电阻应变式位移传感器（通用3篇）
电阻应变式位移传感器 篇1
0引言
下料机是借助于机械运动的作用力加压于刀模, 对材料进行切割加工的机器, 是一些轻工行业不可缺少的设备。重复定位精度是下料机生产、加工过程中一项最重要的技术要求, 重复定位精度的高低直接影响被加工产品的质量。因 此, 实时、准确、可靠地获取下料机的重复定位精度, 对于提高下料机 的生产精度、保障其有效运行十分重要。本文提出的通过电阻应变式位移传感器在下料机生产过程中实时测量重复定位精度的方法能够进行实时检测, 准确性更高, 可靠性更强。
1研究现状
目前, 国内关于下料机的现行标准为QB/T1347—1991《下料机》, 标准中对下料机工作精度的要求为“压板作五次冲裁动作, 其下限重复定位精 度误差不 大于±0.30 mm”。随着制鞋工业的飞速发展, 有些高端客户对制鞋机械的加工精度要求不断提高。例如, 对于国内制鞋机械的厂家出口到国 外的产品, 外商客户提 出, 要求制鞋 机械的重 复定位精 度不大于±0.08mm, 这就对生产企业提 出了更高 的加工精 度要求, 相应对检测技术的要求也随之提高。传统的检测重复定位精 度的方法是在工作台面压板底平面上选择一个光滑的测试点, 将直径大于或等于3mm的保险丝平放, 适当调节压板高度后作冲裁动作, 取5次测试值中最大值与最小值, 其差的1/2应在规定范围之内[1]。而这种方法的缺点是 不能实时 获取测量 数据, 必须在一次启停过程中完成一次测量, 不能准确地测量 重复定位精度。
目前, 电阻应变式位移传感器因具有高 灵敏度、高测 量精度和强抗干扰性的特点, 而被大量应用于工业测量领域, 如在轨道动态位移测试中的应用等[2]。
2电阻应变式位移传感器的原理
电阻应变效应是指金属导体的电阻在导体受力 产生变形 (伸长或缩短) 时发生变化的物理现象。当金属电阻丝受到轴向拉力时, 其长度增加而横截面变小, 引起电阻增加。反之, 当它受到轴向压力时则导致电阻减小。根据电阻定律, 在温度不变时, 电阻值R与长度l成正比, 与横截面积A成反比, 与电阻率ρ成正比[3]。即:
电阻的变化量为:
电阻的相对变化量则为:
对于半径为r的圆导体, A=πr2, ΔA/A=2Δr/r。
又由材料力学可知, 在弹性范围内:
那么从公式 (3) 推出:
式中, ε为导体的纵向应变, 其数值一般很小, 常以微应变度量;μ为电阻丝材料的泊松比, 一般金属丝μ=0.3~0.5;Ks为电阻的灵敏系数, 一般金属丝Ks=1.6~2.0。
电阻应变式位移传感器是以弹簧和悬臂梁串 联作为弹 性元件, 在矩形界面悬臂梁根部正反两面贴4片应变片, 并组成全桥电路, 拉伸弹簧一端与测量杆连接, 当测量杆随试件 产生位移时, 带动弹簧使悬臂梁根部产生弯曲, 弯曲所产生的 应变与测量杆的位移呈线性关系。这种传感器具有线性好、分辨率较高、结构简单和使用方便等特点[4]。
3试验结果与分析
本文分别采用冲压保 险丝和电 阻应变式 位移传感 器对1台型号为XCLB2-100的液压摆臂下料机的重复定位精度进行检测, 厂方要求该机型的重复定位精度不大于 +0.08mm。电阻应变式位移传感器数据采集试验系统如图1所示。该下料机的冲裁动作频率为60次/min, 在100s范围内采用电阻应变式位移传感器动态测量该机器的重复定位精度。
在相同工况条件下, 选用直径为5mm的保险丝若干, 采用冲压保险丝的方法同时测量。
式中, ξ为重复定 位精度 (mm) ;b为保险丝 受压方向 的高度 (mm) ;i为保险丝编号, 为1~5。
2种方法测量的数据比较如图2所示。经比较, 在相同工况下100s时间内测量下料机的重复定位精度, 采用冲压保险丝法采集20组数据, 不大于 +0.08 mm的数据有6组, 而采用电阻应变式位移传感器法共计采集99组数据, 不大于+0.08mm的数据有67组。可以看出, 采用冲压 保险丝法测量下料机的重复定位精度效率低下, 自动化程度不 高。而采用电阻应变式位移传感器法测量可以更加真实地反映下料机的重复定位精度, 并且能够持续实时动态监控下料机的重复定位精度。
4结语
应用电阻应变式位移传感器测量下料机的重复定位精度, 能够实时动态监控下料机工作精度的状态, 给执行机构反馈信号, 实时调整下料机的重复定位精度, 从而加工出更高精 度的产品。因此, 采用电阻应变式位移传感器动态测量下料机的重复定位精度对指导生产有一定的意义。
参考文献
[1]中华人民共和国轻工业部.QB/T1347—1991下料机[S].中国轻工业出版社, 1992
[2]张明聚, 王志刚.电阻应变式位移传感器在轨道动态位移测试中的应用[J].石家庄铁道学院学报, 1994, 7 (1) :59~64
[3]梁福平.传感器原理及检测技术[M].华中科技大学出版社, 2010
[4]昌学年, 姚毅, 闫玲.位移传感器的发展及研究[J].计量与测试技术, 2009, 36 (9) :42~44
电阻应变式位移传感器 篇2
一、应变效应
导体或半导体材料因受外力作用, 电阻值随其机械变形而发生变化的物理现象称之为应变效应。金属丝电阻R可表达为R=ρl/A=ρl/пr2.式中ρ为电阻率, 为电阻丝长度, A为电阻丝横截面积。当沿电阻丝长度方向施加均匀力时, 式中l、ρ、r都将发生变化。导致电阻值发生变化。即得到以下结论:当金属丝受外力作用而伸长时长度增加, 截面积减小, 电阻值增大;当金属丝受外力作用压缩时, 长度减小, 截面积增加, 电阻值减小。电阻值变化通常较小。
实验证明:电阻应变片的电阻应变εr=ΔR/R与电阻应变片的纵向应变εx在很大范围内是线性的.即εr=ΔR/R=kεx式中ΔR/R为电阻应变片的电阻应变, k为电阻丝的灵敏度, εr为被测件在电阻应变片上产生的应变。
康铜丝是目前应用最广泛的金属丝式应变材料, 这是因为它的灵敏度系数稳定, 电阻温度系数较小, 加工工艺性能好易于焊接, 为此国内外多以康铜丝作为金属应变式应变片材料。
二、电阻应变式传感器的工作原理
传感器一般由敏感元件, 传感元件和测量电路3部分组成, 以电阻应变计为转换元件的电阻应变式传感器, 主要由弹性元件、粘贴于其上的电阻应变片、输出电信号的电桥电路及补偿电路构成。其中感受被测物理量的弹性元件是其关键部分, 结构形式有多样, 旨在提高感受被测物理量的灵敏性和稳定性。
电阻应变式传感器工作原理是:由于被测物理量 (如载荷, 位移, 压力等) 能够在弹性元件上产生弹性变形 (应变) , 而粘贴在弹性元件表面的电阻应变计可以将感受到弹性变形转变成电阻值的变化, 这样电阻应变式传感器就将被测物理量的变化转换成电信号的变化量, 再通过电桥电路及补偿电路输出电信号。通过测量此电量值达到测量非电量值的目的。
三、电阻应变式传感器的应用
在工程结构的强度分析中, 了解和掌握力, 力矩, 位移, 速度, 加速度以及流体的压力等物理量的大小及其变化规律是十分重要的, 而这些数据的获取常常是通过工程测量, 应用较为普遍的是电测法.
1、测力传感器
测力传感器根据测量的对象不同, 习惯上又称为力传感器, 载荷传感器, 荷重传感器等。
2、扭矩传感器
在扭矩测量中, 电阻应变式扭矩传感器是最常用的一种, 其弹性元件有圆轴, 杆和板等多种形式.圆轴式扭矩传感器的弹性元件感受扭转变形.杆和板式扭矩传感器是将扭转变形转为弯曲变形, 其弹性元件感受弯曲变形。
3、压力传感器
工程测试中的压力测量, 主要是指测量液体或气体在单位面积上作用的压力, 即液体或气体的压强。所以习惯上说的压力传感器, 实际上是压强传感器.它不仅可以测量气体和流体的压力, 还可以用来制造测量高度、密度、速度等仪表。压力传感器按其结构形式可以分为膜片式、圆筒式和组合式等几种。
4、位移传感器
电阻应变式位移传感器与测力传感器的原理相同, 但要求不同。位移传感器弹性元件的要求是刚度小, 弹性元件变形时, 将对被测构件形成一个反力, 影响被测构件的位移数值。位移传感器中与弹性元件相连接的触点直接感受被测的位移, 从而引起弹性元件的变形.为了保证测量精度, 触点的位移与应变计感受的应变之间应保持线性关系。位移传感器的弹性元件可以采用不同的形式, 常用的是梁式和弹簧组合式。
5、加速度传感器
电阻应变式加速度传感器通常由质量块, 弹性元件和基座组成。测量时, 将基座固定在被测对象上, 当被测物体以加速度a运动时, 质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力, 该惯性力使弹性元件产生变形, 此时安装在弹性元件上的应变计将感受粘贴处的应变, 如果把应变计组成电桥则有电压输出。
如今, 信息处理技术, 微处理器和计算机技术的快速发展和广泛应用, 都需要在传感器的开发方面有相应的进展.非电物理量的测试与控制技术, 已越来越广泛地应用于航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量、称重等技术领域, 而且也正在逐步引入人们的日常生活中。
摘要：本文阐述了应变效应、电阻应变式传感器工作原理及其应用。
关键词：应变效应,电阻应变式传感器,应用
参考文献
[1]于彤《传感器原理及应用》机械工业出版社2010
[2]刘灿军《实用传感器》国防工业出版社2004
[3]刘伟《传感器原理及实用技术》电子工业出版社2009年
电阻应变式位移传感器 篇3
1 传感器实验装置[3]的设计
设计目的:在材料力学教学实验中,实验装置能通过应变测出力的大小.设计思路:设计结构加工图→受力分析→布片原则→桥路设计→可行性分析→实验研究.
1.1 查阅资料
指导学生查阅有关教材和参考资料,一方面,了解传感器的学术前沿和在工程上的应用,以激发学生的研究兴趣;另一方面,详细了解传感器的结构与原理,将学生不够全面的感性认识上升到理论高度.然后应用材料力学等方面的科学理论和方法去探索出能测出力的大小的一个压力传感器装置.
1.2 传感器结构图的设计
用铝合金板材作为传感器的研究材料,加工成如图1所示的构件.构件上粘贴应变片的部位为弹性敏感部位,所以,为了增加它的弹性,粘贴应变片部位的尺寸加工成比两端小而且比两端稍薄,否则变形不敏感,尺寸如图1所示.图1中的4-M3中的螺丝孔用于制作完成后装配外壳用.
传感器结构图分析:电阻应变式压力传感器是以应变敏感部位为中介,通过力作用在粘贴于应变敏感部位两边的电阻应变片使它的阻值发生变化,再经过相应的电路转换为电的信号,从而实现后面的控制.由于应变片的体积小,商品化的应变片有多种规格可供选择,而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合.因此采用图1的结构形式,学生可根据自己的爱好灵活设计弹性体:去探索、去发现、去构建知识的意义、去解决问题.
1.3 传感器的桥路设计
在图1构件上的前后两对称平面的弹性敏感部位的纵向和横向各对称粘贴上4个电阻应变片,其中R1和R2在正面,R3和R4在反面,R1和R3纵向对称布片,R2和R4横向对称布片,如图2所示.并将4个电阻应变片采用全桥连接,电桥接线如图3所示.当构件受图2所示的压力时,构件产生形变,电阻应变片也一起产生形变,使应变片的电阻值发生改变,从而使加在4个电阻连接成的测量电桥上的电压UBD发生变化,它们的关系式为
式中,U为电压;K为电阻应变片的灵敏系数;ε1,ε2,ε3,ε4为4个电阻各自产生的应变,这些应变和UBD成线性.应变片在受力时产生(ε1-ε2+ε3-ε4)的阻值变化通常较小,这时由应变片以全桥的桥路方式连接到电阻应变仪上,由应变仪表放大器进行放大,利用电阻应变片作为传感元件,将构件的应变量转换成应变片的电阻变化量[4],从而达到测力的目的.
2 构件受力分析与电桥连接的可行性分析
如图2所示,如果构件载荷稍有偏心,这时构件会稍有弯曲,测试中,除拉伸或压缩应变外,还有附加弯曲应变,压力传感器不允许有弯曲的影响,因此,为了排除弯曲的影响,电阻应变片布片原则是:在R1,R2和R3,R4所在的前后两平面上按纵向和横向对称粘贴,R1和R3为轴向(纵向),R2和R4为横向,如图2所示,并采用图3所示的全桥连接,这时,每个应变片既是测量片,又是补偿片.
假设试件有附加弯曲变形,设贴应变片R1和R2的平面(正面)是拉伸边,贴R3和R4的平面(反面)是压缩边,两边的应变电阻值均相等,4个应变片在同一环境下测量时,当测量电桥的应变片随构件变形时,4个应变片产生的应变分别如下
式中,εN为实际应变,εW为弯曲应变,εt为温度应变,εds为测量应变,μ为泊松系数.因测量电桥的4个桥臂上的应变片都为测量片,每片都产生应变,又有
由式(1)～式(5)得
由式(6)可知,这样的布片和电桥连接,它们的温度影响自动抵消,而且还排除了弯曲的影响,并且又使电桥输入的灵敏度提高了2(1+μ)倍.
3 实验结果
构件为稳定平衡时,测得弹性模量为70.35 GPa,泊松系数为0.31.
在表1中,由加载输出和卸载输出的数据可知构件为稳定平衡,而且表中数据也完全符合轴向拉伸和压缩的结论,试件没有附加弯曲变形.相对误差远小于10%,达到了理论和实践相互验证的教学目的.测量结果表明:本实验装置可通过应变测出力的大小,可应用于材料力学实验教学中的简支梁、纯弯曲梁和薄壁圆筒等理想化模型的加载系统中.
4 传感器装置设计的实验特色
(1)增加教学信息量,优化了原有的实验教学结构,对学生的实验效果就不再像基础性实验那样仅仅停留在对理论知识的验证、理解和记忆上,而对培养学生的工程素质、创新素质、全面掌握“电阻应变测量技术”具有重要的意义.
(2)只要更改传感器弹性敏感元件的尺寸或材料就会有不同的研究结果,这样容易将学生的组数细分甚至到个人,因而可大大提高教学质量,从而实现知识向能力转化,是改善教学效果的有效教学模式,符合“创新创业教育呼唤实践教学与体验式课程[5]”的指导思想.
参考文献
[1]方陆鹏.连续多跨梁结构模型在力学实验教学中的开发应用.力学与实践,2002,24(3):60-62
[2]聂志刚,刘正东.实验教学中的综合性设计性实验.实验技术与管理,2008,25(3):140—142
[3]谢灵,朱艳峰.二层刚架动静态综合性实验设计研究.力学与实践,2006,28(6):83-85
[4]刘鸿文,吕荣坤.材料力学实验(第3版).北京:高等教育出版社,2006