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1、 .机械测试技术论文( 2016 届 ) 题 目：电阻应变式传感器中的机械测试技术 电阻应变式传感器 摘要：电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。电阻应变式传感器是一种用金属弹性体作为弹性元件通过粘贴在弹性体敏感部位的电阻应变计组成惠斯通电桥，并在外加电源的激励下可以将力转换为电信号的测量装置。 因应变式传感器具有以下特点：精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定
2、可靠；结构简单，体积小，重量轻；频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。所以其在生活中得到了广泛应用。关键词：应变片；电阻；组桥方式；误差补偿1应变式传感器的工作原理1.1金属的电阻应变效应 金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。 公式推导：若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为，其未受力时的电阻为R，则: 如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积S变化dS，电阻率变化，因而引起电阻R变化dR。将式1微分，整理可得:2对于圆形截面有：有3为金
3、属丝轴向相对伸长，即轴向应变；而则为电阻丝径向相对伸长，即径向应变，两者之比即为金属丝材料的泊松系数，负号表示符号相反，有:4将式4代入3得:5将式5代入2并整理得：6或7K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。 公式简化过程：由式可以明显看出，金属材料的灵敏系数受两个因素影响：一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即项；另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的，即项。对于金属材料项比项小得多。大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数，于是可
4、以写成：8通常金属电阻丝的K0=1.74.6。1.2电阻应变传感器的测量电路 1.2.1 由于电阻应变片工作时其电阻变化很微小，例如，一片k0=2、初始电阻120的应变片，受1333微应变（约2吨重的力）时，其电阻变化仅0.36。 测量电路的任务是把微弱的电阻变化转换成电压或电流的变化，因此常用直流电桥和交流电桥作为测量电路。 目前应变片电桥大都采用交流电桥，但由于直流电桥比较简单，交流电桥原理与它相似，所以以直流电桥作分析。 图中R2-R4分别为四桥臂电阻， 为供桥电压， 为电桥输出电压。当电桥的负载电阻为无穷大时，桥路的输出电压为：为了使测量前的输出为零，应使满足上式的条件称为电桥平衡条件
5、。此时，当每桥臂电阻的变化远小于本身值，即 ，（ i= 1、2、3、4），且负载电阻为无穷大时，输出电压可近似为1.2.2测量电路类型：单臂电桥、对称电桥、非对称电桥、全等电桥构成要求：产生相同应变的应变片不能接在相邻的桥臂，否则桥路输出电压恒等于零。提高电桥电压灵敏度除了上述提高供桥电压和选择高值的应变片外，可在桥臂中分别串接产生相同应变的应变片。 在半桥和全桥测量电路中，粘贴于测试件上的应变片的特性相同或相近，又感受相同的温度，因此可起到温度补偿作用，减小温度附加误差。 2. 生产应变式传感器的厂家:长沙翔昊电子科技有限责任公司等2、1电阻应变式位移计 XHZ-5XX系列电阻应变式位移计可
6、广泛用于土木工程、机械电力、材料力学、教学实验等静态位移测量，产品采用应变全桥原理制作，具有量程宽，精度高，漂移小，性能稳定。后续配多点静态应变仪或位移测量仪，位移测量仪为单通道。传感器前端伸缩杆与被测体接触。2、2电阻应变式土压力盒计电阻应变式土压力盒产品简介：XHZ-4XX系列电阻应变式土压力盒（计）具有灵敏度高、体积小、结构简单。适用于路基、挡土墙、坝体及隧道等地下结构工程动、静态的测试。动态测试范围与土压力盒尺寸有关，尺寸越小频响越高，最高能达到10K。直接接各厂家生产的动、静态应变仪都可采集数据。产品具有防水功能适合各场合野外实验及现场实验，由于它的体积小更适合于室内模型试验或较小比
7、例的模型试验。3.应变式传感器的主要缺点及改良方法3.1在使用半导体应变片测量较大应变时，非线性误差较大，必须进行补偿。补偿方法有：采用高桥臂比的对称电桥；采用全桥测量电路；采用恒流源电桥；单臂电桥非线性严重， 可采用有源电桥,如图： 3.2电桥要进行零位调整：由于制造工艺的原因应变传感器在不受载荷时，其输出电压不为零，因此使用前必须调零。3.2.1直流电桥调零 直流电桥调零仅需电阻平衡即可，有串联调零和并联调零两种，如图所示。图a在 和 臂间串联接入变阻器RP，调节RP可使电桥平衡。图b是并联调零，改变RP中心抽头的位置可达到平衡目的，调零能力取决于 ， 小些，调零能力就强些。通常RP的大小
8、可与 相同，取值为数千欧姆。3.2.2交流电桥调零图4-11的桥式测量电路用交流供桥电压 ，以复阻抗Z1-Z4 分别代替图中的R1-R4，即成为交流电桥。交流电桥的分析与直流电桥相似。直流电桥仅需电阻平衡，而交流电桥除了电阻平衡外，还必须满足相位平衡，即必须满足阻抗平衡： 由此可见，交流电桥欲达到零点平衡，必须有电阻和电容调零装置，如下图所示。3.3电阻应变传感器存在温度误差及其补偿方法3.3.1电阻应变传感器存在温度误差的原因：应变片本身电阻随温度的变化引起误差。该项温度误差可用半桥或全桥测量电路获得较好的补偿效果；应变片材料的线膨胀系数与基底材料的线膨胀系数不同引起温度误差。为消除该项温度
9、误差主要是采取应变片自补偿方法，在制造传感器时已加以考虑。3.3.2测试件的弹性模量随温度变化引起的误差的分析：电阻应变片制造好后，用粘合剂粘贴到测试件上成为电阻应变传感器。被测量作用于测试件下，应变片跟着测试件产生机械变形，从而形成电阻应变片阻值发生变化。由于测试件的弹性模量随着温度的增加而减小，在被测量不变的情况下，应变片产生的应变量增加。因此，传感器桥路输出电压随温度的增加而增加，从而引起温度附加误差。该项误差不能采用半桥或全桥测量电路加以克服，必须采用适当的补偿措施如图：3.3.3电阻应变传感器温度补偿方法：对使用者来说，最好的补偿方法是采用半桥或全桥测量电路。4. 电阻应变片的选用：
10、4.1电阻应变片应具有的基本特性1 具有适当的线性灵敏系数，并且稳定性较高；2 具有蠕变自补偿功能；3 具有小的电阻温度系数，热输出小，零点漂移小；4 横向效应系数小，机械滞后小，疲劳寿命高；5 具有较好的稳定性、重复性，并且能够在较宽的温度范围内工作；6 适用于动态和静态测量。满足以上要求的电阻应变片的种类很多，具体选用时还要根据弹性体的结构、应力状态、材料、使用环境条件、以及电阻应变片的阻值、尺寸、蠕变匹配等因素，综合考虑选用合适的应变片。4.2传感器的应用选择参数：(1)电阻传感器的测量范围，应力传感器可测出10（-2）10（7）N的力，可制成各种机械量传感器。(2)电阻传感器精度和灵敏
11、度可达到很高，灵敏度可达到几十mv/m，高精度的传感器的误差可达0.1%0.01%。(3)频率响应特性好，响应时间为10（-7）10（-11）S，可测几十到几百赫兹的动态过程。5.电阻应变片及电阻应变片式传感器应用领域与未来发展方向5.1 电阻应变片及电阻应变片式传感器应用领域电阻应变片式传感器可以测量力、压力、位移、应变、加速度等非电量参数，一般来说，电阻应变片式传感器的结构简单，性能稳定，灵敏度较高，适合动态测量。现已被广泛应用于工程测量和科学实验中。5.2电阻应变片及电阻应变片式传感器未来发展方向普通电阻应变计朝向高精度、使用方便快捷、省力方向发展传感器用电阻应变计要求多功能、高稳定性 特殊环境用电阻应变计的多样化及稳定性的提高6.参考文献： 曾光奇，胡均安 工程测试基础 武汉华中科技大学出版社 2002 秦曾煌 电工学 高等教育出版社 2010长沙翔昊电子科技有限公司,电阻应变式土压力盒http:/ 传感器世界 2006年11期 电阻应变式压力传感器的研究 乔学光 李婷 王宏亮 贾振安 刘钦朋 王向宇 电阻应变式传感器的应用与发展_百度文库http:/ 电阻应变式传感器_百度文库http:/ Word 文档
