第4章力和重量檢測

1、第第4章章 力和重量檢測力和重量檢測適配教材現(xiàn)代檢測技術(shù)及應用李現(xiàn)明主編，高等教育出版社2012年第1版引語引語n根據(jù)工作原理，力和重量檢測方法、儀表分為兩大類分為兩大類： 其一其一，利用某些物質(zhì)受力作用時，其固有物理特性發(fā)生變化，而這些固有物理特性參數(shù)可以比較方便的轉(zhuǎn)換為電參數(shù)。例如，壓磁式、壓電式、振弦式等； 其二其二，利用物體受力產(chǎn)生的彈性變形，通過電測量方法測量其變形量，進而確定其受力的大小。例如，電阻應變式、電容式、電感式等。n已存在多種具體的力、重量檢測方法和商品化檢測儀表，它們皆有各自的優(yōu)勢，也有各自使用上的局限性。n自動化工程師的工作在于分析測量控制對象的特點，在眾多的力、重量

2、測量方法和儀表中，進行科學的選擇、安裝、調(diào)試、使用和維護。 4.1 常用力、重量檢測方法常用力、重量檢測方法4.1.1 電阻應變式電阻應變式n是應用最為普遍應用最為普遍的力、重量檢測方法，約占荷重及力傳感器的90%；測量力、重量，屬于電阻應變傳感方法的具體應用之一。n原理：原理：被測力、重量施加在彈性敏感元件上，轉(zhuǎn)換為彈性敏感元件的應變量，再通過電阻應變片將此應變量轉(zhuǎn)換為電阻的變化量，最后通過測量電路將電阻的變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號、電流信號、數(shù)字信號。n優(yōu)點：測量范圍寬（1mN108N）、測量精度高（0.01%0.10%）、動態(tài)響應快、結(jié)構(gòu)強度高、側(cè)向力對測量精確度的影響?。籲缺點：輸出信號小、

3、過載性能較差、不均勻載荷對測量精度的影響較大。n一般而言，電阻應變式力和重量檢測方法量程與精度優(yōu)于其他測力傳感器，廣泛應用于各種稱量系統(tǒng)、配料系統(tǒng)中，在張力、軋制力的測量中也有應用。 n被測量種類和傳感原理種類之間具有復雜的交叉被測量種類和傳感原理種類之間具有復雜的交叉聯(lián)系，一種被測量可由多種測量原理進行測量，聯(lián)系，一種被測量可由多種測量原理進行測量，一種測量原理也可以測量多種被測量。這是傳感一種測量原理也可以測量多種被測量。這是傳感檢測技術(shù)的又一重要特點。檢測技術(shù)的又一重要特點。n例如，電阻應變式檢測方法既可以測量位移、厚度，也可以測量力、重量；而位移量、力和重量、厚度等被測量，既可以用電阻

4、應變片原理測量，也可以用電感式傳感方法、電容式傳感方法測量。n被測量種類和傳感原理種類之間不同的結(jié)合，所形成的優(yōu)勢、劣勢、適應場合互不相同，由此構(gòu)成了內(nèi)容豐富的傳感檢測技術(shù)體系。 4.1.2 電容式電容式n屬于電容傳感方法的具體應用之一。n原理：原理：首先通過彈性敏感元件將力、重量轉(zhuǎn)換為微小的位移量，再通過電容傳感器將此位移量轉(zhuǎn)換為電容的變化量，最后通過測量電路將電容的變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號、電流信號、數(shù)字信號。n優(yōu)點：結(jié)構(gòu)強度高、過載性能好、測量精度較高、不均勻載荷對測量精度的影響??；n缺點：測量電路較復雜，分布電容、溫度對測量精確度的影響較大。圖4.1 電容式稱重傳感器1-動極板；2-定極板

5、；3-絕緣材料；4-彈性體；5-極板支架4.1.3 壓電式壓電式n測量原理測量原理是基于壓電效應。壓電材料受力后在其某相對的兩個表面產(chǎn)生數(shù)量相等、極性相反的電荷，外力消失后這些電荷也消失，電荷量與被測力成比例。n壓電式力傳感器可分為單向力、雙向力、三向力傳感器，常用石英晶體作敏感元件。n圖4.2為壓電式單向測力傳感器圖，圖中壓電元件為兩片縱向壓電效應的石英晶體切片，實現(xiàn)力與電的轉(zhuǎn)換。上蓋為傳力元件，受力后產(chǎn)生彈性變形，將作用力傳遞到壓電元件上，其變形壁厚度為0.1mm0.5mm，由所測力大小決定。聚四氟乙烯絕緣套用來絕緣和定位。機座作為支承及外殼，其內(nèi)外表面與晶片、電極、上蓋內(nèi)表面的平行度和表

6、面光潔度，都有極嚴格的要求。 圖4.2 壓電式單向力傳感器n壓電元件壓電元件為兩片縱向壓電效應的石英晶體切片;n上蓋上蓋為傳力元件，受力后產(chǎn)生彈性變形，將作用力傳遞到壓電元件上，其變形壁厚度為0.1mm0.5mm，由所測力大小決定。n聚四氟乙烯絕緣套絕緣套用用來絕緣和定位。n機座機座作為支承及外殼，其內(nèi)外表面與晶片、電極、上蓋內(nèi)表面的平行度和表面光潔度，都有極嚴格的要求。 圖4.3壓電式雙向力傳感器其晶體盒內(nèi)有兩個單元晶組：xy切型單元晶組和yx切型單元晶組，前者用來測量垂直方向的力，后者用來測切向力。至于壓電式三向力傳感器，它有三個石英晶體組，中間晶體組利用縱向壓電效應只感受z方向力，而上下

7、兩對晶體片利用橫向壓電效應，分別感受x方向、y方向力。 n壓電式力檢測方法的優(yōu)點優(yōu)點：傳感器靈敏度高、線性好、固有頻率高、動態(tài)特性好、動態(tài)范圍大、質(zhì)量小、對被測對象負荷效應??；n缺點缺點：有彎曲靈敏度和橫向靈敏度、不適合靜態(tài)測量。n參考指標參考指標：測量范圍2120kN，靈敏度高于4pC/N，工作溫度-200200，可以測量120kHz以下的動態(tài)變化力；n主要用途：結(jié)構(gòu)振動試驗、短時間作用力、機械阻抗的測量等。4.1.4 壓磁式壓磁式n測量原理基于壓磁效應。n鐵磁材料在磁場中磁化時，有些材料(例如Fe)在磁場方向會伸長，有些材料(如Ni) 在磁場方向會縮短，這種現(xiàn)象稱為“磁致伸縮效應磁致伸縮效

8、應”。前者稱為“正磁致伸縮”，后者稱為“負磁致伸縮”。n壓磁效應是磁致伸縮效應的逆效應。鐵磁物質(zhì)在外界機械力作用下磁導率發(fā)生變化，外力取消后，磁導率復原，這種現(xiàn)象稱為“壓磁效應壓磁效應”。正磁致伸縮材料在受到拉應力作用時，在拉應力方向上磁導率會增大，在垂直拉應力的方向上磁導率會減?。皇軌簯ψ饔脮r其效果正相反。負磁致伸縮材料的情況與上述正磁致伸縮材料的情況正好相反。n壓磁式傳感器主要包括壓磁元件和繞制在壓磁元件上的線圈兩部分。n壓磁元件由硅鋼片粘疊而成，其特點是做成完全閉合的磁路，不像自感式和互感式傳感器那樣存在氣隙和活動銜鐵。n壓磁元件上若只繞上一組線圈，則構(gòu)成自感型壓磁傳感器；n壓磁元件上

9、若同時繞制激勵繞組和輸出繞組，則構(gòu)成互感型壓磁傳感器。 圖4.4 壓磁式力傳感器示意圖不受力時，鐵心的磁阻在各個方向上是一致的，激磁線圈的磁力線對稱地分布，不與輸出線圈發(fā)生交鏈，不能在輸出線圈中產(chǎn)生感應電動勢。當傳感器受壓力F時，在平行于作用力方向上磁導率減小，磁阻增大；在垂直于作用力方向上磁導率增大，磁阻減小，輸出線圈產(chǎn)生的磁力線將重新分布，一部分磁力線與輸出繞組交鏈而產(chǎn)生感應電動勢。F的值越大，交鏈的磁通量越多，感應電壓也越大。它常用來測量幾萬牛頓的壓力。壓磁元件上沖有4個對稱的孔，孔1、2的連線與孔3、4的連線相互垂直，孔1、2間繞有激磁繞組，孔3、4間繞有輸出繞組。n壓磁式力、重量測量

10、方法的優(yōu)點優(yōu)點：輸出信號大、內(nèi)阻低、抗干擾性能好、過載性能好、不均勻載荷對測量精度的影響小、能夠在惡劣環(huán)境中長期可靠工作；n缺點缺點：測量精度不高(通常低于1%FS)、動態(tài)特性較差(一般不高于1kHz10kHz)、安裝時要注意防止側(cè)向力的作用。n它廣泛應用于軋制力、張力的測量。 4.1.5 振弦式振弦式n振弦式力和重量檢測原理檢測原理：受張力作用的金屬弦，其固有振動頻率與張力有確定關(guān)系，通過一定的結(jié)構(gòu)、電路將其固有振動頻率轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，就可以實現(xiàn)被測非電量力或重量到電脈沖頻率的轉(zhuǎn)換。圖4.5 電流激勵的振弦式力傳感器及其測量電路原理圖磁極N、S之間是張緊的振弦，同時振弦也作為振蕩電路的一部

11、分。當振弦通入電流后就在磁場中振動，并輸出一個信號，經(jīng)放大后又正反饋給振弦使其連續(xù)振動。R 1 、R 2 和場效應管V1 組成負反饋電路，起著控制起振條件和振蕩幅度的作用；R 4 、R5、V2和C支路控制場效應管V1的柵極電壓，起穩(wěn)定輸出信號幅度的作用，并為起振創(chuàng)造條件。當電路停振時，輸出信號等于零，場效應管處于零偏壓狀態(tài)，場效應管漏源極對R2的并聯(lián)作用使反饋電壓近似等于零，從而大大削弱了電路中負反饋回路的作用，使回路的正增益大大提高，有利于起振。n振弦式力、重量測量方法的優(yōu)點優(yōu)點：輸出準數(shù)字信號、抗干擾性能好、靈敏度高、體積小、重量輕；n缺點：對材料、加工工藝要求較高。精度可達1%FS；n它

12、適用于靜態(tài)測量和頻率低于25Hz的動態(tài)測量，例如地層壓力的測量。4.2 力和重量檢測技術(shù)示例力和重量檢測技術(shù)示例電阻應變片電阻應變片n上述每一種力、重量檢測方法，都包括豐富、深入的科學、技術(shù)內(nèi)容。限于篇幅，不可能對所有的檢測方法都作深入闡述；n以電阻應變式力和重量檢測方法為例，作較為深入的介紹，包括其工作原理、應變片結(jié)構(gòu)與這類、應變片主要特性、應變片粘貼技術(shù)、測量電路、應變片式力測量、選用與故障處理等。n目的有兩個：其一，使讀者較為深入的掌握這種重要的力和重量檢測方法；其二，“矛盾的普遍性寓于特殊性之中”，通過對這種具體的檢測方法較為深入的了解，領悟傳感檢測技術(shù)的共性知識， 4.2.1 電阻應

13、變片的工作原理電阻應變片的工作原理應變效應應變效應n無論哪種傳感器，它們總是依據(jù)某種物理效應、化學效應、生物效應而完成非電量到電量之間的轉(zhuǎn)換的，這些效應就構(gòu)成了傳感器的基本工作原理。n電阻應變片基于金屬材料的應變效應。導體材料在受到力的作用時，產(chǎn)生機械變形，其阻值隨之發(fā)生變化。這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應變效應電阻應變效應。n電阻應變片是電阻型傳感器的一種。n所謂電阻型傳感器，就是依據(jù)某種物理、化學或生物效應將某種非電量甲的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將電阻值的變化變成電信號輸出，從而完成非電量甲的電測量。n電阻式傳感器的類型很多，包括熱電阻、應變片、熱敏電阻

14、、濕敏電阻、光敏電阻、氣敏電阻等，在幾何量、機械量、熱工量測量領域中應用廣泛，常用來測量力、壓力、位移、應變、扭矩、加速度、溫度等，是傳感器大家族中興旺發(fā)達的一個分支。 n若存在某種敏感元件，將另外一種非電量乙轉(zhuǎn)換為該電阻式傳感器直接測量的非電量甲，則該電阻式傳感器亦可用來測量非電量乙。n各式各樣的敏感元件、種類繁多的傳感元件，加之敏感元件與傳感元件不同的組合方式，構(gòu)成了豐富多彩、各具特色的測量方案。圖4.6 導體受拉伸后的參數(shù)變化ALRdAdAldlRdRldll22rdAdrAr /ldr rdr rdl l 0/(12 )(12)/lRllKRll ll 構(gòu)成了非電量到電量之間的傳感關(guān)系

15、。4.2.2 電阻應變片的結(jié)構(gòu)、種類電阻應變片的結(jié)構(gòu)、種類n1 電阻應變片的結(jié)構(gòu)電阻應變片的結(jié)構(gòu)n如何將這種傳感原理應用于具體的測量實踐，必須進行具體的材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)設計，構(gòu)成具體的測量元件電阻應變片。n電阻應變片由敏感柵由敏感柵(金屬絲或金屬箔金屬絲或金屬箔)、基底、基底、覆蓋層、粘合劑、引出線等組成覆蓋層、粘合劑、引出線等組成。覆蓋層覆蓋層用來保護敏感柵。基底和覆蓋層可用專門的薄紙制成，稱為紙基紙基；也可用各種粘結(jié)劑和有機樹脂薄膜制成，稱為膠基膠基。多采用后者。粘合劑把敏感柵與基底粘貼在一起。引出線引出線作為連接信號調(diào)理電路之用，常用直徑為0.100.15mm的鍍錫銅線，并與敏感柵兩輸出端

16、焊接。敏感柵是傳感元件，它把感受到的應變轉(zhuǎn)換為電阻的變化?；子脕韺椥泽w的表面應變準確地傳送到敏感柵上，并使敏感柵與被測彈性體之間相互絕緣?；妆仨氉鞯暮鼙。话阍?.020.4mm。2 電阻應變片的種類電阻應變片的種類n絲式應變片：將直徑0.0150.05mm、長度0.2200mm范圍的金屬絲，按圖示形狀彎曲后，用粘合劑粘貼在基底上而成。電阻絲兩端焊有引出線，使用時只要將應變片貼于被測彈性體上，就可構(gòu)成應變式傳感器。n箔式應變片：箔式應變片：它的敏感柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成。箔柵厚度一般在3m至10m之間。與絲式應變片相比，箔式應變片表面積大，散熱性好，允許通過較大的電流。由于箔式應變

17、片很薄，因此具有較好的可撓性，靈敏度系數(shù)較高。箔式應變片還可以根據(jù)需要制成任意形狀，適合批量生產(chǎn)。n金屬薄膜應變片金屬薄膜應變片是采用真空蒸鍍或濺射等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜，然后用蝕刻技術(shù)制成各種形狀的柵，以形成應變片。薄膜厚度比箔柵還要薄，一般在0.1m以下，其靈敏系數(shù)比箔式還要高，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。 4.2.3 電阻應變片的主要特性電阻應變片的主要特性n掌握其主要特性和參數(shù)是正確使用電阻應變片的前提。n1 靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)n定義：應變片的電阻相對變化與試件主應力方向的應變之比。n測量應變時，將應變片粘貼在試件表面上，應變片和試件表面只隔一層很薄的膠，

18、試件的形變很容易傳遞到敏感柵上，而且柵絲的表面積比其橫截面積大很多倍，絲柵的周圍全被膠包住，在承受拉伸時不會脫落，承受壓縮時也不會壓彎。n電阻應變片的靈敏系數(shù)低于單純的電阻絲靈敏系數(shù)電阻應變片的靈敏系數(shù)低于單純的電阻絲靈敏系數(shù)。 原因一：原因一：試件的形變是通過剪力傳到敏感柵上的。金屬絲兩端的剪力最大，軸向應力為零；中間部分剪力為零，軸向應力最大。軸向應力從兩端處的零值開始，按指數(shù)規(guī)律上升到中間部分的最大值。因此在柵絲上的應力分布是不均勻的，等價于參加變形的柵絲長度減少了一段。金屬材料在制成應變片后，由于是柵狀結(jié)構(gòu)，端部增多，從而造成靈敏系數(shù)下降。 原因二：原因二：柵絲沿長度方向承受縱向應變時

19、，應變片彎角部分承受橫向應變，其截面積變大，則應變片直線部分電阻增加時，彎角部分的電阻值減少，也使應變片的靈敏度下降。n應變片的靈敏系數(shù)一般需由實驗方法求得應變片的靈敏系數(shù)一般需由實驗方法求得。n原因：原因：應變片粘貼到試件上就不能再取下重復使用，所以不能對每一個應變片的靈敏系數(shù)進行標定，只能在每批產(chǎn)品中提取一定比例(常為5)的產(chǎn)品進行標定，然后取其平均值作為該批次產(chǎn)品的靈敏系數(shù)。n實驗證明，靈敏系數(shù)在被測應變的很大范圍內(nèi)能保持常數(shù)。2 橫向效應橫向效應n沿應變片軸向的應變必然引起應變片電阻的相對變化，而沿垂直于應變片軸向的橫向應變也會引起其電阻的相對變化，這種現(xiàn)象稱為橫向效應橫向效應。n研究

20、橫向效應的目的：當實際使用應變片的條件與其靈敏系數(shù)的標定條件不同時，由于橫向效應的影響，實際靈敏度值要改變。如仍按標稱靈敏系數(shù)來進行計算可能造成較大誤差。如果不能滿足測量精度要求，就需要進行必要的修正。n為了減小橫向效應產(chǎn)生的測量誤差，一般多采用箔式應變片。因其圓弧部分的截面積較柵絲部分大得多，電阻值較小，因而電阻變化量也就小得多。3 機械滯后，零漂及蠕變機械滯后，零漂及蠕變n應變片安裝在試件上以后，通過實驗，在一定的溫度下，在零到某一指定應變之間的應變范圍內(nèi)，做出應變片電阻相對變化與試件機械應變之間加載和卸載的特性曲線，二者并不重合，這種現(xiàn)象稱為應變片的機械滯后，加載和卸載特性曲線之間的最大

21、差值稱為應變片的滯后值。n滯后的存在，破壞了傳感器輸入輸出之間的一一對應關(guān)系，造成了測量誤差。n產(chǎn)生機械滯后的原因，主要是金屬絲、粘結(jié)劑和基底在承受機械應變后都留有殘余變形。n為減少機械滯后，要選擇性能良好的粘結(jié)劑和基底，并對金屬絲要進行適當?shù)臒崽幚?。在將應變片貼在被測對象上以后，對傳感器先進行三次以上加、卸載循環(huán)，再進行標定，是減少滯后和非線性的有效措施。n已粘貼的應變片，在溫度保持恒定、試件上沒有應變的情況下，應變片的指示應變會隨時間的增長而逐漸變化，此變化就是應變片的零點漂移零點漂移，簡稱零漂。n已粘貼的應變片，在溫度保持恒定時，承受某一恒定機械應變長時間的作用，應變片的指示應變會隨時間

22、而變化，這種現(xiàn)象稱為蠕變?nèi)渥?。n在應變片工作時，零漂和蠕變是同時存在的零漂和蠕變是同時存在的。在蠕變值中包含著同一時間內(nèi)的零漂值，這兩項指標都是用來衡量應變片特性對時間的穩(wěn)定性，在長時間測量時其意義突出。4 溫度效應溫度效應n粘貼到試件上的電阻應變片，除感受機械應變而產(chǎn)生電阻變化外，由于環(huán)境溫度變化時，也會引起其電阻的變化。從電信號方面看，似乎發(fā)生了應變，即產(chǎn)生了虛假應變，這種現(xiàn)象稱為溫度效溫度效應應。n溫度改變引起電阻變化的主要因素主要因素有二：其一是應變片電阻絲的溫度系數(shù)；其二是電阻絲材料與試件材料的線膨脹系數(shù)不同。5 應變極限應變極限n應變片的應變極限應變極限：指當溫度一定時，指示應變和

23、真實應變的相對差值不超過一定數(shù)值時的最大真實應變數(shù)值。一般規(guī)定此差值為10，即指示應變數(shù)值為真實應變的90時的真實應變值稱為應變片的極限。n真實應變是由于溫度變化或施加機械載荷在試件上產(chǎn)生應力所引起的單位變形。指示應變是指經(jīng)過校準的應變儀的應變讀數(shù)，它是與應變片的電阻相對變化相對應的應變值。n為提高應變片的極限值，應選用抗剪強度較高的粘結(jié)劑和基底材料，基底和粘結(jié)劑的厚度不宜太大，并經(jīng)適當?shù)墓袒幚怼? 電阻應變片的動態(tài)響應特性電阻應變片的動態(tài)響應特性n電阻應變片在測量頻率較高的動態(tài)應變時，應考慮其動態(tài)特性。n動態(tài)應變是以應變波的形式在試件中傳播的，它的傳播速度V與聲波相同。對于鋼材，V5000

24、 ms。當應變按正弦規(guī)律變化時，應變片反映出應變是應變片敏感柵長度各相應點應變量的平均值，顯然與某“點”的應變值不同。n圖4.9給出了應變波與應變片軸向關(guān)系。應變波波長為，應變片長為l，應變片兩端點的坐標為x1、x2，應變片中點坐標為x0。設動態(tài)應變ft2sin0因應變沿應變片軸向在試件中傳播 xVtVf)2sin(0 x應變片測量出的應變值為其長度上的平均應變21000212sinsin()2sin()xxpxldxxlxx而x0點的真實應變 )2sin(000 xx當 0201()6pxxflV 1l根據(jù)上式可進行動態(tài)應變測量時的誤差計算，也可選擇應變片柵長以滿足某種頻率范圍內(nèi)的誤差要求。

25、4.2.4 電阻應變片的粘貼技術(shù)電阻應變片的粘貼技術(shù)n應變片在使用時，通常是用粘合劑粘貼在彈性體試件上的，它直接測量的量是試件的應變。粘貼技術(shù)對傳感器的質(zhì)量起著重要的作用。n粘貼技術(shù)的細節(jié)往往是傳感器生產(chǎn)廠的技術(shù)秘密粘貼技術(shù)的細節(jié)往往是傳感器生產(chǎn)廠的技術(shù)秘密，此處只能給出其大概框架。n應變片的粘合劑必須適合應變片基底材料和被測材料，另外還要根據(jù)應變片的工作條件、工作溫度和濕度、有無腐蝕、加溫加壓固化的可能性、粘貼時間長短等因素來進行選擇。常用的粘合劑有硝化纖維素粘合劑、酚醛樹脂膠、環(huán)氧樹脂膠、502膠等。n應變片在粘貼時，必須遵循正確的粘貼工藝，保證粘貼質(zhì)量，這些都與最終的測量精度密切相關(guān)。n

26、應變片的粘貼步驟如下：n1) 應變片的檢查與選擇。應變片的檢查與選擇。首先應對采用的應變片進行外觀檢查，觀察應變片的敏感柵是否整齊、均勻，是否有銹斑以及斷路、短路或折彎等現(xiàn)象。其次要對選用的應變片的阻值進行測量，確定是否選用了正確阻值的應變片。n2) 試件的表面處理。試件的表面處理。為了獲得良好的粘合強度，必須對試件表面進行處理，清除試件表面雜質(zhì)、油污及疏松層等。一般的處理方法可采用砂紙打磨，較好的處理方法是采用無油噴砂法，這樣不但能得到比拋光更大的表面積，而且可以獲得質(zhì)量均勻的效果。為了表面的清潔，可用化學清洗劑如四氯化碳、甲苯等進行反復清洗，也可采用超聲波清洗。為了避免氧化，應變片的粘貼應

27、盡快進行。如果不立刻貼片，可涂上一層凡士林暫做保護層。n3) 底層處理。底層處理。為了保證應變片能牢固粘貼在試件上，并具有足夠的絕緣電阻，改善膠接性能，可在粘貼位置涂上一層底膠。n4) 貼片。貼片。將應變片底面用清潔劑清洗干凈，然后在試件表面和應變片各涂上一層薄而均勻的粘合劑，待稍干后，將應變片對準劃線位置迅速貼上，然后蓋一層玻璃紙，用手指或膠輥加壓，擠出氣泡及多余的膠水，保證膠層盡可能薄而均勻。n5) 固化。固化。粘合劑的固化是否完全，直接影響到結(jié)構(gòu)的物理機械性能。關(guān)鍵是要掌握好溫度、時間和循環(huán)周期。無論是自然干燥還是加熱固化都要嚴格按照工藝規(guī)范進行。為了防止強度降低、絕緣破壞以及電化學腐蝕

28、，在固化后的應變片上應涂上防潮保護層。防潮層一般可采用稀釋的粘合劑。n6) 粘貼質(zhì)量檢查。粘貼質(zhì)量檢查。首先從外觀上檢查粘貼位置是否正確，粘合層是否有氣泡、漏粘、破損等，然后測量應變片敏感柵是否有斷路或短路現(xiàn)象以及測量敏感柵的絕緣電阻。n7) 引線焊接與組橋連線。引線焊接與組橋連線。檢查合格后即可焊接引出導線，引線應適當加以固定。應變片之間通過粗細合適的漆包線連接組成橋路，連接長度應盡量一致，線不宜過長。 4.2.5 電阻應變片的典型應用方式電阻應變片的典型應用方式n電阻應變片主要有以下兩種應用方式：n1) 被測量為應變。被測量為應變。此時應變片直接粘貼在試件上，用來測量工程結(jié)構(gòu)受力后的應力或

29、所產(chǎn)生的應變，為結(jié)構(gòu)設計、應力校正或分析結(jié)構(gòu)在使用中產(chǎn)生破壞的原因等提供試驗數(shù)據(jù)。電阻應變儀就是專門測量應變的儀器。n2) 被測量為除應變外的其他非電量。被測量為除應變外的其他非電量。此時，采用敏感元件，將真正的被測量轉(zhuǎn)換為應變，應變片粘貼在該敏感元件上，通過測量應變實現(xiàn)對真正的被測量的測量。力可以通過實心軸、空心軸、懸臂梁、雙端固支梁等結(jié)構(gòu)型式的敏感器轉(zhuǎn)換為應變。 AEFlAEFr使用使用8只應變片，以消除偏心載荷影響。只應變片，以消除偏心載荷影響。 實心軸力敏感器實心軸力敏感器 圖4.12 懸臂梁力敏感器2)(6EbhxlFxn例例4.1 一個=2.1（應變靈敏度系數(shù)）的350應變片被粘貼

30、到鋁支柱（E=73GPa）上。支柱的外徑為50mm，內(nèi)徑為47.5mm。試計算當支柱承受1000kg負荷時電阻的變化。n 00/F ARRKRKE22222(50)(47.5)()19144mmmmDdAmm6298003502.10.52 .191 1073NRmGPa電阻應變片阻值的相對變化量是很小的電阻應變片阻值的相對變化量是很小的。4.2.6 電阻應變片的信號調(diào)理電阻應變片的信號調(diào)理n1 惠斯登電橋惠斯登電橋n在靜態(tài)應變測量中可采用平衡電橋，通過對調(diào)節(jié)臂電阻的手動調(diào)節(jié)，使電橋達到平衡，用調(diào)節(jié)臂電阻的阻值表示被測應變值。n在自動檢測系統(tǒng)中，應變式傳感器多采用不平衡電橋電路。n根據(jù)電橋供電

31、電源分類，電橋有直流電橋與交流電橋之分。如果采用正弦波電壓對電橋供電，這種電橋稱為交流電橋。如果采用直流電對電橋供電，這種電橋則稱為直流電橋。 n（1） 直流電橋直流電橋31423112341234()()scacbcRR RR RRUUUUUURRRRRRRR31241RRRRn3121242121234()scRR RRRRUURRRRRR312421234(1)scRRRRnUUnRRRR2(1)UnSUnn稱為橋臂電阻比。電壓靈敏度度 0dndSU時n=1全等臂電橋是n=1的一種特例，應變式傳感器中常采用。RRUUSC4圖4.14 單臂工作電橋圖4.15 雙臂電橋RRUUSC2圖4.1

32、6全臂電橋RRUUSC全橋靈敏度最高，雙臂電橋次之，單臂電橋靈敏度最低。 (2) 交流電橋交流電橋14231234()()scZ ZZ ZUUZZZZ平衡條件 14230Z ZZ Z14231423z zz z交流電橋初始調(diào)平衡更復雜，一般既用到電阻預調(diào)平衡，也用到電容預調(diào)平衡。 相對臂阻抗模的乘積相等相對臂阻抗模的乘積相等相對臂阻抗角的和相等相對臂阻抗角的和相等2 測量放大電路測量放大電路n（1） 實際運算放大電路實際運算放大電路n對集成運算放大器規(guī)定了多達數(shù)十項的參數(shù)指標，其中較為重要的有電源電壓、功耗、開環(huán)電壓增益、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入電阻、共模抑制比、輸出電壓幅度、帶寬，等

33、等。n對于直流放大電路，由于輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、共模抑制比等參數(shù)的影響，放大器的輸出與采用理想運算放大器的理論輸出之間存在一定的誤差。當輸入為零時，放大器的輸出并不為零。微弱信號的放大需要采用多級放大，從第一級開始就存在的偏差經(jīng)多級積累和放大后，也許嚴重到電路根本不能工作。n對于交流放大電路，各級之間一般有隔直措施，此時主要關(guān)注點是電路的頻率特性。n在設計能付之于實際應用的儀表時，僅僅滿足于采用理想放大器概念的原理設計是遠遠不夠的。n必須根據(jù)已選定的具體運算放大器的某些參數(shù)進行分析計算，得到更為細節(jié)化的設計。n現(xiàn)在已經(jīng)可以得到一些強有力的計算機輔助設計工具來幫助我們進行這些分析和計算。

34、采用這些工具進行電路分析、設計的過程稱之為電子設計自動化(EDA，electronics design automation)，使得電子線路的設計人員可在計算機上完成電路的功能設計、性能分析、時序測試乃至PCB設計和電磁兼容設計等。n目前流行的EDA軟件有電子學工作臺(EWB，electronics workbench)、PSPICE、Protel等。 （2） 測量放大電路的基本要求與類型測量放大電路的基本要求與類型n傳感器、不平衡電橋等輸出的電信號是微弱電信號是微弱的，且與后續(xù)電路之間的連接具有一定的距離。在典型的工業(yè)環(huán)境中，距離可達3m以上。傳感器有內(nèi)阻，電纜也有電阻，這些電阻和放大電路等

35、產(chǎn)生的噪聲以及環(huán)境噪聲都會對放大電路造成干擾，影響它正常工作。 n對測量放大電路的基本要求對測量放大電路的基本要求：測量放大電路的輸入阻抗應與傳感器輸出阻抗相匹配；穩(wěn)定的放大倍數(shù)；低噪聲；低的輸入失調(diào)電壓、低的輸入失調(diào)電流、低的漂移；足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率(無畸變地放大瞬態(tài)信號)；高共模輸入范圍(如達幾百伏)和高共模抑制比；可調(diào)的閉環(huán)增益；線性度好、精度高；成本低。n測量放大電路是綜合指標很好的高性能放大電路。 圖4.17 三運放儀器放大器原理圖n近年來，利用線性集成電路先進工藝而設計制成的單片集成測量放大器，如AD521、AD522、LH0038、LM363和INAl01等獲得很大的進展。它們

36、綜合性能指標好，使用方便，體積小，無需為組裝而展開反復的精確挑選。 圖4.18 AD612集成測量放大器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖4.19 AD612集成測量放大器和測量電橋的接線圖3 多功能傳感信號調(diào)理電路多功能傳感信號調(diào)理電路AD693nAD693是ADI公司推出的一種單片信號調(diào)理器，它具有高精度、多功能的特點。其用途十分廣泛，使用也非常靈活，不僅可用做小信號U/I轉(zhuǎn)換器，還可作為各種傳感器(例如電阻應變片測量電橋、鉑熱電阻、熱電偶)的信號調(diào)理器。nAD693適用于傳感測試系統(tǒng)、工業(yè)過程控制及自動化儀表領域。nAD693的同類產(chǎn)品為AD694，AD694適合接收高電平輸入信號，但芯片內(nèi)部沒有備用放大器

37、。 n1） 內(nèi)含可編程輸入放大器、U/I轉(zhuǎn)換器、多路輸出式基準電壓源。n2） 輸出電流有三種形式：4mA20mA(單極性)，020mA(單極性)，12mA8mA(雙極性)。n3） 輸入電壓范圍、電流零點均可單獨調(diào)節(jié)。n4） 高精度。電流調(diào)零前的總誤差為0.25，非線性誤差低于0.05。經(jīng)過調(diào)零后的總轉(zhuǎn)換誤差小于0.1。n5） 利用芯片中的備用放大器，可對由電阻應變片橋路、鉑熱電阻、熱電偶所產(chǎn)生的信號進行調(diào)理。n6） 帶Ptl00接口，配鉑熱電阻測溫誤差為0.5。n7） 利用外部電阻可選配不同類型的熱電偶并設定最高測量溫度。n8） 具有過電流保護和反向過電壓保護功能。n9） AD693通常由環(huán)路

38、電源供電，特殊情況下也可由本地電源單獨供電。圖4.20 AD693的引腳排列及內(nèi)部電路框圖圖4.21 應變儀測量電路4.2.7 電阻應變式力、重量檢測方法應用舉例電阻應變式力、重量檢測方法應用舉例n在各種力、重量檢測系統(tǒng)中，電阻應變式力、重量檢測方法應用最為普遍。例如，數(shù)控機床切削力檢測、軋鋼機軋制力檢測、橋梁應力應變檢測、建筑樁基應力應變檢測、電子吊車稱、電子料斗稱、電子液罐稱、電子皮帶稱等等，數(shù)不勝數(shù)，舉不勝舉。 1 紗線張力檢測紗線張力檢測2 裝載機電子秤裝載機電子秤n鐵路貨場散堆裝貨物裝載，目前有三種計量方法：用軌道衡和汽車衡直接檢測、用劃線法裝車、用裝載機電子秤稱重。其中，軌道衡和汽

39、車衡只能配置在部分裝車點，如果所有的裝車點都配置該類設備，不僅要增加基建投資，而且還要增加調(diào)車作業(yè)、延長車輛停留時間；采用劃線裝車的辦法，最大的缺點就是在貨物的密度發(fā)生變化時，容易造成超載或欠載；采用裝載機電子秤稱重計量，既可提高勞動生產(chǎn)率，又可監(jiān)控裝載過程，是一種較為理想的方法。n但是，目前使用的裝載機電子秤，是通過測量舉升臂油缸液壓油載荷壓力的變化，間接測量舉升物的重量。由于裝載機在作業(yè)過程中，司機對油門踏板的控制是不斷變化的，使得發(fā)動機和油泵的轉(zhuǎn)速隨著變化，造成鏟斗的舉升速度也不斷地變化，速度變化產(chǎn)生的作用力，造成測重儀表不能準確反映鏟斗實際所裝貨物的重量。因此，經(jīng)濟適用、能夠直接檢測裝

40、載機鏟斗受力的電阻應變式裝載機電子秤應運而生。n電阻應變式裝載機電子秤由傳感器、高精度信號放大電路、高精度電源、A/D轉(zhuǎn)換電路、計算機及稱重軟件組成，通過測量裝載機鏟斗所裝物料產(chǎn)生應力的方法來達到稱重的目的。n力測量傳感器是一組安裝在測量鏟斗受力處的電阻應變式剪力測量傳感器，安裝于鏟斗受力處。傳感器受應力作用后，內(nèi)部應變體發(fā)生形變，使傳感器輸出發(fā)生變化。在鏟斗轉(zhuǎn)臂舉升至水平位置過程中，鏟斗的各支點受力雖然不斷變化，但所有支點受力的總和是不變的，即受力總和等于鏟斗的自重加上物料的重量。n自動測量控制單元用于檢測鏟斗的位置、運動方向、速度，提供稱重控制信號給信號處理電路。n信號處理電路用于處理力測

41、量傳感器、自動測量控制單元的各種電信號，并提供給嵌入式計算機。n嵌入式計算機用的是一種棧式總線計算機，由多個模塊通過針與孔結(jié)構(gòu)堆疊而成，形成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、抗沖擊性能好，體積小、能耗低、工作性能穩(wěn)定、開發(fā)能力強、擴展性能好，配合數(shù)據(jù)處理、管理軟件，完成對傳感器及控制信號的處理功能。3 建筑構(gòu)件載荷測定和建筑物健康檢測建筑構(gòu)件載荷測定和建筑物健康檢測n各種結(jié)構(gòu)在運行中要承受各種外力的作用，工程上將這些外力稱為載荷。載荷是進行強度和剛度計算的主要依據(jù)。n確定載荷有類比法、計算法和實測法。n利用電阻應變法測定載荷的方法應用比較普遍。n利用應變片、應變儀和指示記錄器組成測量系統(tǒng)，進行載荷值的測量。先將

42、應變片粘貼在彈性元件上，彈性元件受載變形后，應變片的電阻隨之發(fā)生變化。經(jīng)應變儀組成的測量電橋，使電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號并加以放大，最后經(jīng)指示器、記錄器顯示出與載荷成比例變化的曲線，通過標定就可以得到所需數(shù)據(jù)值的大小。這種方法現(xiàn)已廣泛應用于各種構(gòu)造物的荷載測定，如船閘、橋梁以及房屋建筑等領域。 n大型、重要的土木工程結(jié)構(gòu)，如橋梁、超高層建筑、電視塔、水壩、核電站、海洋采油平臺等，其服役期長達幾十年甚至上百年，在疲勞、腐蝕效應、材料老化等不利因素影響下，不可避免地產(chǎn)生損傷累積，甚至產(chǎn)生突發(fā)事故。n雖然一些事故發(fā)生前出現(xiàn)了漏洞、塌陷、開裂等征兆，但因缺乏報警監(jiān)測系統(tǒng)，往往無法避免事故的發(fā)生。因此

43、，對現(xiàn)存的重要結(jié)構(gòu)和設施進行健康監(jiān)測，評價其安全狀況，修復、控制損傷，在新建結(jié)構(gòu)和設施中增設長期的健康監(jiān)測系統(tǒng)，已成為必需。n目前，鋼筋砼結(jié)構(gòu)的應變監(jiān)測普遍采用電阻應變片，將之粘貼在結(jié)構(gòu)表面或受力筋上后埋入砼內(nèi)，對鋼筋砼結(jié)構(gòu)進行實時、在線的智能健康監(jiān)測。 4.2.8 電阻應變式力傳感器的選用與故障處理電阻應變式力傳感器的選用與故障處理1 電阻應變式力傳感器的選用電阻應變式力傳感器的選用（1） 電阻應變片的選用電阻應變片的選用1） 應變片結(jié)構(gòu)形式的選擇應變片結(jié)構(gòu)形式的選擇 根據(jù)應變測量的目的、被測試件的材料及其應力狀態(tài)、測量精度，選擇應變片的形式： 對于測試點應力狀態(tài)是一維應力的結(jié)構(gòu)，可以選用單

44、軸應變片。 已經(jīng)知道主應力方向的二維應力結(jié)構(gòu)，可以使用直角應變花，并使其中一條應變柵與主應力方向一致； 如主應力方向未知，就必須使用三柵或四柵的應變花。 對于傳感器設計來說，應變片的形式主要決定于彈性體的結(jié)構(gòu)： 柱式、板環(huán)、雙孔平行梁等彈性體，它們采樣正應力或彎曲應力，所以應變片均采用單軸應變片。 剪切橋式、輪輻式、剪切懸臂式、三梁剪切式彈性體，一般使用雙軸應變片。 平膜片壓力傳感器多采用全橋圓形應變片。n2） 應變片尺寸的選擇應變片尺寸的選擇 選擇應變片尺寸時，應考慮應力分布、動靜態(tài)測量、彈性體應變區(qū)大小等因素：n若材質(zhì)均勻、應力梯度大，應選用柵長小的應變片；n對材質(zhì)不均勻、強度不等的材料，

45、如混凝土或應力分布變化比較緩慢的構(gòu)件，應選用柵長大的應變片。n對于沖擊載荷或高頻動荷作用下的應變測量，還要考慮應變片的響應頻率。應變片的最高工作頻率與柵長有關(guān)。例如，應變片柵長為1mm、5mm、10mm、50mm，可測鋼材上正弦應變最高頻率分別為250kHz、50kHz 25kHz、5kHz。n一般來說，應變片絲柵越小，測量精度越高。 n3） 電阻值的選擇電阻值的選擇n在中國國家標準中，電阻應變片的阻值規(guī)定為60、120、200、350、500、1000；n目前傳感器生產(chǎn)中大多選用350；n由于大阻值應變片具有通過電流小、自熱引起的溫升低、持續(xù)工作時間長、動態(tài)測量信噪比高等優(yōu)點，大阻值應變片應

46、用越來越廣。n在不考慮價格因素的前提下，盡量使用大阻值應變片，這對提高傳感器精度是有益的。n4） 使用溫度的選擇使用溫度的選擇n環(huán)境溫度對應變片的影響很大。應根據(jù)使用溫度，選用不同絲柵材料的應變片。n國家標準中規(guī)定的常溫應變片，使用溫度為-3060。常溫應變片一般采用康銅合金制造，在應變片型號中省略使用溫度。一般康銅合金最高使用溫度為300；n如果需要高溫應變片，應在訂貨時說明使用溫度，以便廠家提供合適的應變片?？ì敽辖馂?50，鐵鎳鋁合金可以達到7001000。n（2） 傳感器結(jié)構(gòu)形式的選擇傳感器結(jié)構(gòu)形式的選擇n一個稱重系統(tǒng)，它既可以用一個稱量范圍較大的傳感器用簡單的懸吊系統(tǒng)吊掛起來作為吊秤

47、，也可以用容量較小的傳感器將容器支撐起來作為支撐式容量秤，那么究竟如何進行合理的選擇呢？這就需要了解支撐式和懸吊式稱重系統(tǒng)的優(yōu)缺點。n支撐式支撐式n支撐式系統(tǒng)中的傳感器處于重力壓縮的狀態(tài)下，應用最為廣泛。它所能實現(xiàn)的稱重范圍很寬，尤其是上限值很大，可達數(shù)百噸；可以用很簡單的方法實現(xiàn)其過載保護，甚至無需過載保護裝置；所占幾何空間小、安裝簡便。n支撐式稱重系統(tǒng)的缺點，主要是要求始終保證重物的重力線通過傳感器的承重軸線，而且不受側(cè)向沖擊力的影響。這就要求傳感器本身具有良好的抗側(cè)向能力。在側(cè)向沖擊力作用下，傳感器及其重力引入裝置應具有迅速復位的能力，還應設置相應的保護裝置。n在支撐式稱重系統(tǒng)中，常采用如下幾種結(jié)構(gòu)形