电阻应变（通用7篇）
电阻应变 篇1
摘要：将电测法中两种主要设备电阻应变片和电阻应变仪作了简要阐述,重点对应变片的粘贴步骤及技巧进行了详细说明,最后总结了电阻应变片粘贴操作过程中应注意的问题,以保证应变片的粘贴质量。
关键词：电测法,电阻应变片,粘贴技术
1 概述
电测法是工程结构中常用的实验、测试方法之一，结合利用测得的应变值，求得应力等参数值，可对工程的安全性进行评价。通过在构件被测点处粘贴电阻应变片(以下简称应变片)，将构件被测点的应变值转换为应变片的电阻变化，再利用电阻应变仪测出应变片的电阻变化率，经应变仪并直接输出被测点的应变值，然后依据虎克定律计算出构件被测点的应力值[1]。在电测法中，主要设备是电阻应变片和电阻应变仪。
1.1 应变片
电阻应变片是将应变变化量转变成电阻变化量的转换组件。应变电测法具有感受元件重量轻，体积小;量测系统信号传递迅速、灵敏度高、可遥感，便于与计算机连用及实现自动化等优点。其主要缺点是连续长时间测量会出现漂移，原因在于粘合剂的不稳定性和对周围环境的敏感性所致。
由物理学定律可知，金属丝的电阻R与其本身长度L成正比，与其横截面积A成反比，用公式表示为:
其中，R为电阻丝的电阻值，Ω;ρ为电阻率，Ω·mm;L为电阻丝的长度，mm;A为电阻丝的截面面积，mm2。
当电阻丝受到拉伸或压缩时，式(1)中的L,A，ρ将发生变化。设变形后其长度变化为ΔL，如图1所示，若此时对式(1)两端同取自然对数，即得:
对式(2)进行求导，有:
因为金属电阻线受轴向拉伸(压缩)作用时，d A/A=2d D/D=-2μ(d L/L)(μ为电阻丝材料的泊松比)，所以式(3)可写成:
其中，d L/L为应变片轴向应变ε。
由式(4)进一步可得:
令式(5)为K0，称为单丝灵敏系数，为一常数。因应变片由单丝绕成，对于应变片，可推出下式:
其中，K为应变片的灵敏系数。
式(6)表明:应变片的电阻变化率与应变呈线性关系，即电阻变化率是其应变值的K倍。当应变片粘贴在被测试构件上时，会随构件受力而产生主变形。应变片的应变即反映了构件在测试位置长度内的应变。即实现了应变片的应变—电阻变化及电量—非电量之间的转换关系[2]。
1.2 电阻应变仪
电阻应变仪的测量电路，一般采用惠斯登电桥，其作用是测得应变片的电阻变化率，进而测得构件应变。如图2所示，在四个臂上分别接入电阻R1,R2,R3,R4，在A,C端接入电源，B,D端为输出端。
根据基尔霍夫定律，当桥臂上各电阻值发生变化时，惠斯登电桥输出端电压UBD与输入端电压U的关系如下:
在实际使用中，按照不同的组桥方式还可分为:
1)全桥:即四个桥臂上均接有工作片。
2)半桥:即四个桥臂上只有两个桥臂接有工作片，剩余两应变片只起连通电路作用，电阻值不发生变化(应变为0)。
3)1/4桥:四个桥臂上只有1个桥臂接有工作片，此时相邻桥臂接温度补偿片。此桥路形式在实际中应用较多[2]。
应变片的种类很多，可按其所用材料、使用的工作温度以及不同的用途分类。按敏感栅所用材料可分为金属电阻应变片(金属丝式应变片、箔式应变片和薄膜应变片)和半导体应变片等;按使用温度可分为低温、常温、高温等，具体可参考相关文献。
2 应变片的粘贴步骤
在电测技术中，电阻应变片的粘贴技术比较复杂，工作量大，应变片粘贴质量的优劣对测量的可靠性影响很大，是一个非常关键性的环节，必须予以注意。另外，应变片不能重复使用，消耗量也比较大，因此应一次成功。应变片的粘贴具体步骤如下。
2.1 选片
选择应变片的规格和形式时，应注意到构件的材料性质和构件的应力状态。因应变片测出的是平均应变，在构件应力变化范围较大时，一般选用小标距应变片;而在混凝土表面，宜选用大标距的应变片。确定应变片类型后，还要逐片进行外观检查，用肉眼或放大镜检查应变片丝栅是否平直，片内有无气泡、斑锈点等缺陷，不合格的片应剔除;然后用万用表逐片测定阻值，电阻值差应在±0.5Ω范围内[3]。
2.2 测点表面的清洁处理
为使应变片与被测构件粘贴得牢固，对测点表面要进行清洁处理。
1)钢筋表面贴片的清洁步骤如下:
a．对带肋钢筋，将测点表面用砂轮进行粗打磨(圆钢跳过此步)，打磨平面大小在满足应变片面积时，尽量要小，否则会影响钢筋有效承载面积，会使测试结果与实际出现较大偏差;
b．用锉刀进行手工细打磨;
c．用0号砂纸沿着45°角方向进行精度打磨，使测点表面平整;
d．棉签蘸丙酮擦洗表面，到棉签不黑为止;
e．用划针在贴片位置处划出应变片的坐标线。
打磨好的表面，若暂时不贴片，可涂以凡士林等防止氧化。
2)混凝土的清洁步骤:
a．测量对象为混凝土构件时，则须用喷浆方法把表面垫平(也可采用环氧树脂胶配合固化剂)，然后进行打磨清洗等工作;
b．在贴片部位，还应先涂一层隔潮层，可采用环氧树脂胶配合固化剂，应变片就贴于隔潮底层上。防潮层的厚度以一般约为0.05 mm～0.1 mm为宜，使应变片能和混凝土测点处的变形保持一致;
c．待垫平层固化后，进行其他操作，与钢筋贴片类似。
2.3 贴片
贴片一般采用502胶水，钢筋应水平放置。在测点位置和应变片的底基面上，涂上薄薄一层胶水，一手捏住应变片引出线，把应变计轴线对准坐标线，上面盖一层聚乙烯塑料薄膜作为隔层，用手指在应变计的长度方向轻轻滚压，挤出片下气泡和多余的胶水，直到应变计与被测物紧密粘合为止。手指保持不动约数10 s后再放开，注意按住时不要使应变片移动，再检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，否则须重贴;502胶靠内聚力粘片，注意涂胶量要适中，不要太厚，过多则胶层粘结力反而降低，而且太厚影响应变片性能，过少则胶可能分布不均匀不能准确传递应变(见图3)。
2.4 接线
应变片和应变仪之间用导线连接。需根据环境与试验的要求选用导线。通常静应变测定用双芯多股平行线。在有强电磁干扰及动应变测量时，需用屏蔽线(如附近有信号传输塔)。焊接导线前，先用万用电表检查导线有否断路，然后在每根导线的两端贴上同样的号码标签，避免测点多时造成差错。
1)在应变片引出线下，贴上胶带纸，以免应变计引出线与被测构件(如被测构件是导电体的话)接触造成短路。
2)把导线与应变片引线焊接在一起，固定在接线端子上，焊接时注意防止假焊。焊完后用万用电表在导线另一端检查是否接通。
接线端子相当于接线柱，使用时先用胶水把它粘在应变片引出线前端，然后把应变片引出线及导线焊于接线端子上，其作用有两个方面:首先，保护应变片，避免因外力扯拉外接导线使应变片导线扯断;其次，使应变片的导线和外接导线接触良好，避免点接触。
在上述工作完成后，应对其粘贴质量进行检查和校正。如通过放大镜观察应变片的粘贴位置和方位角是否准确，粘贴表面有无气泡，应变片粘贴是否牢固;用万用表测量应变片有无短路和断路现象。
2.5 防潮处理
防潮处理必须在检查应变片贴片质量合格后立即进行。为避免胶层吸收空气中的水分而降低绝缘电阻值，应在应变片接好线并且绝缘电阻达到要求后，立即对应变片进行防潮处理。当室温高于15℃和相对湿度低于60%时可采用自然干燥，时间一般为24 h～48 h。室温低于15℃和相对湿度高于60%要采用人工干燥(红外线等照射或电吹热风)，但人工干燥前要进行8 h的自然干燥，人工干燥的温度不得高于60℃。防潮处理应根据试验的要求和环境采用不同的防潮材料。常用的简易的防潮剂可用703,704硅胶和环氧树脂添加固化剂的混合剂等。
其中采用环氧树脂和固化剂的混合剂能达到一定强度，和构件达到共同变形。但是在配合环氧树脂(V1)和固化剂(V2)时要注意二者的配合比(体积比)，V1∶V2越大，混合剂的固结时间越长，V1∶V2越小，混合剂的固结时间越短，且固结后易脆，影响试验效果。因此在测试前应先试配，确定最佳配合比以免造成材料的浪费影响测试效果。环氧树脂和固化剂的混合剂主要有以下两个作用:
1)因其具有良好的隔潮性能，可起到防潮的作用;
2)对于钢筋混凝土应变片，在浇捣混凝土时骨料很可能会碰到应变片，因其具有一定强度，可以保护钢筋上的应变片不被损坏。
3 结语
在工程结构测试中，应变片的粘贴是电测法中核心的一步，粘贴的质量直接关系到测试的精度，因此在应变片的粘贴过程中要注意的问题如下:
1)严格控制每一操作环节的质量，以减少人为因素对测试结果的影响。
2)做好测点表面的平整度、清洗、胶层厚度等控制，以免影响应变片与构件被测点的共同变形;钢筋表面贴片空间在满足应变片或布线所需空间基础上，避免过大，保证测试精度。
3)若用环氧树脂打底或作为防潮剂，把握好环氧树脂与固化剂的配合比(V1∶V2)，若过大，混合剂固结时间较长;过小，混合剂固结快，且固结后易脆，易与粘结界面分离。
参考文献
[1]汪大鹏,刘美.电测力实验中应变片的粘贴技巧[J].湖南工程学院学报,2003(3):64-65.
[2]马永欣,邓山锁.结构试验[M].北京:科学出版社,2001.
[3]李忠献.工程结构试验理论与技术[M].天津:天津大学出版社,2004.
电阻应变 篇2
低温电阻应变式传感器弹性体设计准则基本与各类高温用电阻应变式传感器相同。传感器精度要求，使用寿命及输出灵敏度等，弹性体应变量一般控制 800到1500 m m/m 范围内。传感器弹性体材料，要求在低温条件下，具有良好弹性，高抗拉强度，高疲劳寿命以及不发生脆性断裂等等。，一般来说常温用弹性体材料大都可以选用。但目前，压力传感器常选用不锈钢、铝合金、铍青铜及殷钢等，而引伸计等传感器可选用铍青铜、钛合金等材料。低温电阻应变片
低温应变片是低温电阻应变式压力传感器关键敏感元件，其性能影响着压力传感器各项性能指标。低温应变片通常是由基底、敏感栅、胶粘剂及覆盖层等部分组成。各组成元件材料性能又直接影响着低温应变片基本性能。
电阻应变式压力传感器是由胶粘剂粘贴传感器弹性体上，当外力作用下，弹性体发生变形时，弹性体变形胶粘剂层传递到敏感栅上，引起敏感栅材料电阻发生变化，其电阻变化值与弹性体所受外力之间是呈线性关系，测量电阻变化值即可知弹性体所受外力。传感器实际工作时，弹性体受到外力作用，与此同时还受到环境温度变化影响，应变片受温度变化引起虚假输出通常称为热输出，其值与应变片敏感栅材料电阻温度系数、灵敏系数、线膨胀系数、弹性体材料线膨胀系数以及温度变化等有关。对于传感器来说，通常都要求所用应变片热输出值小，这样才能保证精度和稳定性。
低温胶粘剂和防护剂
胶粘剂和防护剂对低温电阻应变式传感器性能有直接关系。特别是胶粘剂，它对压力传感器尤为重要。大量试验证明：
(1)低温应变片基底材料，一般都采用聚酰亚胺膜是以玻璃纤维增强环氧酚醛胶。这类胶粘剂贴片后，经加压回热固化及后固化处理后，胶层具有很高粘结强度，电绝缘性能好，传感器蠕变、滞后及零漂小，传感器稳定性也好。
电阻应变测试中横向效应误差分析 篇3
关键词：应变测试,误差分析,横向效应
1 概述
早在1856年, 开尔文就发现了电阻应变片的基本原理。经历了多年的发展, 利用惠斯登电桥监测粘贴箔式应变片已成为高度完善的测量系统。现代测试的过程中, 影响因素众多, 要想得到尽量精确的测试结果, 就必须对应变测试中的许多问题有透彻了解, 电阻应变测试的过程中, 横向效应有时候会带来很大误差, 应予以充分重视。本文就应变测试中的横向效应引起的误差问题做出分析。
2 电阻应变片横向效应引起的误差分析
当电阻应变片以固定方向粘贴时, 即测得沿该方向的应变值, 但是, 在测量的过程中, 电阻应变片除了有该方向的纵向变形外, 一定存在着横向变形, 本文即是探求电阻应变片横向变形对测量结果的影响。
2.1 电阻应变片横向效应
粘贴式应变片在二向应变场下的响应为:
(Sx表示延应变片横向的灵敏度, Sy表示延应变片纵向的灵敏度, Sα表示应变片的剪切灵敏度, εx表示横向应变, εy表示轴向应变, εα表示剪切应变)
一般地, 应变片对剪切应变的灵敏度很小, 可以忽略, 那么, 应变片的响应为:
其中为应变片的横向灵敏度系数。注意到fx=-n1fy, 代入上式, 得:
每一个应变片都由生产厂商标定后 (标定梁泊松比为μ1) 提供一个灵敏度系数Sg, 即:
对比 (3) 和 (4) 式, 可以发现:
又将 (5) 代入 (3) , 可得:
由上式便可反解出应变真值为:
如果仅仅考虑应变片的灵敏度系数, 则:
对比 (7) 和 (8) 可得:
f=fy'1-fxn1K (9)
如果忽略应变片的横向效应, 将会引起误差δ, 那么:
表2-1计算出当μ1=0.3, Kx分别为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05和分别为0、1、2、3、4、5及6时的误差δ值
由此可见, 当Kx和的值都很大时, 横向效应带来的误差将相当显著, 所以, 必须对横向效应加以修正。
2.2 横向效应的修正
由以上分析可知, 在某些情况下, 应变片横向效应带来的误差需要修正, 下面就应力场应变比已知和应变比未知这两种情况加以分析。
1) 应力场应变比已知
即应力场应变比已知, 由 (9) 式, 修正系数为:
2) 应力场应变比未知
当应力场应变比未知时, 需要用实验的方法确定x和y两个方向的表观应变, 然后再由式 (9) 反算出真实应变。
由式 (9) 可得出下面的方程组:
求解以上方程组可得:
式 (12) 便是应力场应力比未知情况下表观应变和真实应变间的关系式。
3 结论
本文就应变测试中的横向效应修正问题做了一些探讨, 除此之外, 在应力测试的过程中, 还有潮湿和温度的影响、辐射的影响及压力的影响等等诸多问题, 残余应力和应力集中的测试方法也还有许多, 需进一步探讨其影响, 在实际的测试中, 具体问题具体分析, 再与有限元分析方法结合, 使得到的数据更为科学, 指导我们的生产实践。
参考文献
[1]J.W达利, W.F赖利.Experimental Stress Analysis[M].海洋出版社, 1987.
[2]J.艾弗里尔.Encyclopendie Vishay D`Analyse Des Contraintes[M].机械工业出版社, 1985.
[3]陈建华.实验应力分析[M].中国铁道出版社, 1984.
[4]徐跃良.数值分析[M].西南交通大学出版社, 2005.
[5]Murray, W.M:Machine Solution of the Strain Rosette Equation, Proc.SESA, 1944, 2 (1) .
电阻应变 篇4
电阻应变仪是测量结构或构件所受应力应变的仪器, 如果能够与相应的传感器恰当配合使用, 也可用于测量力、压力、扭矩、位移、振幅等物理变化过程, 它是试验应力分析的可靠工具。电阻应变仪按其测量应变变化频率范围可分为静态电阻应变仪和动态电阻应变仪;按供桥电压的不同又可分为直流供桥型电阻应变仪和交流供桥型电阻应变仪。由于电阻应变仪的广泛使用, 对电阻应变仪进行定期校准或检定, 以确保其测量结果的准确、可靠是十分必要的。静态电阻应变仪示值误差的校准或检定一般采用标准模拟应变校准器输出标准应变, 用电阻应变仪所测应变值与标准模拟应变校准器输出值相比较的方法校准电阻应变仪。然而, 在对电阻应变仪的校准或检定过程中, 常常有些计量人员则机械地按照检定规程进行示值误差的校准或检定操作, 使得工作量没有必要地增加了很多, 特别是对多通道电阻应变仪进行校准或检定时更是给检定工作造成一定程度的困扰;那有没有其他无需标准模拟应变校准器的方法对电阻应变仪进行示值误差得校准。作者在计量机构从事电阻应变测量仪器的校准检定工作多年, 工作中曾经出现过、也提出遇到上述问题, 感到有必要总结出来以供广大从事电阻应变仪校准和使用的工作者参考。
1 电阻应变测量原理
电阻应变测量是根据金属丝的电阻率随金属丝的变形而变化的关系, 把力学参数转换成与之成比例的电学参数, 通过测量电学参数并依照一定的比例关系将其转换成试件的应变值。电阻应变测量电路是由应变片和补偿片组成的测量电桥。实验证明:在试件的弹性变化范围内, 金属丝电阻的相对变化AR/R和金属丝长度的相对变化△L/L (即应变ε) 成正比
式中, K为金属丝的灵敏系数。
应变片是利用金属导线的应变一电阻效应制造的对应变灵敏感应的传感元件。应变片的种类有应变片、十字应变片、应变花等。应变的测量有一般抗力测量、复合抗力测量、静应变测量、动应变测量等测量方式。
在电阻应变测量中, 由应变测量电桥来完成电阻的相对变化量 (或称电阻变化率) 转换成电压 (或电流) 的变化量。测量电桥的工作原理如图1所示。由电工学可知电桥输出电压UO为:
电桥输出电压UO=0, 即, 此为电桥平衡条件。通过公式 (1) (2) 推导得到应变仪的读数为: (3)
式中U0为电ε桥的输出电压 (电桥信号输出端电压值) 。
US为桥压。
K为应变计灵敏度系数。
ε为输入应变量。
可见, 对应变仪的读数ε的校准既可通过校准应变测量电桥电阻变化率, 也可通过校准U0和US来实现。
2 利用数字电压表和标准电压源校准静态电阻应变仪示值误差 (源表法)
此方法简称源表法, 共分为三步。如图A、C端为电桥电压端, B、D端为电桥信号输出端。
第一步, 测量桥压。注意测量桥压时必须在桥压端并联一个与桥臂电阻 (应变计电阻) 相同阻值的电阻R0, 用以模拟电阻应变仪真实工作情况下的桥压。
第二步, 根据公式 (3) 得出标准模拟应变量对应的电桥信号输出端电压值。
式中U0为电桥的输出电压 (电桥信号输出端电压值)
US为桥压
K为应变计灵敏度系数
ε为输入应变量
第三步, 在电桥信号输出端输入0 m V或进行短路对静态电阻应变仪 (灵敏系数K=2.00) 进行零位平衡。零位平衡完成后在电桥信号输出端输入标准电压值, 根据其对应的标准模拟应变量以及电阻应变仪标称值或数组读数。计算得到示值误差。此方法对多通道电阻应变仪示值误差的校准比较方便。
下面以东华测试DH3813型电阻应变仪为例应用源表法。
首先按DH3813型电阻应变仪仪器说明书规定的时间进行预热。其桥压标称值为DC2V。设置应变计电阻为120Ω后使用吉时利公司产2182型数字电压表直接测量电压 (A、C端) 为2.0015V, 在桥压端 (A、C端) 并联一个120Ω电阻后测得实际桥压为1.9996V。
然后在电桥信号输出端 (B、D端) 输入0m V或进行短路。静态电阻应变仪 (灵敏系数K=2.00) 进行零位平衡。最后在电桥信号输出端使用FLUKE5720型多功能源输入标准直流电压值, 将输入标准电压值根据公式 (3) 换算成标准模拟应变量并对电阻应变仪进行示值误差校准, 以下为校准数据
通过分析测量结果的不确定度为U= (1.0×10-4~2.0×10-4) (k=2) 。
3 利用标准电阻箱, 校准静态电阻应变仪示值误差 (标准电阻箱法)
此方法简称标准电阻箱法, 共分为三步。如图A、C端为电桥电压端, B、D端为电桥信号输出端。
第一步, 按仪器说明书规定的时间进行预热, 设置好应变计电阻值等参数。
第二步, 首先按照仪器说明书规定, 根据1/4桥、半桥和全桥等方式连接好静态电阻应变仪与应变计电阻。这里应变计电阻用稳定性好, 误差在±1%的电阻器代替。然后对静态电阻应变仪 (灵敏系数K=2.00) 进行零位平衡。
第三步, 连接标准电阻箱, 注意连接标准电阻箱的导线尽量选择阻值较小的。进行电阻应变仪示值误差校准, 通过调节电阻箱的输出电阻模拟不同大小的标准应变量。例全桥连接方式如图3, 电阻应变仪A、D端连接标准电阻箱调节电阻箱电阻值可得到正模拟应变量, 若电阻应变仪A、B端连接标准电阻箱可得到负模拟应变量。
下面以协力科技XL2101G型静态电阻应变仪为例应用标准电阻箱法。
按仪器说明书规定的时间进行预热, 设置片阻 (应变计电阻) 为120Ω, 灵敏系数K为2.00, 标定系数为1.000。连接四个电阻器R1、R2、R3和R4, 阻值均为120Ω。然后静态电阻应变仪进行零位平衡。平衡完成后连接ZX54型 (0.01级) 标准电阻箱, 调节电阻箱阻值得到模拟应变量并进行电阻应变仪示值误差校准。如图2将A、D端连接标准电阻箱调节电阻箱阻值得到正模拟应变量, 最后, 将A、B端连接标准电阻箱得到负模拟应变量。以下为校准数据
通过分析测量结果的不确定度为U=5.0×10-4 (k=2) 。
4结束语
以上2种方法通过了作者多年的重复性和稳定性试验后证实简单可靠。特别对于多通道电阻应变测试系统源表法可同时校准多个通道, 方便快捷。在这里贡献给同行, 是希望对静态电阻应变仪的检定校准工作有所裨益。作者不仅是为了总结经验, 如果能得到同行或专家的批评指正, 进一步改进、规范操作流程, 切实提高静态电阻应变仪检定校准的可靠性和工作效率, 作者撰写本文的目的也就达到了。
参考文献
[1]吴扬, 付军立, 王春燕.检定电阻应变仪应注意的几个问题[J].计测技术, 2008.28 (3) .
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[3]何小兵, 丁诚.JJG533-2007标准模拟应变量校准器检定规程[S].北京:中国计量出版社, 2007.
电阻应变 篇5
电阻式应变传感器作为测力的主要传感器,测力范围小到肌肉纤维,大到登月火箭,精确度可到0.01—0.1%。是目前测力的基本传感器件之一,因此对于其基本的测量电路的研究与误差分析十分有必要。
1基本结构与原理
电阻应变片是一种能将所受到应变转化为电阻变化的传感元件,一般由 Φ=0.02~0.05mm康铜丝或者镍铬丝绕成的敏感栅构成。
其工作原理是基于敏感栅中的金属丝的应变效应 , 即在金属导体产生形变时 , 它的电阻值发生相应变化。例如一根金属电阻丝 , 在其未受力时 , 原始电阻值为当该丝受到轴向拉力F作用时,电阻值的相对变化为因此可以通过测量变化后电阻值来确定作用力F。
2无差动半桥电路
差动半桥电路如图所示,其中R1为电阻应变片其中R1R4=R2R3相对桥臂阻值乘积相等,Uo大小推导如下:
因为应变片在形变时产生的阻值变化约为0.1%,因此分母中的 ΔR1/R1可以忽略不计,同时令n = R2/R1,由于R1R4=R2R3, 因此n = R2/R1=R4/R3。则可将Uo表示为而电桥电 压灵敏度定义为 :,因此无差动半桥,其中对非线性项进行数学运算,易得灵敏度最大时n=1,即R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时的灵敏度为
而此结果的得出是建立在忽略 ΔR1/R1的数值得出的理想值,因此存在误差,实际真实的数值应该为
因此误差大小为:
因此无差动半桥电路具有非线性误差和不具有温度补偿功能,灵敏度为
3差动半桥与差动全桥电路
在上文的无差动半桥中,不仅存在非线性误差,实际上还存在温度误差,灵敏度不高的缺点,因此可以进行如下两种提升方法,分别是2个应变片的差动半桥和4个应变片的差动全桥
电阻应变 篇6
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
电阻应变 篇7
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