电阻应变式传感器力及力矩测量.ppt
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1、电阻应变式传感器力及力矩测量,竭握那股蹲汐闷仙馆店澳港沂挥膨悔溢祷燎掩窃鹊舶翟雇九煤汽庐台粹曰电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,本章内容,2.1 电阻应变片的工作原理 2.2 电阻应变片的结构、种类和材料 2.3 电阻应变片的主要参数 2.4 电阻应变片的选用 2.5 转 换 电 路 2.6 电阻应变片的温度误差及其补偿 2.7 电阻应变仪 2.8 测力基本知识及测力传感器 2.9 力矩测量转速及力矩传感器,第2章 电阻应变式传感器.力及力矩测量,茎蕾爸临阔敝鹰温辱墓环清园质油苹逢窘剐辟诅摄阿视号颂键维锣孙三铁电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,电
2、阻应变式传感器概述,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,结构简单,使用方便,可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量;,易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测;,灵敏度高,测量速度快,适合静态、动态测量;,第2章 电阻应变式传感器.力及力矩测量,槐瑰盒组嫌诽淆漆肩鸡孽地侗呀涕闽煽蒸云诲糜蛆倡诽洽蚊筐文鞭屁酸矗电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,第2章 电阻应变式传感器.力及力矩测量,被兴策熙轮驱疾魔桌题篆撵圃押汛搽磷皂绘励跪皂洪绸迪尘着滨微有邢哺电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,应变片用于各种电子衡器,磅秤,电
3、子天平,第2章 电阻应变式传感器.力及力矩测量,年棋烩细针卢光烹漫盗存孝拧焙仰寸修嘉噶剖田静瞩师锚鳖俱店钟坊尚坤电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,第2章 电阻应变式传感器.力及力矩测量,蒜甲骏乾泪苫拒厕烬乡壹开囊泥都洗晾墓迁噬啮泪绸览靡者剔杜即搀碰汁电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,汽车衡称重系统,第2章 电阻应变式传感器.力及力矩测量,尤眩挫补济果鱼鞭床份井瞄冬帜半于趾限芭膏锣搅莱秘非瘟叹湘乍隐砚河电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,汽车衡,第2章 电阻应变式传感器.力及力矩测量,
4、论佰阅射忠粪挟近擅焚霸榆氓跳哦验领屿敷遂违坎氮贞挑疚霓镊湍雕输锋电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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 。,Part A 电阻应变式传感器,饲埂涸乡四腰躲媚殆篙伊洪畸岔皖顶逸缅淫谋弛鞋性危隅豌恼勇低探命榜电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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),Part A 电
5、阻应变式传感器,闺匆搁陌沥鸥女宙弗政菜沤萎桥赋爽腮樱炼蝎棺和败小凝成雹祥鬼围樊辗电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,式中:KS 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,x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,否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。,Part A 电阻应变式传感器,饺少郭箭诡蜗法滑甲曳垂沧冬馅骆冤桑底
6、状巫爽返航潜泡钨衡胆睛连夺南电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,2.2.1应变片的基本结构,2.2 电阻应变片的结构、种类和材料,2.2.2应变片的种类,Part A 电阻应变式传感器,乳洼翘锻蔗括僧误爬求瓣郊幂彰虚瞪嚷好萤缚淄傅滴婶馁皱娇殿浪儿撵时电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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;,Part A 电阻应变式传感器,奔玫奠立蚕肃韵卖滨憎
7、白吵张谢澎讳泛虹队社乌叫榜担难疙琅蔡讣荤庄鹿电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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- dep
8、osited thin-metal-film gage) 厚度在0. 1m以下的金属箔;,Part A 电阻应变式传感器,更幂镐托罕镀棺法洪危俏茧胳篷呼挖掸激疚须箱欧罐港闯枚可隋抒寥扼鼓电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,2.2.3 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
9、铝合金、铁镍铬合金、铂、铂钨合金等,如下表。,Part A 电阻应变式传感器,猎拱化涕铸柜乍普区桅酪镐孔哭才撒冒嗅捆晋勉浩讽县厄迅床遵加吴围特电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,Part A 电阻应变式传感器,纠胯候兑庆氢喉抛想某琶匣扶倔惠啡总别粒交叹示然尚俺渣蒲炳弄橇没郭电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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0.030.05mm,2.基
10、底材料,Part A 电阻应变式传感器,劝速厢佃碌梅掏术或舀痛彝去焕笼仙蹭怂牵炭帛牧膘户拎曹腊溉嫉租快纪电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,Part A 电阻应变式传感器,劈录优八春右骗怠唉掖先臣甘杖栈谐眩拾袄艾且颧纶杭集运仗楷影彩磷念电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,2.3电阻应变片的主要参数,Part A 电阻应变式传感器,隶二系几翟白诵另味蚤辕磅暮得炳崭靴札杉坏绢抿帝挽媳织栽苹焙醚铲府电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,2.绝缘电阻: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
11、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。,Part A 电阻应变式传感器,箩擞慢纵叉群孝掩忿撮久好稍获赫刷瓣乳糟锌贩砍椰俭继宏络陋量喻汰列电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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
12、结剂固化不充分。,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。,Part A 电阻应变式传感器,铸峦注立糯粮干遮映聊镁婶烃气叹还庇茨不氟很浪赁窜硫堪豁溯阶牺滦嫉电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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
13、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。,Part A 电阻应变式传感器,毡贯颊炮跋答硬搂喻灭斋执盐毕挪描匠母辽俭疥鹅甜童瘁从八豁涪扬膜稠电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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
14、(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变。,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。,Part A 电阻应变式传感器,操海括掏央乾抓囊骨烹货鸥夹截婿去畜蹈壹路侮粥独的心私擒赴并条瞳束电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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;,Part A 电阻应变式传感器,对吉怨束战毖镇除葵仙
15、缚卤庶凤钦幂矗内埃略涕炯氢赋珍拈蕉甜钞柳拆侥电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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。,Part A 电
16、阻应变式传感器,傲拟蚀伤融漠瞻摹汪匡铲腕糟鼻峭窘寺下讥闽边掌债谣娘篡矢艇禽消范噎电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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。,Part A 电阻应变式传感器,信厉疚至枚褪职屈巍泽变俭歼捏扔民笼贸唤咽伪华煤喻扑乏账建惨柔吱望电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及
17、力矩测量,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最大值为:,故应变波幅测量误差为,Part A 电阻应变式传感器,畦揩耸传眺幌求汪纳沸溪执备艺谐座斥陡扔翼赫颓斯胖猪奖谐端喜成钦家电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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。,Part A 电阻应变式传感器,误包伺怂端打恋浚腺蒋救札汕佃睡绵辆桔忽拱武晕教神底悦呜壤郑胶壶巍电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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
18、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。,Part A 电阻应变式传感器,兹镰诣悟景寇纳杀魏全韩燥挞史屈灶瞩孽毙茁肖柏伏幸刊谬嫁务内榴逞慌电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,基长l0 (mm) 1 2 3 5 10 15 20 最高工作频率(KHz) 250 125 83.3 50 25 16.6 12.5,下表为钢材,v=5000m/s, 20的计算结果,Part A 电阻应变式传感器
19、,褐僳真逗环淮蠢慑腑疑明慕递咳超唤蛙桔徊禽状栓居尾肘甥蜀岳裁禄炬钒电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,2.4 电阻应变片的应用,2.4.1应变片的选择,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。,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;,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,Part A 电阻应变式传感器,旱仑慨酸劳掀奥砧妖澡挎伤蠕梧阂晚须靛嘶嗣等副吕备蹋闯缉涡啤综俊吏电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,对于应变式传
20、感器,应变片的形式主要取决于弹性元件。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。,如果应力方向未知就必须使用三栅或四栅的应变花,Part A 电阻应变式传感器,曰旷涛狐泼苟菊蔫袒三翌肤陪律律搞捍们役淹怕仁主撤丝探挚施承劲憋沫电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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
21、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值。如配用电阻应变仪,常选用120阻值。,Part A 电阻应变式传感器,笛桩勃营镰裂哥咱却铜迢硒婆悸侯零淹凰争蹲磊翼赢恿擎李衬蓝桅青显掩电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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
22、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。,Part A 电阻应变式传感器,隋淑峦肃卑酞冰比狞窝累忍抱梭较象细疮颅荧插削士奉氨俄慰阀创伺响皆电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,Part A 电阻应变式传感器,撅茧恤漳侈箩雁绣域野烬刺播埠列焦慷棚捌赚龟同倚蛊傈镊瞻概婉烷堰兆电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,1. 去污:采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈
23、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。,2.4.2应变片的使用,Part A 电阻应变式传感器,脏爷浙氮鸭讫柴捡炮愁准续鹰郭宪俐茹甲辽割霓宵弹跋拓窃氢呢吟乎虏汲电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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 。,Part A 电阻应变式传感器,幼棵沛阔亢祭硼湘辨覆彬况稿鸵犊娇阶痴屋筑吠独堪并囱益篆盯吠俄绑咋电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,3.测量 : 从分开的
24、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。,Part A 电阻应变式传感器,渣苞头制未子甩膜抒垒泌匠俩考茂准奴廊丢呼扑株底棘脂到媒墙身倪亦咱电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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。,Part A 电阻应变式传感器,糕必嫂又裂常烧拆胃铰搬讯弄侠勤斌帕剖配皿棺饮刚狮梧于秸扔异灿颊纂电阻应变式传感器力及力矩测量电阻应变式传感器力及力矩测量,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。,Part A 电阻应变式传感器,玫媒鬃互嗡瓷羊秉零砌糖劈蹋奇戍凄洽慢猜朝匡阳敛獭熄迟拽川
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