应变计的选择与应用

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1、变计的多之【 l口J作者：PauIRakoEDN技术编辑 应变计是很 多种类传感器包括压力传感器、称重传感器、转矩传感器以及位置传感器等使用的基础检测 元件。大多数应变计都是箔片型，有各种形状和尺寸选择，满足各种应用(图1)。它们由安装在支撑材料上的一种电阻式箔片结构组成。其工作原理是：当给箔片施加应力时，箔片的电阻会按一定 的规律改变。箔片规有最高的精 度，但它们 也很贵，会产生难以放大的小信号。应变计也可以是 硅 的，它采用薄膜半导 体工艺，将金属沉 积在硅片芯上。这种芯片通常是一种MEMS(微机电系统)，构成能响应压力变化的可弯曲膜片。承载膜片结构的同一个硅芯片中也可以有对输出作放大和线

2、性化以及对温度效应作补偿的电路。通 过 测 量应变，工程 师可以推算出材料的强度，这是一个重要的因素，因为应力决定了一种部件是否会弯曲或断裂。应力也可以表示出一个承压弯曲薄膜 后 面的、液体压力。应变计的一个有趣应用涉及弯曲：可以将一块PcB(印刷电路板)真空吸附在一台测试设备上，测量其柔性。如果电路板弯曲过度， I J焊点会断裂。NationalInstrum ents公司的数据采集产品经理SwapnilPad hye称，建立一块有应变计的样板，就可以确保你的 电气测 试不会降低电路的可靠性(参考文献1与参考文献2)。称重传感器中的应变计用于精密地测量力、监控力矩或压力(图2)。它们适合于测

3、量 天平、容器与车 辆WWWED NC hinacoi7“i中的重量，以及工业加工中薄膜与 条 带的 张 力。应变 计可以通过压力的增量推算出管道内的压力，确保用于食品加工等应用的管道内部清洁。安装在料斗和箱体承载轴承上的应变计用于工业加工。不过，HardyInstr um ents公司首席技术官DaveCornw el l表示，如果要 测的是质 量 而不是重量，就必须 知 道 当地的地心引力才能作精确的转换。应变计亦用于工业、医疗和科研设备。测得应力的变化可能有缓有急，如引擎连杆上的循环力，连杆转速有每分钟数万转。机械工程师对 应 变 计的需求就像电子工程师对示波器探头C OV ERSTOR

4、Y封面特写 要点日应变计的制造可以采用金属箔，硅或压敏电阻材料。 口应变计提供电阻值变动小因此可用于桥式结构。 口制造一只应变计的最后一步是将其粘到部件上。 母注意部件内的残余应 力。这些应力会在轻载下造成灾难 性的故 障。 口应变计放大器很昂贵因为它 们难 以制造。须有充分理由才可 设计自己的桥式接口电路。 母好的测量 要花数周时间而不止数小时。 的依赖一样。两类群体都必须对仿真进行验证，无论是有限元机械模型还是Spice电气模型。机械工程师可以用应变计收集他们正在设计的部件与结构在真实世界中的数据。另外，应变计一般也是设计中的永久性部分，如用于 监控跨河支架桥应力的应变计。这 些应 变计并

5、不是测 量应 变的唯一方式。例如，你可以做一个部件的环氧塑料模型，将其加热，加载，使之冷却，然后用偏振光照射它。光线产生的彩色条纹就 对 应着塑料 中的应 变。普林斯顿教授RobertMark采用这种方法对哥特大教堂的飞拱作建模。这一工作能揭示出为什么它们可以保存数世纪之久：飞拱处于纯压状态，即到处都受压力，承受所有的风荷与雪荷。如果在这些飞拱上有任何张力，则它们就会掉落，因为它们不过是堆起的石块(参考文献3与圈3)。另一个测量应变的方法 是采 用StressCoat，这是工程 9iliGreerEll is干194 2年在应 变计制造商Magnaflux公司供职时发 明的一wEDN C hi

6、nacorn种脆性漆( 参考文献4)。用这种方法时，将部件涂上这种漆，为部件施加设计负荷，然后观察涂层的爆裂情况。StressKote公司在出售一种类似的产品。有些工程师可能不考虑这种 方法，而是 依赖于计算机仿真和FEA(有限元分析 ) 方法。不过，比起计算机屏幕上的漂亮图像，还是实际部件的真实负载更让人放心。V ishay公司开发了 另外一种新颖的方法P hotoStress，它将StressCoat的直观性与偏振光观察的灵活性结合起来。该方法用偏振光照射一个专利的光学薄膜。薄膜包围在部件轮廓上，施加设计负 荷，然 后 用偏振光照射部件，就可 以看到部件内的应变形式。偏光器上的光换能器也

7、能对应变作量化测量，Vishay等公司提供可用作铸模轮廓片的液体感光涂料。工程师们在使用应变计时最大的问题 之一是存在着太多的 不 可控变量。制造商用电压表和光传感器就可以进行大 多数精密控制；你所要做的只是将电压探头连接到电路上，或让 光线照射到传感器。然而在进行应变计测量时，必须首先从成百上千种型号中选择一款，选定其位置，对表面作处理准圈2。这款Met tlerToledo秤拥有一个精密的称重传感器，以及用 于线性化和校准的内存。备，并将应变计与要测量的部件粘接起来，还要在应变计和测量放大器之间建立连接。不过搞明白这些过程并不表示麻烦就结束了。你还需要确认处于应变计的温度范围内，线性化应变

8、计的输出，并且完全知道所要测量部件中应 力与形变之 间的关系，这是基本的要求。另外还有一个 问题，有些材料(如玻璃纤维和碳纤维)是各向异性的，即不同测量方向上特性有差异。在这些情况下，纤维通常是沿某个方向排列，应力与形变之间的关系取决于施力的方向以及材料内各方向上的相互封面特写COVERSTORY作用。当你开关百叶窗时就可以看到这种效应。在这个过程中百叶窗不会受损，因为其上几乎不存在压力。在膝盖上弯折这 些百叶窗就会发现它一种较不容易弯曲的结构，如果使其应变量过大，则可能产生灾难性的后果。你可以用“ roset te”应变计评估各向异性材料 的应变，它能让你同时测量两个或三个方向上的应变 (图

9、4)。另外一个不 可控的 棘手变化因素是待测部件中存在的捕获应力(captivestress)。也许你 能回忆起静力学和动力学 课程中那种两端都不连接的桥。数学计算无法解算一个约束条件过 多的系统。你面临的问题与应变测量时相 同。将部件用螺栓 拧到位，然后用扳 手 调整校准，这些动作会在部件中产生相当多的应 力与形变。如果再将应 变计粘在 部 件上，输出会显 示零应变，然而部件可能 已接近 崩溃，或已在加力定位时被弯折。Hardy的Cor nwel l说：“对 于精密的测量来说，仪器很重要，但承载 它的钢或铝更重要。”为避免线性度和滞后问题，Comw el l建议采用特种合金，并在加工后作热处

10、理，以释放由于机器运转而产生的 局部应力。应变计还会均化区域的应变。靠近应 变计的一个孔洞会产生一个有大形 变的应力聚集，但应变计会用其剩余长度上的应力均化这种集中应 力，给出一个较小的形变值。Vishay公司高级应用工程师TomRummage称：“你需要选择一种长度适合于应变区或应变集中区的应变计。”还会发生更微妙的问题。例如，一个铸件的外层 可能先固化。然后当部件内部固化时，部件冷却会产生残余应 力。你要知 道，任何有表 面应力的模压、焊接或机制部件都有内部静压，它 远远大干 可以忽略不计的二次或三次效应。你必须像往常一样做实验并 搜集数据。Ru m mage说：“应 力不可能 存在于一个

11、 自由边界上。放 置应变 计，使 其三只元件离 打算钻孔的位置有一段距离。当 你 钻孔时，就建 立 了 这个 自 由边 界。如果孔朝 内 塌陷，就 是 有压力。如果 它 朝外张，就是有张力。了解了应变计三只元件及其相互间 的角度关系以 后，就可以计算出部件 中的 残余应力。”通过验证一只部 件内部的残余应 力，就可以设计出一种调整它们 的方法。这种方法可能是进行热处理，采 用不同的铸压合金，或做一组测量证 明部件中任何地方都不存在接近弹性极限或疲劳破坏指标的 应变。要确保 多次铸造、不同工艺或新供 应商不会造成内部应力的变化。不过，即使有变化，设计也完全可 以被接受，因为预 应力混凝土就是要靠

12、预先存在的内部应力，才能满足设计负荷。你必须 了解正在测量的 静态负荷 与动态负荷。选择一个能测预期应变的应变计，但也要考虑到冲击负荷以及冲力作用和材料上点负荷。还必须确保静电放 电不会损坏传感器的电路。Hardy的Corn w ell称：“通常情况下，所有都是按CE设计 的，基于 人体模型。但 在工厂中，你会有叉车模型。当人在叉车周围活动时，他可能遭遇到 比cE规ww w,ED NChinacorn封面特写COV ERSTORY定值高得多的 电压。”Cornw ell解释 说，当操作 员把一个托盘降到台秤 上时，叉车叉臂会跳出巨大的电弧。如果操作 员没有使用接地带，则返回地的唯一路径是通过称

13、量元件和应变计的线路。另外，如果使应 变 计过多地工作 在超量程状态下，也会导致疲劳损坏。另外还 要记住，材料的弹性系数在压力和张力下 可能 会有变化。这不是一种常见的问题，但显然一名好的应 变计工程 师必须懂得机械、材料、物理以及实验理论。由于你所采用 的步骤与设计可能对应变计测量的有效性产生很 大影响，把应变计供应商的应用工程师纳入到项目中会是一个好主意。你可能 对在 应用中采 用 供 应商的应变计有所顾虑。有些供 应商(如Omegadyne公司)可以解除这 些顾虑：他们将自己工程师多年累积的经验提供给你。Om egadyne公司设计与制造工程I,lWi l l iamHami lton称

14、，该公 司可 以在两 周内为你定制设计出一款应变计。不要低估应变 计测量的重要性：当然你可以随便将应变计置于某个部件上，然后在一小时内就获得 答案，但 它却是错误的。如果急于求 成，采用五分钟就能固化的环氧树脂粘接应变计。这种快干树脂不 仅会释放 出热量，固化时还会收缩。这样就会给应 变计施加应 力，于是产生错误的读数。同样，不能够 将 箔片应 变 计用一大 坨环氧 树脂胶固定，因为箔片应变计与部件表面之间的距离会产生相当大的误差。你要测量的是部件的应变，而不是部件与应变计之间18英寸环氧树脂胶的形变。不要作 仓 促的 测量，而要用一系列实验证明应变计选择与安装的有效性。Omegadyne公司

15、O EM销售经理Rob Car ney表示：“我们客分比变动。更好的 办法是，如果沿户遇到的最大问题是正确选择应变正确的方向使用四只应变计，则能计。精度、稳定性，温度范围、延获得四倍的信号 波幅与灵敏度。为伸率以及测试 周期等都是重要的因了推算电阻的变化，要为桥提供AC素。”一旦安装好 了应 变计，要或DC的激励电压。AC方案有某种优确认当消除了应变时，仪器总是能点，如 可 以消除焊接应 变计箔片的回零，保证没有迟滞，并且有良好引线材料的热电偶效应。当桥的激的可重复性。应将这 些测量 关联到励改变时，这些热电偶不会改变电N IST(美国标准与技术研究院)标势，因此在使用同步解调方法，从准，然后

16、着手测量。应 变计本身一AC信号中提取出DC值时，就可以去般是要支付 的 最小成本。较多的成除DC误差。本体现在安装上和确定应变计 的特由于运算放大器的 改进，不再性上，以及用于记 录结果的电路与需要四应变计 的全桥 作测量。替代测试设备上。因此，采 购一个应 变的是一种四分之一桥的结构，它只计调整系统可能 好于自己作 电路 设有一个有效应变计，用三只无源 电计。阻来完成整个桥。另外，还 可以用一支路中有两个应变计的半桥。这应变的基础种方案可抵消应变计的温度系数。为什么应变计会这么复杂和 昂然后用两只无源电阻补足成全桥，贵，要理解这点必须懂 得其基 础知两只电阻也具有相同的温度系数。识。一个微应变 (micr