应变测量基础知识10

1、应变测量基础知识应变测量基础知识1.0同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室目录目录应变片工作原理应变片工作原理测量电路浅析测量电路浅析应变片应用举例应变片应用举例2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室1.应变片工作原理应变片工作原理 应变与应力应变与应力1 应变效应应变效应2 应变片结构应变片结构3 温度误差与自补偿温度误差与自补偿42011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室1.1 应变与应力应变与应力应力应力（stress）物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时，

2、在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用应变应变（strain）机械零件和构件等物体内任一点因外力作用引起的形状和尺寸的相对改变关系关系E2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室1.2 应变效应应变效应应变效应：机械变形产生电阻变化试件变形应变片变形电阻变化2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室1.2 应变效应应变效应FlrrlFAlR2lldRddldAAAAdRdldAdRlA(12 )dRdR 2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室1.2 应变效应应变效应dRdRK2112d电阻丝的灵敏系数电阻

3、丝的灵敏系数：单位应变所引起的电阻相对变化量。12d大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，K为常数。2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室1.2 应变效应应变效应横向效应2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室1.3 应变片结构应变片结构 电阻应变片是由电阻丝绕成栅状(或用很薄的金属箔腐蚀成栅状)夹在两层绝缘薄片中(基底)制成。用镀银铜线与应变片丝栅连接，作为电阻片引线。2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室1.4 温度误差与自补偿温度误差与自补偿000 tRRRRt温度系数温度系数几何变化几何变化0000()gsRK R

4、K Rt 温度误差产生来源温度误差产生来源温度系数产生影响以及尺寸变化引起的电阻变化2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室1.4 温度误差与自补偿温度误差与自补偿电阻材料的温度系数试件材料的热膨胀系数电阻材料的热膨胀系数自补偿000()tgsRRRRKt )(00sgK2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室2. 测量电路浅析测量电路浅析 惠斯通电桥输出特性惠斯通电桥输出特性1 电桥的非线性与差动电路电桥的非线性与差动电路2 利用电桥特性进行温补利用电桥特性进行温补32011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室2.1 惠斯通

5、电桥输出特性惠斯通电桥输出特性电桥平衡条件电桥平衡条件 单桥臂电阻变化的电压输出单桥臂电阻变化的电压输出 邻桥臂电阻变化的电压输出邻桥臂电阻变化的电压输出 全桥臂电阻变化的电压输出全桥臂电阻变化的电压输出 41232011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室2.1.1 电桥平衡条件电桥平衡条件140123413241234()()()iiRRUURRRRR RR RURRRR=-+-=+14132423RRR RR RRR=当，即电桥平衡。2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室2.1.2 单桥臂电阻变化的电压输出单桥臂电阻变化的电压输出131141

6、12341123411124113()()()(1)(1)oiiiR RRRRUUURRRRRRRRRRRRURRRRRRD+ D=-=+ D+ D+D=D+11111RRRR=由于，略去分母中DD4132RRnRR=设，则1121n1(n1)(1)(n1)noiiRRRUUURDD=+o211Un S(n1)iURR电压灵敏度： =D+n=1时，S最大，实际中一般取R1=R2=R3=R4=R。14oiRUURD=2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室2.1.3 邻桥臂电阻变化的电压输出邻桥臂电阻变化的电压输出13241141122341122341212122241

7、1213()()()(1)(1)oiiiR RR RRRRUUURRRRRRRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRD - D+ D=-=+ D+ D+ D+ D+DD-=DD+12121()4oiRRUURRDD= =-1234RRR1RRRRRR=由于，略去分母中=D=D2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室2.1.4 全桥臂电阻变化的电压输出全桥臂电阻变化的电压输出11441122334413243141132411223344331241241234132412221121()()()(1)(1oiiRRRRUURRRRRRRRR RRRRRRRRRRRUR

8、RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR+ D+ D=-+ D+ D+ D+ DD - D + D - D + D D- D D=+ D+ D+ D+ DDDDDDDDD-+-+-=DDD+34443343)iURRRRRRRD+312412341()4oiRRRRUURRRRDDDD=-+-12341RRRRRRR=由于，略去分子与分母中的高阶小量=D2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室2.2 电桥的非线性与差动电路电桥的非线性与差动电路电桥的非线性误差电桥的非线性误差半桥差动电路半桥差动电路全桥差动电路全桥差动电路 123差动电路的灵敏度

9、差动电路的灵敏度 42011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室2.2.1 电桥的非线性误差电桥的非线性误差11211(1/)oiRnUnRURR理想情况（略去分母中的项）1111111111 112/oooLLoURRUURRnRRURRRnR与的关系是非线性时的，线，非性误差为1111111/(1)oiRRRnRUURnnR实际情况（保留分母中的项）对于一般应变片，所受应变通常在5000以下。若取K=2，则R1/R1=K=0.01，计算得非线性误差为0.5%；若K=130，=1000时，R1/R1=0.130，则得到非线性误差为6%。故当非线性误差不能满足测量要求时，必

10、须予以消除。2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室2.2.2 半桥差动电路半桥差动电路1141122341324112234()()()oiiRRRUURRRRRRR RR RURRRRRR+ D=-+ D+ D+D - D=+ D+ D+121234,1,RR RRRRRnD= - D=12oiRUURD=2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室2.2.3 全桥差动电路全桥差动电路114411223344()oiRRRRUURRRRRRRR+ D+ D=-+ D+ D+ D+ D12341234,1,RRRRRRRRRnR=D= - D= D

11、- D= DoiRUURD=2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室2.2.4 差动电路的灵敏度差动电路的灵敏度14oiRUURD=12oiRUURD=oiRUURD=2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室2.3 利用电桥特性进行温补利用电桥特性进行温补半桥的温度补偿半桥的温度补偿114112234121234111111111(),()0ooRRRUUiRRRRRRRR RRRRRRRRUUiRRRRRR其中n=1,+ D=-+ D+ D+D= D=+ D=-=+ D+ D+全桥的温度补偿全桥的温度补偿11441122334412123411

12、1111111111(),()0ooRRRRUUiRRRRRRRRRR RRRRRRRRRUUiRRRRRRRR其中n=1,+ D+ D=-+ D+ D+ D+ DD= D=+ D+ D=-=+ D+ D+ D+ D2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室3. 应变片应用应变片应用 测量应变测量应变1 应变式传感器应变式传感器2 具体项目中的应用具体项目中的应用32011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室3.1 测量应变测量应变 主应力方向未知主应力方向未知利用单向应变片来测量主方向已知的应变利用单向应变片来测量主方向已知的应变2011.11.01

13、同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室3.1 测量应变测量应变 主应力方向已知主应力方向已知利用应变花来测量主方向已知的应变利用应变花来测量主方向已知的应变2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室3.2 应变式传感器应变式传感器应变式力传感器应变式力传感器2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室3.2 应变式传感器应变式传感器2146352143应变式加速度传感器应变式加速度传感器2011.11.01同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室3.2 应变式传感器应变式传感器其他各种可表定量：位移。其他各种可表定量：位移。2011.11.0

14、1同济大学汽车学院实验室同济大学汽车学院实验室3.3 具体项目中的应用具体项目中的应用全顺全顺G301项目项目试验目的试验目的 最初目的：底盘部件贴片获取多体模型的验证信号 后期目的：通过标定获取轴头力信号螺旋弹簧螺旋弹簧Fz布片与组桥方案布片与组桥方案 前螺旋弹簧：半桥螺旋弹簧螺旋弹簧Fz标定结果标定结果 前螺旋弹簧标定时油缸采用位移控制后板簧后板簧Fz布片与组桥方案布片与组桥方案 后板簧：半桥12Fz后板簧后板簧Fz标定结果标定结果 后板簧标定时油缸采用位移控制前摆臂前摆臂Fx布片与组桥方案布片与组桥方案 前摆臂Fx：半桥12Fx前摆臂前摆臂Fx标定结果标定结果 前摆臂Fx标定时油缸采用位

15、移控制前摆臂前摆臂Fy布片与组桥方案布片与组桥方案 前摆臂Fy：全桥（单臂240欧姆）1243Fy力方向力方向上表面圆孔上表面圆孔Fy方向粘贴方向粘贴1、2应变片，串联连接作为电桥应变片，串联连接作为电桥1桥臂；桥臂；下表面圆孔下表面圆孔Fy方向粘贴方向粘贴3、4应变片，串联连接作为电桥应变片，串联连接作为电桥3桥臂；桥臂；用两个串联的用两个串联的120欧姆应变片组成欧姆应变片组成2桥臂（桥臂（4桥臂同理），组成桥臂同理），组成温度补偿的全桥测试桥路；温度补偿的全桥测试桥路；注释：左右两侧对称布置注释：左右两侧对称布置E:激励电压激励电压e0:输出电压输出电压1234+-S-S+一桥臂一桥臂三

16、桥臂三桥臂二桥臂二桥臂四桥臂四桥臂前摆臂前摆臂Fy布片与组桥方案布片与组桥方案 前摆臂Fy：全桥（单臂240欧姆）前摆臂前摆臂Fy标定结果标定结果 前摆臂Fy标定时油缸采用位移控制后桥壳后桥壳Fx布片与组桥方案布片与组桥方案 后桥壳Fx：半桥左后车轮侧左后车轮侧钢板弹簧座钢板弹簧座Z方向俯视图方向俯视图12E:激励电压激励电压e0:输出电压输出电压12+-S-一桥臂一桥臂二桥臂二桥臂Fx纵向力半桥电路纵向力半桥电路Fx纵向力：前表面粘贴蓝色纵向力：前表面粘贴蓝色1应变应变片，后表面粘贴蓝色片，后表面粘贴蓝色2应变片（在应变片（在桥壳水平中切面上，沿桥壳水平中切面上，沿Y方向粘方向粘贴），组一半

17、桥测试电路；贴），组一半桥测试电路；后桥壳后桥壳Fx标定结果标定结果 后桥壳Fx标定时油缸采用力控制（位移控制效果不好）后桥壳后桥壳Fy布片与组桥方案布片与组桥方案 后桥壳Fy：半桥Fy力：上表面粘贴红色力：上表面粘贴红色1应变片，下表面粘贴应变片，下表面粘贴红色红色2应变片，组一半桥测试电路；应变片，组一半桥测试电路；注释：左右两侧对称布置注释：左右两侧对称布置钢板弹簧座钢板弹簧座X方向正视图方向正视图12+E:激励电压激励电压e0:输出电压输出电压12+-S-一桥臂一桥臂二桥臂二桥臂Fy横向力半桥电路横向力半桥电路后桥壳后桥壳Fy标定结果标定结果 后桥壳Fy标定时油缸采用力控制后桥壳后桥壳

18、Fz布片与组桥方案布片与组桥方案 后桥壳Fz：全桥Fz垂向力：上表面粘贴绿色垂向力：上表面粘贴绿色1、2剪切应变片，下剪切应变片，下表面粘贴绿色虚线表面粘贴绿色虚线3、4剪切应变片（图示中剪切应变片（图示中3、4与与1、2错开为便于观察，实际粘贴为投影重叠关错开为便于观察，实际粘贴为投影重叠关系），组一全桥测试电路；系），组一全桥测试电路；注释：左右两侧对称布置注释：左右两侧对称布置左后车轮侧左后车轮侧钢板弹簧座钢板弹簧座X方向正视图方向正视图1423E:激励电压激励电压e0:输出电压输出电压1234+-S-S+一桥臂一桥臂三桥臂三桥臂二桥臂二桥臂四桥臂四桥臂Fz垂向力全桥电路垂向力全桥电路后

19、桥壳后桥壳Fz标定结果标定结果 后桥壳Fz标定时油缸采用力控制后桥壳后桥壳My布片与组桥方案布片与组桥方案 后桥壳My：全桥My制动扭矩：上表面粘贴绿色制动扭矩：上表面粘贴绿色1、2剪剪切应变片，下表面粘贴绿色虚线切应变片，下表面粘贴绿色虚线3、4剪剪切应变片（图示中切应变片（图示中3、4与与1、2错开为便错开为便于观察，实际粘贴为投影重叠关系），于观察，实际粘贴为投影重叠关系），组一全桥测试电路组一全桥测试电路注释：左右两侧对称布置注释：左右两侧对称布置左后车轮侧左后车轮侧钢板弹簧座钢板弹簧座Z方向俯视图方向俯视图1324E:激励电压激励电压e0:输出电压输出电压1234+-S-S+一桥臂一桥臂三桥臂三桥臂二桥臂二桥臂四桥臂四桥臂My制动扭矩全桥电路制动扭矩全桥电路后桥壳后桥壳My标定结果标定结果 后桥壳My标定时油缸采用力控制3.3 具体项目应用具体项目应用2011.1