第4章力和重量檢測(cè)

1、第第4章章 力和重量檢測(cè)力和重量檢測(cè)適配教材現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用李現(xiàn)明主編，高等教育出版社2012年第1版引語(yǔ)引語(yǔ)n根據(jù)工作原理，力和重量檢測(cè)方法、儀表分為兩大類(lèi)分為兩大類(lèi)： 其一其一，利用某些物質(zhì)受力作用時(shí)，其固有物理特性發(fā)生變化，而這些固有物理特性參數(shù)可以比較方便的轉(zhuǎn)換為電參數(shù)。例如，壓磁式、壓電式、振弦式等； 其二其二，利用物體受力產(chǎn)生的彈性變形，通過(guò)電測(cè)量方法測(cè)量其變形量，進(jìn)而確定其受力的大小。例如，電阻應(yīng)變式、電容式、電感式等。n已存在多種具體的力、重量檢測(cè)方法和商品化檢測(cè)儀表，它們皆有各自的優(yōu)勢(shì)，也有各自使用上的局限性。n自動(dòng)化工程師的工作在于分析測(cè)量控制對(duì)象的特點(diǎn)，在眾多的力、重量

2、測(cè)量方法和儀表中，進(jìn)行科學(xué)的選擇、安裝、調(diào)試、使用和維護(hù)。 4.1 常用力、重量檢測(cè)方法常用力、重量檢測(cè)方法4.1.1 電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式n是應(yīng)用最為普遍應(yīng)用最為普遍的力、重量檢測(cè)方法，約占荷重及力傳感器的90%；測(cè)量力、重量，屬于電阻應(yīng)變傳感方法的具體應(yīng)用之一。n原理：原理：被測(cè)力、重量施加在彈性敏感元件上，轉(zhuǎn)換為彈性敏感元件的應(yīng)變量，再通過(guò)電阻應(yīng)變片將此應(yīng)變量轉(zhuǎn)換為電阻的變化量，最后通過(guò)測(cè)量電路將電阻的變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)、電流信號(hào)、數(shù)字信號(hào)。n優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍寬（1mN108N）、測(cè)量精度高（0.01%0.10%）、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、側(cè)向力對(duì)測(cè)量精確度的影響?。籲缺點(diǎn)：輸出信號(hào)小、

3、過(guò)載性能較差、不均勻載荷對(duì)測(cè)量精度的影響較大。n一般而言，電阻應(yīng)變式力和重量檢測(cè)方法量程與精度優(yōu)于其他測(cè)力傳感器，廣泛應(yīng)用于各種稱(chēng)量系統(tǒng)、配料系統(tǒng)中，在張力、軋制力的測(cè)量中也有應(yīng)用。 n被測(cè)量種類(lèi)和傳感原理種類(lèi)之間具有復(fù)雜的交叉被測(cè)量種類(lèi)和傳感原理種類(lèi)之間具有復(fù)雜的交叉聯(lián)系，一種被測(cè)量可由多種測(cè)量原理進(jìn)行測(cè)量，聯(lián)系，一種被測(cè)量可由多種測(cè)量原理進(jìn)行測(cè)量，一種測(cè)量原理也可以測(cè)量多種被測(cè)量。這是傳感一種測(cè)量原理也可以測(cè)量多種被測(cè)量。這是傳感檢測(cè)技術(shù)的又一重要特點(diǎn)。檢測(cè)技術(shù)的又一重要特點(diǎn)。n例如，電阻應(yīng)變式檢測(cè)方法既可以測(cè)量位移、厚度，也可以測(cè)量力、重量；而位移量、力和重量、厚度等被測(cè)量，既可以用電阻

4、應(yīng)變片原理測(cè)量，也可以用電感式傳感方法、電容式傳感方法測(cè)量。n被測(cè)量種類(lèi)和傳感原理種類(lèi)之間不同的結(jié)合，所形成的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)、適應(yīng)場(chǎng)合互不相同，由此構(gòu)成了內(nèi)容豐富的傳感檢測(cè)技術(shù)體系。 4.1.2 電容式電容式n屬于電容傳感方法的具體應(yīng)用之一。n原理：原理：首先通過(guò)彈性敏感元件將力、重量轉(zhuǎn)換為微小的位移量，再通過(guò)電容傳感器將此位移量轉(zhuǎn)換為電容的變化量，最后通過(guò)測(cè)量電路將電容的變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)、電流信號(hào)、數(shù)字信號(hào)。n優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、過(guò)載性能好、測(cè)量精度較高、不均勻載荷對(duì)測(cè)量精度的影響小；n缺點(diǎn)：測(cè)量電路較復(fù)雜，分布電容、溫度對(duì)測(cè)量精確度的影響較大。圖4.1 電容式稱(chēng)重傳感器1-動(dòng)極板；2-定極板

5、；3-絕緣材料；4-彈性體；5-極板支架4.1.3 壓電式壓電式n測(cè)量原理測(cè)量原理是基于壓電效應(yīng)。壓電材料受力后在其某相對(duì)的兩個(gè)表面產(chǎn)生數(shù)量相等、極性相反的電荷，外力消失后這些電荷也消失，電荷量與被測(cè)力成比例。n壓電式力傳感器可分為單向力、雙向力、三向力傳感器，常用石英晶體作敏感元件。n圖4.2為壓電式單向測(cè)力傳感器圖，圖中壓電元件為兩片縱向壓電效應(yīng)的石英晶體切片，實(shí)現(xiàn)力與電的轉(zhuǎn)換。上蓋為傳力元件，受力后產(chǎn)生彈性變形，將作用力傳遞到壓電元件上，其變形壁厚度為0.1mm0.5mm，由所測(cè)力大小決定。聚四氟乙烯絕緣套用來(lái)絕緣和定位。機(jī)座作為支承及外殼，其內(nèi)外表面與晶片、電極、上蓋內(nèi)表面的平行度和表

6、面光潔度，都有極嚴(yán)格的要求。 圖4.2 壓電式單向力傳感器n壓電元件壓電元件為兩片縱向壓電效應(yīng)的石英晶體切片;n上蓋上蓋為傳力元件，受力后產(chǎn)生彈性變形，將作用力傳遞到壓電元件上，其變形壁厚度為0.1mm0.5mm，由所測(cè)力大小決定。n聚四氟乙烯絕緣套絕緣套用用來(lái)絕緣和定位。n機(jī)座機(jī)座作為支承及外殼，其內(nèi)外表面與晶片、電極、上蓋內(nèi)表面的平行度和表面光潔度，都有極嚴(yán)格的要求。 圖4.3壓電式雙向力傳感器其晶體盒內(nèi)有兩個(gè)單元晶組：xy切型單元晶組和yx切型單元晶組，前者用來(lái)測(cè)量垂直方向的力，后者用來(lái)測(cè)切向力。至于壓電式三向力傳感器，它有三個(gè)石英晶體組，中間晶體組利用縱向壓電效應(yīng)只感受z方向力，而上下

7、兩對(duì)晶體片利用橫向壓電效應(yīng)，分別感受x方向、y方向力。 n壓電式力檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：傳感器靈敏度高、線性好、固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好、動(dòng)態(tài)范圍大、質(zhì)量小、對(duì)被測(cè)對(duì)象負(fù)荷效應(yīng)小；n缺點(diǎn)缺點(diǎn)：有彎曲靈敏度和橫向靈敏度、不適合靜態(tài)測(cè)量。n參考指標(biāo)參考指標(biāo)：測(cè)量范圍2120kN，靈敏度高于4pC/N，工作溫度-200200，可以測(cè)量120kHz以下的動(dòng)態(tài)變化力；n主要用途：結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)、短時(shí)間作用力、機(jī)械阻抗的測(cè)量等。4.1.4 壓磁式壓磁式n測(cè)量原理基于壓磁效應(yīng)。n鐵磁材料在磁場(chǎng)中磁化時(shí)，有些材料(例如Fe)在磁場(chǎng)方向會(huì)伸長(zhǎng)，有些材料(如Ni) 在磁場(chǎng)方向會(huì)縮短，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效

8、應(yīng)”。前者稱(chēng)為“正磁致伸縮”，后者稱(chēng)為“負(fù)磁致伸縮”。n壓磁效應(yīng)是磁致伸縮效應(yīng)的逆效應(yīng)。鐵磁物質(zhì)在外界機(jī)械力作用下磁導(dǎo)率發(fā)生變化，外力取消后，磁導(dǎo)率復(fù)原，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“壓磁效應(yīng)壓磁效應(yīng)”。正磁致伸縮材料在受到拉應(yīng)力作用時(shí)，在拉應(yīng)力方向上磁導(dǎo)率會(huì)增大，在垂直拉應(yīng)力的方向上磁導(dǎo)率會(huì)減??；受壓應(yīng)力作用時(shí)其效果正相反。負(fù)磁致伸縮材料的情況與上述正磁致伸縮材料的情況正好相反。n壓磁式傳感器主要包括壓磁元件和繞制在壓磁元件上的線圈兩部分。n壓磁元件由硅鋼片粘疊而成，其特點(diǎn)是做成完全閉合的磁路，不像自感式和互感式傳感器那樣存在氣隙和活動(dòng)銜鐵。n壓磁元件上若只繞上一組線圈，則構(gòu)成自感型壓磁傳感器；n壓磁元件上

9、若同時(shí)繞制激勵(lì)繞組和輸出繞組，則構(gòu)成互感型壓磁傳感器。 圖4.4 壓磁式力傳感器示意圖不受力時(shí)，鐵心的磁阻在各個(gè)方向上是一致的，激磁線圈的磁力線對(duì)稱(chēng)地分布，不與輸出線圈發(fā)生交鏈，不能在輸出線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)傳感器受壓力F時(shí)，在平行于作用力方向上磁導(dǎo)率減小，磁阻增大；在垂直于作用力方向上磁導(dǎo)率增大，磁阻減小，輸出線圈產(chǎn)生的磁力線將重新分布，一部分磁力線與輸出繞組交鏈而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。F的值越大，交鏈的磁通量越多，感應(yīng)電壓也越大。它常用來(lái)測(cè)量幾萬(wàn)牛頓的壓力。壓磁元件上沖有4個(gè)對(duì)稱(chēng)的孔，孔1、2的連線與孔3、4的連線相互垂直，孔1、2間繞有激磁繞組，孔3、4間繞有輸出繞組。n壓磁式力、重量測(cè)量

10、方法的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：輸出信號(hào)大、內(nèi)阻低、抗干擾性能好、過(guò)載性能好、不均勻載荷對(duì)測(cè)量精度的影響小、能夠在惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期可靠工作；n缺點(diǎn)缺點(diǎn)：測(cè)量精度不高(通常低于1%FS)、動(dòng)態(tài)特性較差(一般不高于1kHz10kHz)、安裝時(shí)要注意防止側(cè)向力的作用。n它廣泛應(yīng)用于軋制力、張力的測(cè)量。 4.1.5 振弦式振弦式n振弦式力和重量檢測(cè)原理檢測(cè)原理：受張力作用的金屬弦，其固有振動(dòng)頻率與張力有確定關(guān)系，通過(guò)一定的結(jié)構(gòu)、電路將其固有振動(dòng)頻率轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)非電量力或重量到電脈沖頻率的轉(zhuǎn)換。圖4.5 電流激勵(lì)的振弦式力傳感器及其測(cè)量電路原理圖磁極N、S之間是張緊的振弦，同時(shí)振弦也作為振蕩電路的一部

11、分。當(dāng)振弦通入電流后就在磁場(chǎng)中振動(dòng)，并輸出一個(gè)信號(hào)，經(jīng)放大后又正反饋給振弦使其連續(xù)振動(dòng)。R 1 、R 2 和場(chǎng)效應(yīng)管V1 組成負(fù)反饋電路，起著控制起振條件和振蕩幅度的作用；R 4 、R5、V2和C支路控制場(chǎng)效應(yīng)管V1的柵極電壓，起穩(wěn)定輸出信號(hào)幅度的作用，并為起振創(chuàng)造條件。當(dāng)電路停振時(shí)，輸出信號(hào)等于零，場(chǎng)效應(yīng)管處于零偏壓狀態(tài)，場(chǎng)效應(yīng)管漏源極對(duì)R2的并聯(lián)作用使反饋電壓近似等于零，從而大大削弱了電路中負(fù)反饋回路的作用，使回路的正增益大大提高，有利于起振。n振弦式力、重量測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：輸出準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)、抗干擾性能好、靈敏度高、體積小、重量輕；n缺點(diǎn)：對(duì)材料、加工工藝要求較高。精度可達(dá)1%FS；n它

12、適用于靜態(tài)測(cè)量和頻率低于25Hz的動(dòng)態(tài)測(cè)量，例如地層壓力的測(cè)量。4.2 力和重量檢測(cè)技術(shù)示例力和重量檢測(cè)技術(shù)示例電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片n上述每一種力、重量檢測(cè)方法，都包括豐富、深入的科學(xué)、技術(shù)內(nèi)容。限于篇幅，不可能對(duì)所有的檢測(cè)方法都作深入闡述；n以電阻應(yīng)變式力和重量檢測(cè)方法為例，作較為深入的介紹，包括其工作原理、應(yīng)變片結(jié)構(gòu)與這類(lèi)、應(yīng)變片主要特性、應(yīng)變片粘貼技術(shù)、測(cè)量電路、應(yīng)變片式力測(cè)量、選用與故障處理等。n目的有兩個(gè)：其一，使讀者較為深入的掌握這種重要的力和重量檢測(cè)方法；其二，“矛盾的普遍性寓于特殊性之中”，通過(guò)對(duì)這種具體的檢測(cè)方法較為深入的了解，領(lǐng)悟傳感檢測(cè)技術(shù)的共性知識(shí)， 4.2.1 電阻應(yīng)

13、變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)n無(wú)論哪種傳感器，它們總是依據(jù)某種物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)而完成非電量到電量之間的轉(zhuǎn)換的，這些效應(yīng)就構(gòu)成了傳感器的基本工作原理。n電阻應(yīng)變片基于金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)。導(dǎo)體材料在受到力的作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械變形，其阻值隨之發(fā)生變化。這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)。n電阻應(yīng)變片是電阻型傳感器的一種。n所謂電阻型傳感器，就是依據(jù)某種物理、化學(xué)或生物效應(yīng)將某種非電量甲的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻值的變化，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路將電阻值的變化變成電信號(hào)輸出，從而完成非電量甲的電測(cè)量。n電阻式傳感器的類(lèi)型很多，包括熱電阻、應(yīng)變片、熱敏電阻

14、、濕敏電阻、光敏電阻、氣敏電阻等，在幾何量、機(jī)械量、熱工量測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，常用來(lái)測(cè)量力、壓力、位移、應(yīng)變、扭矩、加速度、溫度等，是傳感器大家族中興旺發(fā)達(dá)的一個(gè)分支。 n若存在某種敏感元件，將另外一種非電量乙轉(zhuǎn)換為該電阻式傳感器直接測(cè)量的非電量甲，則該電阻式傳感器亦可用來(lái)測(cè)量非電量乙。n各式各樣的敏感元件、種類(lèi)繁多的傳感元件，加之敏感元件與傳感元件不同的組合方式，構(gòu)成了豐富多彩、各具特色的測(cè)量方案。圖4.6 導(dǎo)體受拉伸后的參數(shù)變化ALRdAdAldlRdRldll22rdAdrAr /ldr rdr rdl l 0/(12 )(12)/lRllKRll ll 構(gòu)成了非電量到電量之間的傳感關(guān)系

15、。4.2.2 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、種類(lèi)電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、種類(lèi)n1 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)n如何將這種傳感原理應(yīng)用于具體的測(cè)量實(shí)踐，必須進(jìn)行具體的材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)成具體的測(cè)量元件電阻應(yīng)變片。n電阻應(yīng)變片由敏感柵由敏感柵(金屬絲或金屬箔金屬絲或金屬箔)、基底、基底、覆蓋層、粘合劑、引出線等組成覆蓋層、粘合劑、引出線等組成。覆蓋層覆蓋層用來(lái)保護(hù)敏感柵?；缀透采w層可用專(zhuān)門(mén)的薄紙制成，稱(chēng)為紙基紙基；也可用各種粘結(jié)劑和有機(jī)樹(shù)脂薄膜制成，稱(chēng)為膠基膠基。多采用后者。粘合劑把敏感柵與基底粘貼在一起。引出線引出線作為連接信號(hào)調(diào)理電路之用，常用直徑為0.100.15mm的鍍錫銅線，并與敏感柵兩輸出端

16、焊接。敏感柵是傳感元件，它把感受到的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。基底用來(lái)將彈性體的表面應(yīng)變準(zhǔn)確地傳送到敏感柵上，并使敏感柵與被測(cè)彈性體之間相互絕緣?；妆仨氉鞯暮鼙。话阍?.020.4mm。2 電阻應(yīng)變片的種類(lèi)電阻應(yīng)變片的種類(lèi)n絲式應(yīng)變片：將直徑0.0150.05mm、長(zhǎng)度0.2200mm范圍的金屬絲，按圖示形狀彎曲后，用粘合劑粘貼在基底上而成。電阻絲兩端焊有引出線，使用時(shí)只要將應(yīng)變片貼于被測(cè)彈性體上，就可構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。n箔式應(yīng)變片：箔式應(yīng)變片：它的敏感柵是通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成。箔柵厚度一般在3m至10m之間。與絲式應(yīng)變片相比，箔式應(yīng)變片表面積大，散熱性好，允許通過(guò)較大的電流。由于箔式應(yīng)變

17、片很薄，因此具有較好的可撓性，靈敏度系數(shù)較高。箔式應(yīng)變片還可以根據(jù)需要制成任意形狀，適合批量生產(chǎn)。n金屬薄膜應(yīng)變片金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸鍍或?yàn)R射等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜，然后用蝕刻技術(shù)制成各種形狀的柵，以形成應(yīng)變片。薄膜厚度比箔柵還要薄，一般在0.1m以下，其靈敏系數(shù)比箔式還要高，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。 4.2.3 電阻應(yīng)變片的主要特性電阻應(yīng)變片的主要特性n掌握其主要特性和參數(shù)是正確使用電阻應(yīng)變片的前提。n1 靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)n定義：應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與試件主應(yīng)力方向的應(yīng)變之比。n測(cè)量應(yīng)變時(shí)，將應(yīng)變片粘貼在試件表面上，應(yīng)變片和試件表面只隔一層很薄的膠，

18、試件的形變很容易傳遞到敏感柵上，而且柵絲的表面積比其橫截面積大很多倍，絲柵的周?chē)荒z包住，在承受拉伸時(shí)不會(huì)脫落，承受壓縮時(shí)也不會(huì)壓彎。n電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)低于單純的電阻絲靈敏系數(shù)電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)低于單純的電阻絲靈敏系數(shù)。 原因一：原因一：試件的形變是通過(guò)剪力傳到敏感柵上的。金屬絲兩端的剪力最大，軸向應(yīng)力為零；中間部分剪力為零，軸向應(yīng)力最大。軸向應(yīng)力從兩端處的零值開(kāi)始，按指數(shù)規(guī)律上升到中間部分的最大值。因此在柵絲上的應(yīng)力分布是不均勻的，等價(jià)于參加變形的柵絲長(zhǎng)度減少了一段。金屬材料在制成應(yīng)變片后，由于是柵狀結(jié)構(gòu)，端部增多，從而造成靈敏系數(shù)下降。 原因二：原因二：柵絲沿長(zhǎng)度方向承受縱向應(yīng)變時(shí)

19、，應(yīng)變片彎角部分承受橫向應(yīng)變，其截面積變大，則應(yīng)變片直線部分電阻增加時(shí)，彎角部分的電阻值減少，也使應(yīng)變片的靈敏度下降。n應(yīng)變片的靈敏系數(shù)一般需由實(shí)驗(yàn)方法求得應(yīng)變片的靈敏系數(shù)一般需由實(shí)驗(yàn)方法求得。n原因：原因：應(yīng)變片粘貼到試件上就不能再取下重復(fù)使用，所以不能對(duì)每一個(gè)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，只能在每批產(chǎn)品中提取一定比例(常為5)的產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)定，然后取其平均值作為該批次產(chǎn)品的靈敏系數(shù)。n實(shí)驗(yàn)證明，靈敏系數(shù)在被測(cè)應(yīng)變的很大范圍內(nèi)能保持常數(shù)。2 橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)n沿應(yīng)變片軸向的應(yīng)變必然引起應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化，而沿垂直于應(yīng)變片軸向的橫向應(yīng)變也會(huì)引起其電阻的相對(duì)變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)。n研究

20、橫向效應(yīng)的目的：當(dāng)實(shí)際使用應(yīng)變片的條件與其靈敏系數(shù)的標(biāo)定條件不同時(shí)，由于橫向效應(yīng)的影響，實(shí)際靈敏度值要改變。如仍按標(biāo)稱(chēng)靈敏系數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算可能造成較大誤差。如果不能滿(mǎn)足測(cè)量精度要求，就需要進(jìn)行必要的修正。n為了減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，一般多采用箔式應(yīng)變片。因其圓弧部分的截面積較柵絲部分大得多，電阻值較小，因而電阻變化量也就小得多。3 機(jī)械滯后，零漂及蠕變機(jī)械滯后，零漂及蠕變n應(yīng)變片安裝在試件上以后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在一定的溫度下，在零到某一指定應(yīng)變之間的應(yīng)變范圍內(nèi)，做出應(yīng)變片電阻相對(duì)變化與試件機(jī)械應(yīng)變之間加載和卸載的特性曲線，二者并不重合，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變片的機(jī)械滯后，加載和卸載特性曲線之間的最大

21、差值稱(chēng)為應(yīng)變片的滯后值。n滯后的存在，破壞了傳感器輸入輸出之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，造成了測(cè)量誤差。n產(chǎn)生機(jī)械滯后的原因，主要是金屬絲、粘結(jié)劑和基底在承受機(jī)械應(yīng)變后都留有殘余變形。n為減少機(jī)械滯后，要選擇性能良好的粘結(jié)劑和基底，并對(duì)金屬絲要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚怼Ｔ趯?yīng)變片貼在被測(cè)對(duì)象上以后，對(duì)傳感器先進(jìn)行三次以上加、卸載循環(huán)，再進(jìn)行標(biāo)定，是減少滯后和非線性的有效措施。n已粘貼的應(yīng)變片，在溫度保持恒定、試件上沒(méi)有應(yīng)變的情況下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸變化，此變化就是應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移，簡(jiǎn)稱(chēng)零漂。n已粘貼的應(yīng)變片，在溫度保持恒定時(shí)，承受某一恒定機(jī)械應(yīng)變長(zhǎng)時(shí)間的作用，應(yīng)變片的指示應(yīng)變會(huì)隨時(shí)間

22、而變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為蠕變?nèi)渥?。n在應(yīng)變片工作時(shí)，零漂和蠕變是同時(shí)存在的零漂和蠕變是同時(shí)存在的。在蠕變值中包含著同一時(shí)間內(nèi)的零漂值，這兩項(xiàng)指標(biāo)都是用來(lái)衡量應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間的穩(wěn)定性，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)其意義突出。4 溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)n粘貼到試件上的電阻應(yīng)變片，除感受機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生電阻變化外，由于環(huán)境溫度變化時(shí)，也會(huì)引起其電阻的變化。從電信號(hào)方面看，似乎發(fā)生了應(yīng)變，即產(chǎn)生了虛假應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為溫度效溫度效應(yīng)應(yīng)。n溫度改變引起電阻變化的主要因素主要因素有二：其一是應(yīng)變片電阻絲的溫度系數(shù)；其二是電阻絲材料與試件材料的線膨脹系數(shù)不同。5 應(yīng)變極限應(yīng)變極限n應(yīng)變片的應(yīng)變極限應(yīng)變極限：指當(dāng)溫度一定時(shí)，指示應(yīng)變和

23、真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)差值不超過(guò)一定數(shù)值時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變數(shù)值。一般規(guī)定此差值為10，即指示應(yīng)變數(shù)值為真實(shí)應(yīng)變的90時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值稱(chēng)為應(yīng)變片的極限。n真實(shí)應(yīng)變是由于溫度變化或施加機(jī)械載荷在試件上產(chǎn)生應(yīng)力所引起的單位變形。指示應(yīng)變是指經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的應(yīng)變儀的應(yīng)變讀數(shù)，它是與應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。n為提高應(yīng)變片的極限值，應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)劑和基底材料，基底和粘結(jié)劑的厚度不宜太大，并經(jīng)適當(dāng)?shù)墓袒幚怼? 電阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性電阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性n電阻應(yīng)變片在測(cè)量頻率較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，應(yīng)考慮其動(dòng)態(tài)特性。n動(dòng)態(tài)應(yīng)變是以應(yīng)變波的形式在試件中傳播的，它的傳播速度V與聲波相同。對(duì)于鋼材，V5000

24、 ms。當(dāng)應(yīng)變按正弦規(guī)律變化時(shí)，應(yīng)變片反映出應(yīng)變是應(yīng)變片敏感柵長(zhǎng)度各相應(yīng)點(diǎn)應(yīng)變量的平均值，顯然與某“點(diǎn)”的應(yīng)變值不同。n圖4.9給出了應(yīng)變波與應(yīng)變片軸向關(guān)系。應(yīng)變波波長(zhǎng)為，應(yīng)變片長(zhǎng)為l，應(yīng)變片兩端點(diǎn)的坐標(biāo)為x1、x2，應(yīng)變片中點(diǎn)坐標(biāo)為x0。設(shè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變ft2sin0因應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向在試件中傳播 xVtVf)2sin(0 x應(yīng)變片測(cè)量出的應(yīng)變值為其長(zhǎng)度上的平均應(yīng)變21000212sinsin()2sin()xxpxldxxlxx而x0點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變 )2sin(000 xx當(dāng) 0201()6pxxflV 1l根據(jù)上式可進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量時(shí)的誤差計(jì)算，也可選擇應(yīng)變片柵長(zhǎng)以滿(mǎn)足某種頻率范圍內(nèi)的誤差要求。

25、4.2.4 電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)n應(yīng)變片在使用時(shí)，通常是用粘合劑粘貼在彈性體試件上的，它直接測(cè)量的量是試件的應(yīng)變。粘貼技術(shù)對(duì)傳感器的質(zhì)量起著重要的作用。n粘貼技術(shù)的細(xì)節(jié)往往是傳感器生產(chǎn)廠的技術(shù)秘密粘貼技術(shù)的細(xì)節(jié)往往是傳感器生產(chǎn)廠的技術(shù)秘密，此處只能給出其大概框架。n應(yīng)變片的粘合劑必須適合應(yīng)變片基底材料和被測(cè)材料，另外還要根據(jù)應(yīng)變片的工作條件、工作溫度和濕度、有無(wú)腐蝕、加溫加壓固化的可能性、粘貼時(shí)間長(zhǎng)短等因素來(lái)進(jìn)行選擇。常用的粘合劑有硝化纖維素粘合劑、酚醛樹(shù)脂膠、環(huán)氧樹(shù)脂膠、502膠等。n應(yīng)變片在粘貼時(shí)，必須遵循正確的粘貼工藝，保證粘貼質(zhì)量，這些都與最終的測(cè)量精度密切相關(guān)。n

26、應(yīng)變片的粘貼步驟如下：n1) 應(yīng)變片的檢查與選擇。應(yīng)變片的檢查與選擇。首先應(yīng)對(duì)采用的應(yīng)變片進(jìn)行外觀檢查，觀察應(yīng)變片的敏感柵是否整齊、均勻，是否有銹斑以及斷路、短路或折彎等現(xiàn)象。其次要對(duì)選用的應(yīng)變片的阻值進(jìn)行測(cè)量，確定是否選用了正確阻值的應(yīng)變片。n2) 試件的表面處理。試件的表面處理。為了獲得良好的粘合強(qiáng)度，必須對(duì)試件表面進(jìn)行處理，清除試件表面雜質(zhì)、油污及疏松層等。一般的處理方法可采用砂紙打磨，較好的處理方法是采用無(wú)油噴砂法，這樣不但能得到比拋光更大的表面積，而且可以獲得質(zhì)量均勻的效果。為了表面的清潔，可用化學(xué)清洗劑如四氯化碳、甲苯等進(jìn)行反復(fù)清洗，也可采用超聲波清洗。為了避免氧化，應(yīng)變片的粘貼應(yīng)

27、盡快進(jìn)行。如果不立刻貼片，可涂上一層凡士林暫做保護(hù)層。n3) 底層處理。底層處理。為了保證應(yīng)變片能牢固粘貼在試件上，并具有足夠的絕緣電阻，改善膠接性能，可在粘貼位置涂上一層底膠。n4) 貼片。貼片。將應(yīng)變片底面用清潔劑清洗干凈，然后在試件表面和應(yīng)變片各涂上一層薄而均勻的粘合劑，待稍干后，將應(yīng)變片對(duì)準(zhǔn)劃線位置迅速貼上，然后蓋一層玻璃紙，用手指或膠輥加壓，擠出氣泡及多余的膠水，保證膠層盡可能薄而均勻。n5) 固化。固化。粘合劑的固化是否完全，直接影響到結(jié)構(gòu)的物理機(jī)械性能。關(guān)鍵是要掌握好溫度、時(shí)間和循環(huán)周期。無(wú)論是自然干燥還是加熱固化都要嚴(yán)格按照工藝規(guī)范進(jìn)行。為了防止強(qiáng)度降低、絕緣破壞以及電化學(xué)腐蝕

28、，在固化后的應(yīng)變片上應(yīng)涂上防潮保護(hù)層。防潮層一般可采用稀釋的粘合劑。n6) 粘貼質(zhì)量檢查。粘貼質(zhì)量檢查。首先從外觀上檢查粘貼位置是否正確，粘合層是否有氣泡、漏粘、破損等，然后測(cè)量應(yīng)變片敏感柵是否有斷路或短路現(xiàn)象以及測(cè)量敏感柵的絕緣電阻。n7) 引線焊接與組橋連線。引線焊接與組橋連線。檢查合格后即可焊接引出導(dǎo)線，引線應(yīng)適當(dāng)加以固定。應(yīng)變片之間通過(guò)粗細(xì)合適的漆包線連接組成橋路，連接長(zhǎng)度應(yīng)盡量一致，線不宜過(guò)長(zhǎng)。 4.2.5 電阻應(yīng)變片的典型應(yīng)用方式電阻應(yīng)變片的典型應(yīng)用方式n電阻應(yīng)變片主要有以下兩種應(yīng)用方式：n1) 被測(cè)量為應(yīng)變。被測(cè)量為應(yīng)變。此時(shí)應(yīng)變片直接粘貼在試件上，用來(lái)測(cè)量工程結(jié)構(gòu)受力后的應(yīng)力或

29、所產(chǎn)生的應(yīng)變，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力校正或分析結(jié)構(gòu)在使用中產(chǎn)生破壞的原因等提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。電阻應(yīng)變儀就是專(zhuān)門(mén)測(cè)量應(yīng)變的儀器。n2) 被測(cè)量為除應(yīng)變外的其他非電量。被測(cè)量為除應(yīng)變外的其他非電量。此時(shí)，采用敏感元件，將真正的被測(cè)量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，應(yīng)變片粘貼在該敏感元件上，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變實(shí)現(xiàn)對(duì)真正的被測(cè)量的測(cè)量。力可以通過(guò)實(shí)心軸、空心軸、懸臂梁、雙端固支梁等結(jié)構(gòu)型式的敏感器轉(zhuǎn)換為應(yīng)變。 AEFlAEFr使用使用8只應(yīng)變片，以消除偏心載荷影響。只應(yīng)變片，以消除偏心載荷影響。 實(shí)心軸力敏感器實(shí)心軸力敏感器 圖4.12 懸臂梁力敏感器2)(6EbhxlFxn例例4.1 一個(gè)=2.1（應(yīng)變靈敏度系數(shù)）的350應(yīng)變片被粘貼

30、到鋁支柱（E=73GPa）上。支柱的外徑為50mm，內(nèi)徑為47.5mm。試計(jì)算當(dāng)支柱承受1000kg負(fù)荷時(shí)電阻的變化。n 00/F ARRKRKE22222(50)(47.5)()19144mmmmDdAmm6298003502.10.52 .191 1073NRmGPa電阻應(yīng)變片阻值的相對(duì)變化量是很小的電阻應(yīng)變片阻值的相對(duì)變化量是很小的。4.2.6 電阻應(yīng)變片的信號(hào)調(diào)理電阻應(yīng)變片的信號(hào)調(diào)理n1 惠斯登電橋惠斯登電橋n在靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量中可采用平衡電橋，通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)臂電阻的手動(dòng)調(diào)節(jié)，使電橋達(dá)到平衡，用調(diào)節(jié)臂電阻的阻值表示被測(cè)應(yīng)變值。n在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，應(yīng)變式傳感器多采用不平衡電橋電路。n根據(jù)電橋供電

31、電源分類(lèi)，電橋有直流電橋與交流電橋之分。如果采用正弦波電壓對(duì)電橋供電，這種電橋稱(chēng)為交流電橋。如果采用直流電對(duì)電橋供電，這種電橋則稱(chēng)為直流電橋。 n（1） 直流電橋直流電橋31423112341234()()scacbcRR RR RRUUUUUURRRRRRRR31241RRRRn3121242121234()scRR RRRRUURRRRRR312421234(1)scRRRRnUUnRRRR2(1)UnSUnn稱(chēng)為橋臂電阻比。電壓靈敏度度 0dndSU時(shí)n=1全等臂電橋是n=1的一種特例，應(yīng)變式傳感器中常采用。RRUUSC4圖4.14 單臂工作電橋圖4.15 雙臂電橋RRUUSC2圖4.1

32、6全臂電橋RRUUSC全橋靈敏度最高，雙臂電橋次之，單臂電橋靈敏度最低。 (2) 交流電橋交流電橋14231234()()scZ ZZ ZUUZZZZ平衡條件 14230Z ZZ Z14231423z zz z交流電橋初始調(diào)平衡更復(fù)雜，一般既用到電阻預(yù)調(diào)平衡，也用到電容預(yù)調(diào)平衡。 相對(duì)臂阻抗模的乘積相等相對(duì)臂阻抗模的乘積相等相對(duì)臂阻抗角的和相等相對(duì)臂阻抗角的和相等2 測(cè)量放大電路測(cè)量放大電路n（1） 實(shí)際運(yùn)算放大電路實(shí)際運(yùn)算放大電路n對(duì)集成運(yùn)算放大器規(guī)定了多達(dá)數(shù)十項(xiàng)的參數(shù)指標(biāo)，其中較為重要的有電源電壓、功耗、開(kāi)環(huán)電壓增益、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入電阻、共模抑制比、輸出電壓幅度、帶寬，等

33、等。n對(duì)于直流放大電路，由于輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、共模抑制比等參數(shù)的影響，放大器的輸出與采用理想運(yùn)算放大器的理論輸出之間存在一定的誤差。當(dāng)輸入為零時(shí)，放大器的輸出并不為零。微弱信號(hào)的放大需要采用多級(jí)放大，從第一級(jí)開(kāi)始就存在的偏差經(jīng)多級(jí)積累和放大后，也許嚴(yán)重到電路根本不能工作。n對(duì)于交流放大電路，各級(jí)之間一般有隔直措施，此時(shí)主要關(guān)注點(diǎn)是電路的頻率特性。n在設(shè)計(jì)能付之于實(shí)際應(yīng)用的儀表時(shí)，僅僅滿(mǎn)足于采用理想放大器概念的原理設(shè)計(jì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。n必須根據(jù)已選定的具體運(yùn)算放大器的某些參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，得到更為細(xì)節(jié)化的設(shè)計(jì)。n現(xiàn)在已經(jīng)可以得到一些強(qiáng)有力的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具來(lái)幫助我們進(jìn)行這些分析和計(jì)算。

34、采用這些工具進(jìn)行電路分析、設(shè)計(jì)的過(guò)程稱(chēng)之為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA，electronics design automation)，使得電子線路的設(shè)計(jì)人員可在計(jì)算機(jī)上完成電路的功能設(shè)計(jì)、性能分析、時(shí)序測(cè)試乃至PCB設(shè)計(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì)等。n目前流行的EDA軟件有電子學(xué)工作臺(tái)(EWB，electronics workbench)、PSPICE、Protel等。 （2） 測(cè)量放大電路的基本要求與類(lèi)型測(cè)量放大電路的基本要求與類(lèi)型n傳感器、不平衡電橋等輸出的電信號(hào)是微弱電信號(hào)是微弱的，且與后續(xù)電路之間的連接具有一定的距離。在典型的工業(yè)環(huán)境中，距離可達(dá)3m以上。傳感器有內(nèi)阻，電纜也有電阻，這些電阻和放大電路等

35、產(chǎn)生的噪聲以及環(huán)境噪聲都會(huì)對(duì)放大電路造成干擾，影響它正常工作。 n對(duì)測(cè)量放大電路的基本要求對(duì)測(cè)量放大電路的基本要求：測(cè)量放大電路的輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配；穩(wěn)定的放大倍數(shù)；低噪聲；低的輸入失調(diào)電壓、低的輸入失調(diào)電流、低的漂移；足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率(無(wú)畸變地放大瞬態(tài)信號(hào))；高共模輸入范圍(如達(dá)幾百伏)和高共模抑制比；可調(diào)的閉環(huán)增益；線性度好、精度高；成本低。n測(cè)量放大電路是綜合指標(biāo)很好的高性能放大電路。 圖4.17 三運(yùn)放儀器放大器原理圖n近年來(lái)，利用線性集成電路先進(jìn)工藝而設(shè)計(jì)制成的單片集成測(cè)量放大器，如AD521、AD522、LH0038、LM363和INAl01等獲得很大的進(jìn)展。它們

36、綜合性能指標(biāo)好，使用方便，體積小，無(wú)需為組裝而展開(kāi)反復(fù)的精確挑選。 圖4.18 AD612集成測(cè)量放大器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖4.19 AD612集成測(cè)量放大器和測(cè)量電橋的接線圖3 多功能傳感信號(hào)調(diào)理電路多功能傳感信號(hào)調(diào)理電路AD693nAD693是ADI公司推出的一種單片信號(hào)調(diào)理器，它具有高精度、多功能的特點(diǎn)。其用途十分廣泛，使用也非常靈活，不僅可用做小信號(hào)U/I轉(zhuǎn)換器，還可作為各種傳感器(例如電阻應(yīng)變片測(cè)量電橋、鉑熱電阻、熱電偶)的信號(hào)調(diào)理器。nAD693適用于傳感測(cè)試系統(tǒng)、工業(yè)過(guò)程控制及自動(dòng)化儀表領(lǐng)域。nAD693的同類(lèi)產(chǎn)品為AD694，AD694適合接收高電平輸入信號(hào)，但芯片內(nèi)部沒(méi)有備用放大器

37、。 n1） 內(nèi)含可編程輸入放大器、U/I轉(zhuǎn)換器、多路輸出式基準(zhǔn)電壓源。n2） 輸出電流有三種形式：4mA20mA(單極性)，020mA(單極性)，12mA8mA(雙極性)。n3） 輸入電壓范圍、電流零點(diǎn)均可單獨(dú)調(diào)節(jié)。n4） 高精度。電流調(diào)零前的總誤差為0.25，非線性誤差低于0.05。經(jīng)過(guò)調(diào)零后的總轉(zhuǎn)換誤差小于0.1。n5） 利用芯片中的備用放大器，可對(duì)由電阻應(yīng)變片橋路、鉑熱電阻、熱電偶所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。n6） 帶Ptl00接口，配鉑熱電阻測(cè)溫誤差為0.5。n7） 利用外部電阻可選配不同類(lèi)型的熱電偶并設(shè)定最高測(cè)量溫度。n8） 具有過(guò)電流保護(hù)和反向過(guò)電壓保護(hù)功能。n9） AD693通常由環(huán)路

38、電源供電，特殊情況下也可由本地電源單獨(dú)供電。圖4.20 AD693的引腳排列及內(nèi)部電路框圖圖4.21 應(yīng)變儀測(cè)量電路4.2.7 電阻應(yīng)變式力、重量檢測(cè)方法應(yīng)用舉例電阻應(yīng)變式力、重量檢測(cè)方法應(yīng)用舉例n在各種力、重量檢測(cè)系統(tǒng)中，電阻應(yīng)變式力、重量檢測(cè)方法應(yīng)用最為普遍。例如，數(shù)控機(jī)床切削力檢測(cè)、軋鋼機(jī)軋制力檢測(cè)、橋梁應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)、建筑樁基應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)、電子吊車(chē)稱(chēng)、電子料斗稱(chēng)、電子液罐稱(chēng)、電子皮帶稱(chēng)等等，數(shù)不勝數(shù)，舉不勝舉。 1 紗線張力檢測(cè)紗線張力檢測(cè)2 裝載機(jī)電子秤裝載機(jī)電子秤n鐵路貨場(chǎng)散堆裝貨物裝載，目前有三種計(jì)量方法：用軌道衡和汽車(chē)衡直接檢測(cè)、用劃線法裝車(chē)、用裝載機(jī)電子秤稱(chēng)重。其中，軌道衡和汽

39、車(chē)衡只能配置在部分裝車(chē)點(diǎn)，如果所有的裝車(chē)點(diǎn)都配置該類(lèi)設(shè)備，不僅要增加基建投資，而且還要增加調(diào)車(chē)作業(yè)、延長(zhǎng)車(chē)輛停留時(shí)間；采用劃線裝車(chē)的辦法，最大的缺點(diǎn)就是在貨物的密度發(fā)生變化時(shí)，容易造成超載或欠載；采用裝載機(jī)電子秤稱(chēng)重計(jì)量，既可提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，又可監(jiān)控裝載過(guò)程，是一種較為理想的方法。n但是，目前使用的裝載機(jī)電子秤，是通過(guò)測(cè)量舉升臂油缸液壓油載荷壓力的變化，間接測(cè)量舉升物的重量。由于裝載機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，司機(jī)對(duì)油門(mén)踏板的控制是不斷變化的，使得發(fā)動(dòng)機(jī)和油泵的轉(zhuǎn)速隨著變化，造成鏟斗的舉升速度也不斷地變化，速度變化產(chǎn)生的作用力，造成測(cè)重儀表不能準(zhǔn)確反映鏟斗實(shí)際所裝貨物的重量。因此，經(jīng)濟(jì)適用、能夠直接檢測(cè)裝

40、載機(jī)鏟斗受力的電阻應(yīng)變式裝載機(jī)電子秤應(yīng)運(yùn)而生。n電阻應(yīng)變式裝載機(jī)電子秤由傳感器、高精度信號(hào)放大電路、高精度電源、A/D轉(zhuǎn)換電路、計(jì)算機(jī)及稱(chēng)重軟件組成，通過(guò)測(cè)量裝載機(jī)鏟斗所裝物料產(chǎn)生應(yīng)力的方法來(lái)達(dá)到稱(chēng)重的目的。n力測(cè)量傳感器是一組安裝在測(cè)量鏟斗受力處的電阻應(yīng)變式剪力測(cè)量傳感器，安裝于鏟斗受力處。傳感器受應(yīng)力作用后，內(nèi)部應(yīng)變體發(fā)生形變，使傳感器輸出發(fā)生變化。在鏟斗轉(zhuǎn)臂舉升至水平位置過(guò)程中，鏟斗的各支點(diǎn)受力雖然不斷變化，但所有支點(diǎn)受力的總和是不變的，即受力總和等于鏟斗的自重加上物料的重量。n自動(dòng)測(cè)量控制單元用于檢測(cè)鏟斗的位置、運(yùn)動(dòng)方向、速度，提供稱(chēng)重控制信號(hào)給信號(hào)處理電路。n信號(hào)處理電路用于處理力測(cè)

41、量傳感器、自動(dòng)測(cè)量控制單元的各種電信號(hào)，并提供給嵌入式計(jì)算機(jī)。n嵌入式計(jì)算機(jī)用的是一種棧式總線計(jì)算機(jī)，由多個(gè)模塊通過(guò)針與孔結(jié)構(gòu)堆疊而成，形成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、抗沖擊性能好，體積小、能耗低、工作性能穩(wěn)定、開(kāi)發(fā)能力強(qiáng)、擴(kuò)展性能好，配合數(shù)據(jù)處理、管理軟件，完成對(duì)傳感器及控制信號(hào)的處理功能。3 建筑構(gòu)件載荷測(cè)定和建筑物健康檢測(cè)建筑構(gòu)件載荷測(cè)定和建筑物健康檢測(cè)n各種結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中要承受各種外力的作用，工程上將這些外力稱(chēng)為載荷。載荷是進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計(jì)算的主要依據(jù)。n確定載荷有類(lèi)比法、計(jì)算法和實(shí)測(cè)法。n利用電阻應(yīng)變法測(cè)定載荷的方法應(yīng)用比較普遍。n利用應(yīng)變片、應(yīng)變儀和指示記錄器組成測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行載荷值的測(cè)量。先將

42、應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，彈性元件受載變形后，應(yīng)變片的電阻隨之發(fā)生變化。經(jīng)應(yīng)變儀組成的測(cè)量電橋，使電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并加以放大，最后經(jīng)指示器、記錄器顯示出與載荷成比例變化的曲線，通過(guò)標(biāo)定就可以得到所需數(shù)據(jù)值的大小。這種方法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種構(gòu)造物的荷載測(cè)定，如船閘、橋梁以及房屋建筑等領(lǐng)域。 n大型、重要的土木工程結(jié)構(gòu)，如橋梁、超高層建筑、電視塔、水壩、核電站、海洋采油平臺(tái)等，其服役期長(zhǎng)達(dá)幾十年甚至上百年，在疲勞、腐蝕效應(yīng)、材料老化等不利因素影響下，不可避免地產(chǎn)生損傷累積，甚至產(chǎn)生突發(fā)事故。n雖然一些事故發(fā)生前出現(xiàn)了漏洞、塌陷、開(kāi)裂等征兆，但因缺乏報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，往往無(wú)法避免事故的發(fā)生。因此

43、，對(duì)現(xiàn)存的重要結(jié)構(gòu)和設(shè)施進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)其安全狀況，修復(fù)、控制損傷，在新建結(jié)構(gòu)和設(shè)施中增設(shè)長(zhǎng)期的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已成為必需。n目前，鋼筋砼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)普遍采用電阻應(yīng)變片，將之粘貼在結(jié)構(gòu)表面或受力筋上后埋入砼內(nèi)，對(duì)鋼筋砼結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線的智能健康監(jiān)測(cè)。 4.2.8 電阻應(yīng)變式力傳感器的選用與故障處理電阻應(yīng)變式力傳感器的選用與故障處理1 電阻應(yīng)變式力傳感器的選用電阻應(yīng)變式力傳感器的選用（1） 電阻應(yīng)變片的選用電阻應(yīng)變片的選用1） 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)形式的選擇應(yīng)變片結(jié)構(gòu)形式的選擇 根據(jù)應(yīng)變測(cè)量的目的、被測(cè)試件的材料及其應(yīng)力狀態(tài)、測(cè)量精度，選擇應(yīng)變片的形式： 對(duì)于測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)是一維應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，可以選用單

44、軸應(yīng)變片。 已經(jīng)知道主應(yīng)力方向的二維應(yīng)力結(jié)構(gòu)，可以使用直角應(yīng)變花，并使其中一條應(yīng)變柵與主應(yīng)力方向一致； 如主應(yīng)力方向未知，就必須使用三柵或四柵的應(yīng)變花。 對(duì)于傳感器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，應(yīng)變片的形式主要決定于彈性體的結(jié)構(gòu)： 柱式、板環(huán)、雙孔平行梁等彈性體，它們采樣正應(yīng)力或彎曲應(yīng)力，所以應(yīng)變片均采用單軸應(yīng)變片。 剪切橋式、輪輻式、剪切懸臂式、三梁剪切式彈性體，一般使用雙軸應(yīng)變片。 平膜片壓力傳感器多采用全橋圓形應(yīng)變片。n2） 應(yīng)變片尺寸的選擇應(yīng)變片尺寸的選擇 選擇應(yīng)變片尺寸時(shí)，應(yīng)考慮應(yīng)力分布、動(dòng)靜態(tài)測(cè)量、彈性體應(yīng)變區(qū)大小等因素：n若材質(zhì)均勻、應(yīng)力梯度大，應(yīng)選用柵長(zhǎng)小的應(yīng)變片；n對(duì)材質(zhì)不均勻、強(qiáng)度不等的材料，

45、如混凝土或應(yīng)力分布變化比較緩慢的構(gòu)件，應(yīng)選用柵長(zhǎng)大的應(yīng)變片。n對(duì)于沖擊載荷或高頻動(dòng)荷作用下的應(yīng)變測(cè)量，還要考慮應(yīng)變片的響應(yīng)頻率。應(yīng)變片的最高工作頻率與柵長(zhǎng)有關(guān)。例如，應(yīng)變片柵長(zhǎng)為1mm、5mm、10mm、50mm，可測(cè)鋼材上正弦應(yīng)變最高頻率分別為250kHz、50kHz 25kHz、5kHz。n一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)變片絲柵越小，測(cè)量精度越高。 n3） 電阻值的選擇電阻值的選擇n在中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，電阻應(yīng)變片的阻值規(guī)定為60、120、200、350、500、1000；n目前傳感器生產(chǎn)中大多選用350；n由于大阻值應(yīng)變片具有通過(guò)電流小、自熱引起的溫升低、持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)測(cè)量信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，大阻值應(yīng)變片應(yīng)

46、用越來(lái)越廣。n在不考慮價(jià)格因素的前提下，盡量使用大阻值應(yīng)變片，這對(duì)提高傳感器精度是有益的。n4） 使用溫度的選擇使用溫度的選擇n環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)變片的影響很大。應(yīng)根據(jù)使用溫度，選用不同絲柵材料的應(yīng)變片。n國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的常溫應(yīng)變片，使用溫度為-3060。常溫應(yīng)變片一般采用康銅合金制造，在應(yīng)變片型號(hào)中省略使用溫度。一般康銅合金最高使用溫度為300；n如果需要高溫應(yīng)變片，應(yīng)在訂貨時(shí)說(shuō)明使用溫度，以便廠家提供合適的應(yīng)變片?？ì敽辖馂?50，鐵鎳鋁合金可以達(dá)到7001000。n（2） 傳感器結(jié)構(gòu)形式的選擇傳感器結(jié)構(gòu)形式的選擇n一個(gè)稱(chēng)重系統(tǒng)，它既可以用一個(gè)稱(chēng)量范圍較大的傳感器用簡(jiǎn)單的懸吊系統(tǒng)吊掛起來(lái)作為吊秤

47、，也可以用容量較小的傳感器將容器支撐起來(lái)作為支撐式容量秤，那么究竟如何進(jìn)行合理的選擇呢？這就需要了解支撐式和懸吊式稱(chēng)重系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。n支撐式支撐式n支撐式系統(tǒng)中的傳感器處于重力壓縮的狀態(tài)下，應(yīng)用最為廣泛。它所能實(shí)現(xiàn)的稱(chēng)重范圍很寬，尤其是上限值很大，可達(dá)數(shù)百?lài)?；可以用很?jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)其過(guò)載保護(hù)，甚至無(wú)需過(guò)載保護(hù)裝置；所占幾何空間小、安裝簡(jiǎn)便。n支撐式稱(chēng)重系統(tǒng)的缺點(diǎn)，主要是要求始終保證重物的重力線通過(guò)傳感器的承重軸線，而且不受側(cè)向沖擊力的影響。這就要求傳感器本身具有良好的抗側(cè)向能力。在側(cè)向沖擊力作用下，傳感器及其重力引入裝置應(yīng)具有迅速?gòu)?fù)位的能力，還應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)裝置。n在支撐式稱(chēng)重系統(tǒng)中，常采用如下幾種結(jié)構(gòu)形