电阻应变式

电阻应变式（共7篇）

电阻应变式 篇1

在日常生活中, 我们大量的使用传感器, 例如:电视机的遥控器利用红外光发射接收传感器控制电视;麦克风是一种把声音信号转换成电信号的传感器。传感器亦称换能器, 是利用各种物理、化学及生物效应实现非电量按一定的规律转换成便于处理和传输的电量的装置。电阻应变式传感器是将压力这个物理量转换成电信号输出的一种传感器, 随着加工工艺, 粘贴工艺等的技术进步, 电阻应变式压力传感器的准确度, 可靠性大大提高, 在自动检测与控制技术领域里得到了广泛应用。

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

[4]中学物理教学参考2005年

电阻应变式 篇2

项目题目：测量桥梁应力传感

器

指导教师：

仪表三班：

学

号： 一．摘要：

目前，多数桥梁都属于柱形桥，随着时间的推移，桥身桥体会逐渐出现承载过重导致应力不集中甚至出现裂纹等破损，为了保证人民的人身财产安全，就要对桥身桥体进行实时监控，采取及时的补救措施。在现在大多数的监测方案中，几乎都需要传感器技术，本文对传感器在测量桥梁应力的应用做了详细的描述。

传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科，是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。同时我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛，可以说它已成为了测试测量不可或缺的环节。因此，学习、研究并在实践中不断运用传感器技术是具有重大意义的。

测量桥梁应力的基本思路是将传感器粘附于桥身柱体部分，通过测量桥在空载和承载时传感器的数值变化，通过数值的转换与计算，得出桥梁承受的应力。因此，此次测量所需传感器属于压力传感器。二.电阻应变片的选择 1电阻应变片类型的选择

电阻应变计简称应变计（亦称为电阻应变片或简称应变片）。它由四个部分组成。

第一是电阻丝（敏感栅），它是应变计的转换元件。第二是基底和面胶（或覆盖层）。基底是将长肝气弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质，并起到电阻丝与弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护电阻丝的作用。

第三是粘合剂，它将电阻丝与基底粘贴在一起。第四是引出线，它作为联结测量导线之用。电阻应变片主要分为电阻丝式应变片、金属箔式应变片和金属薄膜应变片。由于电阻丝式应变片有横向效应对测量的精度有影响，使灵敏度降低，而且耐疲劳性能不高。金属薄膜应变片尚难控制电阻与温度的变化关系，不常用。故选用金属箔式应变片。箔式应变片的主要优点：

(1)本身性能稳定，受温度变化的影响小；

(2)使用温度范围比较宽，在-269—+350 度范围内稳定工作；

(3)适用于各种弹性体材料及弹性结构形式，粘贴操作简便；

(4)价格便宜。

引线引线 覆盖覆盖层 层基片 基片l电阻丝 式敏感栅电阻丝式敏感栅b 金属电阻应变片的结构

丝式金属应变片的敏感栅由直径0.01~0.05mm的电阻丝平行排列而成。

箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在0.003～0.01mm。其优点是散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。

薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。

(a)箔式应变片

(b)电阻丝式应变片

(c)丝式应变片

几种常用应变片的基本形式

2.应变计敏感栅的材料

(1)材料的选用原则

应变计敏感栅合金材料的选择对制作应变计性能的好坏起着决定性的作用，因此对制作应变计所用的应变电阻合金有以下的要求： a有较高的灵敏系数； b电阻率高；

c电阻温度系数小，具有足够的热稳定性；

d机械强度高，压碾或拉伸性能好，高温时耐氧化性能要好，耐腐蚀性能强；

e与其它金属接触的热电势小； f与引出线焊接容易。三．测量电路原理分析及设计

1.温度补偿原理

电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。1)线路补偿法

电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。电桥输出电压U0与桥臂参数的关系为：

U0=A（R1 R4-RB R3）

式中：A——由桥臂电阻和电源电压决定的常数；

当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压U0的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。2）应变片的自补偿法

这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片来补偿的，称之为温度自补偿应变片。

由温度自补偿应变片的工作原理，要实现要实现温度自补偿，必须有

RtR0t[0(gs)]tK0K0

α0=-K0（βg-βs）

上式表明，当被测试件的线膨胀系数βg已知时，如果合理选择敏感栅材料，即其电阻温度系数α0、灵敏系数K0和线膨胀系数βs，使上式成立，则不论温度如何变化，均有ΔRt/ R0=0，从而达到温度自补偿的目的。

四．测量电路原理分析及设计 1.电桥电路原理

应变片将应变的变化转化成电阻的相对变化ΔR/R,还要把电阻的变化再转换成电压或电流的变化，才能用电测量仪表进行测量。

电桥电路的原理是：如下图的四臂电桥所示，因为应变片电阻值变化很小，可以认为电源供电电流为常数，即加在电桥上的电压也是定值，假定电源为电压源，内阻为零。当电桥平衡时，即电桥输出电压V0为零的条件是：R1R3=R2R4。

图2 当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大很多，因此可以把电桥输出端看成是开路。若电桥不平衡时，即R1R3≠R2R4时，电桥输出：

U0R1R3R2R4(R1R2)(R3R4)U

单臂电桥时，令R1=R2,R3=R4,R2,R3,R4为定值电阻，在应变片R1工作时，其电阻R1变化△R,此时电桥的灵敏度为：ku=U/4 电压输出为:

UO=(U/4)(△R1/R1)2.非线性误差

为减少非线性误差，电桥电路常用的措施为：①采用差动电桥；②采用恒流源电桥。为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置两个应变片，电桥也可采用四臂差动电桥，其输出电压为：

UO=U△R/R 所以，本设计所选用的是全桥形式的差动电桥，且为提高电桥灵敏度或进行温度补偿，每个桥臂都安置两个应变片。3.转换电路和信号放大电路

来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压）。一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称，运算放大器才具有理想特性。否则，放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。一般运算放大器共模抑制比可达80dB，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，共模抑制比可达100～120dB。

结合以上几点，采用了低漂移运算放大器构成的三运放高共模抑制比放大电路。具体的电路如图所示

本电路主要分为三个部分，第一就是调理调幅电路，二就是电桥转换电路，三就是增益放大电路，这里面还包括共模抑制电路。

4.电桥转换电路

电阻应变片的电阻R1,R2,R3,R4的电阻都为350欧。由这四个电阻组成一个全桥放大电路。

5.放大电路和共模补偿电路

它由三个集成运算放大器组成，其中N1，N2为两个性能一致（主要指输入阻抗，共模抑制比和增益）的同向输入通用集成运算放大器，构成平衡对称（或称同向并联型）差动放大输入级，N3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制N1，N2的共模信号，并适应接地负载的需要。

由输入级电路可写出流过R6，R7和R14都电流IR为

IR=(U02-Ui2)/R7=(Ui1-U01)/R6=(Ui2-Ui1)/R14

由此求得 U01 =（1＋R6/ R14）Ui1－R6 Ui2/ R14 U02 =（1＋R7/ R14）Ui2－R7Ui1/ R14

于是，输入级的输入电压，即运算放大器N2与N1输出之差为

U02－U01 =[1＋（R6＋R7）/ R14]（Ui2-Ui1）

其差模增益Kd为 Kd＝（U02－U01）/（Ui2-Ui1）＝1＋（R6＋R7）/ R14

它的原理是由运放U1，U2组成第一级差分式电路，U3组成第二级差分式电路。在第一级电路中，V1，V2分别加到U1和U2的同相端，R6,R7和R14组成的反馈网络，引入了深度的电压串联负反馈，两运放U1，U2的两输入端形成虚短和虚断,按照上面的分析，可以计算出： 差模增益Kd为

Kd1R6R7 R14R12 R10R12RR7(16)R10R14运算放大器U3的差模增益：Kd3电路的放大增益为：AKdKd3所以设计的放大电路的放大倍数为：ARR7R12(16)，试验中，这个实验可以调节R14,R15R10R14同时改变，达到调节增益的目的。而且放大增益很大，有很宽的调节范围。

6.电路调零调幅电路

如图所示，通过调节R5可以调节电桥的供电电压，并且可以在任何时候把电路调零，所以该电路称为调零调幅电路。电路图如下：

此电路灵敏度很大。五.总结与心得

电阻应变片粘贴技巧 篇3

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.

电阻应变式 篇4

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

电阻应变测试中横向效应误差分析 篇5

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) .

初中伏安法测电阻的常见变式 篇6

一、伏安法

例1 现有一个电源、一个电压表、一个滑动变阻器、一个开关和几根导线, 你如何测出一个电阻器R的阻值?

解析: (1) 按图1所示的电路图连接实验电路; (2) 闭合开关, 三次改变R′阻值, 分别读出电压表和电流表的示数; (3) 算出三次R的值, 求出平均值R.

二、电压表和定值电阻替代法

例2 有一个阻值已经看不清楚的电阻器R, 我们要测出它的阻值, 但手边只有一个电源、一个电压表、一个已知阻值的电阻R0和几根导线, 你如何测量?

解析: (1) 如图2所示, 将被测电阻R与已知电阻R0串联接入电路, 用电压表测电阻R两端的电压U1; (2) 用电压表测电阻R0两端的电压U2; (3) 利用串联电路电流相等的特点由undefined, 得undefined.

三、电流表和定值电阻替代法

例3 现有电源、电流表、开关、导线和一个已知阻值的定值电阻R0, 没有电压表, 你如何测出被测电阻R的阻值?

解析: (1) 如图3所示, 将被测电阻R与定值电阻R0并联接入电路, 用电流表接入电路, 用电流表测通过被测电阻的电流I1;

(2) 用电流表测通过定值电阻R0的电流I2;

(3) 利用并联电路电各支路电压相等的特点由I1R=I2R0得undefined.

四、电压表和滑动变阻器替代法

例4 给你以下器材:一个电源, 一个标有“20 Ω, 1 A”的滑动变阻器, 导线若干, 一个开关, 一只电压表, 一个待测电阻RX.

请你设计一个能测出RX电阻值的电路, 要求电压表连入电路后位置不可更动.

解析: (1) 如图4连接电路, 将滑片移到阻值为零的位置, 记下电压表示数U1;

(2) 将滑片移到阻值最大的位置, 记下电压表示数U2;

(3) 利用串联电路电流相等的特点由undefined, 得undefined.

五、电流表和滑动变阻器替代法

例5 现有电源、电流表、一个标有“20 Ω, 1 A”的滑动变阻器、导线及开关, 你如何测出被测电阻RX的阻值?

解析: (1) 如图5所示连接电路, 将滑片移到阻值为零的位置, 记下电流表示数I1;

(2) 将滑片移到阻值最大的位置, 记下电流表示数I2;

电阻应变式 篇7

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) .

[2]何小兵, 丁诚.JJG623-2005电阻应变仪检定规程[S].北京:中国计量出版社, 2005.

[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.