測(cè)試技術(shù)教學(xué)PPT力參量的測(cè)量調(diào)理電路).ppt

第四章 力參量的測(cè)量 （含信號(hào)的調(diào)理）,各種傳感器輸出的（電）信號(hào)在準(zhǔn)確讀取結(jié)果前會(huì)遇到傳輸、放大、濾波等問(wèn)題。 測(cè)量中常遇到以下問(wèn)題： 傳感器輸出的電量信號(hào)不易傳輸； 傳感器輸出的電量信號(hào)為緩變的微弱信號(hào)，無(wú)法直接推動(dòng)儀表指示； 傳感器輸出的信號(hào)含有大量的干擾和噪聲； 本章以動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀為例，結(jié)合力參量的測(cè)試介紹以上問(wèn)題的解決方法。,（電橋）,（放大、調(diào)制、解調(diào)）,（濾波）,力是物體之間的相互作用，各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)都是力或力矩傳遞的結(jié)果，因此力參量是機(jī)械工程中最常見(jiàn)的基礎(chǔ)被測(cè)參量之一。 在研究機(jī)器零件的剛度、強(qiáng)度、設(shè)備的力能關(guān)系以及工藝參數(shù)時(shí)都要進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的測(cè)量。 力參量測(cè)量方法 機(jī)械測(cè)力法 光學(xué)測(cè)力法 電測(cè)法,電阻應(yīng)變式電測(cè)法，其測(cè)量系統(tǒng)主要由電阻應(yīng)變式力傳感器、測(cè)量電路、顯示與記錄儀器或計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成。,4-1 電阻應(yīng)變式力傳感器（p38）,電阻應(yīng)變式力傳感器具有悠久的歷史，是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。 應(yīng)變式電測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)： 非線性小，電阻的變化同應(yīng)變成線性關(guān)系； 應(yīng)變片尺寸?。ㄎ覈?guó)的應(yīng)變片柵長(zhǎng)最小達(dá)0.178mm），重量輕（一般為0.10.2g），慣性小，頻率響應(yīng)好，可測(cè)0500khz的動(dòng)態(tài)應(yīng)變； 測(cè)量范圍廣，一般測(cè)量范圍為1010-4量級(jí)的微應(yīng)變； 測(cè)量精度高，動(dòng)態(tài)測(cè)試精度達(dá)1%，靜態(tài)測(cè)試精度可達(dá)0.1%； 可在各種復(fù)雜或惡劣的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量。,基本元件電阻應(yīng)變片可分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類，是一種將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化的變換元件。 應(yīng)變片不僅能測(cè)應(yīng)變，而且對(duì)能轉(zhuǎn)化為應(yīng)變變化的物理量，如力、扭矩、壓強(qiáng)、位移、溫度、加速度等，都可利用應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，所以它在測(cè)試中應(yīng)用非常廣泛。,設(shè)有一根長(zhǎng)度為l、截面積為s、電阻率為的金屬絲，其電阻r為 兩邊取對(duì)數(shù)，得 等式兩邊取微分，,一、導(dǎo)電材料的電阻效應(yīng) 當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。,l,l,dr/r 電阻的相對(duì)變化； d/電阻率的相對(duì)變化； dl/l 金屬絲長(zhǎng)度相對(duì)變化，用表示，= dl/l ,稱為金屬絲長(zhǎng)度方向上的應(yīng)變或軸向應(yīng)變； ds/s 截面積的相對(duì)變化。,s= r 2,ds /s=2dr/r,dr/r為金屬絲半徑的相對(duì)變化，即徑向應(yīng)變?yōu)閞。,r= ,由材料力學(xué)知：,將微分dr、d改寫(xiě)成增量r、，則,金屬絲電阻的相對(duì)變化與金屬絲的伸長(zhǎng)或縮短之間存在比例關(guān)系。比例系數(shù)ks稱為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)。,變形,變性,物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變引起的電阻相對(duì)變化。 ks由兩部分組成： 前一部分是（1+2），由材料的幾何尺寸變化引起，一般金屬0.3，因此（1+2）1.6； 后一部分為 ，電阻率隨應(yīng)變而引起的（稱“壓阻效應(yīng)”）。 對(duì)金屬材料，以前者為主，則ks 1+2； 對(duì)半導(dǎo)體， ks值主要由電阻率相對(duì)變化所決定。 實(shí)驗(yàn)表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比。通常ks在1.83.6范圍內(nèi)。,二、金屬電阻應(yīng)變片 金屬應(yīng)變片式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。金屬應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小。,1、絲式應(yīng)變片 由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。,2,3,4,1,b,l,柵長(zhǎng),柵寬,電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖,（1） 敏感柵 由金屬細(xì)絲繞成柵形，直徑：（0.0150.05）mm 應(yīng)變片的阻值：60、120、200等多種規(guī) 格，以120最為常用。（允許有一定的誤差，但不能太大，否則影響平衡） 標(biāo)距=柵寬柵長(zhǎng)=bl 較大的應(yīng)變片：5100（200）mm 較小的應(yīng)變片：11（2）mm等。 結(jié)構(gòu)：回線式（a）和短接式（b）,一般至少用兩個(gè)，一個(gè)做測(cè)量，一個(gè)做溫度補(bǔ)償， 或用四個(gè)，兩個(gè)做測(cè)量，兩個(gè)做溫度補(bǔ)償。,（2） 基底和蓋片 基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏感柵?；椎娜L(zhǎng)稱為基底長(zhǎng)，其寬度稱為基底寬?；撞牧希耗z基和紙基,（3） 引線 是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線，直徑（0.150.2）mm。對(duì)引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。,（4） 粘結(jié)劑 用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵。 常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂，聚酰亞胺等。無(wú)機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。,2、箔式應(yīng)變片 金屬箔式應(yīng)變片則是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。金屬箔柵系用光刻技術(shù)制造，適于大批量生產(chǎn)。其線條均勻，尺寸準(zhǔn)確，阻值一致性好。箔片厚約110m，散熱好，粘結(jié)情況好， 傳遞試件應(yīng)變性能好。 因此目前使用的多系金屬箔式應(yīng)變片。,三、半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片最簡(jiǎn)單的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用方法與金屬電阻應(yīng)變片相同，即粘貼在彈性元件或被測(cè)物體上，其電阻值隨被測(cè)試件的應(yīng) 變而變化。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于 半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。,所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高； 缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差，非線性嚴(yán)重。 做一批應(yīng)變片，各不相同； 同一批應(yīng)變片在不同條件下，變化很大。,四、應(yīng)變片的靈敏度系數(shù) k：金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)指應(yīng)變片安裝于試件表面，在其軸向方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。 ks: 金屬絲的靈敏度系數(shù)金屬單絲的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之比。 當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻應(yīng)變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性重新測(cè)定。,實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變?cè)诤軐挼姆秶鷥?nèi)均為線性關(guān)系。 即： k為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。注意，k是在試件受一維應(yīng)力作用，應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時(shí)測(cè)得的。,測(cè)量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k恒小于線材的靈敏系數(shù)ks。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的因素。,思考：k與ks大小的關(guān)系？,金屬應(yīng)變片,除了測(cè)定試件應(yīng)力、應(yīng)變外，還制造成多種應(yīng)變式傳感器用來(lái)測(cè)定力、扭矩、加速度、壓力等其它物理量。 應(yīng)變式傳感器包括兩個(gè)部分：一是彈性敏感元件，利用它將被測(cè)物理量（如力、扭矩、加速度、壓力等）轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；另一個(gè)是應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。,柱式力傳感器 梁式力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式加速度傳感器,應(yīng)變式傳感器應(yīng)用,1、柱式力傳感器 圓柱式力傳感器的彈性元件分為實(shí)心和空心兩種。,在軸向布置一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號(hào)相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成了差動(dòng)對(duì)。由于應(yīng)變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補(bǔ)償，在與軸線任意夾角的方向，,（四） 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用,1沿軸向的應(yīng)變；彈性元件的泊松比。,當(dāng)=0時(shí),當(dāng)=90時(shí),e：彈性元件的楊氏模量,其應(yīng)變?yōu)?：,s：彈性元件的截面積,柱式力傳感器（壓力測(cè)量）,2、梁式力傳感器 等強(qiáng)度梁彈性元件是一種特殊形式的懸臂梁。梁的固定端寬度為b0，自由端寬度為b，梁長(zhǎng)為l，粱厚為h。,l,r1,r3,r2,r4,x,f,h,b,等強(qiáng)度梁彈性元件,b0,r4,力f作用于梁端三角形頂點(diǎn)上，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應(yīng)力相等，故在對(duì)l方向上粘貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。,接橋 ：全橋 輸出 ： 應(yīng)用 ：臺(tái)秤 (電子秤),u g,4-2 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀,電阻應(yīng)變片的電阻變化很小，進(jìn)行傳輸和記錄都存在許多不便之處，因此需要對(duì)應(yīng)變片的輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換調(diào)理，用于完成這一任務(wù)的儀器稱應(yīng)變儀。 分類： 按被測(cè)應(yīng)變的變化頻率及相應(yīng)的電阻應(yīng)變儀的工作頻率范圍可分為： 靜態(tài)應(yīng)變儀：應(yīng)變信號(hào)變化十分緩慢或變化一次后相對(duì)穩(wěn)定 ； 動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀:測(cè)量的工作頻率可達(dá)02000hz,個(gè)別可達(dá)10khz； 超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀:工作頻率高于10khz的應(yīng)變儀稱超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀 。 按放大器工作原理可分為直流放大和交流放大兩類。,動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的工作原理 測(cè)量物體在應(yīng)力作用下發(fā)生變化的儀器。應(yīng)變儀廣泛應(yīng)用于材料的力學(xué)性能檢測(cè)中，例如測(cè)定材料拉伸模量，就是用所加負(fù)荷和同時(shí)由貼在試件表面的應(yīng)變片測(cè)出的應(yīng)變值經(jīng)計(jì)算而得。,單模塊通道數(shù)：8個(gè)模擬輸入通道 最大采樣率：640ks/s/機(jī)箱 采樣模式：多通道同步采樣 adc分辨率：24位 adc類型：（帶模擬預(yù)濾波） 支持應(yīng)變式傳感器電阻值：120 支持惠斯通電橋類型：1/4 橋 精度增益誤差：0.02% 全量程范圍：29.4mv/v（+62500/-55500） 端子間過(guò)壓保護(hù)：30v 穩(wěn)定性：增益漂移6ppm/ 數(shù)字濾波器：用戶自定義低通濾波 機(jī)箱接口類型：usb2.0高速輸入 供電電源：11到30vdc，220vac 工作溫度：-4070，工作濕度：10%90% rh，無(wú)凝結(jié),廣州章和電氣機(jī)箱式應(yīng)力信號(hào)采集儀,4-2-1 測(cè)量電橋 電橋是將電阻r、電感l(wèi)、電容c 等電參數(shù)變?yōu)殡妷簎 或電流i信號(hào)后輸出的一種測(cè)量電路。 按激勵(lì)電壓分:供橋電源電壓是直流電壓時(shí)，稱直流電橋；供橋電源電壓為交流電壓時(shí)，稱交流電橋。 一、直流電橋 (惠斯登電橋),r1，r2，r3，r4應(yīng)變片或固定電阻 ac 供橋電壓端 bd 輸出端(u0) （一般視為開(kāi)路） rg負(fù)載電阻,（一）直流電橋的平衡條件,由上式可見(jiàn)：若r1r3=r2r4，則輸出電壓必為零，此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，稱為平衡電橋。 直流電橋的平衡條件為：r1r3=r2r4 r1/r2=r4 /r3 （對(duì)臂電阻的乘積相等，或鄰臂電阻的比值相等）,ui,（二）、電橋的輸出 1、半橋單臂 以橋臂電阻r1作為工作臂，如圖4-1。 設(shè)r2=r3=r4=r，r1=r+r，其中r為一常數(shù)，則輸出電壓,+r,等臂電橋：r1=r2=r3=r4=r,若r2有微小增量r，則輸出為？,ui,2、半橋雙臂 兩個(gè)鄰邊橋臂有相同的微電阻變化，如電阻r1有變化r+r，r2有變化r-r，可導(dǎo)出公式： 3、全橋 四個(gè)橋臂均有相同的微電阻變化，且電阻變化以差動(dòng)方式增大或減小，滿足以下關(guān)系： r1=r2=r3=r4=r r1=r2=r3=r4=r 其輸出電壓為,全等臂電橋的輸出,若橋臂r1、r2、r3、r4，分別有電阻增量r1、r2、r3、r4,若電橋初始是平衡的，即r1r3=r2r4，略去r/r的平方項(xiàng)，則:,當(dāng)采用相同的應(yīng)變片，靈敏度系數(shù)均為k(r/r=k),則上式可寫(xiě)成：,若采用等臂電橋，即r1r2r3r4r,則上式可寫(xiě)成：,討論:電橋的和差特性,當(dāng)電橋初始是平衡的，即r1r3=r2r4，略去r/r的平方項(xiàng)，則,若采用等臂電橋，即r1r2r3r4r,則上式可寫(xiě)成：,可見(jiàn) ，兩對(duì)臂電阻的變化對(duì)整個(gè)電橋輸出電壓的影響，是“求和”關(guān)系。兩鄰臂電阻的變化對(duì)整個(gè)電橋輸出電壓的影響，是“求差”關(guān)系。這就是電橋的和差特性。,鄰臂相減，對(duì)臂相加。,ui,+ - - +,電橋的和差特性可具體的描述為： 1)相減特性：相鄰兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大小相等、符號(hào)一致時(shí)，或者相對(duì)兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大小相等、符號(hào)相反時(shí)，對(duì)橋路的輸出電壓沒(méi)影響。 2)相加特性：相鄰兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大小相等、符號(hào)相反時(shí)，或者相對(duì)兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大小相等、符號(hào)相同時(shí)，橋路的輸出電壓是半橋單臂的二倍，電橋的靈敏度是半橋單臂的二倍。 3)倍增特性：相鄰兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大小相等、符號(hào)相反時(shí)，同時(shí)相對(duì)兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大小相等、符號(hào)相同時(shí)，橋路的輸出電壓是半橋單臂的四倍，電橋的靈敏度是半橋單臂的四倍。,電橋的和差特性在實(shí)際應(yīng)用中例子：,接入電橋的相鄰兩臂，可以提高靈敏度，抑制溫度漂移。,題解： （1）貼片：如圖 (r1：f r2：-f) （2）接橋:鄰臂 （3）輸出：,r1,r2,ui,根據(jù)測(cè)量電橋的特性，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)需注意： 1)全橋四臂或半橋雙臂上應(yīng)變片的初始阻值應(yīng)相等，靈敏系數(shù)應(yīng)一致。 2)應(yīng)變儀的靈敏系數(shù)與應(yīng)變片的靈敏系數(shù)保持一致(通過(guò)調(diào)節(jié)應(yīng)變儀上的靈敏系數(shù)旋紐來(lái)保證)。 3)測(cè)量橋路所有應(yīng)變片的引線長(zhǎng)度應(yīng)相等，引線直徑應(yīng)相同。 4)測(cè)量中，應(yīng)設(shè)法采用電橋相鄰臂兩應(yīng)變片有差動(dòng)變化的接橋方案，這時(shí)靈敏度高、線性好，且具有溫度補(bǔ)償作用。 同理，當(dāng)四臂工作時(shí)，四臂間有差動(dòng)變化時(shí)電橋線性好且靈敏度高。,二、交流電橋 交流電橋的平衡條件 交流電橋采用交流電壓供電，四個(gè)橋臂可以是電感l(wèi)、電容c或者電阻r，均用阻抗符號(hào)z表示。 根據(jù)對(duì)直流電橋的討論可以寫(xiě)出,當(dāng)z1z3-z2z4=0 時(shí)，達(dá)到平衡，這時(shí)有z1z3=z2z4 ；z是復(fù)數(shù)，可以寫(xiě)成 z=|z|ej 交流電橋的平衡條件： |z1|z3|e j（1+3）=|z2|z4|e j（2+4） 可以表示為 |z1|z3|=|z2|z4| 幅值平衡條件 1+3 = 2 +4 相位平衡條件 電橋平衡,2、討論： （1）若電橋中有一對(duì)相鄰橋臂為電阻，根據(jù)平衡條件，其余二橋臂一定為同類的阻抗，同是容抗或者同是感抗。 （2）若電橋中有二對(duì)邊橋臂為電阻，根據(jù)平衡條件，其余二橋臂一定具有異類的阻抗，如果這邊是容抗，其對(duì)邊應(yīng)為感抗。 （3）如果四個(gè)橋臂均為電阻時(shí)，1=3 = 2 =4=0，如果忽略其它因素影響，交流電橋的平衡條件與直流電橋是完全一樣的。,交流電橋與直流電橋的異同,它們的電路結(jié)構(gòu)形式相同。 兩者都具有和差特性。 交流電橋供橋電源為高頻交流電源，而直流電橋?yàn)橹绷髟础?交流電橋的橋臂可以是純電阻 ，但 也可以是含有電容、電感的交流阻抗；而直流電橋的橋臂是純電阻。,4-1-2 調(diào)制與解調(diào),被測(cè)物理量，如溫度、位移、力等參數(shù)，經(jīng)過(guò)傳感器變換以后，多為低頻緩變的微弱信號(hào)，無(wú)法直接推動(dòng)表頭輸出，故需要放大信號(hào)； 低頻緩變信號(hào)及直流信號(hào)使用直流放大器，但其利用直接耦合的方法，存在嚴(yán)重的漂移問(wèn)題。 當(dāng)采用交流放大時(shí)，需要先把直流及緩變信號(hào)變?yōu)榻涣餍盘?hào)，即予以調(diào)制；,常用術(shù)語(yǔ) 調(diào)制：用低頻緩變信號(hào)控制或改變高頻振蕩信號(hào)的某個(gè)參數(shù)(幅值、相位或頻率)的過(guò)程。 調(diào)制波控制或改變高頻振蕩信號(hào)的低頻緩變信號(hào)稱之為調(diào)制波。 載波載送低頻緩變信號(hào)的高頻振蕩波稱為載波。 已調(diào)波 經(jīng)過(guò)調(diào)制的高頻振蕩波即為已調(diào)波。 解調(diào)則是對(duì)已調(diào)波進(jìn)行處理，以恢復(fù)原低頻緩變信號(hào)的大小和極性。,根據(jù)載波受調(diào)制的參數(shù)的 不同，調(diào)制可分為調(diào)幅(am)、 調(diào)頻(fm)和調(diào)相(pm)。使載 波的幅值、頻率或相位隨調(diào)制 信號(hào)而變化的過(guò)程分別稱為調(diào) 幅、調(diào)頻或調(diào)相。它們的已調(diào) 波也就分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻 波或調(diào)相波。圖表示了載波、 調(diào)制波、調(diào)幅波和調(diào)頻波。,調(diào)幅及其解調(diào),定義：調(diào)幅是將一個(gè)高頻振蕩信號(hào)(載波)與測(cè)試信號(hào)(調(diào)制信號(hào))相乘，使高頻信號(hào)的幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化。,電橋調(diào)幅,電橋輸出為：ux=a x(t) u(t) 式中a是與組橋方式有關(guān)的系數(shù)。半橋雙臂時(shí) a=1/4；半橋雙臂時(shí)a=1/2；全橋時(shí)a=1。 x(t)隨時(shí)間而變化的被測(cè)量， 【x(t)=r/r)】。當(dāng)被測(cè)量變化引起應(yīng)變的變化時(shí)，即引起電阻的相對(duì)變化。 u(t)供橋電源電壓，它相當(dāng)于載波。 假設(shè)供橋電源為一正弦交流電壓 u(t)=usint 則：ux(t)=a x(t)usint,假如調(diào)制信號(hào)x(t)也是一個(gè)正弦變化量， (t)=0sin0t，則 ux(t)=ax0usin0tsint,調(diào)幅波的特點(diǎn)： 1)當(dāng)x(t)0時(shí)，ux(t)與u(t)極性相同。即調(diào)幅波與載波同頗同相；而調(diào)幅波幅值的大小與x(t)的大小有關(guān)。 2)當(dāng)x(t)0時(shí)，ux(t)與u(t)極性相反。即調(diào)幅波與載波同頻反相；而據(jù)幅波幅值的大小仍與x(t)的大小有關(guān)。 3)調(diào)幅波是一高頻信號(hào)、但其包絡(luò)線和調(diào)制信號(hào)相似、其幅值受x(t)變化的影響。載波的頻率越高。即波形越密，則近似程度越好。,調(diào)幅電路相當(dāng)于乘法器,整流檢波解調(diào) 若把調(diào)制信號(hào)進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量a，使偏置后的信號(hào)都具有正電壓，那么調(diào)幅波的包絡(luò)線將具有原調(diào)制信號(hào)的形狀。把該調(diào)幅波xm(t)簡(jiǎn)單地整流(半波或全波整流)、濾波就可以恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。如果原調(diào)制信號(hào)中有直流分量，則在整流以后應(yīng)準(zhǔn)確地減去所加的偏置電壓。,若所加的偏置電壓未能使信號(hào)電壓都在零線的一側(cè)，則對(duì)調(diào)幅波只是簡(jiǎn)單地整流就不能恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。相敏檢波技術(shù)就是為了解決這一問(wèn)題。,相敏檢波解調(diào) 相敏檢波解調(diào)方法能夠使已調(diào)幅的信號(hào)在幅值和極性上完整地恢復(fù)成原調(diào)制信號(hào)。 與整流檢波的區(qū)別：不需要加直流偏置。 半波相敏檢波和全波相敏檢波 為了使相敏檢波器正常工作，其參考電壓yt與測(cè)量信號(hào)電壓xm應(yīng)滿足下列三個(gè)條件: 頻率條件：頻率必須嚴(yán)格相同； 幅值條件： y(t) xm(t)，至少五倍以上，也就是說(shuō)二極管的導(dǎo)通與截止由參考電壓y(t)決定； 相位條件：最好是同相或反相。這一點(diǎn)若不能遵守，相敏檢波器仍能工作，但將導(dǎo)致靈敏度下降。,全相敏檢波電路原理圖,vd1,vd2,vd3,vd4:特性相同的二極管 t1,t2:變壓器;e,f為其中間抽頭,由上面分析可看出，當(dāng)xm和y同相時(shí)（都不為零)，相敏檢波器的輸出電壓uf0；當(dāng)xm和y反相時(shí)（都不為零)，相敏檢波器的輸出電壓uf0。相敏檢波器的輸出電壓波形為：,y(t),xm(t),uf(t),4-2-3 濾波器,濾波器是一種選頻裝置，可使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其它頻率成分。在測(cè)試中利用濾波器的這種選頻作用，可濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。 動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀中通過(guò)相敏檢波電路后，需要進(jìn)行濾波才能還原原信號(hào)的頻率。,根據(jù)濾波器的選頻作用，一般分為低通、高通、帶通、帶阻濾波器。 低通濾波器 低通濾波器從0一f2頻率之間為其通頻帶，幅頻特性平直。它可以使信號(hào)中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過(guò)，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。,低通,一階rc低通濾波器原理 rc低通濾波器的典型電路及其幅頻、相頻特性如圖所示。設(shè)濾波器的輸入信號(hào)電壓ux，輸出信號(hào)電壓為uy，電路的微分方程式為 令rc，稱時(shí)間常數(shù)。對(duì)上 式進(jìn)行拉氏變換，可得傳遞函數(shù) 這是一個(gè)典型的一階系統(tǒng)。,動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀可作為電橋調(diào)幅與相敏檢波的典型實(shí)例。電橋由振蕩器供給等幅高頻振蕩電壓(一般頻率為10khz或15khz)。被測(cè)量(應(yīng)變)通過(guò)電阻應(yīng)變片調(diào)制電橋輸出。電橋輸出為調(diào)幅波，經(jīng)過(guò)放大，最后經(jīng)相敏檢波與低通濾波取出所測(cè)信號(hào)。,零部件的受力情況復(fù)雜； 正確的貼片和接橋準(zhǔn)確的測(cè)力； 電橋輸出： 為應(yīng)變儀的輸出， 為儀器比例系數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)可使,4-3 典型力參量測(cè)試的貼片和接橋方法,一、拉彎聯(lián)合作用下彎矩或拉力的測(cè)量,桿件受拉力p和彎矩m聯(lián)合作用，在彈性范圍內(nèi)工作， p、m的聯(lián)合作用可看成是p、m單獨(dú)作用的疊加。 桿件在p、m單獨(dú)作用下其上下表面的應(yīng)變?yōu)椋?a 桿件的截面積； w 桿件的抗彎截面系數(shù) e 被測(cè)件材料的彈性模量,應(yīng)變分析：根據(jù)疊加原理，桿件在p、m聯(lián)合作用下，其上表面和下表面的應(yīng)變?yōu)椋?1、彎矩m的測(cè)量,測(cè)彎矩的貼片與接橋如圖所示，r1=r2=r，電阻增量r0：,相對(duì)電阻的增量為：,儀器的應(yīng)變讀數(shù)為：,具有溫度補(bǔ)償功能,2、拉力p的測(cè)量,溫度補(bǔ)償需在補(bǔ)償板上另貼兩片月r2、r2”串聯(lián)組成補(bǔ)償橋臂,二、切力的測(cè)量 如圖66所示，桿件受q、m、p的聯(lián)合作用，要測(cè)切力q、必須消除m、p的影響。分析貼片和接橋方法。,接橋方法,其電阻計(jì)算增量為： 式中 q1、q2桿件在貼片處由q力所引起的應(yīng)變。 儀器的讀數(shù)為： 可見(jiàn)，只要按圖66所示的方法貼片與接橋，儀器讀數(shù)就僅與切力q有關(guān)，而與m、p無(wú)關(guān)。應(yīng)變儀的讀數(shù)值就是切力q在兩截面處引起的應(yīng)變值的差值，切力與儀器讀數(shù)的關(guān)系為,圓柱式力傳感器的彈性元件分為實(shí)心和空心兩種。,在軸向布置一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號(hào)相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成了差動(dòng)對(duì)。由于應(yīng)變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補(bǔ)償，在與軸線任意夾角的方向，,三、其他測(cè)量實(shí)例,1 、 應(yīng)變式力傳感器,1沿軸向的應(yīng)變；彈性元件的泊松比。,當(dāng)=0時(shí),當(dāng)=90時(shí),e：彈性元件的楊氏模量,其應(yīng)變?yōu)?：,s：彈性元件的截面積,2、 梁式力傳感器,等截面梁,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，靈敏度高 適合于測(cè)5000n以下的載荷, 等截面懸臂梁, 等強(qiáng)度懸臂梁,3、薄壁圓環(huán)式力傳感器,在外力作用下，各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大,因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素： 應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)； 電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。,t t t， r r rt,g：電阻絲材料的線長(zhǎng)系數(shù) m：試件材料的線長(zhǎng)系數(shù),:電阻絲的溫度系數(shù),四、力測(cè)量中溫度的影響及溫度補(bǔ)償,1、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化t 時(shí)，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為，則引起的電阻相對(duì)變化為 2、試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化t時(shí)，因