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1、液压测试及计算机测控技术,周生浩 液压与气动技术研究所 Institute of Hydraulic Pneumatic Technology (IHPT),Hydraulic Testing and Computer Measurement & Control,2010.10.09,mousegame1,mousegame2,mousegame3,3 机械基本参数测量,机械基本参数,应变,直线位移,角位移,直线速度,转速,力,结构,原理,性能,标定方法,扭矩,振动和噪声,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变效应,当金属丝在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化,F l、A
2、 、 R,长为l、 截面积为A、 电阻率为的金属或半导体丝, 电阻,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变效应,对于半径为r的圆导体，A=r2，A/A=2r/r 又由材料力学可知，在弹性范围内，,为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量； 为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5； 为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量；,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻灵敏系数,材料的几何尺寸变化引起的 材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）,金属材料：k0以前者为主，则k01+2=1.73.6 半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定,k0501
3、00,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变片的基本结构与种类,敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝 丝绕式 基 底 绝缘 覆盖层 保护,位移、力、力矩、加速度、压力,弹性敏 感元件,应变,外力作用 被测对象表面产生微小机械变形 应变片敏感栅随同变形 电阻值发生相应变化,应变片,金属电阻丝应变片 基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变片的基本结构与种类,应变计,金属属性,半导体式,体形,薄膜型,丝式,箔式,纸基,胶基,体型 薄模型 扩散型 外延型 Pn结及其它形式,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,金
4、属丝式应变片,金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角, 如右图所示。 弯曲部分作成圆弧（U）形是最早常用的一种形式, 制作简单但横向效应较大。 直角（H）形两端用较粗的镀银铜线焊接, 横向效应相对较小, 但制作工艺复杂, 将逐渐被横向效应小、 其他方面性能更优越的箔式应变计所代替。,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,箔式应变片,箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一般在0.0030.01mm）。与丝式应变计相比有如下优点: (1) 工艺上能保证线栅的尺寸正确、 线条均匀, 大批量生产时, 阻值离散程度小。 (2) 可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长
5、（如基长为0.1 mm）的应变计。 (3) 敏感栅截面积为矩形, 表面积大, 散热好, 在相同截面情况下能通过较大电流。 (4) 厚度薄, 因此具有较好的可挠性, 它的扁平状箔栅有利于形变的传递。 (5) 蠕变小, 疲劳寿命高。(6) 横向效应小。 (7) 便于批量生产, 生产效率高。 下图为几种箔式应变计。 ,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,箔式应变片,几种箔式应变计,缺点： 电阻值的分散性大, 阻值调整困难,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,金属薄膜应变片,采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现
6、工业化批量生产 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,半导体应变片,薄膜型半导体应变计是利用真空沉积技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成的。 扩散型半导体应变计是将P型杂质扩散到高阻的N型硅基片上, 形成一层极薄的敏感层制成的。 外延型半导体应变计是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成的。,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,半导体应变片,(1)灵敏度高。 比金属应变计的灵敏度约大50100倍。 工作时, 可不必用放大器就可用电压表或示波器等简单仪器记录测量结
7、果。 (2)体积小, 耗电省。 (3)由于具有正、 负两种符号的应力效应（即在拉伸时P型硅应变计的灵敏度系数为正值; 而N型硅应变计的灵敏度系数为负值。 (4)机械滞后小, 可测量静态应变、 低频应变等。,优点,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计,应变计是一种重要的敏感元件。首先, 它在实验应力分析中是测量应变和应力的主要传感元件; 其次, 某些其他类型的传感器, 如膜片式压力传感器、 加速度计、线位移传感器等, 也经常使用应变计作为机电转换元件或敏感元件, 广泛地应用于工程测量和科学实验中。,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计,应变计之所以成为重要的敏感元件,
8、 主要由于具有如下优点: (1) 测量应变的灵敏度和精确度高。能测12微应变（110-6 mm/mm）的应变。 误差一般可小于1%。精度可达 0.015%FS（普通精度可达 0.05%FS）。 (2) 测量范围大。 从弹性变形一直可测至塑性变形。 变形范围从1%20%。 (3) 尺寸小（超小型应变计的敏感栅尺寸为 0.2mm2.5 mm）, 重量轻, 对试件工作状态和应力分布影响很小。既可用于静态测量, 又可用于动态测量, 且具有良好的动态响应（可测几十甚至上百赫的动态过程）。 (4) 能适应各种环境。可以在高温、超低压、高压、水下、 强磁场以及辐射等恶劣环境下使用。 (5) 价格低廉、 品种
9、多样, 便于选择和大量使用。,应变计有如下缺点: 在大应变下具有较大的非线性, 半导体应变计的非线性更为明显; 输出信号较微弱, 故抗干扰能力较差。 应变式传感器的性能在很大程度上取决于应变计的性能。,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,（一）灵敏系数 （二）横向效应 （三）温度误差及其补偿,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的电阻值 R,应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值 电阻系列：60、120、200、350、500、1000 可以加大应变片承受电压， 电阻值大 输出信号大， 敏感栅尺寸也增大,3 机械基本参数测量,电阻应变片和
10、应变测量,应变计的主要特性,1. 灵敏系数,“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料 为泊松系数=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5的 产品来测定，取平均值及允许公差值。,电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0,粘结层传递变形失真 还存在有横向效应,原因：,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,2. 横向效应,敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成 直线段：沿轴向拉应变x，电阻 圆弧段：沿轴向压应度y 电阻,K (箔式应变片),l,y,x,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,2. 横向效应,应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化
11、抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,3. 温度误差及其补偿,试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化 。,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境 温度变化T 时，敏感栅材料电阻温度系数为 ， 则引起的电阻相对变化为,其中,3. 温度误差及其补偿,3 机械基
12、本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化T 时，敏感栅材料电阻温度系数为 ，则引起的电阻相对变化为,其中,3. 温度误差及其补偿,可得由于温度变化而引起的总电阻变化为,相应的虚假应变输出为,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,3. 温度误差及其补偿,单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻,温度补偿,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,3. 温度误差及其补偿,应变片的自补偿法,a.粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互
13、抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。 b.选择式自补偿应变片 c. 双金属敏感栅自补偿应变片,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,3. 温度误差及其补偿,选择式自补偿应变片,优点：容易加工，成本低， 缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。,实现温度补偿的条件为,当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立,可达到温度自补偿的目的,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,3. 温度误差及其补偿,双金属敏感栅自补偿应变片,组合自补偿法,敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝
14、串接组成,选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足,通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.45m/的高精度,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,3. 温度误差及其补偿,热敏电阻补偿,T KRt,Rt,U = Ui - URt,K,URt,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,1 直流电桥 2 非线性误差及其补偿,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,1. 直流电桥,直流电桥的工作原理,平衡条件 :,R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4,时电桥
15、平衡,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,1. 直流电桥,应变片工作时，其电阻变化R,当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路.电桥的输出式为：,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,1. 直流电桥,采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时上式可写为,当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,1. 直流电桥, Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相
16、邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。,分析,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,2.非线性误差及其补偿,单臂电桥，即R1桥臂变化R，理想的线性关系,实际输出电压,电桥的相对非线性误差为,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,2.非线性误差及其补偿,减小非线性误差采用的措施,（1）采用半桥差动电桥,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电
