電阻應(yīng)變片式傳感器測量橋梁應(yīng)力報告

1、傳感器三級項目報告項目題目：測量橋梁應(yīng)力傳感器 指導(dǎo)教師： 儀表三班： 學(xué) 號：1 摘要： 目前，多數(shù)橋梁都屬于柱形橋，隨著時間的推移，橋身橋體會逐漸出現(xiàn)承載過重導(dǎo)致應(yīng)力不集中甚至出現(xiàn)裂紋等破損，為了保證人民的人身財產(chǎn)安全，就要對橋身橋體進(jìn)行實時監(jiān)控，采取及時的補(bǔ)救措施。在現(xiàn)在大多數(shù)的監(jiān)測方案中，幾乎都需要傳感器技術(shù)，本文對傳感器在測量橋梁應(yīng)力的應(yīng)用做了詳細(xì)的描述。傳感器技術(shù)是利用各種功能材料實現(xiàn)信息檢測的一門綜合技術(shù)學(xué)科，是在現(xiàn)今科學(xué)領(lǐng)域中實現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一?，F(xiàn)代測量、控制與自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電子信息科學(xué)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展。同時我們也看到，傳感器在日常生

2、活中的運用越來越廣泛，可以說它已成為了測試測量不可或缺的環(huán)節(jié)。因此，學(xué)習(xí)、研究并在實踐中不斷運用傳感器技術(shù)是具有重大意義的。 測量橋梁應(yīng)力的基本思路是將傳感器粘附于橋身柱體部分，通過測量橋在空載和承載時傳感器的數(shù)值變化，通過數(shù)值的轉(zhuǎn)換與計算，得出橋梁承受的應(yīng)力。因此，此次測量所需傳感器屬于壓力傳感器。二.電阻應(yīng)變片的選擇1電阻應(yīng)變片類型的選擇 電阻應(yīng)變計簡稱應(yīng)變計（亦稱為電阻應(yīng)變片或簡稱應(yīng)變片）。它由四個部分組成。第一是電阻絲（敏感柵），它是應(yīng)變計的轉(zhuǎn)換元件。第二是基底和面膠（或覆蓋層）?；资菍㈤L肝氣彈性體表面的應(yīng)變傳遞到電阻絲柵上的中間介質(zhì)，并起到電阻絲與彈性體之間的絕緣作用，面膠起著保護(hù)

3、電阻絲的作用。第三是粘合劑，它將電阻絲與基底粘貼在一起。第四是引出線，它作為聯(lián)結(jié)測量導(dǎo)線之用。電阻應(yīng)變片主要分為電阻絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片和金屬薄膜應(yīng)變片。由于電阻絲式應(yīng)變片有橫向效應(yīng)對測量的精度有影響，使靈敏度降低，而且耐疲勞性能不高。金屬薄膜應(yīng)變片尚難控制電阻與溫度的變化關(guān)系，不常用。故選用金屬箔式應(yīng)變片。箔式應(yīng)變片的主要優(yōu)點： (1)本身性能穩(wěn)定，受溫度變化的影響??； (2)使用溫度范圍比較寬，在-269+350 度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作； (3)適用于各種彈性體材料及彈性結(jié)構(gòu)形式，粘貼操作簡便；(4)價格便宜。金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)絲式金屬應(yīng)變片的敏感柵由直徑0.010.05mm的電阻絲平行

4、排列而成。 箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，其厚度一般在0.0030.01mm。其優(yōu)點是散熱條件好，允許通過的電流較大，可制成各種所需的形狀，便于批量生產(chǎn)。 薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1m以下的金屬電阻薄膜的敏感柵，最后再加上保護(hù)層。它的優(yōu)點是應(yīng)變靈敏度系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣。(a) 箔式應(yīng)變片 (b) 電阻絲式應(yīng)變片 (c) 絲式應(yīng)變片幾種常用應(yīng)變片的基本形式2.應(yīng)變計敏感柵的材料(1)材料的選用原則 應(yīng)變計敏感柵合金材料的選擇對制作應(yīng)變計性能的好壞起著決定性的作用，因此對制作應(yīng)變計所用的應(yīng)變電阻合金有以下的要求：a

5、有較高的靈敏系數(shù)；b電阻率高；c電阻溫度系數(shù)小，具有足夠的熱穩(wěn)定性；d機(jī)械強(qiáng)度高，壓碾或拉伸性能好，高溫時耐氧化性能要好，耐腐蝕性能強(qiáng)；e與其它金屬接觸的熱電勢??；f與引出線焊接容易。三測量電路原理分析及設(shè)計 1.溫度補(bǔ)償原理 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。 1) 線路補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償是最常用的且效果較好的線路補(bǔ)償法。電橋輸出電壓U0與橋臂參數(shù)的關(guān)系為： U0=A（R1 R4- RB R3）式中：A由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)；當(dāng)R3和R4為常數(shù)時，R1和RB對電橋輸出電壓U0的作用方向相反。利用這一基本關(guān)系可實現(xiàn)對溫度的補(bǔ)償。2）應(yīng)變片的自補(bǔ)償法 這種溫度補(bǔ)

6、償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片來補(bǔ)償?shù)?，稱之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。 由溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片的工作原理，要實現(xiàn)要實現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，必須有 0= -K0（g-s） 上式表明，當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)g已知時，如果合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數(shù)0、靈敏系數(shù)K0和線膨脹系數(shù)s，使上式成立，則不論溫度如何變化，均有Rt/ R0=0，從而達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。四測量電路原理分析及設(shè)計1.電橋電路原理應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)化成電阻的相對變化R/R,還要把電阻的變化再轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測量儀表進(jìn)行測量。 電橋電路的原理是：如下圖的四臂電橋所示，因為應(yīng)變片電阻值變化很小，可以認(rèn)為電源供電電流為常

7、數(shù)，即加在電橋上的電壓也是定值，假定電源為電壓源，內(nèi)阻為零。當(dāng)電橋平衡時，即電橋輸出電壓V0為零的條件是：R1R3=R2R4。圖2當(dāng)電橋后面接放大器時，放大器的輸入阻抗都很高，比電橋的輸出電阻大很多，因此可以把電橋輸出端看成是開路。若電橋不平衡時，即R1R3R2R4時，電橋輸出：單臂電橋時，令R1=R2,R3=R4,R2,R3,R4為定值電阻，在應(yīng)變片R1工作時，其電阻R1變化R,此時電橋的靈敏度為：ku=U/4電壓輸出為:UO=(U/4)(R1/R1)2.非線性誤差為減少非線性誤差，電橋電路常用的措施為：采用差動電橋；采用恒流源電橋。為了提高電橋靈敏度或進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在橋臂中往往安置兩個應(yīng)變

8、片，電橋也可采用四臂差動電橋，其輸出電壓為：UO=UR/R所以，本設(shè)計所選用的是全橋形式的差動電橋，且為提高電橋靈敏度或進(jìn)行溫度補(bǔ)償，每個橋臂都安置兩個應(yīng)變片。3.轉(zhuǎn)換電路和信號放大電路來自傳感器的信號通常都伴隨著很大的共模電壓（包括干擾電壓）。一般采用差動輸入集成運算放大器來抑制它，但是必須要求外接電阻完全平衡對稱，運算放大器才具有理想特性。否則，放大器將有共模誤差輸出，其大小既與外接電阻對稱精度有關(guān)，又與運算放大器本身的共模抑制能力有關(guān)。一般運算放大器共模抑制比可達(dá)80dB，而采用由幾個集成運算放大器組成的測量放大電路，共模抑制比可達(dá)100120dB。結(jié)合以上幾點，采用了低漂移運算放大器構(gòu)

9、成的三運放高共模抑制比放大電路。具體的電路如圖所示本電路主要分為三個部分，第一就是調(diào)理調(diào)幅電路，二就是電橋轉(zhuǎn)換電路，三就是增益放大電路，這里面還包括共模抑制電路。4.電橋轉(zhuǎn)換電路電阻應(yīng)變片的電阻R1,R2,R3,R4的電阻都為350歐。由這四個電阻組成一個全橋放大電路。5.放大電路和共模補(bǔ)償電路它由三個集成運算放大器組成，其中N1，N2為兩個性能一致（主要指輸入阻抗，共模抑制比和增益）的同向輸入通用集成運算放大器，構(gòu)成平衡對稱（或稱同向并聯(lián)型）差動放大輸入級，N3構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進(jìn)一步抑制N1，N2的共模信號，并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。由輸入級電路可寫出流過R6，R7和R14都電

10、流IR為IR=(U02-Ui2)/R7=(Ui1-U01)/R6=(Ui2-Ui1)/R14由此求得 U01 =（1R6/ R14）Ui1R6 Ui2/ R14 U02 =（1R7/ R14）Ui2R7Ui1/ R14于是，輸入級的輸入電壓，即運算放大器N2與N1輸出之差為U02U01 =1（R6R7）/ R14（Ui2-Ui1）其差模增益Kd為 Kd（U02U01）/（Ui2-Ui1）1（R6R7）/ R14 它的原理是由運放U1，U2組成第一級差分式電路，U3組成第二級差分式電路。在第一級電路中，V1，V2分別加到U1和U2的同相端，R6,R7和R14組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，引入了深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋，兩運放U1，U2的兩輸入端形成虛短和虛斷,按照上面的分析，可以計算出：差模增益Kd為 運算放大器U3的差模增益：電路的放大增益為：所以設(shè)計的放大電路的放大倍數(shù)為：，試驗中，這個實驗可以調(diào)節(jié)R14,R15同時改變，達(dá)到調(diào)節(jié)增益的目的。而且放大增益很大，有很寬的調(diào)節(jié)范圍。6.電路調(diào)零調(diào)幅電路如圖所示，通過調(diào)節(jié)R5可以調(diào)節(jié)電橋的供電電壓，并且可以在任何時