應變、力和扭矩的測試

1、第三章第三章 應變、力和扭矩的測試應變、力和扭矩的測試 應變、力和扭矩的測量在測試技術中有著廣泛的應用。 與應變、力和扭矩有關的量： 應力、力矩、壓力、功率、剛度等。3.1 應變的測試應變的測試 能順利進行插入作業(yè)是因為先測試出了由棒的接觸關系能順利進行插入作業(yè)是因為先測試出了由棒的接觸關系而產(chǎn)生的左右、上下方向的力，然后根據(jù)這些力來調(diào)整棒的而產(chǎn)生的左右、上下方向的力，然后根據(jù)這些力來調(diào)整棒的位置。位置。用來測試這個力的裝置用來測試這個力的裝置(元件元件)被稱為力傳感器。被稱為力傳感器。最常用的有應變片。最常用的有應變片。 應變片是細金屬線，它伸應變片是細金屬線，它伸長時電阻變大，縮短時電阻變

2、長時電阻變大，縮短時電阻變小。小。 力力-變形變形-電阻電阻3.1.1電阻應變片的工作原理電阻應變片的工作原理 電阻應變片是利用電阻應變效應測量應變的傳感器。 電阻應變效應，就是導體或半導體在受到外力的作用下，會產(chǎn)生機械形變，從而導致其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。應變：應變： 選擇應變片的材料得當選擇應變片的材料得當,可以使應變片的輸入可以使應變片的輸入(應變值應變值)和它和它的輸出的輸出(電阻變化率電阻變化率)成線性關系成線性關系.單位長度上的變形。單位長度上的變形。R若導體的長度為L，截面積為A，電阻率為 ，則電阻 為LR=AL AR式中 、 、 三個參數(shù)的變化都會引起電阻的變化，其變化值為d2

3、LdRdLddAAALA,LRRA方 程 式 兩 邊 都 除 以， 由 于則 可 得dRdLddARLA2dRdLddrRLr2,2,ArdArdr若導體截面為圓形，則上式可變?yōu)橛刹牧狭W的理論可以知道：式中壓阻系數(shù)導體軸向正應力E導體彈性模量導體的應變12)dRER（泊松比dLdrdL dELrL ，可知電阻應變片的電阻變化率與輸入（應變）成線形關系，12EdRR它的靈敏度系數(shù)為S=則：則：dR/R=S=（1+2） +E 由材料的幾由材料的幾何尺寸變化何尺寸變化引起的引起的由材料受拉、由材料受拉、壓后電阻率壓后電阻率發(fā)生變化引發(fā)生變化引起的起的對于金屬材料，幾何因素影響較大，s1+2 ,此值

4、為常數(shù)。一般s=1.7 3.6金屬材料電阻應變片線性度好。半導體在壓力、溫度及光輻射作用下，能使其電阻率 發(fā)生很大變化。對于半導體材料，物理因素影響很大sE優(yōu)點：靈敏度高s=75 150 金屬應變計有：金屬應變計有：絲式絲式箔式箔式優(yōu)點優(yōu)點: :穩(wěn)定性和溫度特性好穩(wěn)定性和溫度特性好缺點缺點: :靈敏度系數(shù)小靈敏度系數(shù)小金屬絲式應變片結(jié)構金屬箔式應變片結(jié)構物理因素的影響很大，沿著晶體材料的某些特定的晶軸方向施加物理因素的影響很大，沿著晶體材料的某些特定的晶軸方向施加拉、壓應力，材料的電阻率會發(fā)生顯著變化，此特性稱為材料的拉、壓應力，材料的電阻率會發(fā)生顯著變化，此特性稱為材料的壓阻效應。壓阻效應。

5、 半導體應變計例單晶體半導體在外力作用下，原子點陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導致載流子遷移率及載流濃度的變化，從而引起電阻率的變化。 半導體應變計半導體應變計優(yōu)點：應變靈敏度大;體積小缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片金屬應變片和半導體應變片主要區(qū)別：前者是利用導體變形引起電阻的變化；后者利用半導體電阻率變化引起電阻的變化。4) 應用應用電電阻阻式式傳傳感感器器 應用：電子秤應用：電子秤原理原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構變形再通過應變片化結(jié)構變形再通過應變片轉(zhuǎn)化為電量輸出轉(zhuǎn)化為電量輸出 定位傳感器定位傳感器 機床臺上正確地固定工件很有必要?，F(xiàn)在有一種定位機床臺上正確地固定

6、工件很有必要?，F(xiàn)在有一種定位傳感器，刀頭上裝有測頭，設定測頭位置，當它觸到工件傳感器，刀頭上裝有測頭，設定測頭位置，當它觸到工件時便產(chǎn)生微電流。進行作業(yè)的同時，用它可以測試切削狀時便產(chǎn)生微電流。進行作業(yè)的同時，用它可以測試切削狀況。況。測謊器測謊器 電極貼在身體某處并施加電壓，說假話時出冷汗，因而電極貼在身體某處并施加電壓，說假話時出冷汗，因而皮膚表面電阻變小，電流變大，所以可測出假話。皮膚表面電阻變小，電流變大，所以可測出假話。3.1.2 測量電路電橋 電橋電路是將電阻、電感、電容等參數(shù)的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N變換電路。電橋按所采用的電源不同可分為：電橋按所采用的電源不同可分為： 直流

7、電橋直流電橋 交流電橋交流電橋 1、直流電橋、直流電橋電橋的工作原理 下圖為采用直流電源，四個橋臂是純電阻的直流電橋。下圖為采用直流電源，四個橋臂是純電阻的直流電橋。圖中圖中 為各橋臂電阻。電橋的為各橋臂電阻。電橋的a、c兩端接入直流兩端接入直流電源電源 ui ，在另一對角線，在另一對角線b、d兩端輸出兩端輸出u0 , a、c兩端稱為電源兩端稱為電源端，端，b、d兩端稱為輸出端。兩端稱為輸出端。1234RRRR、 、 、 當電橋輸出端后接電阻很大的儀表或放大器時，可認為電當電橋輸出端后接電阻很大的儀表或放大器時，可認為電橋的負載電阻為無窮大，輸出端相當于開路狀態(tài)，電流輸出為橋的負載電阻為無窮大

8、，輸出端相當于開路狀態(tài)，電流輸出為零，輸出端只能輸出電壓。此時，電橋的輸出電壓為零，輸出端只能輸出電壓。此時，電橋的輸出電壓為由上式可知由上式可知,若要使輸出為零若要使輸出為零,即電橋平衡即電橋平衡,應滿足的條件是應滿足的條件是:1324R RR R0112414123413241234()()abadiiiuUUI RI RRRuuRRRRR RR RuRRRR 如電橋開始處于平衡狀態(tài)，當各橋臂電阻發(fā)生不同的微小如電橋開始處于平衡狀態(tài)，當各橋臂電阻發(fā)生不同的微小變化變化 時，電橋就失去平衡，此時將有電壓輸出時，電橋就失去平衡，此時將有電壓輸出: 1234RRRR、 一般情況下一般情況下 很小

9、，即很小，即 ，故上式分母中，故上式分母中 項項和分子中和分子中 的高次項可略去，同時考慮電橋初始是平衡的，的高次項可略去，同時考慮電橋初始是平衡的，即即 ，故有，故有:RRR1324RRR R電橋輸出電壓可反映被測量引起的電阻變化量。電橋輸出電壓可反映被測量引起的電阻變化量。 11332244011223344()()()()()()iRRRRRRRRuuRRRRRRRR3121242123412()()oiRR RRRRuuRRRRRRR R 對于最常用的全等臂電橋?qū)τ谧畛Ｓ玫娜缺垭姌?由上式可得輸出電壓為由上式可得輸出電壓為: 根據(jù)工作時橋路中參與變化的橋臂數(shù)根據(jù)工作時橋路中參與變化的

10、橋臂數(shù),電橋有半橋電橋有半橋單臂、半橋雙臂、全橋三種測量連接方式。單臂、半橋雙臂、全橋三種測量連接方式。31240123412341234()4()4iiuRRRRuRRRRuRRRRRRRRR-+-式中，、均為代數(shù)量設圖中均為全等臂電橋設圖中均為全等臂電橋,即初始時即初始時 。下圖為半橋單臂連接，當電阻下圖為半橋單臂連接，當電阻 的阻值增加的阻值增加 時，輸出時，輸出電壓為：電壓為： 1RR1234RRRRR04iRuuR下圖為半橋雙臂連接。工作中電橋的兩個橋臂阻值隨下圖為半橋雙臂連接。工作中電橋的兩個橋臂阻值隨被測物理量而變化，即被測物理量而變化，即 ，及，及 ，當當 時，電橋輸出時，電橋

11、輸出:11RR22RR12RRR=02iRuuR下圖為全橋接法。工作中四個橋臂阻值隨被測物理量而變化，下圖為全橋接法。工作中四個橋臂阻值隨被測物理量而變化，即即 .當當 時，電橋輸出時，電橋輸出 :11223344,RR RR RR RR1234RRRRR =0iRuuR 電橋接法不同,電橋輸出的靈敏度也不同。 半橋雙臂接法比半橋單臂接法的輸出電壓高一倍,全橋接法可獲得最大的輸出。結(jié)論結(jié)論:電橋的和差特性與應用電橋的和差特性與應用由全橋電壓輸出式由全橋電壓輸出式 可知可知: 當電橋相鄰兩臂有增量時當電橋相鄰兩臂有增量時,電橋輸出反映兩臂增電橋輸出反映兩臂增量相減的結(jié)果量相減的結(jié)果; 而相對兩臂

12、有增量時而相對兩臂有增量時,電橋輸出反映兩臂增量相電橋輸出反映兩臂增量相加的結(jié)果。加的結(jié)果。 和差特性是合理布置應變片和差特性是合理布置應變片,進行溫度補償進行溫度補償,提高提高電橋靈敏度的依據(jù)。電橋靈敏度的依據(jù)。01234()4iuuRRRRR-+- 如希望電橋四個橋臂的電阻變化不相互抵消如希望電橋四個橋臂的電阻變化不相互抵消,則必須使則必須使 的電阻變化和的電阻變化和 的的電阻變化極性相反。電阻變化極性相反。 在實際工作中在實際工作中,應根據(jù)結(jié)構受力應變情況應根據(jù)結(jié)構受力應變情況,把把應變片接入合適的橋臂。應變片接入合適的橋臂。24RR、13RR、01234()4iuuRRRRR-+- 如

13、受彎曲作用的構件，一側(cè)產(chǎn)生拉應變，另一側(cè)如受彎曲作用的構件，一側(cè)產(chǎn)生拉應變，另一側(cè)產(chǎn)生壓應變，兩者極性相反，大小相等。產(chǎn)生壓應變，兩者極性相反，大小相等。 這時就可以在兩邊各貼一片這時就可以在兩邊各貼一片(或兩片或兩片)應變片，并應變片，并接入電橋的兩相鄰橋臂；接入電橋的兩相鄰橋臂； 測量某方向的同種均勻應變，測量某方向的同種均勻應變， 則可用兩片應變片感受同種信號，并將其接在電則可用兩片應變片感受同種信號，并將其接在電橋的兩相對橋臂上。橋的兩相對橋臂上。 工作片：承受應力工作片：承受應力 補償片：不受應力補償片：不受應力R1R2R3R4ABCDUiU0補償片工作片溫度補償溫度補償 應使溫度補

14、償臂與測量臂的溫度特性一應使溫度補償臂與測量臂的溫度特性一致，即致，即采用電阻溫度系數(shù)相同的應變片，把采用電阻溫度系數(shù)相同的應變片，把它們貼在熱膨脹系數(shù)相同的材料上，并處于它們貼在熱膨脹系數(shù)相同的材料上，并處于同樣的環(huán)境溫度中，同樣的環(huán)境溫度中，補償臂就抵消了測量臂補償臂就抵消了測量臂由于溫度變化帶來的誤差。由于溫度變化帶來的誤差。 溫度補償溫度補償兩測量臂相鄰連接，那么兩臂互為溫度補償。兩測量臂相鄰連接，那么兩臂互為溫度補償。 例例 下圖所示懸臂梁受力下圖所示懸臂梁受力F和和 作用，要求只測出引起粱純彎作用，要求只測出引起粱純彎曲的力曲的力F，試畫出應變片的粘貼位置與電橋的連接方式圖。，試畫

15、出應變片的粘貼位置與電橋的連接方式圖。F 解：解：在懸臂梁上下兩面各貼一片應變片在懸臂梁上下兩面各貼一片應變片 和和 ，按半橋雙臂，按半橋雙臂方式連接。其中方式連接。其中 和和 為精密無感電阻，選為精密無感電阻，選擇擇 ，便可測出，便可測出F。1R2R3R4R12340RRRRR故電壓輸出僅與故電壓輸出僅與F引起的彎曲變形有關。引起的彎曲變形有關。F作用使上面應作用使上面應變片變片 產(chǎn)生拉應變，下面的產(chǎn)生拉應變，下面的 產(chǎn)生壓應變，其電阻產(chǎn)生壓應變，其電阻變化量為變化量為 ， ，則反映力，則反映力F大小的輸大小的輸出電壓為出電壓為: 1R2R1RR=2RR=-002iRuuR如要進一步提高電橋

16、的靈敏度，可采用全橋。如要進一步提高電橋的靈敏度，可采用全橋。當當 輸出電壓為輸出電壓為:12340RRRRR1234RRRRR =00iRuuR 例例 下圖所示懸臂梁受力下圖所示懸臂梁受力F和和 作用，要求只測出引起粱純拉作用，要求只測出引起粱純拉伸的力伸的力 ，試畫出應變片的粘貼位置與電橋的連接方式圖。，試畫出應變片的粘貼位置與電橋的連接方式圖。F F 直流電橋直流電橋優(yōu)點優(yōu)點:所需高穩(wěn)度直流電源較易獲得所需高穩(wěn)度直流電源較易獲得;電橋輸出電橋輸出 u0 是直流是直流,可以用直流儀表測量可以用直流儀表測量;對從傳感器至測量儀表的連接導線要求較低對從傳感器至測量儀表的連接導線要求較低;電橋的

17、平衡電路簡單。電橋的平衡電路簡單。缺點缺點:直流放大器比較復雜直流放大器比較復雜,易受零漂和接地電位易受零漂和接地電位的影響。的影響。2、交流電橋、交流電橋 交流電橋采用交流電源，電橋的四個臂可為電感、電容或電交流電橋采用交流電源，電橋的四個臂可為電感、電容或電阻。即電橋達到平衡時必須滿足阻。即電橋達到平衡時必須滿足:1324Z ZZ Z把各復阻抗用指數(shù)式表示，則為把各復阻抗用指數(shù)式表示，則為312401030204jjjjZeZeZeZe1324()()030204jjZeZZe01即 Z2341，各橋臂電壓與電流之間的相位差，稱為阻抗角。020304,ZZZ01式中Z-各阻抗的模0=900

18、=-90純電阻時，電壓與電流同相位， =0；電感性阻抗，電壓超前于電流，（純電感）；電容性阻抗電壓滯后于電流，（純電容）。兩復數(shù)相等，其實部和虛部應分別相等。因此交流電橋的兩復數(shù)相等，其實部和虛部應分別相等。因此交流電橋的平衡條件為平衡條件為:132401030204Z ZZ Z 交流電橋平衡必須滿足兩個條件，即相對兩臂阻抗交流電橋平衡必須滿足兩個條件，即相對兩臂阻抗之模的乘積應相等，并且它之模的乘積應相等，并且它們的阻抗角之和也必須相等。們的阻抗角之和也必須相等。 前者稱為交流電橋模的平衡條件，后者稱為相位平前者稱為交流電橋模的平衡條件，后者稱為相位平衡條件。衡條件。 例 以R=120，靈敏

19、度S=2的箔式應變片與阻值為120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為3V，假定負載電阻為無窮大，當應變片的應變?yōu)?時，求單臂電橋的輸出電壓及靈敏度。6666:2,32,11122 1034443 103 101.52 10iiisuvRuus uRvuvvS 解 已知應變片供橋電壓半橋單臂當時靈敏度3.1.3 3.1.3 應變片的選擇應變片的選擇 1.根據(jù)試件的測試要求和應變性質(zhì)選擇 2.根據(jù)試件狀況選擇 3.根據(jù)實驗環(huán)境選擇3.1.4 3.1.4 應變片的粘貼應變片的粘貼 應變片的粘貼是應變式傳感器工作成敗的關鍵。 應變片的粘貼工藝一般包括清理試件、上膠、粘合、加壓、固化和檢驗等步驟。應保證膠層

20、薄、無氣泡、粘結(jié)牢固、絕緣好等要求。 3.1.5 3.1.5 試件上的布片與接橋試件上的布片與接橋 應變片粘貼于試件后感受的是試件表面的拉應變或壓應變，由于該應變往往是由多種內(nèi)力造成的，為了準確測試某一內(nèi)力造成的應變，必須恰當選擇貼片位置、方向和橋路連接方式，以便于利用電橋的和差特性達到只測出所需應變而排除其它因素干擾的目的。 布片與接橋的原則布片與接橋的原則在分析試件受力的基礎上選擇主應變最大的點作為在分析試件受力的基礎上選擇主應變最大的點作為貼片的位置，并沿主應力方向貼片貼片的位置，并沿主應力方向貼片充分合理地利用電橋的和差特性，將應變片接入電充分合理地利用電橋的和差特性，將應變片接入電橋

21、的各臂，只使需要測試的應變影響電橋的輸出，橋的各臂，只使需要測試的應變影響電橋的輸出，且有足夠的靈敏度和線性度且有足夠的靈敏度和線性度試件貼片位置應使應變與外載荷成線性關系試件貼片位置應使應變與外載荷成線性關系)(1)(112222121EE平面應力狀態(tài)下通過測試應變確定主應力平面應力狀態(tài)下通過測試應變確定主應力主應力方向已知，沿兩個相互垂直的主應力方向主應力方向已知，沿兩個相互垂直的主應力方向各貼一片應變片（如下圖），測得主應變，再根各貼一片應變片（如下圖），測得主應變，再根據(jù)下式計算主應力據(jù)下式計算主應力主應力方向未知，此時可采用貼應變花的辦主應力方向未知，此時可采用貼應變花的辦法進行測試

22、。使用時由各單元件分別測出各法進行測試。使用時由各單元件分別測出各方位的應變，然后由材料力學計算公式求得方位的應變，然后由材料力學計算公式求得主應變、主應力和主方向主應變、主應力和主方向3.1.6 提高應變測試精度的措施 選用良好的配套儀器選用良好的配套儀器 減小導線電阻引起的誤差：測試電路上的應變片與減小導線電阻引起的誤差：測試電路上的應變片與應變儀之間的連接導線長度超過應變儀之間的連接導線長度超過10m10m時，應變值按時，應變值按下式進行修正下式進行修正l =/ /Kl 補償環(huán)境溫度的影響補償環(huán)境溫度的影響 減少貼片誤差減少貼片誤差 注意應變片的頻率響應特性注意應變片的頻率響應特性 抑制

23、測試現(xiàn)場干擾抑制測試現(xiàn)場干擾3.1.7 應變測試信號的處理分析 先確定標準應變值先確定標準應變值 + +和和 在系統(tǒng)中的響應，然在系統(tǒng)中的響應，然后以此為標尺求得測試信號的量值后以此為標尺求得測試信號的量值前定度記錄前定度記錄后定度記錄后定度記錄試驗記錄試驗記錄零線零線時標時標3.1.6 3.1.6 提高應變測試精度的措施提高應變測試精度的措施 為了盡可能地消除或減少誤差以提高應變測試精度，一般可采取下列措施： 1.選用良好的配套儀器 2.減小導線電阻引起的誤差 3.補償環(huán)境溫度的影響 4.減少貼片誤差 5.注意應變片的頻率響應特性 6.抑制測試現(xiàn)場干擾3.2 力的測試彈性元件：將力轉(zhuǎn)換成與其

24、成比例的應變；是傳感彈性元件：將力轉(zhuǎn)換成與其成比例的應變；是傳感器的核心部件器的核心部件柱式彈性元件柱式彈性元件a.a.圓柱形、圓筒形圓柱形、圓筒形b.b.薄壁圓環(huán)形薄壁圓環(huán)形梁式彈性元件梁式彈性元件a.a.懸臂梁式懸臂梁式b.b.兩端固定梁式兩端固定梁式應變片及相應測量電路：將這些中間機械量轉(zhuǎn)換成應變片及相應測量電路：將這些中間機械量轉(zhuǎn)換成電量輸出電量輸出3.23.2力的測試力的測試3.2.1 測力傳感器1.應變式力傳感器 應變式力傳感器是由彈性元件、電阻應變片和其它附加構件所組成。 2.2.壓磁式力傳感器壓磁式力傳感器 壓磁式力傳感器的工作原理是基于鐵磁材料的壓磁效應。 2.壓磁式力傳感器壓磁式力傳感器 3.3.壓電式力傳感器壓電式力傳感器 壓電式力傳感器是利用壓電材料的壓電效應。 4.4.差動變壓器式差動變壓器式力傳感器力傳感器 如圖所示為差動變壓器式力傳感器的結(jié)構示意圖。 3.2.23.2.2測力裝置測力裝置 1.電阻應變式測力儀 應變式動態(tài)測力儀的結(jié)構原理如圖所示 2.2.壓磁式測力儀壓磁式測力