應(yīng)變基本知識(shí)NXPowerLite演示文稿

應(yīng)變基本知識(shí)NXPowerLite演示文稿現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三應(yīng)變基本知識(shí)NXPowerLite現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三3應(yīng)力和應(yīng)變一、應(yīng)力在施加的外力的影響下物體內(nèi)部產(chǎn)生的力——內(nèi)力，其值定義為單位面積上的內(nèi)力，單位為Pa或N/m2，記為：二、應(yīng)變?cè)嚰焕斓臅r(shí)候會(huì)產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形Δl，試件長(zhǎng)度則變?yōu)閘+Δl。由伸長(zhǎng)量Δl和原長(zhǎng)l的比表示伸長(zhǎng)率(或壓縮率)就叫做應(yīng)變，記為ε?，F(xiàn)在是3頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三4應(yīng)變表示的是伸長(zhǎng)率(或壓縮率)，屬于無(wú)量綱數(shù)，沒(méi)有單位。由于量值很小，通常用1×10?6

微應(yīng)變表示，或簡(jiǎn)單地用με表示。

應(yīng)力和應(yīng)變?cè)嚰诒焕斓臅r(shí)，直徑為d0

會(huì)產(chǎn)生Δd

的變形時(shí)，直徑方向的應(yīng)變稱為橫向應(yīng)變(或徑向應(yīng)變)

。與外力同方向的伸長(zhǎng)(或壓縮)方向上的應(yīng)變稱為軸向應(yīng)變。

軸向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的比稱為泊松比，記為μ

。每種材料都有確定的泊松比，且大部分材料的泊松比都在0.3左右?，F(xiàn)在是4頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三三、虎克定律各種材料的單向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以通過(guò)虎克定律表示：或應(yīng)力與應(yīng)變的比例常數(shù)E

被稱為縱彈性系數(shù)或楊氏模量，不同的材料有其固定的楊氏模量。右圖所示為一種普通鋼材(低碳鋼)的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系圖。應(yīng)力與應(yīng)變成直線關(guān)系的范圍內(nèi)虎克定律成立，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力稱為比例極限。應(yīng)力和應(yīng)變現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三

應(yīng)變傳感器是把被測(cè)物的機(jī)械變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器

按工作的原理可分為：電阻應(yīng)變式、變阻器式、熱敏式、光敏式、電敏式.

電阻應(yīng)變式、變阻器式、熱敏式、光敏式、電敏式.

應(yīng)變傳感器現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變效應(yīng)：是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)或縮短)的變化而發(fā)生變化。工作原理

電阻應(yīng)變式傳感器現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三種類與結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片金屬薄膜應(yīng)變片擴(kuò)散型應(yīng)變片外延型應(yīng)變片薄膜型應(yīng)變片電阻應(yīng)變式傳感器現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三9電阻式應(yīng)變片現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三A.直流電橋由四個(gè)橋臂R1、R2、R3及R4和一個(gè)供橋電源Ui組成。R1R2R3R4BDUoUiACRLIo－＋

電路特點(diǎn)：當(dāng)被測(cè)量無(wú)變化，四橋臂滿足一定的關(guān)系，輸出為零；當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，測(cè)量電橋平衡被破壞，有電壓輸出。

電路組成其中，RL為負(fù)載電阻

Uo為電橋輸出電壓。電阻式應(yīng)變片的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三A.直流電橋a.電橋平衡條件R1R2R3R4BDUoUiACRLIo－＋當(dāng)電橋平衡時(shí),Uo=0,則有：R1R4=R2R3欲使電橋平衡,其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等,或相對(duì)兩臂電阻的乘積相等?！姌蚱胶鈼l件結(jié)論：或電阻式應(yīng)變片的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三R1R2R3R4BDUoUiACRLIo－＋（1）R2,R3,R4為電橋固定電阻這就構(gòu)成了單臂電橋。R1為電阻應(yīng)變片電阻式應(yīng)變片的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三（2）當(dāng)R1產(chǎn)生應(yīng)變時(shí),若應(yīng)變片電阻變化為ΔR1，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0R1R2R3R4BDUoUiACRLIo－＋電橋不平衡輸出電壓為:設(shè)橋臂比n=R2/R1考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3且ΔR1/R1很小可忽略電阻式應(yīng)變片的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三電橋電壓靈敏度定義為：R1R2R3R4BDUoUiACRLIo－＋電橋不平衡輸出電壓為:電阻式應(yīng)變片的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三②電橋電壓靈敏度K=K(n)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。分析可知：①電橋電壓靈敏度K正比于電橋供電電壓Ui但供電電壓Ui的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以要作適當(dāng)選擇;Ui↑→K↑電阻式應(yīng)變片的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三16在橋臂四個(gè)電阻R1、R2、R3、R4中，當(dāng)使用一個(gè)應(yīng)變片R代替一個(gè)電阻組成單橋時(shí)，電阻的相對(duì)變化率E=△R／R；使用二個(gè)應(yīng)變片代替兩個(gè)電阻組成半橋差動(dòng)狀態(tài)時(shí)，有E=2△R／R；當(dāng)使用四個(gè)應(yīng)變片代替四個(gè)電阻組成全橋兩個(gè)差動(dòng)對(duì)工作，且R1＝R2＝R3＝R4＝R時(shí)，電阻的相對(duì)變化率E=4△R／R。電阻式應(yīng)變片的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三17

由此可見(jiàn)，使用的應(yīng)變片越多，其電阻的變化率越大，電路中某兩點(diǎn)電位差變化越大。所以，單橋，半橋，全橋電路的靈敏度依次增大。

電阻式應(yīng)變片的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三理想值實(shí)際值——非線性誤差如果是四等臂電橋,R1=R2=R3=R4,則非線性誤差及其補(bǔ)償方法現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三對(duì)于一般應(yīng)變片來(lái)說(shuō)，所受應(yīng)變?chǔ)磐ǔＴ?×10-3以下。（1）若取K=2,則ΔR1/R1=Kε=0.01,代入上式計(jì)算得非線性誤差為0.5%;（2）若K=130,ε=1×１0-3時(shí),ΔR1/R1=0.130,則得到非線性誤差為6%。結(jié)論：K較小時(shí)，能非線性誤差滿足測(cè)量要求；當(dāng)K↑到某值時(shí)，非線性誤差已不能滿足測(cè)量要求。利用和兩式，有：非線性誤差及其補(bǔ)償方法現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三解決辦法：——差動(dòng)電橋即：在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片,一個(gè)受拉應(yīng)變,一個(gè)受壓應(yīng)變,接入電橋相鄰橋臂,稱為半橋差動(dòng)電路。測(cè)量R1R2R4R3abUoUi測(cè)量半橋式（雙臂工作）☆呈線性關(guān)系☆無(wú)非線性誤差☆電橋電壓靈敏度K=Ui/2,比單臂工作時(shí)提高一倍結(jié)論：非線性誤差及其補(bǔ)償方法現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三

當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，溫度補(bǔ)償原理R1R2R3R4BDUoUiACRLIo－＋因：橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消。則：半橋的溫漂較小非線性誤差及其補(bǔ)償方法現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片,如圖所示,即兩個(gè)受拉應(yīng)變,兩個(gè)受壓應(yīng)變,將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上,構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。R1R2R4R3abUoUi測(cè)量測(cè)量測(cè)量測(cè)量全橋式（四臂工作）假設(shè)應(yīng)變片靈敏度相同，其輸出電壓為推廣：非線性誤差及其補(bǔ)償方法現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三R1R2R4R3abUoUi測(cè)量測(cè)量測(cè)量測(cè)量全橋式（四臂工作）若ΔR1=－ΔR2=－ΔR3=ΔR4,且R1=R2=R3=R4,則此時(shí)全橋差動(dòng)電路不僅沒(méi)有非線性誤差,而且電壓靈敏度是單片的4倍,同時(shí)仍具有溫度補(bǔ)償作用。單臂：半臂：非線性誤差及其補(bǔ)償方法現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三

應(yīng)變片R1工作時(shí),其電阻值變化很小，即：△R1很小

電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，即：Uo很小，所以，一般需要加入放大器放大放大器R1R2R3R4BDUoUiACRLIo－＋

存在零點(diǎn)漂移直流電橋存在的不足現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三根據(jù)直流電橋分析可知,由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小,一般都要加放大器,而直流放大器易于產(chǎn)生零漂,因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。R1R2R3R4BDACRLIo~C1C2由于供橋電源為交流電源,引線分布電容使得橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性。即相當(dāng)于二只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個(gè)電容,則每一橋臂上復(fù)阻抗分別為：Z1Z2Z3Z4BDACRLIo~a.電路特點(diǎn)電阻式應(yīng)變片的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三由交流電路分析可得要滿足電橋平衡條件,即Uo=0,則有·Z1

Z4=Z2

Z3R1R2R3R4BDACRLIo~C1C2平衡條件其實(shí)部、虛部分別相等,并整理可得:電阻式應(yīng)變片的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三R1R2R3R4BDACRLIo~C1C2電阻平衡條件電容平衡條件交流電橋的平衡條件:其實(shí)部、虛部分別相等,并整理可得:即要滿足電阻平衡條件，還要滿足電容平衡條件。電阻式應(yīng)變片的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三A.溫度影響 將應(yīng)變片安裝在自由膨脹的構(gòu)件上，無(wú)外力作用，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，則輸出一定的指示應(yīng)變，稱為熱輸出，用表示。產(chǎn)生原因：

1）由于溫度變化，敏感柵材料的電阻率發(fā)生變化（溫度效應(yīng)）；

2）敏感柵材料與被測(cè)構(gòu)件材料之間的線膨脹系數(shù)不同。主要影響因素現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三式中：敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)；被測(cè)材料的線膨脹系數(shù)。敏感柵材料的線膨脹系數(shù)； 設(shè)溫度變化為，且應(yīng)變片的靈敏度隨溫度變化可略去，則應(yīng)變片的熱輸出為說(shuō)明：我們不希望測(cè)量中夾有溫度影響所產(chǎn)生的附加應(yīng)變，而僅僅反映測(cè)試件的真實(shí)應(yīng)變。主要影響因素現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三通過(guò)調(diào)整αt就可以使由溫度引起的應(yīng)變?yōu)榱?。此時(shí)：解決辦法一：——差動(dòng)電橋二：——自補(bǔ)償 在應(yīng)變片的制作過(guò)程中可以通過(guò)熱處理對(duì)αt的值進(jìn)行控制，而且它是與特定的被測(cè)物的熱膨脹系數(shù)βe

相對(duì)應(yīng)的，如果用在不適用的被測(cè)物時(shí)，不僅不會(huì)補(bǔ)償溫度引起的應(yīng)變還會(huì)引起較大的測(cè)量誤差。主要影響因素現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三B.長(zhǎng)導(dǎo)線影響 長(zhǎng)導(dǎo)線由于本身存在電阻，導(dǎo)致電橋難以平衡，對(duì)于半橋、全橋接法不存在此問(wèn)題，但對(duì)于單臂接法時(shí)，就不得不考慮此問(wèn)題。應(yīng)變片導(dǎo)線主要影響因素現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三解決方案 采用3

線聯(lián)接法。如圖所示，在應(yīng)變片導(dǎo)線的一根上再聯(lián)上一根導(dǎo)線，用3根導(dǎo)線使橋路變長(zhǎng)。 這種聯(lián)接方式與雙線式不同的地方是導(dǎo)線的電阻分別由電橋的相鄰兩邊所分擔(dān)。圖中，導(dǎo)線電阻r1串聯(lián)入了應(yīng)變片電阻Rg，r2串聯(lián)入了R2，r3成為電橋的輸出端。這樣，就幾乎不會(huì)產(chǎn)生什么影響了。主要影響因素現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有34頁(yè)\編輯于星期三敏感柵型式單軸應(yīng)變片—敏感柵只有一根軸線。用于測(cè)量單向應(yīng)變。應(yīng)變花：雙軸—二軸三軸—三軸用于測(cè)量平面應(yīng)