應變測量基礎知識10

1、應變測量基礎知識應變測量基礎知識1.0同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室目錄目錄應變片工作原理應變片工作原理測量電路淺析測量電路淺析應變片應用舉例應變片應用舉例2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室1.應變片工作原理應變片工作原理 應變與應力應變與應力1 應變效應應變效應2 應變片結構應變片結構3 溫度誤差與自補償溫度誤差與自補償42011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室1.1 應變與應力應變與應力應力應力（stress）物體由于外因(受力、濕度、溫度場變化等)而變形時，

2、在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用應變應變（strain）機械零件和構件等物體內(nèi)任一點因外力作用引起的形狀和尺寸的相對改變關系關系E2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室1.2 應變效應應變效應應變效應：機械變形產(chǎn)生電阻變化試件變形應變片變形電阻變化2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室1.2 應變效應應變效應FlrrlFAlR2lldRddldAAAAdRdldAdRlA(12 )dRdR 2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室1.2 應變效應應變效應dRdRK2112d電阻絲的靈敏系數(shù)電阻

3、絲的靈敏系數(shù)：單位應變所引起的電阻相對變化量。12d大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，K為常數(shù)。2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室1.2 應變效應應變效應橫向效應2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室1.3 應變片結構應變片結構 電阻應變片是由電阻絲繞成柵狀(或用很薄的金屬箔腐蝕成柵狀)夾在兩層絕緣薄片中(基底)制成。用鍍銀銅線與應變片絲柵連接，作為電阻片引線。2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室1.4 溫度誤差與自補償溫度誤差與自補償000 tRRRRt溫度系數(shù)溫度系數(shù)幾何變化幾何變化0000()gsRK R

4、K Rt 溫度誤差產(chǎn)生來源溫度誤差產(chǎn)生來源溫度系數(shù)產(chǎn)生影響以及尺寸變化引起的電阻變化2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室1.4 溫度誤差與自補償溫度誤差與自補償電阻材料的溫度系數(shù)試件材料的熱膨脹系數(shù)電阻材料的熱膨脹系數(shù)自補償000()tgsRRRRKt )(00sgK2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室2. 測量電路淺析測量電路淺析 惠斯通電橋輸出特性惠斯通電橋輸出特性1 電橋的非線性與差動電路電橋的非線性與差動電路2 利用電橋特性進行溫補利用電橋特性進行溫補32011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室2.1 惠斯通

5、電橋輸出特性惠斯通電橋輸出特性電橋平衡條件電橋平衡條件 單橋臂電阻變化的電壓輸出單橋臂電阻變化的電壓輸出 鄰橋臂電阻變化的電壓輸出鄰橋臂電阻變化的電壓輸出 全橋臂電阻變化的電壓輸出全橋臂電阻變化的電壓輸出 41232011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室2.1.1 電橋平衡條件電橋平衡條件140123413241234()()()iiRRUURRRRR RR RURRRR=-+-=+14132423RRR RR RRR=當，即電橋平衡。2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室2.1.2 單橋臂電阻變化的電壓輸出單橋臂電阻變化的電壓輸出131141

6、12341123411124113()()()(1)(1)oiiiR RRRRUUURRRRRRRRRRRRURRRRRRD+ D=-=+ D+ D+D=D+11111RRRR=由于，略去分母中DD4132RRnRR=設，則1121n1(n1)(1)(n1)noiiRRRUUURDD=+o211Un S(n1)iURR電壓靈敏度： =D+n=1時，S最大，實際中一般取R1=R2=R3=R4=R。14oiRUURD=2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室2.1.3 鄰橋臂電阻變化的電壓輸出鄰橋臂電阻變化的電壓輸出13241141122341122341212122241

7、1213()()()(1)(1)oiiiR RR RRRRUUURRRRRRRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRD - D+ D=-=+ D+ D+ D+ D+DD-=DD+12121()4oiRRUURRDD= =-1234RRR1RRRRRR=由于，略去分母中=D=D2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室2.1.4 全橋臂電阻變化的電壓輸出全橋臂電阻變化的電壓輸出11441122334413243141132411223344331241241234132412221121()()()(1)(1oiiRRRRUURRRRRRRRR RRRRRRRRRRRUR

8、RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR+ D+ D=-+ D+ D+ D+ DD - D + D - D + D D- D D=+ D+ D+ D+ DDDDDDDDD-+-+-=DDD+34443343)iURRRRRRRD+312412341()4oiRRRRUURRRRDDDD=-+-12341RRRRRRR=由于，略去分子與分母中的高階小量=D2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室2.2 電橋的非線性與差動電路電橋的非線性與差動電路電橋的非線性誤差電橋的非線性誤差半橋差動電路半橋差動電路全橋差動電路全橋差動電路 123差動電路的靈敏度

9、差動電路的靈敏度 42011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室2.2.1 電橋的非線性誤差電橋的非線性誤差11211(1/)oiRnUnRURR理想情況（略去分母中的項）1111111111 112/oooLLoURRUURRnRRURRRnR與的關系是非線性時的，線，非性誤差為1111111/(1)oiRRRnRUURnnR實際情況（保留分母中的項）對于一般應變片，所受應變通常在5000以下。若取K=2，則R1/R1=K=0.01，計算得非線性誤差為0.5%；若K=130，=1000時，R1/R1=0.130，則得到非線性誤差為6%。故當非線性誤差不能滿足測量要求時，必

10、須予以消除。2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室2.2.2 半橋差動電路半橋差動電路1141122341324112234()()()oiiRRRUURRRRRRR RR RURRRRRR+ D=-+ D+ D+D - D=+ D+ D+121234,1,RR RRRRRnD= - D=12oiRUURD=2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室2.2.3 全橋差動電路全橋差動電路114411223344()oiRRRRUURRRRRRRR+ D+ D=-+ D+ D+ D+ D12341234,1,RRRRRRRRRnR=D= - D= D

11、- D= DoiRUURD=2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室2.2.4 差動電路的靈敏度差動電路的靈敏度14oiRUURD=12oiRUURD=oiRUURD=2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室2.3 利用電橋特性進行溫補利用電橋特性進行溫補半橋的溫度補償半橋的溫度補償114112234121234111111111(),()0ooRRRUUiRRRRRRRR RRRRRRRRUUiRRRRRR其中n=1,+ D=-+ D+ D+D= D=+ D=-=+ D+ D+全橋的溫度補償全橋的溫度補償11441122334412123411

12、1111111111(),()0ooRRRRUUiRRRRRRRRRR RRRRRRRRRUUiRRRRRRRR其中n=1,+ D+ D=-+ D+ D+ D+ DD= D=+ D+ D=-=+ D+ D+ D+ D2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室3. 應變片應用應變片應用 測量應變測量應變1 應變式傳感器應變式傳感器2 具體項目中的應用具體項目中的應用32011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室3.1 測量應變測量應變 主應力方向未知主應力方向未知利用單向應變片來測量主方向已知的應變利用單向應變片來測量主方向已知的應變2011.11.01

13、同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室3.1 測量應變測量應變 主應力方向已知主應力方向已知利用應變花來測量主方向已知的應變利用應變花來測量主方向已知的應變2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室3.2 應變式傳感器應變式傳感器應變式力傳感器應變式力傳感器2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室3.2 應變式傳感器應變式傳感器2146352143應變式加速度傳感器應變式加速度傳感器2011.11.01同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室3.2 應變式傳感器應變式傳感器其他各種可表定量：位移。其他各種可表定量：位移。2011.11.0

14、1同濟大學汽車學院實驗室同濟大學汽車學院實驗室3.3 具體項目中的應用具體項目中的應用全順全順G301項目項目試驗目的試驗目的 最初目的：底盤部件貼片獲取多體模型的驗證信號 后期目的：通過標定獲取軸頭力信號螺旋彈簧螺旋彈簧Fz布片與組橋方案布片與組橋方案 前螺旋彈簧：半橋螺旋彈簧螺旋彈簧Fz標定結果標定結果 前螺旋彈簧標定時油缸采用位移控制后板簧后板簧Fz布片與組橋方案布片與組橋方案 后板簧：半橋12Fz后板簧后板簧Fz標定結果標定結果 后板簧標定時油缸采用位移控制前擺臂前擺臂Fx布片與組橋方案布片與組橋方案 前擺臂Fx：半橋12Fx前擺臂前擺臂Fx標定結果標定結果 前擺臂Fx標定時油缸采用位

15、移控制前擺臂前擺臂Fy布片與組橋方案布片與組橋方案 前擺臂Fy：全橋（單臂240歐姆）1243Fy力方向力方向上表面圓孔上表面圓孔Fy方向粘貼方向粘貼1、2應變片，串聯(lián)連接作為電橋應變片，串聯(lián)連接作為電橋1橋臂；橋臂；下表面圓孔下表面圓孔Fy方向粘貼方向粘貼3、4應變片，串聯(lián)連接作為電橋應變片，串聯(lián)連接作為電橋3橋臂；橋臂；用兩個串聯(lián)的用兩個串聯(lián)的120歐姆應變片組成歐姆應變片組成2橋臂（橋臂（4橋臂同理），組成橋臂同理），組成溫度補償?shù)娜珮驕y試橋路；溫度補償?shù)娜珮驕y試橋路；注釋：左右兩側對稱布置注釋：左右兩側對稱布置E:激勵電壓激勵電壓e0:輸出電壓輸出電壓1234+-S-S+一橋臂一橋臂三

16、橋臂三橋臂二橋臂二橋臂四橋臂四橋臂前擺臂前擺臂Fy布片與組橋方案布片與組橋方案 前擺臂Fy：全橋（單臂240歐姆）前擺臂前擺臂Fy標定結果標定結果 前擺臂Fy標定時油缸采用位移控制后橋殼后橋殼Fx布片與組橋方案布片與組橋方案 后橋殼Fx：半橋左后車輪側左后車輪側鋼板彈簧座鋼板彈簧座Z方向俯視圖方向俯視圖12E:激勵電壓激勵電壓e0:輸出電壓輸出電壓12+-S-一橋臂一橋臂二橋臂二橋臂Fx縱向力半橋電路縱向力半橋電路Fx縱向力：前表面粘貼藍色縱向力：前表面粘貼藍色1應變應變片，后表面粘貼藍色片，后表面粘貼藍色2應變片（在應變片（在橋殼水平中切面上，沿橋殼水平中切面上，沿Y方向粘方向粘貼），組一半

17、橋測試電路；貼），組一半橋測試電路；后橋殼后橋殼Fx標定結果標定結果 后橋殼Fx標定時油缸采用力控制（位移控制效果不好）后橋殼后橋殼Fy布片與組橋方案布片與組橋方案 后橋殼Fy：半橋Fy力：上表面粘貼紅色力：上表面粘貼紅色1應變片，下表面粘貼應變片，下表面粘貼紅色紅色2應變片，組一半橋測試電路；應變片，組一半橋測試電路；注釋：左右兩側對稱布置注釋：左右兩側對稱布置鋼板彈簧座鋼板彈簧座X方向正視圖方向正視圖12+E:激勵電壓激勵電壓e0:輸出電壓輸出電壓12+-S-一橋臂一橋臂二橋臂二橋臂Fy橫向力半橋電路橫向力半橋電路后橋殼后橋殼Fy標定結果標定結果 后橋殼Fy標定時油缸采用力控制后橋殼后橋殼

18、Fz布片與組橋方案布片與組橋方案 后橋殼Fz：全橋Fz垂向力：上表面粘貼綠色垂向力：上表面粘貼綠色1、2剪切應變片，下剪切應變片，下表面粘貼綠色虛線表面粘貼綠色虛線3、4剪切應變片（圖示中剪切應變片（圖示中3、4與與1、2錯開為便于觀察，實際粘貼為投影重疊關錯開為便于觀察，實際粘貼為投影重疊關系），組一全橋測試電路；系），組一全橋測試電路；注釋：左右兩側對稱布置注釋：左右兩側對稱布置左后車輪側左后車輪側鋼板彈簧座鋼板彈簧座X方向正視圖方向正視圖1423E:激勵電壓激勵電壓e0:輸出電壓輸出電壓1234+-S-S+一橋臂一橋臂三橋臂三橋臂二橋臂二橋臂四橋臂四橋臂Fz垂向力全橋電路垂向力全橋電路后

19、橋殼后橋殼Fz標定結果標定結果 后橋殼Fz標定時油缸采用力控制后橋殼后橋殼My布片與組橋方案布片與組橋方案 后橋殼My：全橋My制動扭矩：上表面粘貼綠色制動扭矩：上表面粘貼綠色1、2剪剪切應變片，下表面粘貼綠色虛線切應變片，下表面粘貼綠色虛線3、4剪剪切應變片（圖示中切應變片（圖示中3、4與與1、2錯開為便錯開為便于觀察，實際粘貼為投影重疊關系），于觀察，實際粘貼為投影重疊關系），組一全橋測試電路組一全橋測試電路注釋：左右兩側對稱布置注釋：左右兩側對稱布置左后車輪側左后車輪側鋼板彈簧座鋼板彈簧座Z方向俯視圖方向俯視圖1324E:激勵電壓激勵電壓e0:輸出電壓輸出電壓1234+-S-S+一橋臂一橋臂三橋臂三橋臂二橋臂二橋臂四橋臂四橋臂My制動扭矩全橋電路制動扭矩全橋電路后橋殼后橋殼My標定結果標定結果 后橋殼My標定時油缸采用力控制3.3 具體項目應用具體項目應用2011.1