电阻应变式传感器（精选九篇）
电阻应变式传感器 篇1
1 原理简介
传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路组成。敏感元件是指传感器中能直接感受测量的部分;传感元件是指传感器中能将敏感元件感受到的被测量转化成输出的电信号。电阻应变片是一种能将机械构件上应变的变化转化为电阻变化的传感元件。电阻应变片由敏感栅、基座、盖层、引线等组成。其结构如图1所示。
敏感栅用直径为0.003～0, 010mm的金属箔制成栅状而成, 它实际上是个电阻元件, 是应变片中把感应量换成电阻变化量的敏感部分。由应变片的工作原理可知, 当应变沿应变片的主轴方向时, 应变片的电阻变化率ΔR/R和悬臂梁的主应变ε成正比, 即ΔR/R=Kε。式中K为应变片的灵敏系数, R是未加力时电阻初始值, ΔR是加力变形后电阻变化值。本实验利用应变效应来测量微小形变, 再将微小形变转换成电阻变化来测量悬臂梁的主应变。在测试时, 应变片应牢固地粘贴在测件表面, 随着测件受力变形, 应变片的敏感栅也同样变形, 其电阻值随之发生相应变化, 通过测量电路将这种电阻变化转化为电压变化。电阻变化主要由应变产生, 所以只要测出应变片电阻值的相对变化, 便可得出悬臂梁的应变。直流电桥是常用的测量电路, 它的作用是将电阻变化信号转化为电压或电流信号。使用直流电桥电路作为应变片的测量电路, 就可以把电阻的相对变化ΔR/R转化为电压的相对变化ΔU/U输出。电阻应变式传感器测量电路如图2所示, 图中R1、R2、R3为固定值, Rx为应变片时构成单臂电桥电路。在半桥电路中, 将图2中的R3固定电阻换为应变片, R3和Rx的受力方向应相反, 就构成半桥差动电路。在全桥电路中, 将图2中的R1、R2固定电阻均换为应变片, 接线时应注意对臂应变片的受力方向要相同, 邻臂应变片的受力方向要相反, 即构成全桥差动电路。
1.基座, 2.敏感栅, 3.盖层, 4.引线, L.敏感栅的长度, b.敏感栅的宽度.
2 三种测量电路电压灵敏度特性比较
由理论推导可知, 半桥电路的电压灵敏度比单臂电桥提高一倍, 全桥电路的电压灵敏度是单臂电桥的四倍, 单臂电桥由于输出电压忽略了分母中的ΔR/R项, 因而得出的是近似值, 存在非线性误差, 而半桥电路和全桥电路的输出电压与ΔR/R成严格的线性关系, 没有非线性误差。表1为单臂、半桥、全桥直流测量电路的实验原始数据。其中X表示位移, U1、U2、U3分别表示单臂、半桥、全桥电路的输出电压。根据表1在同一坐标中做出的X-U关系曲线如图3所示。
采用逐差法处理实验数据, 根据所得结果计算电压灵敏度S, S=ΔU/ΔX, 其中ΔU为电压变化值, ΔX为相应梁端位移变化值。由计算得知, 在单臂电桥中S1=20.64mV/mm, 在半桥电路中S2=44.1mV/mm, 在全桥电路中S3=78.2 mV/mm, 在一定的误差允许范围内S1∶S2∶S3=1∶2∶4。在单臂电桥中, 灵敏度最低而且近似值有非线性误差。在半桥电路中, 由于采用了相邻两臂同时接入应变片, 使一片受拉, 另一片受压, 构成半桥差动电路, 不仅没有非线性误差, 而且还具有温度补偿作用, 电压的灵敏度比单臂电桥提高了一倍。在全桥电路中, 由于采用了两片应变片受拉, 另两片应变片受压的全桥接法, 构成全桥差动电路, 可以获得最大的电压输出, 其电压灵敏度最高, 约为单臂电桥的四倍, 而且可以实现自动温度补偿。
3 总结
实验研究和比较了电阻应变式传感器配合单臂、半桥、全桥三种转换和测量电路的电压灵敏度特性, 结果表明, 实验所得灵敏度和理论推导的灵敏度基本是吻和的, 但也有一定的误差, 这是因为传感器所测的微小形变经常会发生各种变化, 在一段时间内有的值可能很稳定, 有的则可能有缓慢的起伏或者呈现周期性的脉动变化。由于实验仪器灵敏度很高, 轻轻碰触接线就会使数据有波动, 因此会给实验结果带来误差。实验开始时需调节电桥平衡, 使输出电压为零, 即使调到了零, 一个轻小的振动也会使输出电压偏离零, 在零值不稳定时进行测量也会造成实验误差。实验结果表明, 在半桥电路和全桥电路中其电压灵敏度比单臂电桥高, 而且没有非线性误差, 因此电阻应变式传感器在非电量电测的实际应用中应尽量采用半桥差动电路和全桥差动电路。
参考文献
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电阻应变式传感器 篇2
低温电阻应变式传感器弹性体设计准则基本与各类高温用电阻应变式传感器相同。传感器精度要求，使用寿命及输出灵敏度等，弹性体应变量一般控制 800到1500 m m/m 范围内。传感器弹性体材料，要求在低温条件下，具有良好弹性，高抗拉强度，高疲劳寿命以及不发生脆性断裂等等。，一般来说常温用弹性体材料大都可以选用。但目前，压力传感器常选用不锈钢、铝合金、铍青铜及殷钢等，而引伸计等传感器可选用铍青铜、钛合金等材料。低温电阻应变片
低温应变片是低温电阻应变式压力传感器关键敏感元件，其性能影响着压力传感器各项性能指标。低温应变片通常是由基底、敏感栅、胶粘剂及覆盖层等部分组成。各组成元件材料性能又直接影响着低温应变片基本性能。
电阻应变式压力传感器是由胶粘剂粘贴传感器弹性体上，当外力作用下，弹性体发生变形时，弹性体变形胶粘剂层传递到敏感栅上，引起敏感栅材料电阻发生变化，其电阻变化值与弹性体所受外力之间是呈线性关系，测量电阻变化值即可知弹性体所受外力。传感器实际工作时，弹性体受到外力作用，与此同时还受到环境温度变化影响，应变片受温度变化引起虚假输出通常称为热输出，其值与应变片敏感栅材料电阻温度系数、灵敏系数、线膨胀系数、弹性体材料线膨胀系数以及温度变化等有关。对于传感器来说，通常都要求所用应变片热输出值小，这样才能保证精度和稳定性。
低温胶粘剂和防护剂
胶粘剂和防护剂对低温电阻应变式传感器性能有直接关系。特别是胶粘剂，它对压力传感器尤为重要。大量试验证明：
(1)低温应变片基底材料，一般都采用聚酰亚胺膜是以玻璃纤维增强环氧酚醛胶。这类胶粘剂贴片后，经加压回热固化及后固化处理后，胶层具有很高粘结强度，电绝缘性能好，传感器蠕变、滞后及零漂小，传感器稳定性也好。
电阻应变式传感器 篇3
【关键词】光敏电阻 热敏电阻 传感器 物理 应用
【中图分类号】G633.7【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）10-0216-02
引言
电阻式传感器的原理是通过敏感电阻阻值的变化将被测量的物理量，常见的敏感电阻主要有热敏电阻、光敏电阻、压敏电阻、磁敏电阻和气敏电阻等，这些敏感电阻都可以被看做是变阻器。光敏电阻、热敏电阻等传感器在生活中的应用是高三物理的一个知识点，应该引起高三物理教学和学习的高度重视。
1.热敏电阻与光敏电阻介绍
1.1 热敏电阻
热敏电阻传感器通过电阻随温度变化的特征，用电阻的变化来反应温度的变化的装置。若导体的材料为金属材料，则温度和电阻之间呈现正相关的关系，而半导体材料的电阻变化却和温度变化呈非线性的负相关的关系。在温度变化相同的条件下，热敏电阻的阻值随温度的变化是铂热电阻的约10倍左右，所以当对精度要求较高时，应用热敏电阻代替铂热电阻来进行测量。热敏电阻具有很多较为突出的优点，如灵敏度高、体积小、热惯性小、工作寿命长、测量简便、价格低廉等。然而，热敏电阻的缺点也是十分明显的，比如热敏电阻的测量结果具有较大的非线性，稳定性及一致性也不理想，在应用热敏电阻进行测量的过程中通常需要外加补偿电路。
1.2 光敏电阻
光敏电阻的又称为光导管，其原理是基于光电效应，当没有光照时，光敏电阻的阻值较高，而当光敏电阻受到光照时，光敏电阻的电阻值降低，光照越强，电阻的阻值降低的越多，光照停止，阻值恢复。光敏电阻一般都是由半导体材料所制成的，其结构较为简单，在玻璃底板涂上一层半导体物质，在半导体物质的两端装上金属电极，将半导体和金属电极装入塑料封装体内。
2.热敏电阻与光敏电阻的应用
2.1 热敏电阻的应用
热敏电阻的阻值随着温度的变化而呈现阶段性的变化，可以把温度信号转化为电信号热敏电阻可以分为PTC热敏电阻和NTC热敏电阻两类，其中PTC热敏电阻的特点是电阻值与温度呈正相关关系，而NTC热敏电阻则恰恰相反，即电阻值与温度的变化呈现负相关的关系。其中PTC热敏电阻的用途主要有自动消磁PTC热敏电阻、延时启动热敏电阻、恒温加热热敏电阻、过流保护热敏电阻和过热保护热敏电阻。其中自动消磁用PTC热敏电阻通常用于电视剧的消磁电路中，延时启动PTC热敏电阻通常应用于空调冰箱制冷等电器的电路中，恒温加热PTC热敏电阻通常应用于热水器电路中，过流保护热敏电阻和过热保护热敏电阻主要应用于电子镇流器、电脑、电视等电路中。NTC热敏电阻按照用途的不同则主要分为功能型NTC热敏电阻、补偿型热敏电阻和测温型热敏电阻。总而言之，可以利用热敏电阻来对温度进行测量或者控制。热敏电阻在生活中的应用十分广泛，如电饭煲、电热水器、电熨斗、饮水机、空调、电冰箱、温度报警器、热熔胶枪等都应用了热敏电阻。
2.2 光敏电阻的应用
光敏电阻按照光谱特性可以分为三类，分别是可见光光敏电阻、紫外光光敏电阻和红外光光敏电阻。其中，可见光光敏电阻主要是应用在对于可见光进行自动控制的控制系统中，如光电跟踪系统，路标灯、航标灯、光控开关等都是对可见光光敏电阻进行的应用，另外可见光光敏传感器可以和声敏电阻传感器一起被用来作为声光控制开关。紫外光光敏系统由于对于紫外线的敏感度较高，所以一般通常被用来对紫外线进行探测，红外光敏电阻则主要应用于红外光谱、红外通信等方。
3.结语
本文结合高中物理相关知识，首先对热敏电阻传感器、光敏电阻传感器的工作原理、特点和优缺点等内容进行了阐述，在此基础上对热敏电阻和光敏电阻的用途进行了分析，研究结果表明，光敏电阻、热敏电阻等传感器主要应用于温度控制、稳压温度、温度补偿、各类加热器、开关电源、温度控制电路及开关保护电路等诸多方面，与人们的生活具有密不可分的关系。
参考文献
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电阻应变式传感器 篇4
1 高温电阻应变式称重传感器
在进行工业生产中, 使用称重技术是非常普遍的, 因此, 在称重传感器方面种类也是非常多的, 尽管如此, 在传感器测量精度和可靠性方面电阻应变式称重传感器的优势是非常明显的, 而且这种传感器在使用的时候, 对温度的要求也是非常明确的。称重传感器在使用的时候通常都是由温度范围的, 使用的时候温度范围主要是由于使用的时候对传感器的测量精度不同导致的, 同时应变片允许的最高温度也是决定性因素。现在技术的发展, 使得电阻应变式称重传感器的温度范围得到了很大的提高。在制造高温电阻应变式称重传感器的时候是要使用到很多的材料的, 这些材料的使用对测量的精度影响是非常大的。
1.1 弹性体材料
在进行高温传感器制造的时候, 可以使用常温称重传感器的结构形式, 但是具体要使用哪种形式要根据不同的影响因素来决定。对高温结构形式起到影响的因素是非常多的, 其中精度要求、安装位置和防热防潮等因素都会影响到高温传感器的结构形式。在对弹性体材料进行选择的时候, 首要的考虑因素就是高温情况下的强度变化、弹性模量的变化以及抗氧化性和稳定性。在高温的情况下, 弹性材料的选择主要是碳合金钢, 这种材料在使用的时候, 冷热加工性能非常好, 而且稳定性也是非常高的, 使用过程中的强度极限也是非常高的。传感器的弹性体在使用的时候对淬火和回火都是有一定的要求的, 在热处理以后硬度一定要保证均匀, 这样才能更好的在高温环境下进行称量。
1.2 自补偿应变片
温度自补偿电阻应变计在一定温度下使用的时候, 可以达到温度的自己补偿效果, 而且自补偿电阻应变计在高温称重传感器中是在构件材料和弹性元件之间相互粘贴的。在高温称重传感器中, 自补偿应变片是非常敏感的元件, 对温度的使用范围要求也是非常高的。高温电阻应变片是在温度超过三百五十摄氏度以上使用的, 在选择应变片的时候也是有一定的原则的。在温度不超过两百五十度的时候, 通常使用的是康铜合金的应变片, 但是这种应变片在使用的时候是存在很大的缺点的, 在进行热量输出的时候, 康铜合金材料非常容易导致氧化情况的出现, 这样就会导致高温情况下的电阻出现反常的变化, 使得热量在输出的时候出现急剧增加的情况, 使得温度补偿功能无法得到发挥。为了使康铜合金的称重传感器得到更好的发展, 在进行传感器制造的时候可以选择其他材料来进行制造, 使传感器的使用效果得到明显的改善。在选择材料的时候, 镍铬合金的效果是非常好的。使用镍铬合金来进行应变片的制造, 可以使电阻率得到提高, 而且提高的电阻值是非常明显的, 使得这种材料可以进行多种高温应变片的制造。镍铬合金制造的高温称重传感器在使用的时候, 可以对电阻温度系数值进行调整, 而且是按照温度的和时间来进行调整, 这样更加容易实现温度的自补偿, 而且在一定的温度范围内, 电阻应变片在热量输出的时候, 分散度也是非常小的。使用镍铬合金来进行传感器的制造可以在灵敏度上得到很大的提高, 灵敏系数的提高会对温度变化进行更好的反映, 使得热量的分散度变小。镍铬合金在高温称重传感器的制造是非常有优势的, 因此可以使用这种材料进行更多中传感器的制造。
2 高温应变片的粘贴工艺技术
在进行高温称重传感器制造的时候, 怎样将应变片准确有效的牢固粘贴在弹性体上是非常重要的, 而且也是制造传感器的关键工艺。在进行应变片粘贴的时候, 要对弹性体的变形情况和温度的变化进行很好的控制, 只有这样高温应变片在使用的时候才能更好的发挥效果。
2.1 高温粘合剂
在高温情况下使用的粘合剂一般是有两种的, 一种是是特殊的环氧-酚醛胶;另一种是聚酰亚胺胶。在选择粘合剂的时候, 一定要考虑应变片的基底材料的特性, 基底材料的特性会对粘合的强度有很大的影响。环氧-酚醛胶粘剂是一种粘结牢同时粘层非常薄的材料, 在使用的时候, 效果是非常好的, 但是在使用中也是有很大的弊端的, 就是非常容易受到高温的影响, 出现氧化的情况, 使得粘合剂的使用寿命降低, 在使用以后, 可能会出现应变片使用寿命短的问题。聚酰亚胺胶粘剂是一种电气性能非常好, 而且耐辐照性能非常好的粘合剂, 在使用的时候不易受到温度的影响, 因此使用寿命相对是很高的。
2.2 高温应变片的结构形状的选择
传感器用应变片, 当粘贴于弹性体上时, 不仅要求其感受相同的应变, 而且还要求其感受相同的温度, 也就是说, 在应变片上没有应变梯度和温度梯度的影响。这对高温传感器来说尤为重要。要满足上述要求, 必须对所选用的应变片的结构形状加以选择, 一般来说应选择成对的组合片为宜。大多为双栅组合片和全桥式组合片。该形式的应变片, 一般具有温度特性的一致性好, 不易受应变梯度和温度梯度的影响。具体应选择哪种形式, 应根据弹性体的结构形式而定。另外, 必须对所选用的应变片的温度特性进行分选, 尽量选用温度特性相近的进行组桥, 以提高电桥电路的补偿效果。
2.3 底胶、加压及后固化的必要性
底胶, 就是弹性体的贴片位置, 预先涂上一层薄而均匀的贴片胶, 并进行半固化。预涂底胶的主要目的是提高应变片的绝缘电阻, 并使绝缘电阻随温度变化尽可能的小, 以减小传感器在高温下的零点漂移, 提高在高温下的稳定性。另外, 也有利于提高应变片的粘结强度。粘贴后的应变片, 必须根据胶粘剂的要求进行加压、固化处理。其中加压夹具的形式及压力大小, 对应变片粘结效果有直接的影响。通常要求加压夹具的力作用点垂直通过应变中心。加压时不产生扭力, 并且在高温固化过程中压力尽可能保持不变。由于胶粘剂和垫在加压板下的硅橡胶板, 在加热过程中都会变软, 体积发生收缩, 从而使原先所加压力有些松弛, 若加夹具能自动追踪, 使压力不降彽, 这样, 使应变片始终紧贴在弹性体表面, 粘结强度既高, 性能又稳定。
加压时压力若太大, 容易使贴片胶在固化过程中被完全挤出来, 造成胶层太薄, 不仅会降低粘结强度, 而且也会使绝缘电阻降低, 降低了抗机械和热疲劳的能力。压力过大时, 也会使基底变形, 严重时会使栅丝断裂。若压力过小, 则会形成胶层太厚, 易产生气泡针孔等现象, 影响传感器的蠕变、滞后特性。胶粘剂的后固化, 就是贴片后的胶粘剂经加压, 加温进行固化处理, 再卸去加压夹具后, 在高于使用温度10℃~20℃的范围内再一次固化处理。其作用是, 为了消除固化过程中由于加压夹具造成在胶层中的内应力;使在固化过程中未完全固化或未反应的物质, 进一步固化, 使胶层完全固化, 传感器性能更加稳定。固化时间必须长于今后传感器每次的实际工作时间, 只有这样才能保证应变片在使用温度范围内的稳定性。
3 稳定化处理的必要性
组桥、补偿技术是决定传感器和应用性能的关键工艺技术。因而在选择焊料、助焊剂、连接导线材料时, 都应首先考虑满足环境温度的要求, 除此以外配线时应考虑桥臂中附加电阻值的对称性, 以及温度分布的均匀性。在进行各种温度补偿或调整前, 必须对传感器进行稳定化处理, 这对高温传感器尤为重要, 对于箔式应变片, 必须进行三次以上的稳定化处理, 才能使传感器性能稳定在某一基础上, 然后, 才有可能进行补偿和调整。
4 结束语
高温情况下使用的称重传感器在制造材料的选择上, 还是以粘贴高温应变片电阻应变式传感器为主的。尽管高温传感器在结构和生产工艺上和常温传感器是相同的, 但是在具体进行实施的时候, 还是存在着很大的差别的。使用高温称重传感器在工业生产中是非常重要的, 对于很多的工业生产行业是有很大的影响的。在高温的情况下, 进行称重可以更好的对产品的质量进行控制, 同时对机器设备的安全也是有很好的保障。为了更好的制造出高温称重传感器一定要对生产工艺进行提高, 对使用的生产材料也要进行提高, 使得工业生产可以得到更好的发展。
摘要：科学技术的不断发展, 也推动着工业技术在不断的发展, 在冶金、化工和铸造行业越来越需要可以在高温的环境下进行称量的仪器, 这种仪器已经成为限制其发展的重要因素。在常温的环境下的称量技术已经发展的非常成熟, 但是在高温的环境下进行称量还是没有很好的技术, 为了更好的促进工业企业的发展, 要对高温称重传感器的研究非常的重视。
关键词：高温称重传感器,电阻应变片,生产工艺
参考文献
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电阻应变传感器故障浅析 篇5
电阻应变传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器, 传感器由在弹性体上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起敏感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小。电阻应变传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。
电阻应变传感器实现对被测物理量的测量过程, 是通过粘贴在弹性体表面的电阻应变片组成惠斯顿电桥, 在外接激励电源下实现力一应力变形一电阻变化一电量变化等四个环节来实现的。
就电阻应变传感器而言, 上述四个环节都可能出现故障, 故障的模式也是多种多样的。
2 电阻应变式传感器的几种典型故障
2.1 绝缘电阻降低
绝缘电阻降低主要发生在传感器的引出线端、密封盖等处。在使用中如遇到恶劣潮湿环境, 上述部位防水密封性能差时, 则传感器的绝缘阻值将会大幅下降, 并导致输出信号不稳定。特别是电阻应变片受潮后阻值会发生变化, 情况严重时还会出现丝栅变细, 使阻值明显变大, 甚至使电阻应变片丝栅断裂, 导致桥臂断。为避免该类故障的发生, 应在传感器密封盖上涂一层防水漆或密封胶, 引线插座采用防水插座, 以提高防水效果。
2.2 零点飘移
引起传感器零点飘移的原因有许多, 本文列举其中三种出现较多的情况。
2.2.1 传感器超载引起的零点变化
传感器因超载所引起的零点变化, 在检测时呈现如下的规律:承受拉伸应力的应变片阻值明显变大, 承受压缩应力的应变片阻值明显变小, 并且阻值的变化呈对称性。
出现这类故障时, 传感器已损坏且不能修复。因此, 在使用传感器时, 应仔细阅读传感器说明书, 严格按照传感器说明书规定来操作和使用传感器, 不允许超量程使用。
2.2.2 应变片绝缘电阻低引起零点变化
由于应变片防潮处理未做好或受到破坏, 传感器长期使用后, 应变片与弹性体之间的绝缘阻值会逐步下降, 传感器的零点输出也会产生变化, 并随着绝缘阻值的下降程度而发生不同程度的零点输出变化。为此, 应做好应变片的防潮涂敷, 并防止外部导致的防护层损坏。
2.2.3 虚焊引起的零点变化
应变片焊点虚焊及各连接导线虚焊均能引起零点漂移。为了避免虚焊, 应使用合适的焊锡、助焊剂和烙铁。在焊点清洗干净后, 做好焊接质量检查, 对不合格焊点进行重焊。
2.3 断桥现象
2.3.1 应变片丝栅腐蚀断裂
潮湿的环境会引起应变片敏感丝栅腐蚀, 导致最终断裂。造成此种现象的主要原因是防水密封性能差, 传感器的使用环境恶劣, 使粘贴应变片部位受潮或接触腐蚀性物质, 导致应变片丝栅腐蚀, 最终断裂, 出现断桥现象。为避免这类故障的产生要做好防潮密封。
2.3.2 应变片丝栅烧断、补偿电阻烧断
造成此类故障的原因大多是由于传感器运行时遭雷击或带电进行焊接或桥路外引入高电压, 超过应变片基底的击穿强度把最薄弱的应变片击穿或丝栅烧断。发生该类故障时应变片或补偿电阻上均有黑点, 严重的则是整个应变片全部烧黑。为此, 应在传感器电路中进行电磁防护和过压、过载保护, 焊接时必须断电操作, 切忌在通电情况下进行焊接操作。
2.3.3 传感器引线脱落造成断桥
传感器在制作过程中, 各连接导线及应变片连接银丝虚焊会因传感器在使用中的频繁振动导致连接导线断线或应变片联接银丝脱落, 出现断桥。为此, 应在传感器组桥完成、测试、调试完成后, 应用填充胶将连接导线等进行填充固定, 避免在使用中产生振动。
2.4 意外原因引起的故障
在传感器的使用过程中, 经常出现安装时把引线插座砸坏或导线拉断。加载时超出传感器的最大量程, 超量程使用导致传感器损坏等意外情况, 从而导致传感器故障。因此要仔细操作, 小心使用, 严格按照传感器使用说明书的规定操作和使用传感器。
4 结语
在本文中, 作者对电阻应变传感器的故障进行了简要分析, 归纳总结出几种电阻应变传感器的典型故障, 对其产生的原因进行简要阐述, 并提出了避免故障产生的方法。
参考文献
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电阻应变式传感器 篇6
本文介绍了一种高精度量程可调的电阻应变式无线压力变送器。 设计采用电阻应变片作为压力感应元件,线性度好,重复性好;使用程控放大电路实现量程可调,实现宽量程压力测量,提高测量精度;运用蓝牙模块实现中短距离无线传输,提高了使用安全性;上位机采用C++ Builder 6.0软件进行设计编制, 完善了远距离人机交互操作。
1系统组成
系统组成如图1所示。 压力变送器主要由信号采集模块、信号放大模块、控制模块、液晶显示模块、蓝牙通信模块、上位机软件模块6部分组成。
信号采集模块感应测量点压力变化,将机械性变量转化为电压量;通过信号放大模块将微小的电压差放大到0~2.2 V之间输入到单片机模拟信号输入端;使用单片机内置的12位A/D转换电路进行模数转换, 计算得到的当前压力值; 设备安装处液晶模块显示当前压力值;将通过蓝牙模块远程传输到PC客户端,用户也可以通过上位机应用程序实现压力的实时监控。
2模块化设计
2.1信号采集模块
信号采集模块由电阻式应变片组成。 电阻应变片由敏感器(电阻丝)、覆盖层、基底、引线四部分组成。 将应变片用粘合剂粘贴在弹性敏感元件上, 当弹性敏感元件受到外施压力作用时, 将产生形变, 电阻应变片将它们转换成电阻变化,再通过惠斯通电桥电路( 如图2) 及补偿电路输出电信号。
其中,U1为电桥电路供电电源,取12 V;R1为应变电阻(型号为BF350-3AA的康铜金属箔电阻应变片,初始阻值350 Ω,灵敏系数:2.0~2.20,精度等级:0.02级, 应变极限:2.0%,单片尺寸:7.1 mm×4.5 mm,温度范围: -30 ℃ ~+150 ℃ , 温度自补偿系数:16) ;R2 、R3 、R4阻值均为350 Ω。 应变片受到压力形变,电桥不平衡,在输出端产生与压力成一定正比关系的不平衡电压U2。
2.2信号放大模块
信号放大模块采用程控放大电路,程控放大电路分为前置放大电路和电压放大电路。
集成运算放大器选择LM358 , 设计采用 直流 ±15 V双电源供电,SO-8贴片封装。 放大电路如图3所示。
2.2.1前置放大电路
前置放大电路为差分放大电路,主要是将惠斯通电桥的不平衡电压差进行采集放大。 其中R5、R6阻值为1 kΩ,R7、R8为反馈电 阻 , 分别有4个可选阻值:10 kΩ 、50 kΩ 、100 kΩ 、500 kΩ 。
当R5=R6,R7=R8时,差分放大倍数A1=R7/R5。 通过继电器进行R7、R8阻值的同步选择, 实现4个档位10 、50 、100 、500的倍数放大。 C1减小系统的响应时间。 R9、C2用来滤除LM358的斩波尖峰噪声。
2.2.2电压放大电路
电压放大电路为比例放大电路,主要是将电压值进行二次放大,实现多量程宽量程的灵活选择。 其中R10、 R11阻值为1 kΩ,R12为反馈电阻,R12、R13分别有四个可选阻值1 kΩ、2 kΩ、4 kΩ、10 kΩ。 R11//R13组成平衡电阻,满足R10//R12=R11//R13,平衡电阻使得集成运放的两输入端对地直流电阻相等,从而保证偏置电流不会产生附加的失调电压。
比例放大倍数A2为:A2=R12/R10。 通过继电器进行R12、R13阻值的同步选择, 实现1、2、4、10的倍数放大和平衡输入电阻。C3减小系统的响应时间。R14取10 Ω, C4取0.01 μF,R14和C4组成输出RC滤波电路。 D4、 D5为钳位保护电阻, 使得输出电压值箝位在0 ~3.3 V之间,保护芯片不受损坏。
信号放大模块共有11个档位, 放大倍数分别为: 10 、20 、40 、50 、100 、200 、400 、500 、1 000 、2 000 、5 000 。 单片机软件实现自动量程选择与切换,尽量将所测量值位于当前量程的中间1/3的数值范围内, 提高分辨率和测量精度。
2.3控制模块
单片机选择C8051F040,具有64个数字I/O引脚,片内集成了CAN2.0B控制器;具有12位、100 kS/s的ADC; 带PGA和8通道模拟多路开关;64 KB的Flash存储器, 5个通用定时器; 具备SPI、SMBus/I2C及两个UART。 资源丰富,性能稳定,满足应用。
经过信号放大后得到0~2.2 V的模拟电压信号,输入到单片机的模拟输入端口进行A/D转换, 基准电压选择单片机内部的2.2 V基准源。
2.3.1数字滤波[2]
为了减少测量过程中的干扰信号,除了在硬件上选择高性能的集成运放和精密的电子器件以及隔离措施之外,在软件上采用限幅滤波法和去极值均值滤波法。
采用限幅滤波法消除尖峰脉冲干扰, 目的是滤除信号采集中由于偶然因素引起的脉冲干扰,提高数据有效性。 计算如式(1):
其中,△X=|n- n -1| , A为两次相邻采样的最大允许偏差值, 需要根据采样周期和经验判断(A值的确定很重要);n 、 n-1分别为本次、上次采样值,Xn 、 Xn-1为本次和上次采样的有效值。
为了进一步减小误差, 同时加入去极值均值滤波法,即连续采样16次,进行大小排序,首尾各舍去3个测量值,取中间的10个测量值,取平均值作为本次采样的有效数据N:
2.3.2非线性矫正[7,8]
由于传感器的规格、 特性和安装等方面的差异,必然存在着非线性误差,要保证精度还需要考虑传感器的非线性矫正问题。 在激励电压一定的情况下,电桥的不平衡电压与测量压力值呈线性关系:
非线性矫正即是求得式中k和b。 在硬件上,可以选择线性度、重复性能优越的应变片,粘贴按照统一标准以及其他补偿措施,对于非线性矫正,更多的采用软件方式矫正。 本设计选用最小二乘法直线拟合法就行矫正。 其原理为:取n个矫正点,根据式(3),由最小二乘法理论[5,6],总的拟合误差为:
求出使得 Φk, b最小的极值点(k,b)即可实现矫正。
2.3.3标度变换
单片机模拟输入电压的范围为0~2.2 V,12位ADC对应到数字量0~4 095,设采集到实际电压值为U:
其中A为程控放大电路的总倍数,A=A1×A2,A1为前置放大电路的放大倍数,A2为电压放大电路的放大倍数。
单片机根据采集到的数据自动选择合适的档位,以此提高测量的精度。 根据设置的不同设置矫正点,带入式(3) 得出实际的压力值P。
2.4液晶显示模块
液晶显示模块选用LCD1602,工业字符点阵型液晶, 能够同时显示32个字符(16列2行)。 该器件比较常用, 基于篇幅,在此不赘述。
2.5蓝牙通信模块
贴片式蓝牙通信模块支持BlueTooth V1.2蓝牙协议,工作电压为2.7 V~3.3 V,工作电流为6~120 mA,通信距离可达100 m。
蓝牙模块预装SPP01串口通信固件, 可以通过串口AT指令方式进行参数配置, 使蓝牙模块工作于从模块、 主模式或配置两个蓝牙模块成一对一透明串口模式。 本次配置为透明串口模式,串口波特率115 200 b/s、数据位8、停止位1、奇偶校验位N、流控制N。
在实际测试中,通信距离实际可以达到110 m。 蓝牙模块与单片机之前通过RS232接口进行连接, 在PC用户端只需USB蓝牙适配器即可接受来自远程端的监测信息,实现实时数据通信与控制。
2.6上位机软件模块
上位机应用软件界面如图4所示。 通过C ++ Builder 6 . 0编制的上位机软件, 包括串口设置、 倍数选择(手动/自动模式可选)、压力上下限报警设置、显示当前压力值等参数。 握手按钮,是用来确定上位机软件与下位机的单片机设备通信状态是否正常。 界面最底端实时显示串口以及监测的运行状态,方便用户及时获取重要信息及提示。 整个应用软件内容详实,简洁明了,极大地方便了用户使用。
3误差分析与矫正
在实际的电桥电路应用中,必然存在着由于温度漂移、接线电阻、零点漂移以及元器件本身的非线性度等带来的误差。
为了尽量减小和消除误差, 尽量选用应变线性度好、重复性好、回差小、蠕变小的应变片。 同时应变片的贴粘方位不准确是造成应变测量误差的重要原因。
3.1温度补偿
应变片电阻值会随着温度的变化而变化,另外试件之间热膨胀系数的不同, 也会造成应变片阻值的变化, 需要对其进行温度补偿,以此减小误差,提高精度。 常用温度补偿法有: 热敏电阻补偿法、串入温度补偿片法。 本文采用在电桥的 适当桥臂 串入温度补偿片,其阻值的计算方法为:
其中,rt为温度补偿片的电阻值;Δut为电桥温差 Δt时的温漂;V为桥压;αt为温度补偿片的温度系数;R为桥臂电阻标称值;Δt为温度变化量。 除此之外,还可以在对应桥臂使用同样的应变片置于同样的环境条件下,只是不感受应变,这样也可以直接抵消温漂产生的误差[3]。
3.2零位补偿
在实际的电桥电路中,由于引线、焊接、器件精度等因素的影响,初始电桥并呈现不平衡状态,便会产生零位输出 Δu0。 同样, 在适当桥臂串入零位补偿片r0实现零位补偿。
r0的阻值通常由下式确定[4]:
其中,r0为零位补偿电阻值;Δu0为零位输出值;V为桥压;αt为温度补偿片的温度系数;R为桥臂电阻标称值。
尽管如此补偿,单纯通过硬件也很难完全克服零位误差。 本设计加入软件辅助矫正,在系统初始化后,对微小的初始测量值进行记忆,在正式运行监测中自动减去初始非零值,进行了软件的清零矫正,保证输出零位。
4软件程序设计
软件的设计主要在于量程的选择和补偿矫正算法的实现。 程序流程图如图5所示。 量程的选择以A/D转换(包含了温度补偿、零点补偿和非线性矫正程序)测量值N为判断对象,当4 095/3
电阻应变式传感器 篇7
在众多工程应变测量中,电阻应变片测量方法是获取应变数据的传统手段。目前的工程结构健康监测,如铁路[1,2,3]、风力发电[4,5]、机械设备[6]等,大都处在电磁场环境中。然而,电阻应变片易受电磁场影响,当环境中有较强电磁场时,其测量结果的准确性无法保证。近年来,光纤光栅作为一种新型的光无源器件,因其抗电磁干扰强、寿命长、复用性好、抗化学腐蚀性强等优良特性,在工程结构监测中逐渐发展起来。
本文针对在周期变化磁场的情况下,基于等强度梁应变实验,对光纤光栅传感器和电阻应变片的测量结果进行了分析。
1 电阻应变片与光纤光栅传感器的工作原理
1.1 电阻应变片的工作原理
电阻应变片的工作原理是将应变量转变为电阻变化量,其传感方程用公式[7]表示为
其中,K0=1+2μ+ λ E,对于特定材料,K0是一个常数,λ 为压阻系数;μ为金属丝泊松比;E为金属丝弹性模量;ε 为金属丝应变。
1.2 光纤光栅传感器的工作原理
光纤光栅传感器利用光纤材料的光敏性,在光纤纤芯上建立一种空间周期性折射率分布,使其对特定波长的入射光具有反射作用,被反射光的中心波长称为布拉格波长,可定义为
其中,λB为布拉格波长;neff 为有效折射率;∧ 为光纤光栅周期[8]。
只有轴向力作用于光纤光栅且温度变化不大时,布拉格波长的漂移为
其中,△λε 为应变引起的中心波长的漂移;Pe 为光纤光栅的弹光系数;△ε 为应变的变化。
令1-Pe=Kε,Kε称为光纤光栅相对波长应变灵敏度系数,当选定光纤光栅后, Kε为一定值。
基于以上分析,光纤光栅中心波长的偏移量与轴向均匀应变呈线性关系[9]。
2 工作特性对比实验
2.1 实验装置
实验采用等强度标准悬臂梁作为应变主体,当梁的自由端受竖向力P作用时,等强度梁表面各点的应变相等。因此,将电阻应变片与光纤光栅粘贴到等强度梁的不同位置,所测得的应变值应一致,并与理论值相符。实验装置示意图如图1所示。
电阻应变仪采用北京波谱的WS-3811,其输出灵敏度为1000με / V ,示值误差为 ±0.1% 。电阻应变片型号为BX120-5AA,敏感栅长5 mm,宽3 mm,基底长9.4 mm,宽5.3 mm。
光纤光栅传感解调仪为美国MOI的sm125-500,波长精度为1 pm,波长稳定性为1 pm,波长量程为80 nm(1510~1590 nm)。光纤光栅长度为10 mm,中心波长1554.883 nm,反射率94.91%。将光纤光栅粘贴于悬臂梁的上表面,并使光栅的方向与梁轴平行。磁场干扰源为磁吸座。
2.2 实验方法
首先对悬臂梁上粘贴传感器的部位进行打磨,然后用502胶将电阻应变片及光纤光栅沿与梁上表面中线平行方向粘贴。粘贴光纤光栅时需施加一定的预应力,以保证同梁表面粘贴牢固[10]。光纤光栅中心位置距离悬臂梁自由端285 mm;应变片中心位置位于距离悬臂梁自由端255 mm处。分别对梁自由端施加0 N、1 N、3 N、5 N载荷,同时产生磁干扰源,分别位于传感器上方3 cm、5 cm、10 cm的水平面内,并沿图1中双向箭头的方向作频率为3 Hz的往复运动。磁干扰源所产生的磁感线方向与等强度梁上表面垂直,记录不同载荷下的测量结果。悬臂梁上传感器所在位置的理论应变可由式(4)计算。
其中,l、b、h分别为传感器粘贴位置的长、宽、厚; E为悬臂梁弹性模量; P为集中载荷。
3 实验结果分析
3.1 应变片数据时域分析
等强度梁自由端施加的力为0 N,对应变片测量数据进行均值对比分析,数据如表1所示。此时理论计算的应变值为0。
从表1可以看出,1、3组的平均值和2、4组的平均值相差较大,但都不超过4个微应变,可近似约等于0。而且各组间均值的最大差值为1.83e-7,可以忽略,故均可视为零。说明实验数据有效。
磁干扰距离不同时,电阻应变片的时域波形如图2~图5所示。
每一组应变最大值、最小值与均值之差如表2所示。各数值均取绝对值。
从表2中可以看出,同组的两个差值非常接近。每一组之间的差值随着变化磁场干扰源距离由近及远而呈由大到小的趋势。当干扰源距离为3 cm时,最大、最小值与均值之差最大,5 cm时其次;当距离为10 cm时,第4组和第1组的两个差值非常接近,此时的数值和无干扰源时的数值非常接近,说明干扰源对应变片测量结果的影响可忽略。施加力为1 N、3 N、5 N时的数据与上述分析结果有相同的趋势,这里不再赘述。
从实验分析结果可以得出,在有磁干扰源的情况下,应变片的测量结果会随着干扰源距离的变化而有所不同。当干扰源较近,也就是变化磁场较大时,应变片的测量结果和理论值相差较大;当干扰源较远,也就是变化磁场较小时,应变片的测量结果和理论值相差较小,并且这种影响随着干扰源的逐渐变远而趋于零。磁干扰强弱与其距离电阻应变片的距离呈负相关的关系。
3.2 光纤光栅数据时域分析
等强度梁自由端施加的力为0 N,对光纤光栅测量数据进行均值对比分析,数据如表3所示。此时理论计算的应变值为0。
对光纤光栅测量数据进行均值对比分析。从表3可以看出,光纤光栅传感器测得的4组应变值较理论值而言相差较大,但考虑到实验用光纤光栅解调仪的精度比实验用应变仪低,而且每组数据的数量级相同,故说明实验数据有效。
磁干扰距离不同时,光纤光栅的时域波形如图6~图9所示。
每一组应变最大值、最小值与均值之差如表4所示。各数值均取绝对值。
从表4中可以看出,同组的两个差值非常接近,且2、3、4组之间的两个差值和第1组(无干扰源时)也都几乎相同。各组之间差值随着变化磁场干扰源距离由近及远没有像应变片数据一样呈由大到小的趋势,而是保持相对稳定。
等强度梁自由端施加的力为1 N、3 N、5 N时的数据分析结果和上述分析结果有相同的趋势,这里不再赘述。
从实验分析结果可以得出,光纤光栅传感器在有变化磁场干扰的场合下测量数值依然没有很大的波动,和在没有磁场干扰情况下所测数据相差非常小,并且在仪器测量误差范围内都趋近于理论计算值。说明在一定强度的变化磁场环境下光纤光栅传感器抗电磁干扰性优于电阻应变片。
4 结语
借助等强度悬臂梁,进行了应变片和光纤光栅两种传感器在磁场干扰下,测量应变的实验。实验结果表明:在同等条件下,当环境中变化磁场达到一定强度时,电阻应变片测量值会受到影响,并且这种受影响的程度和变化磁场强度呈现一种正相关关系。相比较而言,在每一组实验过程中,光纤光栅所测数据几乎不受变化磁场干扰,始终保持稳定,且在仪器测量误差范围内接近于理论计算值,验证了光纤光栅传感器良好的抗电磁干扰特性。
摘要：针对磁场对传感器工作性能的影响,借助等强度标准悬臂梁,研究光纤光栅和电阻应变片在磁场环境下的应变测量特性。给出2种传感器的应变传感方程,搭建磁场工作环境,分别采用电阻应变片和光纤光栅对磁场下悬臂梁的应变进行测量。结果表明:在有周期变化磁场工况下,电阻应变片的时域波形产生周期性的脉冲,脉冲大小与变化磁场的强度成正相关关系;光纤光栅传感器的测量结果则始终维持在理论计算值左右,不随磁场的变化而产生较大波动,证明了光纤光栅的抗电磁干扰特性。
基于电阻应变锚杆测力计试验研究 篇8
在矿井巷道围岩动态专项监测中, 锚杆受力状态监测是锚网支护中的一项基本工作。对于端头锚固或加长锚固锚杆, 监测目的是了解锚杆实际受力状态, 判断设计预应力、初锚力及拉拔力的合理性, 具体反映为锚杆工作载荷监测。当锚杆支护为端头锚固或加长锚固时, 现有的锚杆端部工作载荷监测仪器按其传感器主要分为液压枕式[1,2]、光纤光栅式[3,4,5]和电阻应变式[6]等类型, 电阻式锚杆测力计的电阻应变式传感器结构主要为拉压式弹性元件, 电阻应变元件安装在拉压式弹性元件最大主应变方向, 该弹性元件是电阻应变式传感器中受力变形的敏感部件, 采用拉压式弹性元件对锚杆端部工作载荷进行数据采集并通过电阻应变元件转换为电信号, 其缺点为:当拉压式弹性元件受到拉力作用时, 横截面面积减少;受到压缩时, 横截面面积增大, 其电阻应变元件监测值与锚杆端部工作载荷不呈线性关系。针对锚杆测力计这一现状, 本文对电阻应变式锚杆测力计进行研究。
1 锚杆测力计结构
基于电阻应变对锚杆测力计进行试验研究, 图1为电阻应变式锚杆测力计结构图。
从图1中可以看出, 该锚杆测力计主要包括电阻应变式锚杆测力传感器和二次监测仪表。电阻应变式锚杆测力传感器包括中空套杆、环形应力传感器组、单体环形应力传感器、箔式电阻片、箔式电阻片导线和螺母等部件, 中空套杆一端攻外螺纹另一端攻内螺纹, 内螺纹端与锚网支护锚杆连接, 外螺纹端采用螺母施加预紧力进行预紧, 中空套杆内置环形应力传感器组, 该环形应力传感器组包括多个均布的单体环形应力传感器并内置箔式电阻片。
中空套杆材料与锚网支护锚杆材料相同, 长度不小于锚网支护锚杆设计长度的1/4, 二次监测仪表具有数据处理、实时就地显示、有线传输或无线传输功能, 将锚杆端部工作载荷数据通过工业环网上传。
2 锚杆测力计现场应用
四侯矿3#煤层3102工作面运输顺槽, 净宽4.6 m, 净高4.7 m, 最大高度5.2 m, 平均盖山厚度232 m, 设两个测站, 在运输顺槽开口170 m处设1#测站和2#测站, 两侧站间距29.1 m, 监测时间30 d。每个测站安装一组该锚杆测力计, 顶板一个、两帮各一个, 共计三个。中空套杆材料25Mn Si, 直径22 mm、长度40mm, 二次监测仪表采用RS485接口有线传输。图2为1#测站锚杆工作载荷随时间变化曲线。
从图2中可以看出, 1#测站左帮锚杆在1 d~4 d内增长迅速, 由0 k N (左帮为玻璃钢锚杆, 难以施加预紧力) 增至19.9 k N, 后出现急剧下降在第5天达到最低值8.3 k N, 随后锚杆工作载荷缓慢增长, 在5 d~27 d内由8.3 k N增至19.5 k N并保持稳定。顶锚杆工作载荷在1 d~6 d内小幅下降, 由16.6 k N降至11.6 k N, 随后锚杆工作载荷基本保持平稳, 波动较小, 并在第24天达到稳定值14.5 k N。右帮锚杆的工作载荷在1d~3 d内增长迅速, 由18.7 k N增至35.3 k N, 在4 d~30 d内变化缓慢, 由16.6 k N增至21.2 k N, 基本达到稳定。从总体来看, 锚杆受力均值分别为左帮15.6k N、顶板13.4 k N、右帮19.2 k N。峰值分别为左帮19.9 k N、顶板16.6 k N、右帮35.3 k N。
图3为2#测站锚杆工作载荷随时间变化曲线。
从图3可以看出, 2#测站左帮锚杆在1 d~3 d内增长迅速, 由0 k N (左帮为玻璃钢锚杆, 难以施加预紧力) 增至7.5 k N, 在4 d~10 d内锚杆的工作载荷为0k N, 随后开始缓慢上升, 在11 d~30 d内由3.3 k N缓慢增至6.2 k N, 基本保持稳定。顶锚杆的工作载荷在1 d~7 d内变化较大, 由19.9 k N降至10.8 k N, 随后又升至16.6 k N, 然后又下降至13.3 k N, 在7 d~27 d内顶板锚杆工作载荷缓慢增长, 由13.3 k N增至19.9k N并保持稳定。右帮锚杆的工作载荷在1 d~3 d内增长迅速, 由18.7 k N增至29.9 k N, 在4 d~30 d内由19.9 k N增至29.1 k N, 并达到稳定。从总体来看, 锚杆受力均值分别为左帮3.8 k N、顶板16.5 k N、右帮25.3 k N。峰值分别为左帮7.5 k N、顶板19.9 k N、右帮29.9 k N。
3 结语
在对锚杆测力计现状研究的基础上, 基于电阻应变对锚杆测力计进行试验研究。电阻应变式锚杆测力传感器包括中空套杆、环形应力传感器组、单体环形应力传感器、箔式电阻片和箔式电阻片导线等部件, 中空套杆与锚网支护锚杆采用螺母连接, 中空套杆内置环形应力传感器组, 以解决电阻应变元件监测值随锚杆端部工作载荷呈线性关系变化的问题;电阻应变式锚杆测力传感器中的箔式电阻片导线布置于中空导管中, 二次监测仪表采用螺母连接固定于锚杆下端头, 整个锚杆测力计导线不外露, 设计布局更合理, 且能解决实时监测传输数据问题。
参考文献
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[3]李毅, 柴敬, 邱标.带有温度补偿的光纤光栅锚杆测力计设计[J].煤炭科学技术, 2009, 37 (2) :90-93.
[4]李毅, 柴敬, 邱标.光纤光栅传感技术在锚杆测力计上的应用[J].煤矿安全, 2009 (2) :50-52.
[5]李毅, 柴敬, 邱标.新型光纤光栅锚杆测力计及应用[J].矿业研究与开发, 2009, 29 (1) :45-47.
静态电阻应变仪的操作应用教学研究 篇9
一、教学目的
1. 利用不同的桥路组合方式进行应变测量, 了解提高测试灵敏度以及消除温度影响的方法, 从而掌握这种方法解决测量中的实际问题。
2. 学习和理解温度补偿的原理和方法。
3. 熟悉静态电阻应变仪的功能和基本操作方法;
4. 熟悉应变式位移传感器与应变仪的配套使用以及位移的测试方法。
二、教学仪表器材和设备
1. YE2539静态电阻应变仪和计算机采集系统。
2. 电阻式应变片。
3. 悬臂梁模型。
三、教学方法和步骤
1. 试件尺寸测量。
用铅笔在应变片布置部位画一条与悬臂梁轴线垂直的横线, 分别测量和记录该线段到加载点 (加载刀口的中线) 的距离 (l) 以及该截面梁的宽度 (b) 和高度 (h) 。梁的几何尺寸 (特别是高度参数) 测量结果对计算有很大影响, 一定要进行反复多次测量, 保证精度, 尺寸长度精确到0.05mm。悬臂梁材料的弹性模量Eg=2.05×1011N/m2。
2. 应变计算公式为:
式中:长度单位取m, 力单位取N, 应变单位取1×10-6。
3. 应变片的粘贴。
应变片选用电阻式应变片, 根据图1所示粘贴完成, 选择4片应变片, 其位置为图2所示, 粘贴于悬臂梁同一断面, 其中上下缘各2片。
4. 半桥温度共用补偿接法应变测试。
(1) 将悬臂梁上4个纵向应变片作编号 ( (1) ~ (4) ) , 要特别注意不能混淆上缘和下缘的应变测点。
(2) 按照半桥共用补偿接法 (图3) 将4个纵向应变片接入应变仪的相应测点 (0~9测点可任意选择) , 悬臂梁上的工作片分别接A、B两接线柱, 将一粘贴在矩形金属块上的补偿片接入带有“补偿”标记的两接线柱上。要特别注意拧紧接线柱, 保证连接部位的良好接触, 同时检查应变仪上所有测点 (0~9测点) 的B、B’是否可靠短接, 温度共用补偿是用过B、B’短接来实现的。
(3) 应变片接桥完毕后, 进入应变仪“测点参数设置”界面, 如见图4所示。参数设置包括:a.测点选择:在“测点开关”选项中关闭未连接应变片的测点。b.灵敏系数设置:该参数设置必须与应变片的标称灵敏系数相同。c.桥路模式设置:在“连接形式”中选择“应变1-1”模式。
(4) 参数设置正确无误后, 确认进入测试界面, 进行应变测试操作:a.将加载刀口和挂钩悬挂在悬臂梁上, 做好加载准备。b.平衡 (调零) :由于工作片与补偿片阻值存在微小差异, 测量电桥处于不平衡状态, 即初始输出应变不等于零, 平衡的目的是将初始应变值扣除, 以便测量活载应变增量。用“采样”功能栏中的“自动平衡”进行调零, 然后用“扫描采样”进行数据采集, 如4个测点的显示数据均为“0” (小于±3范围内也属正常) , 说明测试系统正常。如有测点显示值偏大, 说明系统存在故障, 此时应检查测点连接是否可靠;如显示为“19999”, 则应检查“连接形式”设置、测点连接等环节, 直至故障排除。c.加载测试:分4级加载, 数据“扫描采样”, 将4个测点的数据与计算应变进行比较, 如两者差异较大, 则应进行必要的分析检查 (包括复核计算应变的正确性) 。
四、记录表格
单位:1×10-6
注:计算应变为根据悬臂梁实测几何尺寸, 在相应的荷载作用下的理论应变。
摘要：针对土木工程专业结构性能检测技术要求, 结合工程实践中常用仪器设备, 开展静态电阻应变仪操作应用的教学实验。该课程将结合电阻式应变片的粘贴, 电阻应变桥路的设置及静态电阻应变仪的操作于一体。该方法可用于土木工程各专业学生实验教学中使用。
关键词：应变仪,电阻式,桥路,教学
参考文献