測試技術教學PPT力參量的測量調理電路).ppt

第四章 力參量的測量 （含信號的調理）,各種傳感器輸出的（電）信號在準確讀取結果前會遇到傳輸、放大、濾波等問題。 測量中常遇到以下問題： 傳感器輸出的電量信號不易傳輸； 傳感器輸出的電量信號為緩變的微弱信號，無法直接推動儀表指示； 傳感器輸出的信號含有大量的干擾和噪聲； 本章以動態(tài)電阻應變儀為例，結合力參量的測試介紹以上問題的解決方法。,（電橋）,（放大、調制、解調）,（濾波）,力是物體之間的相互作用，各種機械運動都是力或力矩傳遞的結果，因此力參量是機械工程中最常見的基礎被測參量之一。 在研究機器零件的剛度、強度、設備的力能關系以及工藝參數時都要進行應力應變的測量。 力參量測量方法 機械測力法 光學測力法 電測法,電阻應變式電測法，其測量系統(tǒng)主要由電阻應變式力傳感器、測量電路、顯示與記錄儀器或計算機等設備組成。,4-1 電阻應變式力傳感器（p38）,電阻應變式力傳感器具有悠久的歷史，是應用最廣泛的傳感器之一。 應變式電測技術的優(yōu)點： 非線性小，電阻的變化同應變成線性關系； 應變片尺寸?。ㄎ覈膽兤瑬砰L最小達0.178mm），重量輕（一般為0.10.2g），慣性小，頻率響應好，可測0500khz的動態(tài)應變； 測量范圍廣，一般測量范圍為1010-4量級的微應變； 測量精度高，動態(tài)測試精度達1%，靜態(tài)測試精度可達0.1%； 可在各種復雜或惡劣的環(huán)境中進行測量。,基本元件電阻應變片可分為金屬電阻應變片和半導體應變片兩類，是一種將應變轉換成電阻變化的變換元件。 應變片不僅能測應變，而且對能轉化為應變變化的物理量，如力、扭矩、壓強、位移、溫度、加速度等，都可利用應變片進行測量，所以它在測試中應用非常廣泛。,設有一根長度為l、截面積為s、電阻率為的金屬絲，其電阻r為 兩邊取對數，得 等式兩邊取微分，,一、導電材料的電阻效應 當金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化，這種現象稱為金屬的電阻應變效應。,l,l,dr/r 電阻的相對變化； d/電阻率的相對變化； dl/l 金屬絲長度相對變化，用表示，= dl/l ,稱為金屬絲長度方向上的應變或軸向應變； ds/s 截面積的相對變化。,s= r 2,ds /s=2dr/r,dr/r為金屬絲半徑的相對變化，即徑向應變?yōu)閞。,r= ,由材料力學知：,將微分dr、d改寫成增量r、，則,金屬絲電阻的相對變化與金屬絲的伸長或縮短之間存在比例關系。比例系數ks稱為金屬絲的應變靈敏系數。,變形,變性,物理意義：單位應變引起的電阻相對變化。 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 ，電阻率隨應變而引起的（稱“壓阻效應”）。 對金屬材料，以前者為主，則ks 1+2； 對半導體， ks值主要由電阻率相對變化所決定。 實驗表明，在金屬絲拉伸比例極限內，電阻相對變化與軸向應變成正比。通常ks在1.83.6范圍內。,二、金屬電阻應變片 金屬應變片式傳感器的核心元件是金屬應變片，它可將試件上的應變變化轉換成電阻變化。金屬應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉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變敏感元件構成。當被測物理量作用在彈性元件上，彈性元件的變形引起應變敏感元件的阻值變化，通過轉換電路轉變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。,1、絲式應變片 由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應變片的性能。因此，應根據使用條件和要求合理地加以選擇。,2,3,4,1,b,l,柵長,柵寬,電阻應變片結構示意圖,（1） 敏感柵 由金屬細絲繞成柵形，直徑：（0.0150.05）mm 應變片的阻值：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） 標距=柵寬柵長=bl 較大的應變片：5100（200）mm 較小的應變片：11（2）mm等。 結構：回線式（a）和短接式（b）,一般至少用兩個，一個做測量，一個做溫度補償， 或用四個，兩個做測量，兩個做溫度補償。,（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位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵?；椎娜L稱為基底長，其寬度稱為基底寬。基底材料：膠基和紙基,（3） 引線 是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線，直徑（0.150.2）mm。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數敏感柵材料都可制作引線。,（4） 粘結劑 用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應變片時，也需用粘結劑將應變片基底粘貼在構件表面某個方向和位置上。以便將構件受力后的表面應變傳遞給應變計的基底和敏感柵。 常用的粘結劑分為有機和無機兩大類。有機粘結劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。,2、箔式應變片 金屬箔式應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制造，適于大批量生產。其線條均勻，尺寸準確，阻值一致性好。箔片厚約110m，散熱好，粘結情況好， 傳遞試件應變性能好。 因此目前使用的多系金屬箔式應變片。,三、半導體應變片 半導體應變片最簡單的典型結構如圖所示。 半導體應變片的使用方法與金屬電阻應變片相同，即粘貼在彈性元件或被測物體上，其電阻值隨被測試件的應 變而變化。 半導體應變片的工作原理是基于 半導體材料的壓阻效應。,所謂壓阻效應是指單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現象。 優(yōu)點：靈敏度高； 缺點：穩(wěn)定性差，非線性嚴重。 做一批應變片，各不相同； 同一批應變片在不同條件下，變化很大。,四、應變片的靈敏度系數 k：金屬應變片的靈敏度系數指應變片安裝于試件表面，在其軸向方向的單向應力作用下，應變片的阻值相對變化與試件表面上安裝應變片區(qū)域的軸向應變之比。 ks: 金屬絲的靈敏度系數金屬單絲的電阻相對變化與它所感受的應變之比。 當金屬絲做成應變片后，其電阻應變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實驗方法對應變片的電阻應變特性重新測定。,實驗表明，金屬應變片的電阻相對變化與應變在很寬的范圍內均為線性關系。 即： k為金屬應變片的靈敏系數。注意，k是在試件受一維應力作用，應變片的軸向與主應力方向一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時測得的。,測量結果表明，應變片的靈敏系數k恒小于線材的靈敏系數ks。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應也是一個不可忽視的因素。,思考：k與ks大小的關系？,金屬應變片,除了測定試件應力、應變外，還制造成多種應變式傳感器用來測定力、扭矩、加速度、壓力等其它物理量。 應變式傳感器包括兩個部分：一是彈性敏感元件，利用它將被測物理量（如力、扭矩、加速度、壓力等）轉換為彈性體的應變值；另一個是應變片作為轉換元件將應變轉換為電阻的變化。,柱式力傳感器 梁式力傳感器 應變式壓力傳感器 應變式加速度傳感器,應變式傳感器應用,1、柱式力傳感器 圓柱式力傳感器的彈性元件分為實心和空心兩種。,在軸向布置一個或幾個應變片，在圓周方向布置同樣數目的應變片，后者取符號相反的橫向應變，從而構成了差動對。由于應變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補償，在與軸線任意夾角的方向，,（四） 應變式傳感器應用,1沿軸向的應變；彈性元件的泊松比。,當=0時,當=90時,e：彈性元件的楊氏模量,其應變?yōu)?：,s：彈性元件的截面積,柱式力傳感器（壓力測量）,2、梁式力傳感器 等強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，梁長為l，粱厚為h。,l,r1,r3,r2,r4,x,f,h,b,等強度梁彈性元件,b0,r4,力f作用于梁端三角形頂點上，梁內各斷面產生的應力相等，故在對l方向上粘貼應變片位置要求不嚴。,接橋 ：全橋 輸出 ： 應用 ：臺秤 (電子秤),u g,4-2 動態(tài)電阻應變儀,電阻應變片的電阻變化很小，進行傳輸和記錄都存在許多不便之處，因此需要對應變片的輸出信號進行轉換調理，用于完成這一任務的儀器稱應變儀。 分類： 按被測應變的變化頻率及相應的電阻應變儀的工作頻率范圍可分為： 靜態(tài)應變儀：應變信號變化十分緩慢或變化一次后相對穩(wěn)定 ； 動態(tài)應變儀:測量的工作頻率可達02000hz,個別可達10khz； 超動態(tài)應變儀:工作頻率高于10khz的應變儀稱超動態(tài)應變儀 。 按放大器工作原理可分為直流放大和交流放大兩類。,動態(tài)電阻應變儀的工作原理 測量物體在應力作用下發(fā)生變化的儀器。應變儀廣泛應用于材料的力學性能檢測中，例如測定材料拉伸模量，就是用所加負荷和同時由貼在試件表面的應變片測出的應變值經計算而得。,單模塊通道數：8個模擬輸入通道 最大采樣率：640ks/s/機箱 采樣模式：多通道同步采樣 adc分辨率：24位 adc類型：（帶模擬預濾波） 支持應變式傳感器電阻值：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） 端子間過壓保護：30v 穩(wěn)定性：增益漂移6ppm/ 數字濾波器：用戶自定義低通濾波 機箱接口類型：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，無凝結,廣州章和電氣機箱式應力信號采集儀,4-2-1 測量電橋 電橋是將電阻r、電感l(wèi)、電容c 等電參數變?yōu)殡妷簎 或電流i信號后輸出的一種測量電路。 按激勵電壓分:供橋電源電壓是直流電壓時，稱直流電橋；供橋電源電壓為交流電壓時，稱交流電橋。 一、直流電橋 (惠斯登電橋),r1，r2，r3，r4應變片或固定電阻 ac 供橋電壓端 bd 輸出端(u0) （一般視為開路） rg負載電阻,（一）直流電橋的平衡條件,由上式可見：若r1r3=r2r4，則輸出電壓必為零，此時電橋處于平衡狀態(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r2=r3=r4=r，r1=r+r，其中r為一常數，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，可導出公式： 3、全橋 四個橋臂均有相同的微電阻變化，且電阻變化以差動方式增大或減小，滿足以下關系： 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，則:,當采用相同的應變片，靈敏度系數均為k(r/r=k),則上式可寫成：,若采用等臂電橋，即r1r2r3r4r,則上式可寫成：,討論:電橋的和差特性,當電橋初始是平衡的，即r1r3=r2r4，略去r/r的平方項，則,若采用等臂電橋，即r1r2r3r4r,則上式可寫成：,可見 ，兩對臂電阻的變化對整個電橋輸出電壓的影響，是“求和”關系。兩鄰臂電阻的變化對整個電橋輸出電壓的影響，是“求差”關系。這就是電橋的和差特性。,鄰臂相減，對臂相加。,ui,+ - - +,電橋的和差特性可具體的描述為： 1)相減特性：相鄰兩橋臂上應變片阻值的變化大小相等、符號一致時，或者相對兩橋臂上應變片阻值的變化大小相等、符號相反時，對橋路的輸出電壓沒影響。 2)相加特性：相鄰兩橋臂上應變片阻值的變化大小相等、符號相反時，或者相對兩橋臂上應變片阻值的變化大小相等、符號相同時，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：相鄰兩橋臂上應變片阻值的變化大小相等、符號相反時，同時相對兩橋臂上應變片阻值的變化大小相等、符號相同時，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際應用中例子：,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,根據測量電橋的特性，在進行測量時需注意： 1)全橋四臂或半橋雙臂上應變片的初始阻值應相等，靈敏系數應一致。 2)應變儀的靈敏系數與應變片的靈敏系數保持一致(通過調節(jié)應變儀上的靈敏系數旋紐來保證)。 3)測量橋路所有應變片的引線長度應相等，引線直徑應相同。 4)測量中，應設法采用電橋相鄰臂兩應變片有差動變化的接橋方案，這時靈敏度高、線性好，且具有溫度補償作用。 同理，當四臂工作時，四臂間有差動變化時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，四個橋臂可以是電感l(wèi)、電容c或者電阻r，均用阻抗符號z表示。 根據對直流電橋的討論可以寫出,當z1z3-z2z4=0 時，達到平衡，這時有z1z3=z2z4 ；z是復數，可以寫成 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）若電橋中有一對相鄰橋臂為電阻，根據平衡條件，其余二橋臂一定為同類的阻抗，同是容抗或者同是感抗。 （2）若電橋中有二對邊橋臂為電阻，根據平衡條件，其余二橋臂一定具有異類的阻抗，如果這邊是容抗，其對邊應為感抗。 （3）如果四個橋臂均為電阻時，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,它們的電路結構形式相同。 兩者都具有和差特性。 交流電橋供橋電源為高頻交流電源，而直流電橋為直流源。 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 調制與解調,被測物理量，如溫度、位移、力等參數，經過傳感器變換以后，多為低頻緩變的微弱信號，無法直接推動表頭輸出，故需要放大信號； 低頻緩變信號及直流信號使用直流放大器，但其利用直接耦合的方法，存在嚴重的漂移問題。 當采用交流放大時，需要先把直流及緩變信號變?yōu)榻涣餍盘?，即予以調制；,常用術語 調制：用低頻緩變信號控制或改變高頻振蕩信號的某個參數(幅值、相位或頻率)的過程。 調制波控制或改變高頻振蕩信號的低頻緩變信號稱之為調制波。 載波載送低頻緩變信號的高頻振蕩波稱為載波。 已調波 經過調制的高頻振蕩波即為已調波。 解調則是對已調波進行處理，以恢復原低頻緩變信號的大小和極性。,根據載波受調制的參數的 不同，調制可分為調幅(am)、 調頻(fm)和調相(pm)。使載 波的幅值、頻率或相位隨調制 信號而變化的過程分別稱為調 幅、調頻或調相。它們的已調 波也就分別稱為調幅波、調頻 波或調相波。圖表示了載波、 調制波、調幅波和調頻波。,調幅及其解調,定義：調幅是將一個高頻振蕩信號(載波)與測試信號(調制信號)相乘，使高頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化。,電橋調幅,電橋輸出為：ux=a x(t) u(t) 式中a是與組橋方式有關的系數。半橋雙臂時 a=1/4；半橋雙臂時a=1/2；全橋時a=1。 x(t)隨時間而變化的被測量， 【x(t)=r/r)】。當被測量變化引起應變的變化時，即引起電阻的相對變化。 u(t)供橋電源電壓，它相當于載波。 假設供橋電源為一正弦交流電壓 u(t)=usint 則：ux(t)=a x(t)usint,假如調制信號x(t)也是一個正弦變化量， (t)=0sin0t，則 ux(t)=ax0usin0tsint,調幅波的特點： 1)當x(t)0時，ux(t)與u(t)極性相同。即調幅波與載波同頗同相；而調幅波幅值的大小與x(t)的大小有關。 2)當x(t)0時，ux(t)與u(t)極性相反。即調幅波與載波同頻反相；而據幅波幅值的大小仍與x(t)的大小有關。 3)調幅波是一高頻信號、但其包絡線和調制信號相似、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。,調幅電路相當于乘法器,整流檢波解調 若把調制信號進行偏置，疊加一個直流分量a，使偏置后的信號都具有正電壓，那么調幅波的包絡線將具有原調制信號的形狀。把該調幅波xm(t)簡單地整流(半波或全波整流)、濾波就可以恢復原調制信號。如果原調制信號中有直流分量，則在整流以后應準確地減去所加的偏置電壓。,若所加的偏置電壓未能使信號電壓都在零線的一側，則對調幅波只是簡單地整流就不能恢復原調制信號。相敏檢波技術就是為了解決這一問題。,相敏檢波解調 相敏檢波解調方法能夠使已調幅的信號在幅值和極性上完整地恢復成原調制信號。 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與測量信號電壓xm應滿足下列三個條件: 頻率條件：頻率必須嚴格相同； 幅值條件： y(t) xm(t)，至少五倍以上，也就是說二極管的導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。這一點若不能遵守，相敏檢波器仍能工作，但將導致靈敏度下降。,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xm和y同相時（都不為零)，相敏檢波器的輸出電壓uf0；當xm和y反相時（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，可使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在測試中利用濾波器的這種選頻作用，可濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。 動態(tài)應變儀中通過相敏檢波電路后，需要進行濾波才能還原原信號的頻率。,根據濾波器的選頻作用，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。它可以使信號中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，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。設濾波器的輸入信號電壓ux，輸出信號電壓為uy，電路的微分方程式為 令rc，稱時間常數。對上 式進行拉氏變換，可得傳遞函數 這是一個典型的一階系統(tǒng)。,動態(tài)電阻應變儀可作為電橋調幅與相敏檢波的典型實例。電橋由振蕩器供給等幅高頻振蕩電壓(一般頻率為10khz或15khz)。被測量(應變)通過電阻應變片調制電橋輸出。電橋輸出為調幅波，經過放大，最后經相敏檢波與低通濾波取出所測信號。,零部件的受力情況復雜； 正確的貼片和接橋準確的測力； 電橋輸出： 為應變儀的輸出， 為儀器比例系數，通過調節(jié)可使,4-3 典型力參量測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量,桿件受拉力p和彎矩m聯(lián)合作用，在彈性范圍內工作， p、m的聯(lián)合作用可看成是p、m單獨作用的疊加。 桿件在p、m單獨作用下其上下表面的應變?yōu)椋?a 桿件的截面積； w 桿件的抗彎截面系數 e 被測件材料的彈性模量,應變分析：根據疊加原理，桿件在p、m聯(lián)合作用下，其上表面和下表面的應變?yōu)椋?1、彎矩m的測量,測彎矩的貼片與接橋如圖所示，r1=r2=r，電阻增量r0：,相對電阻的增量為：,儀器的應變讀數為：,具有溫度補償功能,2、拉力p的測量,溫度補償需在補償板上另貼兩片月r2、r2”串聯(lián)組成補償橋臂,二、切力的測量 如圖66所示，桿件受q、m、p的聯(lián)合作用，要測切力q、必須消除m、p的影響。分析貼片和接橋方法。,接橋方法,其電阻計算增量為： 式中 q1、q2桿件在貼片處由q力所引起的應變。 儀器的讀數為： 可見，只要按圖66所示的方法貼片與接橋，儀器讀數就僅與切力q有關，而與m、p無關。應變儀的讀數值就是切力q在兩截面處引起的應變值的差值，切力與儀器讀數的關系為,圓柱式力傳感器的彈性元件分為實心和空心兩種。,在軸向布置一個或幾個應變片，在圓周方向布置同樣數目的應變片，后者取符號相反的橫向應變，從而構成了差動對。由于應變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補償，在與軸線任意夾角的方向，,三、其他測量實例,1 、 應變式力傳感器,1沿軸向的應變；彈性元件的泊松比。,當=0時,當=90時,e：彈性元件的楊氏模量,其應變?yōu)?：,s：彈性元件的截面積,2、 梁式力傳感器,等截面梁,結構簡單，易加工，靈敏度高 適合于測5000n以下的載荷, 等截面懸臂梁, 等強度懸臂梁,3、薄壁圓環(huán)式力傳感器,在外力作用下，各點的應力差別較大,因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素： 應變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數； 電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數不同。,t t t， r r rt,g：電阻絲材料的線長系數 m：試件材料的線長系數,:電阻絲的溫度系數,四、力測量中溫度的影響及溫度補償,1、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當環(huán)境溫度變化t 時，敏感柵材料電阻溫度系數為，則引起的電阻相對變化為 2、試件材料的線膨脹引起的誤差。當溫度變化t時，因