現(xiàn)代測試技術(shù)論文.doc

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1、現(xiàn)代測試技術(shù)課程考核論文班級(jí) 學(xué)號(hào) 姓名 序號(hào) 年 月 日電阻應(yīng)變式傳感器 摘要：電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計(jì)、補(bǔ)償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測量要求設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏感元件受到所測量的力而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計(jì)一起變形。電阻應(yīng)變計(jì)再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，從而可以測量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。電阻應(yīng)變式傳感器是一種用金屬彈性體作為彈性元件通過粘貼在彈性體敏感部位的電阻應(yīng)變計(jì)組成惠斯通電橋，并在外加電源的激勵(lì)下可以將力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的測量裝置。 因應(yīng)變式傳感器具有以下特點(diǎn)：精度高，測量范圍廣；使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重

2、量輕；頻率響應(yīng)較好，既可用于靜態(tài)測量又可用于動(dòng)態(tài)測量；價(jià)格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用。所以其在生活中得到了廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：應(yīng)變片；電阻；組橋方式；誤差補(bǔ)償1應(yīng)變式傳感器的工作原理1.1金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 公式推導(dǎo)：若金屬絲的長度為L，截面積為S，電阻率為，其未受力時(shí)的電阻為R，則: 如果金屬絲沿軸向方向受拉力而變形，其長度L變化dL，截面積S變化dS，電阻率變化，因而引起電阻R變化dR。將式1微分，整理可得:2對(duì)于圓形截面有：有3為金屬絲軸向相對(duì)伸長，即軸向應(yīng)

3、變；而則為電阻絲徑向相對(duì)伸長，即徑向應(yīng)變，兩者之比即為金屬絲材料的泊松系數(shù)，負(fù)號(hào)表示符號(hào)相反，有:4將式4代入3得:5將式5代入2并整理得：6或7K0稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化。K0稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化。 公式簡化過程：由式可以明顯看出，金屬材料的靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素影響：一個(gè)是受力后材料的幾何尺寸變化所引起的，即項(xiàng)；另一個(gè)是受力后材料的電阻率變化所引起的，即項(xiàng)。對(duì)于金屬材料項(xiàng)比項(xiàng)小得多。大量實(shí)驗(yàn)表明，在電阻絲拉伸比例極限范圍內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與其所受的軸向應(yīng)變是成正比的，即K0為常數(shù)，于是可以寫成：8通常金屬電阻絲的

4、K0=1.74.6。1.2電阻應(yīng)變傳感器的測量電路 1.2.1 由于電阻應(yīng)變片工作時(shí)其電阻變化很微小，例如，一片k0=2、初始電阻120的應(yīng)變片，受1333微應(yīng)變（約2噸重的力）時(shí)，其電阻變化僅0.36。 測量電路的任務(wù)是把微弱的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，因此常用直流電橋和交流電橋作為測量電路。 目前應(yīng)變片電橋大都采用交流電橋，但由于直流電橋比較簡單，交流電橋原理與它相似，所以以直流電橋作分析。 圖中R2-R4分別為四橋臂電阻， 為供橋電壓， 為電橋輸出電壓。當(dāng)電橋的負(fù)載電阻為無窮大時(shí)，橋路的輸出電壓為：為了使測量前的輸出為零，應(yīng)使?jié)M足上式的條件稱為電橋平衡條件。此時(shí)，當(dāng)每橋臂電阻的變化

5、遠(yuǎn)小于本身值，即 ，（ i= 1、2、3、4），且負(fù)載電阻為無窮大時(shí)，輸出電壓可近似為1.2.2測量電路類型：單臂電橋、對(duì)稱電橋、非對(duì)稱電橋、全等電橋構(gòu)成要求：產(chǎn)生相同應(yīng)變的應(yīng)變片不能接在相鄰的橋臂，否則橋路輸出電壓恒等于零。提高電橋電壓靈敏度除了上述提高供橋電壓和選擇高值的應(yīng)變片外，可在橋臂中分別串接產(chǎn)生相同應(yīng)變的應(yīng)變片。 在半橋和全橋測量電路中，粘貼于測試件上的應(yīng)變片的特性相同或相近，又感受相同的溫度，因此可起到溫度補(bǔ)償作用，減小溫度附加誤差。 2. 生產(chǎn)應(yīng)變式傳感器的廠家:長沙翔昊電子科技有限責(zé)任公司等2、1電阻應(yīng)變式位移計(jì) XHZ-5XX系列電阻應(yīng)變式位移計(jì)可廣泛用于土木工程、機(jī)械電力

6、、材料力學(xué)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)等靜態(tài)位移測量，產(chǎn)品采用應(yīng)變?nèi)珮蛟碇谱鳎哂辛砍虒?，精度高，漂移小，性能穩(wěn)定。后續(xù)配多點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)變儀或位移測量儀，位移測量儀為單通道。傳感器前端伸縮桿與被測體接觸。2、2電阻應(yīng)變式土壓力盒計(jì)電阻應(yīng)變式土壓力盒產(chǎn)品簡介：XHZ-4XX系列電阻應(yīng)變式土壓力盒（計(jì)）具有靈敏度高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單。適用于路基、擋土墻、壩體及隧道等地下結(jié)構(gòu)工程動(dòng)、靜態(tài)的測試。動(dòng)態(tài)測試范圍與土壓力盒尺寸有關(guān)，尺寸越小頻響越高，最高能達(dá)到10K。直接接各廠家生產(chǎn)的動(dòng)、靜態(tài)應(yīng)變儀都可采集數(shù)據(jù)。產(chǎn)品具有防水功能適合各場合野外實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，由于它的體積小更適合于室內(nèi)模型試驗(yàn)或較小比例的模型試驗(yàn)。3.應(yīng)變式傳

7、感器的主要缺點(diǎn)及改良方法3.1在使用半導(dǎo)體應(yīng)變片測量較大應(yīng)變時(shí)，非線性誤差較大，必須進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償方法有：采用高橋臂比的對(duì)稱電橋；采用全橋測量電路；采用恒流源電橋；單臂電橋非線性嚴(yán)重， 可采用有源電橋,如圖： 3.2電橋要進(jìn)行零位調(diào)整：由于制造工藝的原因應(yīng)變傳感器在不受載荷時(shí)，其輸出電壓不為零，因此使用前必須調(diào)零。3.2.1直流電橋調(diào)零 直流電橋調(diào)零僅需電阻平衡即可，有串聯(lián)調(diào)零和并聯(lián)調(diào)零兩種，如圖所示。圖a在 和 臂間串聯(lián)接入變阻器RP，調(diào)節(jié)RP可使電橋平衡。圖b是并聯(lián)調(diào)零，改變RP中心抽頭的位置可達(dá)到平衡目的，調(diào)零能力取決于 ， 小些，調(diào)零能力就強(qiáng)些。通常RP的大小可與 相同，取值為數(shù)千歐姆

8、。3.2.2交流電橋調(diào)零圖4-11的橋式測量電路用交流供橋電壓 ，以復(fù)阻抗Z1-Z4 分別代替圖中的R1-R4，即成為交流電橋。交流電橋的分析與直流電橋相似。直流電橋僅需電阻平衡，而交流電橋除了電阻平衡外，還必須滿足相位平衡，即必須滿足阻抗平衡： 由此可見，交流電橋欲達(dá)到零點(diǎn)平衡，必須有電阻和電容調(diào)零裝置，如下圖所示。3.3電阻應(yīng)變傳感器存在溫度誤差及其補(bǔ)償方法3.3.1電阻應(yīng)變傳感器存在溫度誤差的原因：應(yīng)變片本身電阻隨溫度的變化引起誤差。該項(xiàng)溫度誤差可用半橋或全橋測量電路獲得較好的補(bǔ)償效果；應(yīng)變片材料的線膨脹系數(shù)與基底材料的線膨脹系數(shù)不同引起溫度誤差。為消除該項(xiàng)溫度誤差主要是采取應(yīng)變片自補(bǔ)償

9、方法，在制造傳感器時(shí)已加以考慮。3.3.2測試件的彈性模量隨溫度變化引起的誤差的分析：電阻應(yīng)變片制造好后，用粘合劑粘貼到測試件上成為電阻應(yīng)變傳感器。被測量作用于測試件下，應(yīng)變片跟著測試件產(chǎn)生機(jī)械變形，從而形成電阻應(yīng)變片阻值發(fā)生變化。由于測試件的彈性模量隨著溫度的增加而減小，在被測量不變的情況下，應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變量增加。因此，傳感器橋路輸出電壓隨溫度的增加而增加，從而引起溫度附加誤差。該項(xiàng)誤差不能采用半橋或全橋測量電路加以克服，必須采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施如圖：3.3.3電阻應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償方法：對(duì)使用者來說，最好的補(bǔ)償方法是采用半橋或全橋測量電路。4. 電阻應(yīng)變片的選用：4.1電阻應(yīng)變片應(yīng)具有的基

10、本特性1 具有適當(dāng)?shù)木€性靈敏系數(shù)，并且穩(wěn)定性較高；2 具有蠕變自補(bǔ)償功能；3 具有小的電阻溫度系數(shù)，熱輸出小，零點(diǎn)漂移小；4 橫向效應(yīng)系數(shù)小，機(jī)械滯后小，疲勞壽命高；5 具有較好的穩(wěn)定性、重復(fù)性，并且能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)工作；6 適用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測量。滿足以上要求的電阻應(yīng)變片的種類很多，具體選用時(shí)還要根據(jù)彈性體的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)、材料、使用環(huán)境條件、以及電阻應(yīng)變片的阻值、尺寸、蠕變匹配等因素，綜合考慮選用合適的應(yīng)變片。4.2傳感器的應(yīng)用選擇參數(shù)：(1)電阻傳感器的測量范圍，應(yīng)力傳感器可測出10（-2）10（7）N的力，可制成各種機(jī)械量傳感器。(2)電阻傳感器精度和靈敏度可達(dá)到很高，靈敏度可達(dá)到

11、幾十mv/m，高精度的傳感器的誤差可達(dá)0.1%0.01%。(3)頻率響應(yīng)特性好，響應(yīng)時(shí)間為10（-7）10（-11）S，可測幾十到幾百赫茲的動(dòng)態(tài)過程。5.電阻應(yīng)變片及電阻應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用領(lǐng)域與未來發(fā)展方向5.1 電阻應(yīng)變片及電阻應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用領(lǐng)域電阻應(yīng)變片式傳感器可以測量力、壓力、位移、應(yīng)變、加速度等非電量參數(shù)，一般來說，電阻應(yīng)變片式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高，適合動(dòng)態(tài)測量。現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于工程測量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。5.2電阻應(yīng)變片及電阻應(yīng)變片式傳感器未來發(fā)展方向普通電阻應(yīng)變計(jì)朝向高精度、使用方便快捷、省力方向發(fā)展傳感器用電阻應(yīng)變計(jì)要求多功能、高穩(wěn)定性 特殊環(huán)境用電阻應(yīng)變計(jì)的多樣化及穩(wěn)定性的提高6.參考文獻(xiàn)： 曾光奇，胡均安 工程測試基礎(chǔ) 武漢華中科技大學(xué)出版社 2002 秦曾煌 電工學(xué) 高等教育出版社 2010長沙翔昊電子科技有限公司,電阻應(yīng)變式土壓力盒http:/ 傳感器世界 2006年11期 電阻應(yīng)變式壓力傳感器的研究 喬學(xué)光 李婷 王宏亮 賈振安 劉欽朋 王向宇 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用與發(fā)展_百度文庫http:/ 電阻應(yīng)變式傳感器_百度文庫http:/