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1、电阻应变式传感器概述v工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力 作用下电阻值变化的效应电阻应变效应v结构简单，使用方便v可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；弹性敏感元件力、压力、位移电阻应变片电桥电路RUv易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；v灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；第1页/共102页 第2页/共102页应变片用于各种电子衡器 磅秤电子天平第3页/共102页材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试 第4页/共102页汽车衡称重系统第5页/共102页汽车衡第6页/共102页2.1 电阻应变片的工作原理金属的电阻应变效应 金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化
2、的现象称为金属的电阻应变效应。金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。第7页/共102页金属丝的轴向应变；金属丝的径向应变（dS/S=2dr/r）x=-Y ；泊松系数；(Poisson ratio)第8页/共102页 式中：式中：K KS S 金属丝的灵敏系数；金属丝的灵敏系数；(gage factor)令：在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS 为常数，即：线性关系ex通常很小，常用10-6表示之。例如，当 x为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变()。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则
3、有可能超过材料的极限强度而导致断裂。第9页/共102页应变片的基本结构2.2 电阻应变片的结构、种类和材料应变片的种类第10页/共102页1.金属丝式应变片(bonded metal-wire gage)直径在0.0120.05mm的金属丝；2.金属箔式应变片(bonded metal-foil gage)厚度在0.0010.01mm的金属箔；第11页/共102页箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的
4、热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。3.金属薄膜式应变片(vacuum-deposited thin-metal-film gage,sputter-deposited thin-metal-film gage)厚度在0.1m以下的金属箔；第12页/共102页应变片的材料1.敏感栅材料对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好,易于
5、拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接，对引线材料的热电势小。常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、铂钨合金等，如下表。第13页/共102页材料名称材料名称化学成分化学成分%电阻率电阻率/(mm/m)电阻温度系数电阻温度系数/（10-6/）灵敏系数灵敏系数Ks线膨胀系数线膨胀系数/（10-6/）最高使用温度最高使用温度/康铜康铜Cu55Ni450.450.52202.015250(静态静态)400(动态动态)镍铬合金镍铬合金Ni80Cr201.01.11101302.12.314450(静态静态)800(动态动态)卡玛合金卡玛合金6J22Ni74,Cr20Al3,Fe31.241.4
6、2202.42.613.3450(静态静态)800(动态动态)伊文合金伊文合金6J23Ni75,Cr20Al3,Cu21.241.42202.42.613.3450(静态静态)800(动态动态)铁铬铝合金铁铬铝合金Fe余量余量Cr26,Al5.41.31.530402.614550(静态静态)1000(动态动态)铂钨合金铂钨合金Pt90.591.5W8.59.50.740.761391923.03.29800(静态静态)1000(动态动态)铂铂Pt0.090.1139004.69800(静态静态)1000(动态动态)铂铱合金铂铱合金Pt80,Ir200.35901.013800(静态静态)10
7、00(动态动态)第14页/共102页基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度约0.030.05mm2.基底材料3.黏合剂材料用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无
8、机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。第15页/共102页类型类型主要成分主要成分牌号牌号适于黏合的基适于黏合的基底材料底材料最低固化条件最低固化条件固化压力固化压力/104Pa使用温度使用温度/硝化纤维素硝化纤维素黏合剂黏合剂硝化纤维素溶剂硝化纤维素溶剂万能胶万能胶纸纸室温室温10小时或小时或60202小时小时0.515080氰基丙烯酸氰基丙烯酸黏合剂黏合剂氰基丙烯酸酯氰基丙烯酸酯501，502纸、胶膜、玻纸、胶膜、玻璃纤维布璃纤维布室温室温1小时小时粘合时指压粘合时指压10080聚酯树脂黏聚酯树脂黏合剂合剂不饱和聚酯树脂、过氧不饱和聚酯树脂、过氧化环已酮、萘酸钴干料化环已酮、萘
9、酸钴干料胶膜、玻璃纤胶膜、玻璃纤维布维布室温室温24小时小时0.30.550150环氧树脂类环氧树脂类黏合剂黏合剂环氧树脂、聚硫酚铜胺、环氧树脂、聚硫酚铜胺、固化剂固化剂914胶膜、玻璃纤胶膜、玻璃纤维布维布室温室温2.5小时小时粘合时指压粘合时指压6080酚醛环氧、无机填料、酚醛环氧、无机填料、固化剂固化剂509胶膜、玻璃纤胶膜、玻璃纤维布维布20022小时小时粘合时指压粘合时指压100250环氧树脂、酚醛、甲苯环氧树脂、酚醛、甲苯二酚、石棉粉等二酚、石棉粉等J06-2胶膜、玻璃纤胶膜、玻璃纤维布维布15031503小时小时2196250酚醛树脂类酚醛树脂类黏合剂黏合剂酚醛树脂、聚乙烯醇缩酚
10、醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛丁醛JSF-2胶膜、玻璃纤胶膜、玻璃纤维布维布15011501小时小时1260150酚醛树脂、聚乙烯醇缩酚醛树脂、聚乙烯醇缩甲乙醛甲乙醛1720胶膜、玻璃纤胶膜、玻璃纤维布维布19031903小时小时60100酚醛树脂、有机硅酚醛树脂、有机硅J-12胶膜、玻璃纤胶膜、玻璃纤维布维布20032003小时小时60350聚酰亚胺黏聚酰亚胺黏合剂合剂聚酰亚胺聚酰亚胺30-14胶膜、玻璃纤胶膜、玻璃纤维布维布28022802小时小时13150250磷酸盐黏合磷酸盐黏合剂剂磷酸二氢铝无机填料磷酸二氢铝无机填料GJ-14LN-3金属薄片、临金属薄片、临时基底时基底40014001小时小
11、时550P10640034003小时小时700氧化物喷涂氧化物喷涂二氧化二铝二氧化二铝金属薄片、临金属薄片、临时基底时基底800第16页/共102页4.引线材料是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。2.3电阻应变片的主要参数1.应变片电阻值（R0）电阻应变片的电阻值为60、120、350，500和1000 等多种规格，以120最为常用。应变片的电阻值越大，允许的工作电压就大，传感器的输出电压也大，相应地应变片的尺寸也要增大，在条件许可的情况下，应尽量选用高阻值应变片。第17页/共102页2.绝缘
12、电阻：指敏感栅与基底间的电阻值，要求1010欧姆；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。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。3.应变片的灵敏系数（K）金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。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在很宽的范围内均为线性关系。即第18页/共102
13、页4.机械滞后应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。第19页/共102页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
14、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。5.零漂和蠕变如果在一定温度下，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。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。第20页/共102页6.应变极限、疲劳寿命在一定温度下，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
15、机械应力和热应力)时所引起的表面应变。lim真实应变z指示应变i10%1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。第21页/共102页疲劳寿命指对已粘贴好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。7.允许电流：静态25mA,动态：75100mA；8.横向效应(transverse effect)如图，若将应变片粘贴在单向拉伸试件上，这时各直线段上的金属丝只感受沿其轴向拉应变x，故其各微段电阻都将增加，但在圆弧段
16、上，沿各微段轴向(即微段圆弧的切向)的应变却并非是x。所产生的电阻变化与直线段上同长微段的不一样，在=90的微弧段处最为明显。由于单向位伸时，除了沿轴向(水平方向)产生拉应变外，按泊松关系同时在垂直方向上产生负的压应变y（=x），因此该段上的电阻不仅不增加，反而是减少的。第22页/共102页而在圆弧的其他各微段上，其轴向感受的应变是由+x变化到y的，因此圆弧段部分的电阻变化，显然将小于其同样长度沿轴向安放的金属丝的电阻变化。由此可见，将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因此灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。应变片的横向效应
17、表明，当实际使用应变片的条件与标定灵敏度系数K时的条件不同时，由于横向效应的影响，实际K值要改变，由此可能产生较大测量误差。为了减小横向效应的影响，一般多采用箔式应变片。第23页/共102页9.动态响应特性 当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。设一频率为f 的正弦应变波在构件中以速度v 沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时t，应变量沿构件分布如图所示。第24页/共102页设应变波的波长为，应变片的基长为l，其两端的坐标为，应变片在其基长内测得的平均应变
18、最大值为:故应变波幅测量误差为第25页/共102页由上式可见，相对误差的大小只决定于的比值，表中给出了为1/10和1/20时的数值。（%）1.620.52误差的计算结果1/201/10第26页/共102页由表可知，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差愈小。当选中的应变片栅长为应变波长的（1/10-1/20）时，将小于2%。因为式中应变波在试件中的传播速度；f应变片的可测频率。取，则若已知应变波在某材料内传播速度，由上式可计算出栅长为L的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。第27页/共102页基长l0（mm）1235101520最高工作频率（KHz)25012583.3502
19、516.612.5下表为钢材，v=5000m/s,20的计算结果（a）阶跃输入信号（b）理论输出信号（c）实际输出信号tk=0.8l/v,可测最高频率f=0.35/tk=0.35v/0.8l=0.44v/l对阶跃输入应变的响应第28页/共102页2.4 电阻应变片的应用应变片的选择1.应变片类型的选择根据应变测量的目的，被测试件的材料和应力状态、测量精度选择应变片的形式。u对于测试点主应力方向已知的一维应力测量，选用单轴丝式或箔式应变片；u对于平面应变场主应力方向已知的二维应变测量，可以使用直角应变花，并使其中一条应变栅与主应力方向一致第29页/共102页u对于应变式传感器，应变片的形式主要取
20、决于弹性元件。对柱式、梁式、环式等弹性元件，它们工作时受拉/压应力或弯曲应力，所以应变片均采用单轴应变片；对于轮辐式等利用剪应力测量的弹性元件，一般使用双轴45应变片。u如果应力方向未知就必须使用三栅或四栅的应变花2.材料的选择根据使用温度、时间、最大应变量、精度等要求选择。第30页/共102页3.阻值的选择国家标准中规定的常温应变片使用温度为-30+600，常温应变片一般采用康铜制造；由于基底材料和粘接剂的限制，目前200250的中温箔式电阻应变片一般都使用卡玛合金制作；工作温度大于350的高温应变片需订做，常用金属基底，使用时用点焊将应变片焊接在试件上。依据测量电路或仪器选定应变片的标称阻
21、值。如配用电阻应变仪，常选用120阻值。第31页/共102页4.尺寸的选择 测量时为提高灵敏度，常用较高的供桥电压，由于350，500等大阻值应变片具有通过电流小、自热引起的温升低、持续工作时间长、动态测量信噪比高等优点，应用越来越广按照试件表面粗糙度、应力分布状态、粘贴面积大小、应变波频率等选择尺寸。若被测试件材质均匀、应力梯度大，则选用栅长小的应变片；对材质不均匀而强度不等的材料(如混凝土)，或应力分布变化比较缓慢的构件，应选用栅长大的应变片；对于冲击载荷或高频动荷作用下的应变测量，还要考虑应变片的动态响应特性。一般来说，应变片栅长越小，测量频率越高，越能正确反映出被测量点的真实应变。第3
22、2页/共102页型号与名称型号与名称特点和用途特点和用途栅长栅长栅宽栅宽/mmmm标称阻标称阻值值/基底尺寸基底尺寸/mmmmSZ-5、10纸基应变片纸基应变片SZ-100纸基应变片纸基应变片用于金属、混凝土用于金属、混凝土上应力分析上应力分析531005120106BH120-02AA箔式应变片箔式应变片BH120-05AA箔式应变片箔式应变片BH120-1AA箔式应变片箔式应变片BH120-3AA箔式应变片箔式应变片BH120-5AA箔式应变片箔式应变片环氧基底，用于应环氧基底，用于应力分析力分析0.21.60.50.81.01.03.05.65.05.81202.43.02.42.43.
23、22.66.83.69.04.0BH350-1AA箔式应变片箔式应变片BH350-2AA箔式应变片箔式应变片BH350-3AA箔式应变片箔式应变片环氧基底，用于传环氧基底，用于传感器感器1.04.82.02.43.03.03504.06.46.03.67.64.4BH350-1HA箔式应变花箔式应变花BH350-2HA箔式应变花箔式应变花BH350-3HA箔式应变花箔式应变花环氧基底，用于传环氧基底，用于传感器，感器，4552.02.83.03.15.02.33507.65.88.86.89.410.2BH350-2BA箔式应变花箔式应变花BH350-3BA箔式应变花箔式应变花环氧基底，用于传
24、环氧基底，用于传感器，感器，0/900/902.02.73.03.83507.66.19.27.2BX120-02AA 箔式应变片箔式应变片BX120-05AA 箔式应变片箔式应变片BX120-1AA 箔式应变片箔式应变片酚醛酚醛-缩醛基底，用缩醛基底，用于应力分析于应力分析0.21.00.50.81.01.01202.42.42.42.43.22.6第33页/共102页1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。应变片的使用第34页/共102页2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀
25、的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。第35页/共102页3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。第36页/共102页4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。第37页/共102页5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。第38页/共102页2.5 转换电路应变片将应变的变化转换成电阻相对变化R/R，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。电阻应变片的测量线路多采用交流电桥(配交流放大器)，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简单，
26、因此首先分析直流电桥。恒压源直流电桥第39页/共102页如图所示。电源E为恒压源，其内阻为零。根据电路学中的克希霍夫定律，列出电路方程：R2R4R1R3Ui恒压电桥电路原理图RoACDIoB第40页/共102页式中R0为负载电阻，因而其输出电压U0为:联立求解上述方程，求出检流计中流过的电流Io为:当R1R4=R2R3时，I0=0，U0=0，即电桥处于平衡状态。若电桥的负载电阻R0为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式可以化简为:第41页/共102页设R1为应变片的阻值，工作时R1有一增量R1，当为拉伸应变时，R1为正；压缩应变时，R1为负。在上式中以R1+R1代替R1，则(2-12)第42页
27、/共102页由于R1 R1,略去(2-13)分母中的 R1/R1得：整理得：(2-13)定义桥臂比：(2-14)第43页/共102页 (2-15)当dKU/dn=0时，dKU最大，此时n=1；即R2=R1；R4=R3当n=1时，电桥为等臂电桥，其输出电压为：(2-16)定义电桥灵敏度：第44页/共102页 单臂直流电桥的非线性误差单臂直流电桥的非线性误差如果不略去（如果不略去（2-132-13）式中分母的）式中分母的RR1 1/R/R1 1项，则电桥实际输出项，则电桥实际输出值为值为U U0 0，非线性误差为：，非线性误差为：当当n=1n=1时，时，可见非线性误差与R1/R1成正比。对金属电阻
28、应变片，R非常小，电桥非线性误差可以忽略。对半导体应变片，由于其灵敏度大，受应变时R很大，非线性误差将不可忽略，因此应采用差动电桥。第45页/共102页差动电桥两臂差动电桥的输出电压为：设初始时为R1=R2=R3=R4=R；则上式为若工作时应变片一片受拉、一片受压，即R1=R2=R，则可见，这时输出电压U0与R/R间成严格的线性关系，且电桥灵敏度比单臂电桥提高一倍。第46页/共102页若采用四臂差动电桥（全桥），如图，并设初始时R1=R2=R3=R4=R；工作时各个桥臂中电阻应变片电阻的变化为：R1、R2、R3、R4；则电桥输出为：若R1=R4=R2=R3=R，则有第47页/共102页恒流源电
29、桥设供电电流为I，当R1=0时，且负载电阻很大，通过各臂的电流为输出电压为：若电桥初始处于平衡状态，且R1=R2=R3=R4=R；当R1变为R+R时，电桥输出电压为非线性误差比恒压源电桥减小1/2 第48页/共102页交流电桥n交流载波放大器具有灵敏度高、稳定性好、外界干扰和电源影响小及造价低等优点，但存在工作频率上限较低、长导线时分布电容影响大等缺点。n直流放大器工作频带宽，能解决分布电容问题，但它需配用精密稳定电源供桥，造价较高。近年来随着电子技术的发展，在数字应变仪、超动态应变仪中已逐渐采用直流放大形式的测量线路。1交流电桥的平衡条件交流电桥电路如图所示,输出电压为平衡条件为：第49页/
30、共102页设各臂阻抗为:式中，ri、xi为相应各桥臂的电阻和电抗，Zi和i为复阻抗的模和幅角。上式表明，交流电桥平衡要满足两个条件，即相对两臂复阻抗的模之积相等，并且其幅角之和相等。所以交流电桥的平衡比直流电桥的平衡要复杂得多。故交流电桥的平衡条件为:第50页/共102页2交流电桥的平衡调节对于纯电阻交流电桥，由于应变片连接导线的分布电容，相当于在应变片上并联了一个电容，如图，所以在调节平衡时，除使用电阻平衡装置外，还要使用电容平衡装置，第51页/共102页2.6电阻应变片的温度误差及其补偿 1.温度误差及其产生原因用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上
31、应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。第52页/共102页设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为，则应变片产生的电阻相对变化为由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t 存在时，引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为g试件材料线膨胀系数；s敏感栅材料线膨胀系数。K应
32、变片灵敏系数。第53页/共102页温度变化形成的总电阻相对变化：相应的虚假应变为上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化t 时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称之为热输出。可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(,s)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(g)有关。第54页/共102页2.温度误差补偿方法（1）自补偿法1）单丝自补偿由前式知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使每一种材料的被测试件，其线膨胀系数g都为确定值，可以在有关的材料手册中查到。在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数和线膨胀系数s满足上
33、式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。第55页/共102页如图（a）,应变片由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现R1t=R2t,该方法补偿效果可达0.45。2）双丝组合式自补偿（a）(b)温度补偿。这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即组合式自补偿应变片的另一种形式是用两种同符号温度系数
34、的合金丝串接成敏感栅，在串接处焊出引线并接入电桥，如图(b)。适当调节R1与R2的长度比和外接电阻RB的值，使之满足条件即可满足温度自补偿要求 第56页/共102页（2）桥路补偿法如图，工作应变片R1安装在被测试件上，另选一个特性与R1相同的补偿片RB，安装在材料与试件相同的补偿件上，温度与试件相同，但不承受应变。R1与RB接入电桥相邻臂上。由于相同温度变化造成R1和RB电阻变化相同，根据电桥理论可知，电桥输出电压与温度变化无关。在有些应用中，可以通过巧妙地安装多个应变片以达到温度补偿和提高测量灵敏度的双重目的。如图，在等强度悬臂梁的上下表面对应位置粘贴四片相同的应变片并接成差动全桥，当梁受压
35、力F时，R1和R2应变片受拉应变，电阻增加，而R3和R4应变片受压应变，电阻减小，电桥输出为单臂工作时的4倍。而温度变化引起四片应变片的电阻变化相同，则电桥输出不变。第57页/共102页2.7 电阻应变仪第58页/共102页2.8 测力基本知识及测力传感器力的测量方法 （1）利用动力效应测力力的动力效应使物体产生加速度，由牛顿第二定律可知：当物体质量确定后，该物体所受力和产生的加速度之间有确定对应关系，因此只需要测出物体的加速度，就可间接测得力。（2）利用静力效应测力由胡克定律可知：弹性物体在力的作用下产生变形时，若在弹性范围内，物体所产生的变形量与所受力值成正比，如果通过一定手段测出物体的弹
36、性变形量，就可间接确定物体所受力的大小，电阻应变式测力传感器就属于此类。另外也可利用与内部应力相对应参量的物理效应来确定力值，如利用压电效应、压磁效应的测力传感器。在机械工程中，大部分测力方法都是基于静力效应。第59页/共102页利用电阻应变片制作的测力仪广泛应用于静态和动态测量中，是目前数量最多、种类最全的测力装置，量程范围为10-2107N。各类电阻应变式测力传感器的工作原理相同：利用弹性元件将被测力转换成应变，粘贴在弹性元件上的应变片将应变转换为电阻变化，再由电桥电路转换为电压，经放大处理后显示被测力的大小。测力传感器的优劣除常规的灵敏度、精度、稳定性指标外，还包括过载能力、抗侧向能力大
37、小等特殊要求。设计高精度测力传感器的指导思想是追求良好的自然线性；提高传感器的输出灵敏度；使传感器的抗侧向能力高，结构简单并易于密封，加工容易等。电阻应变式力传感器第60页/共102页1柱式力传感器柱式力传感器的弹性元件分实心和空心两种，如图。其特点是结构简单，可承受较大载荷，最大可达107N，在测103105N载荷时，为提高变换灵敏度和抗横向干扰，一般采用空心圆柱结构。根据材料力学，柱沿轴向的应变为应变的大小取决于S、E、F，与轴长度无关。第61页/共102页圆柱的直径的计算：根据材料极限应力b 来计算即：F/S=2D+l 或 H=D-d+l 应变片长度第62页/共102页BLR1型拉力传感
38、器 第63页/共102页第64页/共102页应变式荷重传感器外形及受力位置FF第65页/共102页电子汽车衡第66页/共102页第67页/共102页悬臂梁式：等截面梁：=6Fl0/Ebh=6lF/Eb0h等强度梁：2梁式力传感器第68页/共102页双孔平行梁：抗弯断面系数差动电桥输出：可见载荷的位置不影响输出载荷可以施加在任何位置，都可以简化为作用于梁端部的力F及一个力偶M第69页/共102页S型双孔梁差动电桥输出：抗弯断面系数第70页/共102页应变式力传感器 FFFF第71页/共102页 吊钩秤 便携式第72页/共102页各种悬臂梁 FF固定点固定点电缆第73页/共102页剪切弹性模量应变
39、片安装在弹性元件剪应变最大处的主应变方向。剪切式力传感器的输出和精度比拉压式力传感器高。3.剪切式力传感器梁长度的中间截面弯矩为零，中性层处是最大剪应变所在处，为此将电阻应变片安装在该截面的中性层上，栅丝与中性层成45方向，即最大正应变方向。四片应变片接成全桥电路后，电桥输出指示的应变与外力的关系为：矩形截面梁：工字形截面梁：第74页/共102页轮辐式剪切力传感器第75页/共102页【例】以国产BLR-1型拉力传感器为例，设计一个满量程为9.8kN的拉力传感器。传感器弹性元件形状如图，材料选用40CrNiMo，材料的强度极限b=1100MPa，比例极限p=800MPa，材料弹性模量E=210G
40、Pa，泊松系数=0.29。解：1)设计思路常规柱式应变力传感器的测量灵敏度应达到13mV/V，设计时以此为依据计算弹性元件的相关参数，再对弹性元件进行强度校核，直至同时满足测量灵敏度和使用强度要求。第76页/共102页采用恒压源电桥电路，布片及电桥如图2.16所示，电桥的输出表达式为即取应变片灵敏系数K=2，代入上式计算得最大应变值为取第77页/共102页2)弹性元件内、外径的计算根据拉伸时轴向应变、力F、面积S之间的关系：代入已知参数，计算弹性元件截面积为弹性元件的外径d1不能选择得太小，否则会由于力的偏心造成很大的误差。这里选用外径为d1=1.5cm的空心管，面积计算公式为则内径d2为,保
41、留一位小数d2=1.3cm。第78页/共102页这样空心管壁厚t=0.1cm。3)柱高h及其他尺寸的确定为了防止弹性元件受压时出现失稳现象，柱高h应当选得小些，但又必须使应变片能够反映截面应变的平均值，这里选用弹性元件工作段的长度为：h=2d1=3cm。由于壁很薄，还必须检验是否会出现局部失稳。薄壁管的失稳临界应力计算如下：第79页/共102页校核在超过满量程150%情况下，弹性元件截面中的应力大小如下：计算表明，受力超过满量程150%时的应力还远远小于材料的比例极限和临界应力，这表明该弹性元件不会出现弹性失稳。另外弹性元件两端有螺纹孔，以便连接拉力螺栓，螺孔设计为M14，查阅手册可知它的许用
42、载荷远远大于9.8kN。4)输出量的计算根据弹性元件设计尺寸计算满量程下的轴向应变为第80页/共102页对应电桥单位激励电压下的输出为故知设计满足灵敏度和强度要求。第81页/共102页压磁式力传感器磁压式力传感器的工作原理是基于铁磁材料的压磁效应。第82页/共102页8383压磁式测力传感器及测力仪电路框图励磁线圈测量线圈铁心弹性膜片承载头连通孔第83页/共102页某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力
43、时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。压电效应(Piezoelectric-effect)压电效应演示压电式测力传感器第84页/共102页图示为一种单向压电式测力传感器的结构图，它可用于机床动态切削力的测量。压电晶片为零度x切石英晶片，尺寸为81mm，上盖为传力元件，其变形壁的厚度为0.10.5mm，由测力范围决定，Fmax=5000N。绝缘套用来电气绝缘和定位。第85页/共102页压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量第86页/共102页87872.9 力矩测量基本知识及力矩传感器 力矩的测量方法力矩是力和力臂的乘积。在力矩作用下机械零部件会发生转动或一定程度的扭曲变形，因此力
44、矩也称为转矩或扭转矩。力矩的法定计量单位为“牛顿米”（Nm）。在测量扭矩的诸多方法中，最常用的是通过弹性轴在传递力矩时产生的变形、应变、应力来测量扭矩。常用的弹性轴如图所示。第87页/共102页按弹性轴变形测量时：把弹性轴联接在驱动源和负载之间，弹性轴就会产生扭转。在材料的弹性极限内弹性轴的扭转角与扭矩成线性关系：式中，为弹性轴的扭转角（rad）；l为弹性轴的测量长度（m）；d为弹性轴的直径（m）；M为扭矩（Nm）；G为弹性轴材料的切变模量（Pa）。第88页/共102页 按弹性轴应力测量时：转轴外表面的剪切应力。按弹性轴应变测量时：式中，45、135为转轴外表面上与轴线成45角或135角的主应
45、变。第89页/共102页9090 电阻应变式扭矩仪测量精度高达（0.20.5）%，线性度可达0.05%，重复性达0.03%，测量范围为550000Nm，在扭矩测量中应用较广泛。但它的安装要求高，且易受温度影响，在高转速时测量误差较大。第90页/共102页当测量小转矩时，考虑到抗弯曲强度、临界转速、应变片尺寸及粘贴工艺等因素，多采用空心轴：大量程转矩测量时一般采用实心方形截面弹性轴。对于正方形轴，应变与转矩的关系为第91页/共102页9292第92页/共102页9393应变式扭矩仪工作原理图第93页/共102页电刷滑环集流装置 端面电刷滑环集流装置1-套筒；2绝缘环；11-滑环；4-电刷；5-簧
46、片；6-外壳；7-轴承第94页/共102页 感应式集流装置感应式集流装置 第95页/共102页 电感耦合应变式扭矩仪电感耦合应变式扭矩仪 电桥及应变信号传输理图第96页/共102页其它类型的扭矩传感器转轴受扭矩作用产生扭转变形后，轴上两横截面的相对扭转角与扭矩成正比，若用磁电式或光电式传感器提取信号，则信号相位差与扭转角成正比，从而实现扭矩测量。第97页/共102页使用时，直接删除本页！精品课件，你值得拥有！精品课件，你值得拥有！第98页/共102页使用时，直接删除本页！精品课件，你值得拥有！精品课件，你值得拥有！第99页/共102页使用时，直接删除本页！精品课件，你值得拥有！精品课件，你值得拥有！第100页/共102页扭矩与两路信号相位变化的关系为 z为传感器测量齿轮的齿数；为两个传感器输出的感应电动势因扭矩在相位上改变的相位角。相位差式转矩仪测量范围一般为0.2100000Nm，转速分档达015006000r/min，测量精度为（0.20.1）%。第101页/共102页感谢您的观看！第102页/共102页