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1、压力及力检测 压力及力的测量 压力的概念和单位 应变式压力计 压电式 压磁式 电容式 霍尔式 应变效应 应变片 应变片温度补偿与粘贴 应变式力与压力传感器 转换电路 一 压力及其单位 1 什么是压力垂直作用在单位面积上的力称压力 在国际单位制 SI 和我国法定计量单位中 压力的单位是 帕斯卡 简称 帕 符号为 Pa 即1N的力垂直均匀作用在1m2的面积上所形成的压力值为1Pa 其他压力单位 工程大气压力 kgf cm2 毫米汞柱 mmHg 毫米水柱 mmH2O 标准大气压 atm 巴 bar PSI PSI 磅力每平方英寸 1kgf cm2 0 9807 105Pa1mmH2O 0 9807
2、10Pa1mmHg 1 332 102Pa1atm 1 01325 105Pa1bar 105Pa1PSI 6 89 103Pa 绝对压力PJ大气压力PD表压力PBPB PJ PD真空度PZ 负压 PZ PD PJ 表压 大气压力线 负压 绝对压力 真空度 1 0 绝对压力 绝对压力的零线 1 2 压力的表示 二 应变式传感器1 应变片的工作原理我们可以做这样一个较简单的实验 取一根细电阻丝 记下其初始阻值 图中为10 01 当我们用力将该电阻丝拉长时 会发现其阻值略有增加 增加到为10 05 测量应力 应变 力的传感器就是利用类似的原理制作的 设有一长度为 截面积为A 半径为r 电阻率为 的
3、金属单丝 它的电阻值R可表示为当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力 或压力 时 上式中 r l都将发生变化 从而导致电阻值R发生变化 例如 1 金属丝受拉时 l将变长 r变小 均导致R变大 2 某些半导体受拉时 将变大 导致R变大 实验证明 电阻丝及应变片的电阻相对变化量 R R与材料力学中的轴向应变 x的关系在很大范围内是线性的 即 K 电阻应变片的灵敏度 x 称为电阻丝的轴向应变 也称纵向应变 x通常很小 在应变测量中 也常将之称为微应变 对于不同的金属材料 K略微不同 一般为2左右 而对半导体材料而言 由于其感受到应变时 电阻率 会产生很大的变化 所以灵敏度比金属材料大几十倍 2 3 4 1
4、 电阻应变片结构示意图 b l 由敏感栅1 基底2 盖片3 引线4和粘结剂等组成 这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能 因此 应根据使用条件和要求合理地加以选择 栅长 栅宽 二 应变片的结构与材料 1 敏感栅由金属细丝绕成栅形 电阻应变片的电阻值为60 120 200 等多种规格 以120 最为常用 对敏感栅的材料的要求 应变灵敏系数大 并在所测应变范围内保持为常数 电阻率高而稳定 以便于制造小栅长的应变片 电阻温度系数要小 抗氧化能力高 耐腐蚀性能强 在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度 加工性能良好 易于拉制成丝或轧压成箔材 易于焊接 对引线材料的热电势小 对应变片要求必须根据实际使
5、用情况 合理选择 2 基底和盖片基底用于保持敏感栅 引线的几何形状和相对位置 盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置 还可保护敏感栅 基底的全长称为基底长 其宽度称为基底宽 3 引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线 对引线材料的性能要求 电阻率低 电阻温度系数小 抗氧化性能好 易于焊接 大多数敏感栅材料都可制作引线 4 粘结剂用于将敏感栅固定于基底上 并将盖片与基底粘贴在一起 使用金属应变片时 也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上 以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅 常用的粘结剂分为有机和无机两大类 有机粘结剂用于低温 常温和中温 常用的有聚丙烯酸酯 酚醛
6、树脂 有机硅树脂 聚酰亚胺等 无机粘结剂用于高温 常用的有磷酸盐 硅酸 硼酸盐等 用应变片测试应变时 将应变片粘贴在试件表面 当试件受力变形后 应变片上的电阻丝也随之变形 从而使应变片电阻值发生变化 通过测量转换电路最终转换成电压或电流的变化 三 应变片的种类 1 金属应变片 应变式压力传感器 1 金属丝式 2 箔式 3 薄膜式2 半导体应变片 压阻式压力传感器 金属丝式应变片使用最早 有纸基 胶基之分 由于金属丝式应变片蠕变较大 金属丝易脱胶 有逐渐被箔式所取代的趋势 但其价格便宜 多用于应变 应力的大批量 一次性试验 箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻 腐蚀等工艺制成的 箔的材料多为电阻率
7、高 热稳定性好的铜镍合金 箔式应变片与片基的接触面积大得多 散热条件较好 在长时间测量时的蠕变较小 一致性较好 适合于大批量生产 还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理 使其线胀系数 电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消 从而将温度影响减小到最小的程度 目前广泛用于各种应变式传感器中 丝式应变片丝式电阻片是用0 003mm 0 01mm的合金丝绕成栅状制成的 箔式应变片箔式应变片是利用光刻 腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅 其厚度一般在0 003 0 01mm 其优点是散热条件好 允许通过的电流较大 可制成各种所需的形状 便于批量生产 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在
8、薄的绝缘基片上形成0 1 m以下的金属电阻薄膜的敏感栅 最后再加上保护层 它的优点是应变灵敏度系数大 允许电流密度大 工作范围广 半导体应变片是用半导体材料制成的 其工作原理是基于半导体材料的压阻效应 所谓压阻效应 是指半导体材料在某一轴向受外力作用时 其电阻率 发生变化的现象 半导体应变片的灵敏度特别高 但是对温度敏感 应变片具有体积小 价格便宜 精度高 频率响应好等优点 被广泛应用于工程测量及科学实验中 斜拉桥上的斜拉绳应变测试 四 应变片的测量电路 金属应变片的电阻变化范围很小 如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难 且误差很大 常利用桥式测量转换电路将 R R转换为输出电压U0
9、1 桥式测量转换电路工作方式 单臂电桥双臂电桥四臂全桥 单臂电桥 R1为应变片 R2 R3 R4为固定电阻 双臂电桥 R1 R2为应变片 R3 R4为固定电阻 应变片R1 R2感受到的应变 1 2以及产生的电阻增量正负号相间 可以使输出电压Uo成倍地增大 试件 四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变片 如果设法使试件受力后 应变片R1 R4产生的电阻增量 或感受到的应变 1 4 正负号相间 就可以使输出电压Uo成倍地增大 上述三种工作方式中 全桥四臂工作方式的灵敏度最高 双臂半桥次之 单臂半桥灵敏度最低 采用全桥 或双臂半桥 还能实现温度自补偿 3 应变片的温度误差及补偿a 应变片的温度误差由于测量
10、现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差 称为应变片的温度误差 产生应变片温度误差的主要因素有 应变片温度误差 电阻温度系数的影响 材料与应变片膨胀系数不同 1 电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示 Rt R0 1 0 t 式中 Rt 温度为t 时的电阻值 R0 温度为t 0 时的电阻值 0 金属丝的电阻温度系数 t 温度变化值 t t t0 当温度变化 t时 电阻丝电阻的变化值为 Rt Rt R0 R0 0 t 2 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时 不论环境温度如何变化 电阻丝的变形仍和自由状态一样 不会产生附加变形 当试
11、件和电阻丝膨胀系数不同时 由于环境温度的变化 电阻丝会产生附加变形 从而产生附加电阻 2 电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类 1 线路补偿法 在应变片工作过程中 保证R3 R4 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数 膨胀系数 应变灵敏度系数K和初始电阻值R0 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样 两者线膨胀系数相同 两应变片应处于同一温度场 若实现完全补偿 上述分析过程必须满足四个条件 2 应变片自补偿 巧妙的安装应变片 被拉伸 被压缩 应变片 试件 2 确定中心线 4应变片的粘贴 1 去污 采用手持砂轮工具除去构件
12、表面的油污 漆 锈斑等 并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力 用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗 3 贴片 在应变片的表面和处理过的粘贴表面上 各涂一层均匀的粘贴胶 用镊子将应变片放上去 并调好位置 然后盖上塑料薄膜 用手指揉和滚压 排出下面的气泡 4 接引线引出导线要用柔软 不易老化的胶合物适当地加以固定 以防止导线摆动时折断应变片的引线 然后在应变片上涂一层柔软的防护层 以防止大气对应变片的侵蚀 保证应变片长期工作的稳定性 应变片的应用 力及压力传感器1应变式力传感器 1 柱 筒 式力传感器 2环式力传感器 2 应变式压力传感器应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力 如动
13、力管道设备的进出口气体或液体的压力 发动机内部的压力变化 枪管及炮管内部的压力 内燃机管道压力等 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件 应变式力传感器 F F F F 各种悬臂梁 F F 固定点 固定点 电缆 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置 F 应变式荷重传感器外形及受力位置 F F 应变式荷重传感器外形及受力位置 F F 荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形 轴向变短 径向变长 汽车衡 汽车衡称重系统 电子秤 磅秤 超市打印秤 远距离显示 电子天平 电子天平的精度可达十万分之一 人体秤 吊钩秤 便携式 应变式数显扭矩扳手 可用于汽车 摩托车 飞机 内
14、燃机 机械制造和家用电器等领域 准确控制紧固螺纹的装配扭矩 量程2 500N m 耗电量 10mA 有公制 英制单位转换 峰值保持 自动断电等功能 3 4 4应变式加速度传感器用于物体加速度的测量 依据 a F m 图3 17电阻应变式加速度传感器结构图 测量原理 将传感器壳体与被测对象刚性连接 当被测物体以加速度a运动时 质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用 使悬臂梁变形 该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变 从而使应变片的电阻发生变化 电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡 从而输出电压 即可得出加速度a值的大小 适用范围 不适用于频率较高的振动和冲击场合 一般适用频
15、率为10 60Hz范围 1 应变片测量力的原理是什么 2 应变片有哪几种类型 3 单臂 半桥和全桥电路的灵敏度有怎样的倍数关系 谁的灵敏度最大 4 如右下图是一个圆柱体弹性元件 A B C D是四个应变片 观察他们粘贴的位置后判断四个应变片在电桥中应怎样连接 画出电桥电路来说明 5 如左下图所示 如需测量弯曲力和拉伸力 那么应变片应该怎样连接在电桥电路中 分别画出测量弯曲力和拉伸力的测量电桥电路 题5图题4图 任务 自制电子秤用现有的试验器件测出某一物体的质量 比如 手机 硬币 一串钥匙等等 步骤 1 连接一个全桥电路 4V供电 输出接毫伏表 这是 如果对弹性悬臂施加一定的力 毫伏表的数值应有
16、相应的变化 2 在标准砝码的辅助下 得到被侧物体的质量 压电效应 某些物质沿某一方向受到外力作用时 会产生变形 同时其内部产生极化现象 此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷 当外力去掉后 它又重新恢复到不带电的状态 这种现象被称为压电效应 当作用力方向改变时 电荷极性也随之改变 这种机械能转化为电能的现象称为 正压电效应 或 顺压电效应 反之 当在某些物质的极化方向上施加电场 这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力 当外加电场撤去时 这些变形或应力也随之消失 这种电能转化为机械能的现象称为 逆压电效应 或 电致伸缩效应 压电效应的可逆性 压电单晶体有石英 包括天然石英和人造石英 水溶性压电晶体 包括酒石酸钾钠 酒石酸乙烯二铵 酒石酸二钾 硫酸锤等 多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷 锆钛酸铅系压电陶瓷 铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等 如图所示为天然石英晶体 其结构形状为一个六角形晶柱 两端为一对称棱锥 石英晶体的压电效应 如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z Z Y Y X X轴线 通常把沿电轴 X轴 方向的作用力产生的压电效应称为 纵向压电效应 把沿机
