傳感器和數(shù)據(jù)采集

1、傳感器和數(shù)據(jù)采集測量傳感器和數(shù)據(jù)采集 目的和用途 常用測量參數(shù)和傳感器 應(yīng)變測量技術(shù) 試件傳感器開發(fā) 確定應(yīng)變片布置2010.122目的和用途目的和用途： 整車/系統(tǒng)/子系統(tǒng)試驗(yàn)室道路模擬試驗(yàn)的控制； 零部件臺架試驗(yàn)載荷譜產(chǎn)生； 系統(tǒng)響應(yīng)、部件疲勞壽命計算預(yù)測分析計算和數(shù)模驗(yàn)證的輸入： 根本原因分析； 疲勞耐久性試驗(yàn)開發(fā)驗(yàn)證。2010.123常用測量參數(shù)和傳感器常用測量參數(shù)和傳感器：載荷力- 載荷傳感器（單軸、多軸）；運(yùn)動測量：加速度-加速度計 ；位移-線/角位移傳感器;溫度；車輛/系統(tǒng)運(yùn)行工況；旋轉(zhuǎn)件-遙測裝置；特殊測量2010.12- 試件傳感器（應(yīng)變片）。4常用測量參數(shù)和傳感器3軸力傳感

2、器轉(zhuǎn)向力/角傳感器踏板力傳感器測力墊片車輪6分力傳感器2010.12變速桿力傳感器5常用測量參數(shù)和傳感器加速度計(應(yīng)變單軸/3 軸應(yīng)變/3軸ICP）K 型熱電偶2010.12位移傳感器 (角位移/線位移）6常用測量參數(shù)和傳感器旋轉(zhuǎn)部件測量-遙測裝置2010.127常用測量參數(shù)和傳感器試件傳感器-應(yīng)變片技術(shù)應(yīng)用2010.128應(yīng)變測量技術(shù)應(yīng)變測量技術(shù)應(yīng)變片是一個電阻裝置，用來量化部件受到的載荷或產(chǎn)生的應(yīng)變。應(yīng)變片原理：電阻絲沿長度方向受到載荷（P）作用時，三個參數(shù)（L、 A）將發(fā)生變化，結(jié)果電阻絲兩端之間的電阻也會變化。應(yīng)變片構(gòu)造和類型：片寬度片長度基底長度R :電阻 (ohms) L :長度:

3、電阻率(ohms*面積) / 長度)引出線2010.12基底寬度箔型應(yīng)變片9應(yīng)變測量技術(shù)應(yīng)變片工作特性：名義電阻：不安裝、不受力、室溫狀態(tài)下的電阻。靈敏系數(shù)（GF）：單向應(yīng)力狀態(tài)下，電阻相對變化與軸向應(yīng)變的比。 GF (R / R) 機(jī)械滯后：恒溫下，同一應(yīng)變在加、卸載狀態(tài)應(yīng)變指示值之差。蠕變：恒定應(yīng)變下，應(yīng)變指示值隨時間的下降。絕緣電阻：引出線與測量結(jié)構(gòu)之間的電阻。應(yīng)變極限：恒溫下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變與試件實(shí)際應(yīng)變達(dá)到一定誤差（10%）時試件的應(yīng)變。橫向效應(yīng)系數(shù)：對同一個單向應(yīng)變值，應(yīng)變片軸向分別與此應(yīng)變垂直和平行安裝時測量應(yīng)變之比（%）。2010.12102應(yīng)變測量技術(shù)名義電阻（R）和激勵電

4、壓（V）：P VRP5 V , 350 P10 V , 350 0 . 071 W 0 . 284 WP5 V , 120 0 . 208 WP10 V , 120 0 . 832 W相同激勵電壓，應(yīng)變片功率與名義電阻成反比。相同的功率損耗，增加應(yīng)變片電阻（R）需要增加激勵電壓（V）。高的激勵電壓會導(dǎo)致高的信噪比并增加功耗。特別是對于小尺寸敏感柵的應(yīng)變片。但過高的激勵電壓會因?yàn)槊舾袞虐l(fā)熱而引起信號飄逸。一般高阻值的應(yīng)變片用于：要求較高的激勵電壓(應(yīng)變儀激勵電壓);測量較小的應(yīng)變，獲得高信噪比-電阻變化較大（比如：疲勞測試）；試件材料的熱傳導(dǎo)低（散熱差）。2010.1211應(yīng)變應(yīng)變測量技術(shù)應(yīng)變片

5、長度應(yīng)變片的指示值是整個應(yīng)變片敏感柵長度（L）內(nèi)應(yīng)變場的平均值。當(dāng)應(yīng)變片用于不均勻的應(yīng)力場時，平均應(yīng)變與應(yīng)變片敏感柵的電阻變化成比例。對不均勻分布應(yīng)變場。應(yīng)變片長度應(yīng)當(dāng)接近于被測量不均勻應(yīng)力區(qū)域長度的 1/10 。并如圖布置安裝位置。應(yīng)變片材料對于測量的影響應(yīng)變片位置峰值應(yīng)變指示應(yīng)變?nèi)绻麘?yīng)變片材料與試件材料的性能完全一致，能補(bǔ)償隨溫度引起的零件尺寸變化。如果應(yīng)變片材料在整個溫度范圍內(nèi)的電阻率熱系數(shù)為零，則應(yīng)變片能夠溫度自補(bǔ)償。選擇材料電阻率隨溫度變化小的應(yīng)變片。常用的應(yīng)變片材料是銅鎳合金，廣泛使用的箔應(yīng)變片主要適用于鋁和鋼試件。他們能夠提供溫度補(bǔ)償，適應(yīng)環(huán)境溫度的變化。2010.1212xxx

6、y1, 2 tan 2 應(yīng)變測量技術(shù)應(yīng)變花-測量主應(yīng)變的大小和方向主應(yīng)變： 1 , 2 ( y )2( y ) 2 22xy剪應(yīng)變：xy 2 45 x y主應(yīng)變方向：（1相對于X）tan 2 xy 或：( x y ) ( x y )2 (2 45 x y )22 22 45 x y x y2010.1213V應(yīng)變測量技術(shù)惠斯通電橋應(yīng)變片的電阻變化很小不易測量，一般配置應(yīng)變片構(gòu)成惠斯通電橋 ，通過測量應(yīng)變片電阻變化引起的橋路電壓輸出并通過敏感系數(shù)標(biāo)定得到應(yīng)變。恒壓橋的激勵為電壓源，適用于各種箔恒壓惠斯通電橋型和絲型電阻應(yīng)變片，廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)變測量儀器和設(shè)備。恒流橋用電流源作為橋路激勵，主要用于

7、半導(dǎo)體應(yīng)變片。恒流惠斯通電橋2010.1214eA eC R 4 R R4 R 2 R 3 I DAB I R 1 R 4 I DCB I e 0 應(yīng)變測量技術(shù)橋路的輸出和橋路平衡恒壓橋輸出： R4 R1 R4 V R3 R2 R3 Ve 0 e A e C 1R 3R 2 R 3V橋路平衡： e 0 0 R 4R 1 R 4R 3R 2 R 3R 1 R 3 R 2 R 4恒流橋I DAB ( R 1 R 4 ) I DCB ( R 2 R 3 )I I DAB I DCB輸出：e A R 1 I DAB e C R 2 I DCB R 1 R 2 R 3 R 4 e 0 e A e C R

8、 1 R 2 R 3 R 4 I R 1 R 2 R 3 R 4 ( R 1 R 3 R 2 R 4 )橋路平衡：2010.12e 0 0R 1 R 3 R 2 R 415 R 1 k R 1 1 k Exk 1 應(yīng)變測量技術(shù)橋路的線性度和靈敏度在 恒壓和恒流橋路中， R1=R2= R，R3 = R4= kR, R1 為工作片，即：R1 =R +R1， k 是任意常數(shù)，則橋路的輸出分別為：恒壓橋：e 0 I 2 R ( 1 k ) 1 恒流橋：e 0 ER R 1 R 1 R ( 1 k ) ( 1 k ) 2對于應(yīng)變片，由于 R R，恒流橋和恒壓橋都具有較好的線性特性；但是恒流橋比恒壓橋靈敏

9、度更高。2010.12MicrosoftowerPoint Presentatio16 R 4 R R 3e 0 3 1 14 R4 R R3 e0 Eex 1324 R 4 R R 3 R e 0 應(yīng)變測量技術(shù)典型恒壓應(yīng)變測量橋路的輸出設(shè)：GF為應(yīng)變片敏感系數(shù) 單片（1/4）橋路：R 1 R 2 R 3 R 4 R R 1 ( R 4 R ) R 2 R E ex 1 GF 2 GF E ex 2 E ex GF4 半橋橋路( R R R R)： ( R1 R ) ( R4 R) R2 R3 (1 ) Eex GF 4全橋橋路( R R R R R R)： ( R1 R ) ( R 4 R

10、) ( R 2 R ) ( R 3 R ) E ex2 (1 ) E ex GF 42010.1217 RL1 T RL2 T應(yīng)變測量技術(shù)引線電阻和引線溫度變化引線和引線溫度變化會影響橋路平衡和橋路的靈敏度，測量過程中的溫度變化會引起信號漂移。應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行補(bǔ)償，以消除對測量的影響。引線電阻和引線溫度變化的影響引線電阻，引線溫度不變：RR23Rg RRL14 RL2引線電阻，引線溫度變化：2010.12R2R3R g RL1 RL2 R4 T T18 R L1 T R L 2 T T T 應(yīng)變測量技術(shù)引線電阻和引線溫度變化的補(bǔ)償當(dāng)應(yīng)變片和測試儀器之間不得不使用較長的引線時，引線電阻以及

11、引線溫度變化將影響橋路的平衡。三引線補(bǔ)償：R 2R 3R g R L1 R L 2 R 4 R L 2 R L 3 R L 2 T T R L 3 T T如果所有引線長度相等、材料相同并受到同樣的溫度，三引線補(bǔ)償能夠?qū)τ谝€電阻和引線溫度變化 T 引起的電阻有效補(bǔ)償。R L1 R L 2 R L3 R L1 T R L 2 T R L3 TR gR 4R 2R 32010.1219應(yīng)變測量技術(shù)引線電阻引起信號衰減當(dāng)使用長引線時，引線電阻會使應(yīng)變片的靈敏系數(shù) GF 趨于減小并引入誤差。片系數(shù)是基于應(yīng)變片電阻和電阻變化的，當(dāng)每根引線的電阻為RL，則根據(jù)應(yīng)變片靈敏系數(shù)定義：GFL RgRg 2RL

12、Rg Rg GF 1 2RL Rg 1 2RL Rg 上式表明：由引線電阻引起的應(yīng)變片靈敏系數(shù)的減小及測量應(yīng)變信號損失大小。2010.1220補(bǔ)償片RdRg Rg RT R3 E Rg Eex GF Eex ex 3 de0 應(yīng)變測量技術(shù)測量過程溫度變化補(bǔ)償 - 補(bǔ)償片對于因?yàn)闇y量過程溫度變化或波動而引起的測量應(yīng)變漂移以及由此產(chǎn)生的測量結(jié)果的誤差，能夠通過適當(dāng)設(shè)計補(bǔ)償片的方法進(jìn)行補(bǔ)償。理想的補(bǔ)償片應(yīng)當(dāng)安裝在：試件上零應(yīng)變的區(qū)域。除載荷外與試件相同的環(huán)境中。工作片RgRg R2 R3 Rd RRg RRT R ( R RT ) ( R4 Rg RT ) R2 R 4 R 42010.1221V應(yīng)

13、變測量技術(shù)應(yīng)變片橋路的標(biāo)定-分流標(biāo)定：通過在橋路的一個橋臂上并聯(lián)一個大阻值（10 1280 KOhm）的分流電阻來進(jìn)行。當(dāng)橋臂并聯(lián)電阻后相當(dāng)于對橋路施加了一個已知的應(yīng)變并得到相應(yīng)的橋路輸出，從而得到橋路的標(biāo)應(yīng)變調(diào)理器記錄儀定值。分流電阻應(yīng)盡可能放在工作片橋臂上。分流電阻值的選擇取決于測量應(yīng)變的大小，大的測量應(yīng)變應(yīng)選擇 e Cal V R g2 ( R g 2 R Cal )較小的分流電阻。分流電阻的等效應(yīng)變與橋路輸出電壓的關(guān)系和橋路的應(yīng) R Cal 2R gR g R Cal Cal ( R Cal R g )GF變靈敏度(標(biāo)定系數(shù))： Cal R gGF ( R g R Cal )Scale

14、 Cale Cal2010.1222試件傳感器開發(fā)應(yīng)變試件傳感器開發(fā)懸臂梁彎曲當(dāng)載荷作用于懸臂梁的端點(diǎn)和應(yīng)變片之間時，應(yīng)變片所在位置處表面彎應(yīng)力和梁的上頂面的應(yīng)變?yōu)椋?McIE其中：E - 彈性模量，M 彎矩，I - 慣性矩，c -到中性軸的距離， -應(yīng)變。這個系統(tǒng)對于軸向載荷和梁的溫度變化也是靈敏的。2010.1223 R4 R4 R3 R3 e0 試件傳感器開發(fā)帶軸向載荷和溫度補(bǔ)償?shù)膽冶哿簭澢捎盟膫€工作片橋路，根據(jù)應(yīng)變的狀態(tài)配置橋路。能夠?qū)τ谳S向載荷和溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償，同時提高系統(tǒng)的測量靈敏度和信噪比。R1R2R3R4R R R12 R R34 R R (R1 R1 ) (R4 R4 )

15、 (R2 R2 ) (R3 R3 ) E R R R R (R R) (R R) (R R) (R R) E E GF 2010.1224e0 試件傳感器開發(fā)單軸拉壓力測量分別由兩個軸向和橫向（泊松方位）應(yīng)變片構(gòu)成拉壓力測量橋路。傳感器能夠同時對彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷和溫度進(jìn)行補(bǔ)償，而只對拉壓載荷是敏感的。R1R2R3R4R R R12 R R34 R R R4 R4 R3 R3 ( R1 R1 ) ( R4 R4 ) ( R2 R2 ) ( R3 R3 ) E R R R R ( R R) ( R R) ( R R) ( R R) EGF2 (1 ) E2010.1225FF R4 R4 R3 R3

16、 e0 試件傳感器開發(fā)剪力測量1、懸臂梁型：剪切載荷傳感器由 4個對稱安裝的45剪切應(yīng)變片構(gòu)成，并通過適當(dāng)?shù)臉蚵凡贾脴?gòu)成。能同時消除彎曲和扭轉(zhuǎn)力以及溫度的影響而只對剪切力敏感。45剪切片R1R2R3R4R R R12 R R34 R R (R1 R1 ) (R4 R4 ) (R2 R2 ) (R3 R3 ) E R R R R (R R) (R R) (R R) (R R) E E GF 2010.12261324e0 試件傳感器開發(fā)2、兩端固定（無轉(zhuǎn)角）梁：剪切載荷傳感器由 4個對角對稱安裝的彎曲應(yīng)變片構(gòu)成，并通過適當(dāng)?shù)臉蚵凡贾脴?gòu)成。能同時消除彎曲和扭轉(zhuǎn)力以及溫度的影響而只對剪切力敏感。R1

17、 R2 R3 R4 R R R R R R R R4 R4 R3 R3 (R1 R1 ) (R4 R4 ) (R2 R2 ) (R3 R3 ) E R R R R (R R) (R R) (R R) R R) E E GF MicrosoftowerPoint Presentatio2010.1227 R4 R4 R3 R3 e0 試件傳感器開發(fā)扭矩和扭角測量扭轉(zhuǎn)力傳感器通過在扭轉(zhuǎn)軸直徑兩端表面上各安裝一對與扭轉(zhuǎn)軸軸線互成45角的應(yīng)變片并通過適當(dāng)?shù)臉蚵凡贾脴?gòu)成。能同時消除彎曲和扭轉(zhuǎn)力以及溫度的影響而只對剪切力敏感。R1R2R3R4R R R12 R R34 R R ( R1 R1 ) ( R4

18、 R4 ) ( R2 R2 ) ( R3 R3 ) E R R R R ( R R ) ( R R ) ( R R ) ( R R ) E E GF 2010.1228試件傳感器開發(fā)增加靈敏度提高信噪比平均位移和平均力矩2010.12291324 R4 R4 R3 R3 e0 試件傳感器開發(fā)S -型結(jié)構(gòu)拉壓力傳感器S -型結(jié)構(gòu)拉壓力傳感器具有高的測量輸出并提供溫度補(bǔ)償。同時能更還得保護(hù)應(yīng)變片不被損壞。R1R2R3R4R R R R R R R (R1 R1 ) (R4 R4 ) (R2 R2 ) (R3 R3 ) E R R R R (R R) (R R) (R R) (R R) E E GF

19、 2010.1230試件傳感器開發(fā)測量彈簧力和變形- 車身和懸架相對位移。增加靈敏度提高信噪比平均位移和平均力矩2010.1231試件傳感器開發(fā)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力測量- 矩陣方法當(dāng)復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)或零件同時受多個力作用，無法對各個力進(jìn)行直接測量。也很難通過將各個方向的載荷與應(yīng)變關(guān)系解偶從而得到力與某一應(yīng)變的直接對應(yīng)關(guān)系。此時任一測量應(yīng)變是多個力同時影響的結(jié)果。為了測量結(jié)構(gòu)的受力可以借助矩陣方法。矩陣方法是通過優(yōu)化選擇應(yīng)變片的數(shù)量、安裝位置和方位。先通過標(biāo)定測量取得載荷-應(yīng)變之間的靈敏系數(shù)矩陣，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的應(yīng)變信號計算實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的受力。通常結(jié)構(gòu)同時受到多個不同方向的力作用時，總可以通過里分解和合成將其轉(zhuǎn)化成三個互相垂直的方向。而結(jié)構(gòu)上任一點(diǎn)的應(yīng)變與作用力之間的關(guān)系為： i f i ( F 1 , F j , F p )設(shè)應(yīng)變與力之間為線彈性關(guān)系，按照級數(shù)展開成： i ci ,1 F1 ci , j Fj ci , p Fp i n 1 c i , j n p F j p 12010.12321n試件傳感器開發(fā) i n 1 c i , j n p F j p 1當(dāng)系數(shù) ci , j n p 確定則：Microsoft ExcelWorksheetF j p 1 c i , j p i n