內(nèi)工大 測(cè)試技術(shù) 第四章_力參量的測(cè)量

1、第四章 力參量的測(cè)量-20頁(yè)，3萬(wàn)字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。本章所介紹的力參量測(cè)量就是指作用于構(gòu)件或零件表面上應(yīng)力的直接測(cè)量或經(jīng)轉(zhuǎn)換后的各種集中力, 如拉(壓)力, 彎矩, 扭矩等的測(cè)量。力施加于某一物體后, 將產(chǎn)生兩種效應(yīng), 一是使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變,稱為“動(dòng)力效應(yīng)” ；二是使物體產(chǎn)生變形，稱為“靜力效應(yīng)”。而在機(jī)械工程當(dāng)中, 大部分測(cè)力方法都是基于“靜力效應(yīng)”。在以上基礎(chǔ)上發(fā)展出了多種力測(cè)量方法，如機(jī)械測(cè)力法，光學(xué)測(cè)力法和電測(cè)法

2、。而電測(cè)法就是利用各種電參量式力傳感器和電子測(cè)量線路或儀器對(duì)力參量進(jìn)行測(cè)量的方法。電參量式力傳感器有電阻應(yīng)變式、電容式、電感式等。其中電阻應(yīng)變式力傳感器應(yīng)用最為廣泛。這種方法的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高、變換后得到的電信號(hào)可以很方便地進(jìn)行傳輸和各種變換處理, 例如可進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量和記錄以及直接和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連接等。本章主要介紹電阻應(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、顯示與記錄儀器或熊詩(shī)波教材計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成，如圖4-1所示。u或i 電阻應(yīng)變式力傳感器測(cè)量電路顯示、記錄儀器或計(jì)算機(jī) 圖4-1 電阻應(yīng)變式測(cè)試框圖第一節(jié) 電阻應(yīng)變式力傳感器電阻應(yīng)變式力傳感器具有悠久的歷史，

3、是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。其基本元件電阻應(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。將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)構(gòu)件表面上，隨著構(gòu)件受力變形，應(yīng)變片產(chǎn)生與構(gòu)件表面應(yīng)變成比例的電阻變化，應(yīng)用適當(dāng)測(cè)量電路和儀器就能測(cè)得構(gòu)件的應(yīng)變或應(yīng)力。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。電阻應(yīng)變式測(cè)試技術(shù)之所以得到廣泛應(yīng)用，是由于它具有以下優(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

4、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；用高精度、高穩(wěn)定性測(cè)量系統(tǒng)和半導(dǎo)體應(yīng)變片可測(cè)出10-2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)試技術(shù)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。如從-270（液氦溫度）深冷溫度到+1000的高溫；從宇宙空間的真空到幾千個(gè)大氣壓的超高壓狀態(tài)；長(zhǎng)時(shí)間地浸沒于水下；大的離心力和強(qiáng)烈振動(dòng)；強(qiáng)磁場(chǎng)、放射性和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量。一、（電阻應(yīng)變效應(yīng)（矩形截面，公式變嗎？）電阻應(yīng)變片是基于電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)工作的。由歐姆定理可知，電阻絲的電阻（R=rL/S）與材料的電阻率（r）及其幾何尺寸（長(zhǎng)

5、度L和截面積S）有關(guān)，而電阻絲在承受機(jī)械變形的過程中，這三者都要發(fā)生變化，因而引起電阻絲的電阻變化。電阻絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。由歐姆定理可知，電阻絲的電阻R如式（4-1）所示 （4-1）式中 R電阻絲的電阻（）； 電阻絲的電阻率（m2/m）； L電阻絲的長(zhǎng)度（m）； S電阻絲的截面積（m2）。 圖4-2 電阻導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng)如圖4-2所示，一段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的電阻絲，當(dāng)電阻絲受軸向力F拉伸而伸長(zhǎng)dL時(shí)，其橫截面積將相應(yīng)減小dS，電阻率受金屬晶格發(fā)生變形等因素的影響也將隨之改變，則電阻絲的電阻值會(huì)隨之發(fā)生變化。將式（5-1）兩邊取

6、對(duì)數(shù)并微分得電阻絲電阻變化量dR為 （4-2）設(shè)電阻絲半徑為r，有 （4-3）令為電阻絲的軸向應(yīng)變；為電阻絲的徑向應(yīng)變。電阻絲受拉時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)，沿徑向縮短，由材料力學(xué)知識(shí)可知，二者之間的關(guān)系為 （4-4）式中，電阻材料的泊松系數(shù)。電阻絲電阻率的相對(duì)變化，與電阻絲軸向所受正應(yīng)力 有關(guān)。 （4-5）式中，E電阻絲材料的彈性模量； 壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)。將式（4-3）、式（4-4）、式（4-5）代入式（4-2）得 （4-6）令 （4-7）則有： （4-8） 稱為電阻絲的靈敏度系數(shù)，表征金屬絲產(chǎn)生單位變形時(shí)，電阻相對(duì)變化的大小。顯然，越大，單位變形引起的電阻相對(duì)變化越大。由式（4-7）可看出，電阻絲

7、的靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素影響：項(xiàng)由于電阻絲受拉伸后，幾何尺寸發(fā)生變化而引起的；對(duì)于同一種材料項(xiàng)是常數(shù)。項(xiàng)是由于電阻率的變化而引起的。對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，很小，可忽略；而對(duì)于半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于項(xiàng)，它是半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻變化的主要部分。二、金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片種類繁多，形式多樣，常見的有絲式和箔式兩種，目前常用的是箔式應(yīng)變片。其工作原理就是基于應(yīng)變片發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化的電阻應(yīng)變效應(yīng)。箔式應(yīng)變片是利用照相制版或光刻腐蝕的方法，將箔材在絕緣基底上制成各種圖形而成，適用于大批量生產(chǎn)，是目前使用最為普遍的應(yīng)變片。金屬箔厚度約為110m，它的基底和蓋片多為膠質(zhì)膜，基底厚度一般為(0.0

8、30.05)mm。圖4-3為常見的幾種箔式應(yīng)變片形式。 圖4-3 箔式應(yīng)變片圖片參考舊書 圖4-4 半導(dǎo)體應(yīng)變片 它的主要優(yōu)點(diǎn)是： （1）能確保敏感柵尺寸正確、線條均勻，可制成任意形狀以適應(yīng)不同的測(cè)量要求；（2）敏感柵界面為矩形，表面積對(duì)截面積之比遠(yuǎn)比圓斷面的大，故粘合面積大；（3）敏感柵薄而寬，粘結(jié)性能及傳遞試件應(yīng)變性能好；（4）散熱性能好，允許通過較大的工作電流，從而增大輸出信號(hào)；（5）敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可忽略，蠕變、機(jī)械滯后較小，疲勞壽命高。三、半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力而變化的所謂“壓阻效應(yīng)”。所有材料在某種程度上都具有壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體的這種

9、效應(yīng)特別顯著，能直接反映出很微小的應(yīng)變。常見的半導(dǎo)體應(yīng)變片是用鍺或硅等半導(dǎo)體材料作敏感柵，一般為單根狀，如圖4-4所示。根據(jù)壓阻效應(yīng)，半導(dǎo)體和金屬絲一樣可把應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片受縱向力作用時(shí)，電阻相對(duì)變化可用下式表示 (4-8) 式中(前面提到)，為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對(duì)變化，其值與半導(dǎo)體的縱向軸所受的應(yīng)力之比為一常數(shù)，即或 （4-9） 式中，p為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，它與半導(dǎo)體材料種類及應(yīng)力方向與晶軸方向之間的夾角有關(guān)。將式(4-9)代入式(4-8)得 (4-10)式中1+2m項(xiàng)隨半導(dǎo)體幾何形狀而變化，pE項(xiàng)為壓阻效應(yīng)，隨電阻率而變。實(shí)驗(yàn)表明，pE比(1+2m)大近百倍，(1

10、+2m)可忽略，故半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度數(shù)為： （4-11）半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是尺寸、橫向效應(yīng)、機(jī)械滯后都很小，靈敏度系數(shù)大，因而輸出也大。缺點(diǎn)是電阻值和靈敏系數(shù)的溫度穩(wěn)定性差，測(cè)量較大應(yīng)變時(shí)非線性嚴(yán)重，靈敏系數(shù)隨受拉或受壓而變，且分散度大，一般在（35）%之間，因而測(cè)量結(jié)果誤差較大。（簡(jiǎn)單應(yīng)用）四、應(yīng)變片的主要工作參數(shù)（1）應(yīng)變片的尺寸順著應(yīng)變片軸向敏感柵兩端轉(zhuǎn)向處之間的距離稱為標(biāo)距l(xiāng)。電阻絲式l一般為5180mm，箔式的一般為0.3180mm。敏感柵的橫向尺寸稱為柵寬，以b表示。小柵長(zhǎng)的應(yīng)變片對(duì)制造要求高，對(duì)粘貼的要求亦高，且應(yīng)變片的蠕變、滯后及橫向效應(yīng)也大。因此應(yīng)盡量選要柵長(zhǎng)大一些的片子，

11、應(yīng)變片的柵寬也以小一些的為好。（2）應(yīng)變片的電阻值（標(biāo)準(zhǔn)電阻）應(yīng)變片的電阻值指應(yīng)變片沒有安裝且不受力的情況下，在室溫時(shí)測(cè)定的電阻值。應(yīng)變片的標(biāo)準(zhǔn)名義電阻值通常為60、120、350、500、1000W五種。用得最多的為120W和350W兩種。應(yīng)變片在相同的工作電流下，電阻值愈大，允許的工作電壓亦愈大，可提高測(cè)量靈敏度。（3）機(jī)械滯后對(duì)已安裝的應(yīng)變片，在恒定的溫度環(huán)境下，加載和卸載過程中同一載荷下指示應(yīng)變的最大差數(shù)，稱為機(jī)械滯后。造成此現(xiàn)象的原因很多，如應(yīng)變片本身特性不好；試件本身的材質(zhì)不好；粘結(jié)劑選擇不當(dāng)；固化不良；粘接技術(shù)不佳，部分脫落和粘結(jié)層太厚等。在測(cè)量過程中，為了減小應(yīng)變片的機(jī)械滯后給

12、測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的誤差，可對(duì)新粘貼應(yīng)變片的試件反復(fù)加、卸載35次。（4）零點(diǎn)漂移對(duì)已安裝的應(yīng)變片，在溫度恒定、試件不受力的條件下，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化稱為零點(diǎn)漂移（簡(jiǎn)稱零漂）。這是由于應(yīng)變片的絕緣電阻過低及通過電流而產(chǎn)生熱量等原因造成。（5）蠕變對(duì)已安裝的應(yīng)變片，在溫度恒定并承受恒定的機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化稱為蠕變。這主要是由膠層引起，如粘結(jié)劑種類選擇不當(dāng)、粘貼層較厚或固化不充分及在粘結(jié)劑接近軟化溫度下進(jìn)行測(cè)量等。（6）應(yīng)變極限 溫度不變時(shí)使試件的應(yīng)變逐漸加大，應(yīng)變片的指示應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差（非線性誤差）小于規(guī)定值（一般為10%）情況下所能達(dá)到的最大應(yīng)變值為該應(yīng)變片的應(yīng)變極限。（7

13、）絕緣電阻應(yīng)變片引線和安裝應(yīng)變片的試件之間的電阻值稱為絕緣電阻。此值常作為應(yīng)變片粘結(jié)層固化程度和是否受潮的標(biāo)志。絕緣電阻下降會(huì)帶來(lái)零漂和測(cè)量誤差，尤其是不穩(wěn)定絕緣電阻會(huì)導(dǎo)致測(cè)試失敗。（8）疲勞壽命對(duì)已安裝的應(yīng)變片在一定的交變機(jī)械應(yīng)變幅值下，可連續(xù)工作而不致產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)，稱為疲勞壽命。疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)與動(dòng)載荷的特性及大小有密切的關(guān)系。一般情況下循環(huán)次數(shù)可達(dá)106107。（9）最大工作電流允許通過應(yīng)變片而不影響其工作特性的最大電流值，稱為最大工作電流。該電流和外界條件有關(guān)，一般為幾十毫安，箔式應(yīng)變片有的可達(dá)500mA 。流過應(yīng)變片的電流過大，會(huì)使應(yīng)變片發(fā)熱引起較大的漂零，甚至將應(yīng)變片燒

14、毀。靜態(tài)測(cè)量時(shí)，為提高測(cè)量精度，流過應(yīng)變片的電流要小一些；短期動(dòng)測(cè)時(shí)，為增大輸出功率，電流可大一些。5、 應(yīng)變式力傳感器力參量測(cè)量中，還可將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成了專用的應(yīng)變式力傳感器。它是先將被測(cè)力轉(zhuǎn)變成彈性元件的應(yīng)變，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測(cè)出應(yīng)變，從而間接的測(cè)出力的大小。所以彈性元件是這類傳感器的基礎(chǔ)，應(yīng)變片是其核心。彈性元件性能的好壞是保證測(cè)力傳感器使用質(zhì)量的關(guān)鍵，常用的彈性元件有柱式、梁式、環(huán)式和S形等幾大類參考熊教材。（一） 柱式力傳感器柱式力傳感器的彈性元件為柱狀，有實(shí)心和空心兩種。圖 是一種測(cè)量壓力的應(yīng)變式傳感器的典型構(gòu)造。受力彈性元件是一個(gè)由

15、圓柱加工成的方柱體，應(yīng)變片粘貼在四側(cè)面上。在不減小柱體的穩(wěn)定性和應(yīng)變片粘貼面積的前提下，為了提高靈敏度，可采用內(nèi)圓外方的空心柱。側(cè)向加強(qiáng)板用來(lái)增大彈性元件在x-y平面中的剛度減小側(cè)向力應(yīng)變片按圖示安裝并采用全橋接法，這樣既可以消除彎矩的影響，又有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋?duì)于精度要求。圖4-5 柱式力傳感器a) 結(jié)構(gòu)圖 b)接橋電路（二） 梁式力傳感器圖4- 6 梁式力傳感器a) 結(jié)構(gòu)圖 b)接橋電路為了獲得較大的靈敏度，可采用梁式結(jié)構(gòu)。圖 所示是用來(lái)測(cè)量拉壓力傳感器的典型彈性元件。如果結(jié)構(gòu)和粘貼都對(duì)稱，應(yīng)變片參數(shù)也相同，則這種傳感器具有較高的靈敏度，并能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償和消除x和y方向的干擾。（三）測(cè)量實(shí)

16、例圖4-7 應(yīng)變式稱重儀表原理稱重儀是應(yīng)變式力傳感器的典型應(yīng)用。圖4-7為應(yīng)變式稱重儀表的原理。其檢測(cè)元件為電阻應(yīng)變式力傳感器。稱重儀的臺(tái)面承受物料重量P后，傳感器的電阻值隨之而改變。這個(gè)電阻接在測(cè)量電路的電橋上。電橋輸出一個(gè)與重量成正比的不平衡電壓信號(hào)，并經(jīng)測(cè)量放大器放大后傳輸?shù)斤@示儀表和記錄器，也可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。稱重儀表還可采用剪切應(yīng)變?cè)碇瞥傻募羟辛菏搅鞲衅?，因?yàn)榧羟袘?yīng)變與力矩?zé)o關(guān)，可消除承重作用力點(diǎn)位置變動(dòng)的影響。應(yīng)變式稱重儀表的特點(diǎn)是：測(cè)量精確度高達(dá)萬(wàn)分之五；反應(yīng)速度快，通常為0.1至幾秒；測(cè)量范圍廣，其測(cè)量上限值為1千克至幾千噸；抗側(cè)向力能力強(qiáng)，最高可達(dá)額定載荷的50。第二節(jié) 電

17、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。此外應(yīng)變儀還起阻抗變換的作用，和記錄器達(dá)到阻抗匹配。電阻應(yīng)變儀具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、測(cè)量簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、可靠、且能做多點(diǎn)較遠(yuǎn)距離測(cè)量等特點(diǎn)。對(duì)電阻應(yīng)變儀的要求是，應(yīng)變測(cè)量輸出大，具有低阻抗的電流輸出及高阻抗電壓輸出，便于連接各種記錄儀器，同時(shí)適用于室內(nèi)及野外測(cè)量。應(yīng)變儀按被測(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、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、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。（a）靜態(tài)電阻應(yīng)變儀：主要測(cè)量靜載荷作用下物理量

18、的變化，其應(yīng)變信號(hào)變化十分緩慢或變化一次后能相對(duì)穩(wěn)定。靜態(tài)應(yīng)變儀一般是載波放大式的，使用零位法進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量時(shí)需選配一個(gè)預(yù)調(diào)平衡箱。各傳感器和箱內(nèi)電阻一起組橋，并進(jìn)行預(yù)調(diào)平衡。預(yù)調(diào)或?qū)崪y(cè)時(shí)需另配一手動(dòng)或自動(dòng)的多點(diǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)，依次接通測(cè)量。如手動(dòng)平衡式靜態(tài)應(yīng)變儀如YJ-5型。（b）靜動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀：靜動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)量靜態(tài)應(yīng)變?yōu)橹?，也可測(cè)量頻率較低的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。YJD-1和YJD-7型靜動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變工作頻率分別為010Hz和0100Hz。（c）動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀：動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀與各種記錄儀配合用以測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變。測(cè)量的工作頻率可達(dá)02000Hz。個(gè)別可達(dá)10kHz。動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀具有電橋、放大器、相敏檢波

19、器和濾波器等。動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀用“偏位法”進(jìn)行測(cè)量，可測(cè)量周期或非周期性的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。圖4-5是動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的工作原理框圖。如YD-15型動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀。YD-15型應(yīng)變儀采用載波電橋，放大器具有深度交直流負(fù)反饋。為從放大器輸出的調(diào)制信號(hào)中檢出應(yīng)變信號(hào)，采用電橋調(diào)制以及與負(fù)載相對(duì)應(yīng)的低阻相敏檢波器，來(lái)鑒別信號(hào)的大小和方向。由于低阻相敏檢波器消耗功率較大，因此前置一緩沖級(jí)功率放大。經(jīng)濾波后輸出給記錄器。穩(wěn)壓電源采用24伏直流電壓，野外作業(yè)可采用2225V范圍的蓄電池供電。（d）超動(dòng)態(tài)電阻應(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，用于測(cè)量沖擊等變化非常劇烈的瞬間過程。超動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀工作頻率比較

20、高，要求載波頻率就更高，因此，多采用直流放大器。如國(guó)產(chǎn)Y6C-9型超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采用直流供橋和直流放大電路，最高工作頻率達(dá)200kHz。u1（t）0tu3（t）0t0t0txm（t）振蕩器應(yīng)變式傳感器電橋交流放大器相敏檢波器低通濾波器示波器橋電阻應(yīng)變電壓電壓電壓電壓（電流）力、應(yīng)變等0tu2（t）0ty（t）0ty（t）0t圖4-5 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的工作原理框圖 下面以動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀為例介紹介紹應(yīng)變式力傳感器的電路調(diào)理過程。一、測(cè)量電橋（調(diào)幅放在這一塊兒） 圖4-6 直流電橋 應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，由于電阻的變化在數(shù)量值上很小，且不易進(jìn)行信號(hào)的傳輸處理，因此須采用高精度的測(cè)量電路電橋測(cè)量

21、電路。電橋是將電阻、電感、電容等參量 的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測(cè)量電路，這種測(cè)量電路簡(jiǎn)單可靠，具有很高的精度和靈敏度，而且可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償，因此的測(cè)量裝置中被廣泛采用。 電橋按其所采用的激勵(lì)電源的類型可分為直流電橋和交流電橋。（一）直流電橋 如圖4-6是直流電橋的基本結(jié)構(gòu)形式，電阻 R1，R2，R3，R4構(gòu)成四個(gè)橋臂，ac端稱供橋電源端，bd端稱輸出端，通常bd端接輸入電阻較大的儀表或放大器，因此電橋的輸出端可看成開路。下面，我們分析電阻和電橋輸出電壓U0的關(guān)系，從而導(dǎo)出直流電橋的平衡條件。 1、直流電橋的平衡條件 供橋電源電壓Ui，輸出電壓U0，支路電流I1，I2方向如圖41所示。由

22、圖可看出： a、b之間與a、d之間的電位差分別為輸出電壓 (412) 所謂電橋平衡，即b、d點(diǎn)電位相等，輸出U00。即：R1R3R2R40，而U0)，由此得到直流電橋的平衡條件：R1R3R2R4 或 R2R1R3R4 (413) 此式的含義：對(duì)臂電阻的乘積相等，或者說(shuō)鄰臂電阻之比相等。由上式可見， 平衡條件與電源電壓無(wú)關(guān)，若適當(dāng)選擇各橋臂電阻值，就可使輸出電壓只與被測(cè)量引起的電阻變化量有關(guān)。 2、電橋的輸出與和差特性 常用的電橋連接形式有半橋單臂、半橋雙臂和全橋連接，如圖4-7所示。（1） 半橋單臂的輸出 半橋單臂的連接形式如圖4-7（a）所示，設(shè)R1為電阻應(yīng)變式傳感器的工作片（即該片貼于變形

23、的試件上），則其電阻在試件變形后，將由R1變?yōu)镽1+R1，使電橋失去平衡，于是b、d間就有電位差，根據(jù)式（4-12）其輸出電壓為： (a) 半橋單臂(b) 半橋雙臂(c) 全橋圖4-7 直流電橋的連接方式 (414) 實(shí)際測(cè)量中常選用等臂電橋，即電橋的橋臂阻值相等（R1R2R3R4R0）。則上式變?yōu)?(415) 一般RR0，因此上式可簡(jiǎn)化為： (416) 可見，在供橋電壓確定的前提下，電橋輸出與電阻應(yīng)變片的變化量成單調(diào)線性變化關(guān)系。王伯雄教材參考 電橋靈敏度定義為： (417) 則半橋單臂的靈敏度為 。（2） 半橋雙臂輸出 圖4-7（b）為全橋雙臂連接方式，工作中有兩個(gè)橋臂為電阻應(yīng)變片（一般為

24、相鄰橋臂），其阻值形成差動(dòng)變化，即阻值變化大小相等而極性相反，即R1R，R2R；當(dāng)采用等臂電橋時(shí)，同樣由式4-12可得出，電橋的輸出電壓 (418)當(dāng)輸入為時(shí)，半橋雙臂連接的靈敏度為 (419) 可見，鄰臂異號(hào)變化，輸出電壓為兩臂變化之和，電橋靈敏度是半橋單臂的二倍。若鄰臂同號(hào)變化，輸出為兩臂變化之差。應(yīng)變片利用電橋進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)牡览砭驮谟诖?。?） 全橋連接輸出假若各橋臂R1、R2、R3、R4均為電阻應(yīng)變片，為全橋連接方式，如圖4-7（c）所示。若各橋臂為差動(dòng)輸出方式，即R1R，R2R，R3R，R4R；當(dāng)采用等臂電橋時(shí)，同樣由式4-12可得出，電橋的輸出電壓 (420) 當(dāng)輸入為時(shí)，半橋雙臂

25、連接的靈敏度為 (421) 此式說(shuō)明鄰臂異號(hào)，對(duì)臂同號(hào)，電橋輸出是單臂時(shí)的四倍。顯然，若鄰臂同號(hào)，對(duì)臂異號(hào)，則電橋輸出為零。 若非差動(dòng)輸出關(guān)系，各橋臂分別有電阻增量R1、R2、R3、R4，則電橋的輸出電壓增量U0為： 由于DRi0；電容性阻抗，0時(shí)，U0(t)與Ui(t)極性相同。即調(diào)幅波與載波同頻同相； 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)（在0t1時(shí)間內(nèi)），調(diào)幅波xm（t）與載波y（t）同相。若xm（t）0，y（t）0，則在變壓器線圈上產(chǎn)生的電壓極性如圖5-16（a）所示，此時(shí)二極管VD2、VD3導(dǎo)通，流經(jīng)負(fù)載Rf的電流有i3（e-Rf-f-a-VD3-b-e）和i

26、2（b-VD2-c-f-Rf-e-b），在i3回路中，負(fù)載電阻Rf上產(chǎn)生的輸出為 （5-30）在i2回路中，負(fù)載電阻Rf上產(chǎn)生的輸出為 （5-31）總輸出為 （5-32） 若xm（t）0，y（t）0時(shí)，無(wú)論調(diào)制波是否為正，相敏檢波器的輸出波形均為正，即保持與調(diào)制信號(hào)極性相同，如圖5-18（d）所示。同時(shí)可知，這種電路相當(dāng)于在0t1段對(duì)xm（t）全波整流，故解調(diào)后的頻率為原調(diào)制波的二倍。當(dāng)調(diào)制信號(hào)x（t）0時(shí)（圖5-17（b）中t1 t2時(shí)間內(nèi)），調(diào)幅波xm（t）與載波y（t）反相，同樣可以分析得出：x（t）0時(shí)，不管調(diào)制波極性如何，相敏檢波器的輸出波形均為負(fù)，保持與調(diào)制信號(hào)極性相同。同時(shí)，電路

27、在t1 t2段相當(dāng)于對(duì)xm（t）全波整流后反相，解調(diào)后的頻率也為原調(diào)制波的二倍。結(jié)果如圖5-18所示。相敏濾波器輸出波形的包絡(luò)線即是所需要的信號(hào)，因此，必須把它和載波分離。由于被測(cè)信號(hào)的最高頻率（載波頻率），所以應(yīng)在相敏檢波器的輸出端再接一個(gè)適當(dāng)頻帶的低通濾波器，即可得到與原信號(hào)波形一致，但已經(jīng)放大了的信號(hào)，達(dá)到解調(diào)的目的。低通濾波器是一種選頻裝置，只允許從直流到某個(gè)截止頻率 (fC) 的信號(hào)通過， 但高于截止頻率的信號(hào)極大地衰減的電子濾波裝置。第三節(jié) 影響測(cè)量的因素及其消除方法前面較詳細(xì)地講述了利用應(yīng)變片測(cè)量各種力參量的一般原理和方法。但在實(shí)際測(cè)試中,為了保證測(cè)量結(jié)果的有效性，還必須對(duì)影響測(cè)

28、量精度的各因素有所了解并采取有針對(duì)性的措施來(lái)消除它們的影響。否則，測(cè)量將可能產(chǎn)生較大誤差甚至失去意義。一、溫度的影響及溫度補(bǔ)償 測(cè)試實(shí)踐表明, 溫度對(duì)測(cè)量的影響很大，一般來(lái)說(shuō)必須考慮消除其影響。溫度的影響主要是通過影響應(yīng)變片電阻值的變化，并由應(yīng)變儀輸出一個(gè)虛假應(yīng)變值來(lái)影響測(cè)量精度的。 1、溫度的影響1）溫度變化使應(yīng)變片電阻絲的電阻率發(fā)生變化, 進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)電阻增量式中 應(yīng)變片電阻絲材料的電阻溫度系數(shù); t 溫度的變化量。 2、由于被測(cè)試件材料的線膨脹系數(shù)m和應(yīng)變片電阻絲材料的線膨脹系數(shù)g的不同，當(dāng)環(huán)境溫度變化t 時(shí)， 單位長(zhǎng)度上的自由伸長(zhǎng)量不同。但由于應(yīng)變片是粘貼在試件上的，電阻絲將在力作用下

29、發(fā)生強(qiáng)迫變形并由此產(chǎn)生一電阻增量Rtp。 若應(yīng)變片柵長(zhǎng)為l , 則在該長(zhǎng)度上自由伸長(zhǎng)量分別為 應(yīng)變片的強(qiáng)迫變形量為根據(jù) R = RK有 可見由溫度變化引起的總的電阻增量為 這個(gè)由溫度引起的電阻增量Rt將在儀器的輸出端給出一個(gè)量值為的虛假應(yīng)變。 3、溫度補(bǔ)償 消除溫度對(duì)測(cè)量影響的方法就稱為溫度補(bǔ)償。根據(jù)溫度對(duì)測(cè)量影響的原因, 可以考慮利用電橋的和差特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這是最常用的補(bǔ)償方法之一，而且補(bǔ)償效果較好。 測(cè)量應(yīng)變時(shí)，使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被測(cè)試件的表面，如圖4- 中的R1，稱為工作片；另一片貼在與被測(cè)試件材料相同的補(bǔ)償塊上，如圖中R2，稱為補(bǔ)償片。在工作中補(bǔ)償片不承受應(yīng)變，僅隨溫度的變化

30、產(chǎn)生應(yīng)變。假定它們由溫度變化引起的電阻增量分別為： 當(dāng)R1= R2時(shí), 電阻計(jì)算增量R0就與Rt1和Rt2無(wú)關(guān)，也即儀器輸出不受溫度影響，從而實(shí)現(xiàn)了力測(cè)量的溫度補(bǔ)償。 由以上溫度補(bǔ)償原理可知, 實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)幕緱l件是 R =R , 具體地說(shuō)就是要在測(cè)試操作中滿足以下三個(gè)條件 (1) 工作片和補(bǔ)償片必須是相同的 (R1= R2，1=2，g1=g2.K1=K2 )； (2) 補(bǔ)償板和待測(cè)試件的材料必須相同 (m1=m2 )； (3) 工作片和補(bǔ)償片的溫度條件必須是相同的或位于同一溫度環(huán)境下(t1 =t2 )。 應(yīng)用中， 多采用雙工作片半橋或四工作片全橋的接橋方式，這樣即可以實(shí)現(xiàn)溫度互補(bǔ)又能提高電

31、橋的輸出，如圖4-8所示的情況。互補(bǔ)的基本原理與前面所述的相同，讀者可自行分析其具體的補(bǔ)償過程。二、長(zhǎng)引線的影響及其消除方法 1、長(zhǎng)引線的影響 某些現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況下, 需要用長(zhǎng)導(dǎo)線連接儀器和工作應(yīng)變片, 如圖6-12所示。這種情況下引線電阻r 將給測(cè)量帶來(lái)三方面的影響。 1）降低了測(cè)量靈敏度 對(duì)于該應(yīng)變片相對(duì)電阻計(jì)算增量為 根據(jù)應(yīng)變片靈敏系數(shù)的定義可知長(zhǎng)引線條件下有 圖6-12 長(zhǎng)引線接橋示意圖 顯然 KK , 這相當(dāng)于降低了應(yīng)變片的靈敏系數(shù), 從整體上看就是降低了儀器的測(cè)量靈敏度。由此引起的相對(duì)測(cè)量誤差為 2）引起靈敏度漂移 當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí), 引線電阻將產(chǎn)生一個(gè)增量rt。根據(jù)前面的分析可知,

32、 rt的變化將引起應(yīng)變片靈敏系數(shù)或儀器的測(cè)量靈敏度的漂移。 3）rt引起一個(gè)相應(yīng)的虛假應(yīng)變輸出，該誤差是這三種誤差最大的。 2、消除的方法 根據(jù)對(duì)測(cè)量影響的原因, 可以有若干消除或減小測(cè)量誤差的方法。下面介紹兩種方法。 (1) 一般來(lái)說(shuō), 當(dāng)引線長(zhǎng)度大于10米、引線的環(huán)境溫度較為穩(wěn)定時(shí), 按下式對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正就可獲得足夠精度的測(cè)量結(jié)果。 (6-11)式中 長(zhǎng)引線條件下的測(cè)量值。 對(duì)于圖6-12的情況, 由于引線電阻r 的介入, 可能使得儀器不能預(yù)調(diào)平衡或不能進(jìn)行測(cè)量, 解決的方法之一是將R 也作為用長(zhǎng)引線連接的工作片 (補(bǔ)償片也可) 接入電橋。修正方法不變。 (2) 若引線經(jīng)過的場(chǎng)所有溫度變

33、化較大的地方, 如位于日曬、設(shè)備烘烤等不穩(wěn)定熱源或冷源的附近, 可考慮采用圖6-13所示的三線制接法。 這種接法的目的是為了將連接應(yīng)變片的兩根長(zhǎng)引線分配到兩相鄰的橋臂上, 這樣只要兩引線所處的環(huán)境條件相同就可以完全消除由于引線電阻變化對(duì)靈敏度漂移的影響。 當(dāng)采用平衡電橋進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量時(shí), 這 種方法在克服由于引線電阻隨溫度變化而 圖6-13 應(yīng)變片的三線制接法導(dǎo)致測(cè)量誤差方面是十分有效的。對(duì)于采用不平衡電橋進(jìn)行的動(dòng)態(tài)測(cè)量, 該方法的作用就受到了限制。原因是其中的電源引線電阻也將是隨環(huán)境溫度的變化而不確定, 這一因素引起的實(shí)際供橋電壓的波動(dòng)也表現(xiàn)為儀器靈敏度的漂移, 而最終造成測(cè)量誤差。另外, 電

34、源引線的電阻r 進(jìn)一步降低了測(cè)量橋路的靈敏度。 對(duì)于靈敏度降低等原因引起的系統(tǒng)誤差, 可以通過修正或標(biāo)定的方法消除。而對(duì)于那些能引起誤差而量值又不確定的影響因素則要盡量設(shè)法根除或減弱它們的影響。 以上只是分析了影響測(cè)量的部分原因并給出了一些消除影響的方法。影響測(cè)量的因素還有壓力、濕度等。測(cè)試實(shí)踐中, 還需要根據(jù)引起誤差的原因、對(duì)測(cè)試結(jié)果精度的要求等對(duì)問題做具體的分析以便采用有效的補(bǔ)償措施。第四節(jié) 典型力參量測(cè)量時(shí)的貼片和接橋方法應(yīng)變片感受的是構(gòu)件表面某點(diǎn)的拉或壓變形，而有時(shí)應(yīng)變可能是有多種內(nèi)力（如有拉有彎）造成的。為了測(cè)量某種內(nèi)力所造成的變形，而排除其余內(nèi)力的應(yīng)變，必須合理選擇貼片位置、方位和組橋方式，才能利用電橋的加減特性達(dá)到目的，同時(shí)也可達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч１?-1以簡(jiǎn)支梁彈性元件為例，列出了測(cè)量不同載荷時(shí)應(yīng)變片排列和組橋方案。應(yīng)