shí)n=1； 即R2=R1；R4= R3當(dāng)n=1時(shí)，電橋?yàn)榈缺垭姌?，其輸出電壓為?

27、 (2-16),定義電橋靈敏度：,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,單臂直流電橋的非線性誤差如果不略去（2-13）式中分母的ΔR1 /R1項(xiàng)，則電橋?qū)嶋H輸出值為U0’，非線性誤差為： 當(dāng)n=1時(shí)，,可見非線性誤

28、差與ΔR1/R1成正比。對(duì)金屬電阻應(yīng)變片，ΔR非常小，電橋非線性誤差可以忽略。對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片，由于其靈敏度大，受應(yīng)變時(shí)ΔR很大，非線性誤差將不可忽略，因此應(yīng)采用差動(dòng)電橋。,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,差動(dòng)電橋,,兩臂差動(dòng)電橋的輸出電壓為：,,設(shè)初始時(shí)為R1=R2=R3=R4=R；則上式為,,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,若采用四臂差動(dòng)電橋（全橋），如圖，并設(shè)初始時(shí)R1=R2=R3=R4=R；工作時(shí)各個(gè)橋臂中電阻應(yīng)變片電阻的變化為：

29、ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4；則電橋輸出為：,若ΔR1=ΔR4=－ΔR2=－ΔR3=ΔR，則有,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,2.5.2恒流源電橋,設(shè)供電電流為I，當(dāng)ΔR1=0時(shí)，且負(fù)載電阻很大，通過各臂的電流為,,輸出電壓為：,若電橋初始處于平衡狀態(tài)，且R1=R2=R3=R4=R；當(dāng)R1變?yōu)镽+ΔR時(shí)，電橋輸出電壓為,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,2.5.3交流電橋,交流載波放大器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、外界干擾和電源影響小及造

30、價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但存在工作頻率上限較低、長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)分布電容影響大等缺點(diǎn)。直流放大器工作頻帶寬，能解決分布電容問題，但它需配用精密穩(wěn)定電源供橋，造價(jià)較高。近年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)字應(yīng)變儀、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀中已逐漸采用直流放大形式的測(cè)量線路。,,1．交流電橋的平衡條件交流電橋電路如圖所示,輸出電壓為,平衡條件為：,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,設(shè)各臂阻抗為:,式中，ri、xi為相應(yīng)各橋臂的電阻和電抗，Zi和φi為復(fù)阻抗的模和幅角。,Pa

31、rt A 電阻應(yīng)變式傳感器,2．交流電橋的平衡調(diào)節(jié),對(duì)于純電阻交流電橋，由于應(yīng)變片連接導(dǎo)線的分布電容，相當(dāng)于在應(yīng)變片上并聯(lián)了一個(gè)電容，如圖，所以在調(diào)節(jié)平衡時(shí)，除使用電阻平衡裝置外，還要使用電容平衡裝置，,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,2.6電阻應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償 1.溫度誤差及其產(chǎn)生原因,用作測(cè)量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測(cè)試件的溫度)影響很大。由于環(huán)

32、境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素：應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為Δt（℃）時(shí)，粘貼在試件表面的應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為α ，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對(duì)變化為

33、 由于敏感柵材料和被測(cè)構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)Δt 存在時(shí)，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，相應(yīng)的電阻相對(duì)變化為 βg—試件材料線膨脹系數(shù)；βs—敏感柵材料線膨脹系數(shù)。,K——應(yīng)變片靈敏系數(shù)。,,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,溫度變化形成的總電阻相對(duì)變化： 相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)樯鲜綖閼?yīng)變片粘貼在試件表面上

34、，當(dāng)試件不受外力作用，在溫度變化Δt 時(shí)，應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。用應(yīng)變形式表現(xiàn)出來，稱之為熱輸出。可見，應(yīng)變片熱輸出的大小不僅與應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的性能(α,βs)有關(guān)，而且與被測(cè)試件材料的線膨脹系數(shù)(βg)有關(guān)。,,,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,2.溫度誤差補(bǔ)償方法,（1）自補(bǔ)償法1）單絲自補(bǔ)償由前式知，若使應(yīng)變片在溫度變化Δt時(shí)的熱輸出值為零，必須使每一種材料的被測(cè)試件，其線膨脹系數(shù)βg都為確定值，可以在有關(guān)的材料手冊(cè)中查到

35、。在選擇應(yīng)變片時(shí)，若應(yīng)變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數(shù)α和線膨脹系數(shù)βs 滿足上式的條件，即可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。具有這種敏感柵的應(yīng)變片稱為單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片。,單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和使用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,如圖（a）,應(yīng)變片由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負(fù)值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)

36、到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實(shí)現(xiàn),ΔR1t= –ΔR2t,,該方法補(bǔ)償效果可達(dá)±0.45με／℃。,2）雙絲組合式自補(bǔ)償,（a）,(b),溫度補(bǔ)償。這種應(yīng)變片的自補(bǔ)償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號(hào)相反，即,,組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片的另一種形式是用兩種同符號(hào)溫度系數(shù)的合金絲串接成敏感柵，在串接處焊出引線并接入電橋，如圖(b)。適當(dāng)調(diào)節(jié)R1與R2的長(zhǎng)度比和外接電阻RB的值，使之滿

37、足條件 即可滿足溫度自補(bǔ)償要求,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,（2）橋路補(bǔ)償法,如圖，工作應(yīng)變片R1安裝在被測(cè)試件上，另選一個(gè)特性與R1相同的補(bǔ)償片RB，安裝在材料與試件相同的補(bǔ)償件上，溫度與試件相同，但不承受應(yīng)變。R1與RB接入電橋相鄰臂上。由于相同溫度變化造成R1和RB電阻變化相同，根據(jù)電橋理論可知，電橋輸出電壓與溫度變化無關(guān)。,在有些應(yīng)用中，可以通過巧妙地安裝多

38、個(gè)應(yīng)變片以達(dá)到溫度補(bǔ)償和提高測(cè)量靈敏度的雙重目的。如圖，在等強(qiáng)度懸臂梁的上下表面對(duì)應(yīng)位置粘貼四片相同的應(yīng)變片并接成差動(dòng)全橋，當(dāng)梁受壓力F時(shí)，R1和R2應(yīng)變片受拉應(yīng)變，電阻增加，而R3和R4應(yīng)變片受壓應(yīng)變，電阻減小，電橋輸出為單臂工作時(shí)的4倍。而溫度變化引起四片應(yīng)變片的電阻變化相同，則電橋輸出不變。,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,2.7 電阻應(yīng)變儀,Part A 電阻應(yīng)變式傳感器,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,2.8 測(cè)力基本知識(shí)及

39、測(cè)力傳感器,2.8.1 力的測(cè)量方法,（1）利用動(dòng)力效應(yīng)測(cè)力力的動(dòng)力效應(yīng)使物體產(chǎn)生加速度，由牛頓第二定律可知：當(dāng)物體質(zhì)量確定后，該物體所受力和產(chǎn)生的加速度之間有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此只需要測(cè)出物體的加速度，就可間接測(cè)得力。 （2）利用靜力效應(yīng)測(cè)力由胡克定律可知：彈性物體在力的作用下產(chǎn)生變形時(shí)，若在彈性范圍內(nèi)，物體所產(chǎn)生的變形量與所受力值成正比，如果通過一定手段測(cè)出物體的彈性變形量，就可間接確定物體所受力的大小，電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器就

40、屬于此類。另外也可利用與內(nèi)部應(yīng)力相對(duì)應(yīng)參量的物理效應(yīng)來確定力值，如利用壓電效應(yīng)、壓磁效應(yīng)的測(cè)力傳感器。在機(jī)械工程中，大部分測(cè)力方法都是基于靜力效應(yīng)。,利用電阻應(yīng)變片制作的測(cè)力儀廣泛應(yīng)用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量中，是目前數(shù)量最多、種類最全的測(cè)力裝置，量程范圍為10-2 ~107N。 各類電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器的工作原理相同：利用彈性元件將被測(cè)力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化，再由電橋電路轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)放大處理后顯示被

41、測(cè)力的大小。 測(cè)力傳感器的優(yōu)劣除常規(guī)的靈敏度、精度、穩(wěn)定性指標(biāo)外，還包括過載能力、抗側(cè)向能力大小等特殊要求。設(shè)計(jì)高精度測(cè)力傳感器的指導(dǎo)思想是追求良好的自然線性；提高傳感器的輸出靈敏度；使傳感器的抗側(cè)向能力高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并易于密封，加工容易等。,2.8.2 電阻應(yīng)變式力傳感器,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,1．柱式力傳感器,柱式力傳感器的彈性元件分實(shí)心和空心兩種，如圖。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可承受較大載荷，最大可達(dá)107N，在測(cè)103

42、~105N載荷時(shí)，為提高變換靈敏度和抗橫向干擾，一般采用空心圓柱結(jié)構(gòu)。,,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,即：F/S<= [σb ] ；S=πd²/4得：,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,BLR—1型拉力傳感器,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,,,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置,F,F,,,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,電子汽車衡,懸臂梁式：,等截面梁：,ε=6Fl0/Ebh

43、²,ε=6lF/Eb0h²,等強(qiáng)度梁：,2．梁式力傳感器,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,雙孔平行梁：,——抗彎斷面系數(shù),差動(dòng)電橋輸出：,可見載荷的位置不影響輸出,載荷可以施加在任何位置，都可以,簡(jiǎn)化為作用于梁端部的力F及一個(gè)力偶M,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,S型雙孔梁,差動(dòng)電橋輸出：,——抗彎斷面系數(shù),Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,應(yīng)變式力傳感器,F,F,F,F,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,吊鉤

44、秤,便攜式,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,各種懸臂梁,,F,,F,,固定點(diǎn),,固定點(diǎn),,電纜,,,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,－－剪切彈性模量,梁長(zhǎng)度的中間截面彎矩為零，中性層處是最大剪應(yīng)變所在處，為此將電阻應(yīng)變片安裝在該截面的中性層上，柵絲與中性層成45°方向，即最大正應(yīng)變方向。,,,四片應(yīng)變片接成全橋電路后，電橋輸出指示的應(yīng)變與外力的關(guān)系為： 矩形截面梁： 工字形截面梁：,Part B

45、 力及力矩測(cè)量傳感器,輪輻式剪切力傳感器,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,【例】以國(guó)產(chǎn)BLR-1型拉力傳感器為例，設(shè)計(jì)一個(gè)滿量程為9.8 kN的拉力傳感器。傳感器彈性元件形狀如圖，材料選用40CrNiMo，材料的強(qiáng)度極限σb=1100 MPa，比例極限σp=800 MPa，材料彈性模量E=210 GPa，泊松系數(shù)μ=0.29。,解：1) 設(shè)計(jì)思路 常規(guī)柱式應(yīng)變力傳感器的測(cè)量靈敏度應(yīng)達(dá)到1～3

46、 mV/V，設(shè)計(jì)時(shí)以此為依據(jù)計(jì)算彈性元件的相關(guān)參數(shù)，再對(duì)彈性元件進(jìn)行強(qiáng)度校核，直至同時(shí)滿足測(cè)量靈敏度和使用強(qiáng)度要求。,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,采用恒壓源電橋電路，布片及電橋如圖2.16所示，電橋的輸出表達(dá)式為,,即,,,取應(yīng)變片靈敏系數(shù)K=2， ，代入上式計(jì)算得最大應(yīng)變值為,,取,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,2) 彈性元件內(nèi)、外徑的計(jì)算根據(jù)拉伸時(shí)軸向應(yīng)變、力F、面積S之間的關(guān)系：,,

47、,代入已知參數(shù)，計(jì)算彈性元件截面積為,,彈性元件的外徑d1不能選擇得太小，否則會(huì)由于力的偏心造成很大的誤差。這里選用外徑為d1=1.5 cm的空心管，面積計(jì)算公式為,,則內(nèi)徑d2為 ,保留一位小數(shù)d2=1.3 cm。,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,這樣空心管壁厚t=0.1 cm。3) 柱高h(yuǎn)及其他尺寸的確定 為了防止彈性元件受壓時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，柱高h(yuǎn)應(yīng)當(dāng)選得小些，

48、但又必須使應(yīng)變片能夠反映截面應(yīng)變的平均值，這里選用彈性元件工作段的長(zhǎng)度為：h=2d1=3cm。,,由于壁很薄，還必須檢驗(yàn)是否會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)。薄壁管的失穩(wěn)臨界應(yīng)力計(jì)算如下：,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,校核在超過滿量程150%情況下，彈性元件截面中的應(yīng)力大小如下：,,計(jì)算表明，受力超過滿量程150%時(shí)的應(yīng)力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的比例極限和臨界應(yīng)力，這表明該彈性元件不會(huì)出現(xiàn)彈性失穩(wěn)。另外彈性元件兩端有螺紋孔，以便連接拉力螺栓，螺孔設(shè)計(jì)為M1

49、4，查閱手冊(cè)可知它的許用載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于9.8 kN。,,4) 輸出量的計(jì)算根據(jù)彈性元件設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算滿量程下的軸向應(yīng)變?yōu)?Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,對(duì)應(yīng)電橋單位激勵(lì)電壓下的輸出為,,故知設(shè)計(jì)滿足靈敏度和強(qiáng)度要求。,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,,2.8.3 壓磁式力傳感器,磁壓式力傳感器的工作原理是基于鐵磁材料的壓磁效應(yīng)。,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,85,壓磁式測(cè)力傳感器及測(cè)力儀電路框圖１—?jiǎng)?lì)磁線圈?。?/p>

50、—測(cè)量線圈?。场F心　４—彈性膜片５—承載頭?。丁B通孔,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。,壓電效應(yīng)(Piezoelectric-effect),2.8.4

51、壓電式測(cè)力傳感器,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,圖示為一種單向壓電式測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它可用于機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量。壓電晶片為零度x切石英晶片，尺寸為8×1 mm，上蓋為傳力元件，其變形壁的厚度為0.1～0.5 mm，由測(cè)力范圍決定，F(xiàn)max=5000N。絕緣套用來電氣絕緣和定位。,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量,,,,Part B 力及力矩測(cè)量傳

52、感器,89,,2.9 力矩測(cè)量基本知識(shí)及力矩傳感器,2.9.1 力矩的測(cè)量方法力矩是力和力臂的乘積。在力矩作用下機(jī)械零部件會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或一定程度的扭曲變形，因此力矩也稱為轉(zhuǎn)矩或扭轉(zhuǎn)矩。力矩的法定計(jì)量單位為“牛頓米”（N·m）。 在測(cè)量扭矩的諸多方法中，最常用的是通過彈性軸在傳遞力矩時(shí)產(chǎn)生的變形、應(yīng)變、應(yīng)力來測(cè)量扭矩。常用的彈性軸如圖所示。,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,按彈性軸變形測(cè)量時(shí)：,把彈性軸聯(lián)接在驅(qū)動(dòng)源和

53、負(fù)載之間，彈性軸就會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。在材料的彈性極限內(nèi)彈性軸的扭轉(zhuǎn)角與扭矩成線性關(guān)系：,,式中，φ為彈性軸的扭轉(zhuǎn)角（rad）；l為彈性軸的測(cè)量長(zhǎng)度（m）；d為彈性軸的直徑（m）；M為扭矩（N·m）；G為彈性軸材料的切變模量（Pa）。,,,,,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,按彈性軸應(yīng)力測(cè)量時(shí)： σ

54、——轉(zhuǎn)軸外表面的剪切應(yīng)力。按彈性軸應(yīng)變測(cè)量時(shí)：式中，ε45°、ε135°為轉(zhuǎn)軸外表面上與軸線成45°角或135°角的主應(yīng)變。,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,92,2.9.2 電阻應(yīng)變式扭距傳感器電阻應(yīng)變式扭矩儀測(cè)量精度高達(dá)±（0.2~0.5）%，線性度可達(dá)0.05%，重復(fù)性達(dá)0.03%，測(cè)量范圍為5~50000N·m，在扭矩測(cè)量中應(yīng)用較廣泛。但它的安裝要求高，且

55、易受溫度影響，在高轉(zhuǎn)速時(shí)測(cè)量誤差較大。,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,當(dāng)測(cè)量小轉(zhuǎn)矩時(shí)，考慮到抗彎曲強(qiáng)度、臨界轉(zhuǎn)速、應(yīng)變片尺寸及粘貼工藝等因素，多采用空心軸：,,大量程轉(zhuǎn)矩測(cè)量時(shí)一般采用實(shí)心方形截面彈性軸。對(duì)于正方形軸，應(yīng)變與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為,,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,94,,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,95,,應(yīng)變式扭矩儀工作原理圖,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,電刷—滑環(huán)集流裝置,端面電刷—滑環(huán)集流裝置1-套筒；

56、2絕緣環(huán)；11-滑環(huán)；4-電刷；5-簧片；6-外殼；7-軸承,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,感應(yīng)式集流裝置,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,電感耦合應(yīng)變式扭矩儀,電橋及應(yīng)變信號(hào)傳輸理圖,Part B 力及力矩測(cè)量傳感器,2.9.3 其它類型的扭矩傳感器,轉(zhuǎn)軸受扭矩作用產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形后，軸上兩橫截面的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角與扭矩成正比，若用磁電式或光電式傳感器提取信號(hào)，則信號(hào)相位差與扭轉(zhuǎn)角成正比，從而實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量。,Part B 力及力矩測(cè)量傳感