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1、液压测试及计算机测控技术周生浩液压与气动技术研究所Institute of Hydraulic Pneumatic Technology(IHPT)HydraulicTestingandComputerMeasurement&Controlmousegame1mousegame2mousegame33机械基本参数测量机械基本参数应变直线位移角位移直线速度转速力结构原理性能标定方法扭矩振动和噪声3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量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F l、A、R长为l、截面积为A、电阻率为的金属或半导体丝,电阻3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量
2、电阻应变效应对于半径为r的圆导体，A=r2，A/A=2r/r又由材料力学可知，在弹性范围内，为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5；为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量；3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量电阻灵敏系数材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）金属材料：k0以前者为主，则k01+2=1.73.6半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定k0501003机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变片的基本结构与种类敏感栅直径为0.025mm左右的合金电阻丝丝绕式基底绝缘覆盖层保护位移、力、
3、力矩、加速度、压力弹性敏感元件 应变 外力作用被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化 应变片金属电阻丝应变片基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线 3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变片的基本结构与种类应变计金属属性半导体式体形薄膜型丝式箔式纸基胶基体型薄模型扩散型外延型Pn结及其它形式3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量金属丝式应变片金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角,如右图所示。弯曲部分作成圆弧（U）形是最早常用的一种形式,制作简单但横向效应较大。直角（H）形两端用较粗的镀银铜线焊接,横向效应相对较小,但制作工艺复杂,将逐渐被横向效应小
4、、其他方面性能更优越的箔式应变计所代替。3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量箔式应变片箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一般在0.0030.01mm）。与丝式应变计相比有如下优点:(1)工艺上能保证线栅的尺寸正确、线条均匀,大批量生产时,阻值离散程度小。(2)可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长（如基长为0.1mm）的应变计。(3)敏感栅截面积为矩形,表面积大,散热好,在相同截面情况下能通过较大电流。(4)厚度薄,因此具有较好的可挠性,它的扁平状箔栅有利于形变的传递。(5)蠕变小,疲劳寿命高。(6)横向效应小。(7)便于批量生产,生产效率高。下图为几种箔
5、式应变计。3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量箔式应变片几种箔式应变计缺点：电阻值的分散性大,阻值调整困难3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量金属薄膜应变片u采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产u优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产u问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量半导体应变片u薄膜型半导体应变计是利用真空沉积技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成的。u扩散型半导体应变计是将P型杂质扩散到高阻的N型硅基片上,形成一层极薄
6、的敏感层制成的。u外延型半导体应变计是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成的。3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量半导体应变片(1)灵敏度高。比金属应变计的灵敏度约大50100倍。工作时,可不必用放大器就可用电压表或示波器等简单仪器记录测量结果。(2)体积小,耗电省。(3)由于具有正、负两种符号的应力效应（即在拉伸时P型硅应变计的灵敏度系数为正值;而N型硅应变计的灵敏度系数为负值。(4)机械滞后小,可测量静态应变、低频应变等。优点3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变计应变计是一种重要的敏感元件。首先,它在实验应力分析中是测量应变和应力的主要传感元件;其次,某些其他类型的传感器,如膜
7、片式压力传感器、加速度计、线位移传感器等,也经常使用应变计作为机电转换元件或敏感元件,广泛地应用于工程测量和科学实验中。3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变计应变计之所以成为重要的敏感元件,主要由于具有如下优点:(1)测量应变的灵敏度和精确度高。能测12微应变（110-6mm/mm）的应变。误差一般可小于1%。精度可达0.015%FS（普通精度可达0.05%FS）。(2)测量范围大。从弹性变形一直可测至塑性变形。变形范围从1%20%。(3)尺寸小（超小型应变计的敏感栅尺寸为0.2mm2.5mm）,重量轻,对试件工作状态和应力分布影响很小。既可用于静态测量,又可用于动态测量,且具有良好的动
8、态响应（可测几十甚至上百赫的动态过程）。(4)能适应各种环境。可以在高温、超低压、高压、水下、强磁场以及辐射等恶劣环境下使用。(5)价格低廉、品种多样,便于选择和大量使用。应变计有如下缺点:在大应变下具有较大的非线性,半导体应变计的非线性更为明显;输出信号较微弱,故抗干扰能力较差。应变式传感器的性能在很大程度上取决于应变计的性能。3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变计的主要特性（一）灵敏系数（二）横向效应（三）温度误差及其补偿3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变计的电阻值Ru应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值 u电阻系列：60、120、200、350、500、1
9、000 可以加大应变片承受电压，电阻值大 输出信号大，敏感栅尺寸也增大 3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变计的主要特性1.灵敏系数“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料为泊松系数=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5的产品来测定，取平均值及允许公差值。电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0 粘结层传递变形失真还存在有横向效应 原因：3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变计的主要特性2.横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变x，电阻圆弧段：沿轴向压应度y 电阻 K (箔式应变片)l lyxy3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变计的主要特
10、性2.横向效应应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变计的主要特性3.温度误差及其补偿试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化。3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变计的主要特性敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化T 时，敏感栅材料电阻温度系数为 ，则引起的电阻相对变化为其中其中3.温度误
11、差及其补偿3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变计的主要特性敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化T 时，敏感栅材料电阻温度系数为 ，则引起的电阻相对变化为其中其中3.温度误差及其补偿可得由于温度变化而引起的总电阻变化为相应的虚假应变输出为3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变计的主要特性3.温度误差及其补偿 单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻温度补偿 3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变计的主要特性3.温度误差及其补偿应变片的自补偿法a.粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温
12、度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。b.选择式自补偿应变片c.双金属敏感栅自补偿应变片3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变计的主要特性3.温度误差及其补偿选择式自补偿应变片优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。实现温度补偿的条件为当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立可达到温度自补偿的目的3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变计的主要特性3.温度误差及其补偿双金属敏感栅自补偿应变片R1R2组合自补偿法敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成 选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比
13、例，使温度变化时产生的电阻变化满足 通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.45m/的高精度 3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量应变计的主要特性3.温度误差及其补偿热敏电阻补偿T KRtRtUiR1RR4R3U0R2RtR5 分流电阻分流电阻 UU=Ui-URtKURt 3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量电阻应变片的测量电路1 1 直流电桥直流电桥2 2 非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿 3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量电阻应变片的测量电路1.直流电桥直流电桥的工作原理平衡条件:R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1+R1R2R4R3UILRL时电
14、桥平衡3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量电阻应变片的测量电路1.直流电桥应变片工作时，其电阻变化R 当电桥后面接放大器时,电桥输出端看成开路.电桥的输出式为：3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量电阻应变片的测量电路1.直流电桥采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R。此时上式可写为当Ri R (i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量，则 3机械基本参数测量电阻应变片和应变测量电阻应变片的测量电路1.直流电桥 Ri0反之,当铁芯向下移动时,则 Usc=E21-E220可见,输出电压的大小和符号反映了铁芯位移的大小和方向。3机械基本参数测量位移测量螺管形差动变压器下面以如图(b)所示
15、的中间是初级线圈,两边是对称的两个次级线圈为例(称为三段型螺线管差动变压器),来讨论差动变压器的输出特性。对符号规定为:b初级线圈的长度,N1初级线圈的匝数,m次级线圈的长度,N2每个次级线圈的匝数,L活动衔铁的长度,ri螺线管的内径,r0螺线管的外径,L21衔铁伸入次级线圈1的长度,L22衔铁伸入次级线圈2的长度。3机械基本参数测量位移测量螺管形差动变压器输出电压3机械基本参数测量位移测量螺管形差动变压器分析差动变压器的灵敏度与激励频率成正比,通常在中频(400Hz10kHz)应用,其电压灵敏度可达0.15V/mm。由于灵敏度高,在测量大位移时可不用放大器,因此测量线路简单。差动变压器的非线
16、性决定于最后一项,一般测9mm的差动变压器,线性范围约(56)mm。活动衔铁的直径在允许的条件下尽可能粗些,这样有效磁通较大。在不影响线性度的情况下,初级线圈的输入电压(电流)尽可能高些。3机械基本参数测量位移测量螺管形差动变压器零点电压补偿当铁芯处于线圈中心时,次级线圈的输出电压应为零。但是由于实际结构不完全对称,激磁电流与铁芯磁通的相位差不为零以及寄生电容的综合影响等,使得输出电压不为零,此值称为零点电压。通常为几mV到几十mV,它决定传感器的精度。为了消除零点电压值,通常在测量电路中采取补偿措施。3机械基本参数测量位移测量螺管形差动变压器差动变压器输出的交流信号,其波形是调幅波,无法鉴别
17、被测位移的方向。为了观察衔铁的实际运动规律,可采用差动相敏整流电路。差动变压器除测量位移外,还可以用来测量振动、加速度及压力。差动变压器从供电方式可分为交流式和直流式两种。直流式差动变压器是将直流电通过振荡器变为交流电,并将电子电路与差动变压器封装在一起。这种传感器,供给稳定的直流电,就能获得与位移成正比的直流电压输出。下面列出这种传感器的一种系列的主要技术指标供参考。直流式差动变压器3机械基本参数测量位移测量螺管形差动变压器直流式差动变压器量程:5、10mm,5mm、250mm线性度:0.1%,0.2%,0.3%,0.5%供电电压:12V15V输出方式:A.标准电流型010mA或010mAB
18、.标准电压型05V或05V环境温度:1065结构型式:回弹式、非回弹式3机械基本参数测量位移测量螺管形差动变压器直流式差动变压器直流式差动变压器3机械基本参数测量位移测量电位计型位移传感器电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感器可以将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。所以它是一个机电传感元件。电位器的种类繁多，这里就工业传感器用的电位器予以介绍。3机械基本参数测量位移测量电位计型位移传感器3机械基本参数测量位移测量电位计型位移传感器电位计输出电压U电源电压；x位移；xmax最大位移；Rp-电位计总电阻Rm-输出端负载电阻负载电
19、阻无穷大，则3机械基本参数测量位移测量电位计型位移传感器线绕电位器式传感器非线绕电位器式传感器光电电位器式传感器金属膜电位器合成膜电位器导电塑料电位器导电玻璃釉电位器分类3机械基本参数测量位移测量电位计型位移传感器1.线绕电位器式传感器特性u线性度和灵敏度综合考虑线性度要求RpRm，但Rp小灵敏度降低u分辨能力取决于电阻元件结构25mm骨架长绕有500匝电阻丝，则最小分辨率为0.05mmu电阻丝越细，在给定空间内越获得较大的电阻值和分辨率。但电阻丝太细，在使用过程中容易断开，影响传感器的寿命。3机械基本参数测量位移测量电位计型位移传感器2.非线绕电位器式传感器为了克服线绕电位器存在的缺点，人们
20、在电阻的材料及制造工艺上下了很多工夫，发展了各种非线绕电位器。1）合成膜电位器合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而成的，这种电位器的优点是分辨率较高、阻范围很宽（1004.7M），耐磨性较好、工艺简单、成本低、输入输出信号的线性度较好等，其主要缺点是接触电阻大、功率不够大、容易吸潮、噪声较大等。3机械基本参数测量位移测量电位计型位移传感器2.非线绕电位器式传感器2）金属膜电位器金属膜电位器由合金、金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法，沉积在瓷基体上一层薄膜制成。金属膜电位器具有无限的分辨率，接触电阻很小，耐热性好，它的满负荷温度可达70。与线绕电位
21、器相比，它的分布电容和分布电感很小，所以特别适合在高频条件下使用。它的噪声信号仅高于线绕电位器。金属膜电位器的缺点是耐磨性较差，阻值范围窄，一般在10100k之间。由于这些缺点限制了它的使用。3机械基本参数测量位移测量电位计型位移传感器2.非线绕电位器式传感器3）导电塑料电位器导电塑料电位器又称为有机实心电位器，这种电位器的电阻体是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成。导电塑料电位器的耐磨性好，使用寿命长，允许电刷接触压力很大，因此它在振动、冲击等恶劣的环境下仍能可靠地工作。此外，它的分辨率较高，线性度较好，阻值范围大，能承受较大的功率。导电塑料电位器的缺点是阻值易受温度和湿度的影响，故精度不易
22、做得很高。3机械基本参数测量位移测量电位计型位移传感器2.非线绕电位器式传感器4）导电玻璃釉电位器导电玻璃釉电位器又称为金属陶瓷电位器，它是以合金、金属化合物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉为粘合剂，经混合烧结在玻璃基体上制成的。导电玻璃釉电位器的耐高温性好，耐磨性好，有较宽的阻值范围，电阻温度系数小且抗湿性强。导电玻璃釉电位器的缺点是接触电阻变化大，噪声大，不易保证测量的高精度。3机械基本参数测量位移测量电位计型位移传感器3.光电电位器式传感器光电电位器是一种非接触式电位器，它用光束代替电刷。光电电位器主要是由电阻体、光电导层和导电电极组成。光电电位器的制作过程是先在基体上沉积一层硫化镉或
23、硒化镉的光电导层，然后在光电导层上再沉积一条电阻体和一条导电电极。在电阻体和导电电极之间留有一个窄的间隙。平时无光照时，电阻体和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输出。3机械基本参数测量位移测量电位计型位移传感器3.光电电位器式传感器光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及分
24、辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于它的输出阻抗较高，需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重要场合仍得到应用。3机械基本参数测量位移测量电容型位移传感器以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面式电容传感器进行位移测量。电容器有两个用介质（固体、液体或气体）或真空隔开的电导体构成。电容导体上的电荷导体之间的电压差3机械基本参数测量位移测量电容型位移传感器 S 极板相对覆盖面积；d 极板间距离；r相对介电常数；0真空介电常数（8
25、.85pF/m）；电容极板间介质的介电常数。dS工作原理1.变极距式电容传感器初始电容3机械基本参数测量位移测量电容型位移传感器工作原理1.变极距式电容传感器若极距缩小d 非线性关系 若d/d1,11位移敏感元件可当位移传感器采用磁电型敏感元件，可当速度传感器3机械基本参数测量振动测量惯性式振动传感器幅频特性相频特性K敏感元件灵敏度系数3机械基本参数测量振动测量惯性式振动传感器特点3机械基本参数测量振动测量惯性式振动传感器2.1,1传感器处于谐振状态，在谐振区附近，振幅主要取决于阻尼的大小，阻尼越小，谐振振幅越大可当速度传感器，也可当加速度传感器，多用于低频测量，平常较少采用3机械基本参数测量
26、振动测量惯性式振动传感器压电式加速度传感器也称为压电式加速度计，通常简称为加速度计。压电式加速度传感器压电式加速度传感器1.组成和结构压电式加速度计基本上有三大部分组成：压电元件、质量块和辅助元件。压电式加速度计的结构主要有：中心安装压缩型、环形剪切型和三角剪切型。3机械基本参数测量振动测量惯性式振动传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器3机械基本参数测量振动测量惯性式振动传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度计的幅频特性曲线如下图所示:结论一：加速度计的使用上限频率取决于幅频特性曲线中的共振频率。2.幅频特性3机械基本参数测量振动测量惯性式振动传感器压电式加速度传感器压电
27、式加速度传感器随加速度计给定的幅频特性曲线是厂家在钢螺栓连接的方式下得到的，而实际加速度计使用时可能会采用其他的安装方式，如图所示：测试数据：KHz钢螺栓：31薄腊层：29绝缘螺栓：28永久磁铁：7手持探针：23、安装方式结论二：加速度计幅频特性曲线中的共振频率又与加速度计的固定安装方式有关。3机械基本参数测量振动测量惯性式振动传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器4、使用注意事项（1）灵敏度加速度计的灵敏度一般用g/mv表示，其大小与质量块、压电元件的压电常数及数量有关。此外，压电式传感器在使用时还须注意横向灵敏度的影响，一般在传感器的外壳上用一个小红点来表示出最小横向灵敏度的方向。（2
28、）前置放大器压电加速度计前置放大器有电压放大器和电荷放大器。电压放大器把压电传感器的电荷量变成电压量再进行放大，并将压电加速度计的高输出阻抗变成低输出阻抗，主要起阻抗变换作用，故又称为阻抗变换器。电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比，它是一个具有电容反馈的高输入阻抗的高增益运算放大器，目前使用广泛。3机械基本参数测量噪声测量基本概念1.声场声音传播的空间称为声场。声音可以无反射地自由传播的空间成为自由场。3机械基本参数测量噪声测量基本概念2.噪声的物理量度当没有声波存在、大气处于静止状态时，其压强为大气压强P0；当有声波存在时，局部空气产生压缩或膨胀，在压缩的地方压强增加，在膨胀的地方压强减少
29、，这样就在原来大气压上又增加了一个压强的变化。一般情况下，声压与大气压相比是很弱的。声压的大小与物体的振动有关，物体振动的振幅愈大，则压强的变化也愈大，因而声压也愈大，我们听起来就愈响，因此声压的大小表示了声波的强弱。u声压声压单位是Pa或bar听阈声压：正常人刚能听到的声音之声压，210-5Pa痛阈声压：正常人对听到的声音有疼痛感，20Pa3机械基本参数测量噪声测量基本概念2.噪声的物理量度u声压级从听阈声压到痛阈声压，相差一百万倍，用声压表示声音的强弱很不方便。同时，人耳对声音大小的感受也不是线性的，它不是正比于声压绝对值的大小，而是同它的对数近似成正比。这种用对数标度来表示的声压称为声压
30、级，它用分贝dB来表示。3机械基本参数测量噪声测量基本概念2.噪声的物理量度u声强及声强级声波具有一定的能量。声强是在垂直于声波传播的方向上单位时间内通过单位面积的声能，用I表示声强级3机械基本参数测量噪声测量基本概念2.噪声的物理量度u声功率及声功率级声功率是单位时间内发射出的总能量，用W表示声功率级3机械基本参数测量噪声测量噪音测量方法现场测量，由于声源较多，房间尺寸又有一定的限度。故测量时应使传声器尽量靠近机器设备的声辐射面，以减少其他噪声源和反射声的干扰。但也不能靠得太近，以免因声场不稳定而影响测量精度。参考距离可按照如下原则选取：最大轮廓尺寸小于200mm，取150mm；最大轮廓尺寸
31、小于500mm，取300mm；最大轮廓尺寸大于500mm，取1000mm。多选几个不同位置，去最大值。实际测量中，除了被测声源产生噪声外，还有其它噪声存在，这种噪声叫作本底噪声。被测噪声源高于本底噪声10dB以上才能避免本底噪声的干扰。否则本底噪声会影响到测量的准确性，需要对结果进行修正。3机械基本参数测量噪声测量噪音测量方法举例：一台柱塞泵，测出噪声为92分贝，本底噪声为85分贝，这台柱塞泵的噪声级为多少。差值为7分贝，修正值为1分贝，故这台柱塞泵的噪声级为91分贝。3机械基本参数测量噪声测量噪音测量方法举例：一台柱塞泵，测出噪声为92分贝，本底噪声为85分贝，这台柱塞泵的噪声级为多少。差值为7分贝，修正值为1分贝，故这台柱塞泵的噪声级为91分贝。