电阻应变片式传感器测量桥梁应力

测量桥梁应力传感器目录TOC\o"1-5"\h\z摘要2设计思路2步骤2一、传感器设计及选择3.1、应变式传感器3二、电阻应变片的选择31、电阻应变片类型的选择3♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦\o"CurrentDocument"2、应变计敏感栅的材料5\o"CurrentDocument"3、几何尺寸6三、测量电路原理分析及设计［二二二二二二二二二二71、温度补偿原理7四、测量电路原理分析及设计91、电桥电路原理9\o"CurrentDocument"2、非线性误差10\o"CurrentDocument"3、转换电路和信号放大电路10♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦\o"CurrentDocument"4、电桥转换电路11\o"CurrentDocument"5、放大电路和共模补偿电路11♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦\o"CurrentDocument"6、电路调零调幅电路13\o"CurrentDocument"7、电桥放大电路各元件参数及其输出电压计算14♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦♦五、总结与心得15六、参考文献错误!未定义书签。摘要：目前，多数桥梁都属于柱形桥，随着时间的推移，桥身桥体会逐渐出现承载过重导致应力不集中甚至出现裂纹等破损，为了保证人民的人身财产安全，就要对桥身桥体进行实时监控，采取及时的补救措施。在现在大多数的监测方案中，几乎都需要传感器技术，本文对传感器在测量桥梁应力的应用做了详细的描述。传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科，是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。同时我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛，可以说它已成为了测试测量不可或缺的环节。因此，学习、研究并在实践中不断运用传感器技术是具有重大意义的。测量桥梁应力的基本思路是将传感器粘附于桥身柱体部分，通过测量桥在空载和承载时传感器的数值变化，通过数值的转换与计算，得出桥梁承受的应力。因此，此次测量所需传感器属于压力传感器。设计思路方案内容：假设某柱形公路桥长为500米，现在用多台测量应力传感器进行静载实验，从而确定此桥梁的承载能力和工程的可靠性。步骤：1：首先将此段桥梁平均分成五段，每段为一百米；2:选取每段桥梁的中心点为布置测点，并粘上测量桥梁应力传感器的应变片，应变测量的传感器是电栅尺寸为50X100mm的长标距电阻应变片;具体布置如下（此图为抽象出来的桥面，应变片对称均匀分布在桥底面上）3:将所有测点合理的连接到静应变仪上，打开一起预热，用USB线连上装好相关软件的电脑上；4：打开软件，设置好各项参数后进行平衡，清零采样；5：本实验采用30t的三周加载汽车进行加载，车辆加速选用中载和偏载两种方式，即相对车道中心线对称布置3列车以及偏一侧靠近防护栏布置3列车，根据不同的工况进行逐次采样；结果分析：将测试数据导出进行分析，从而验证桥梁结构强度，并根据相关标准评价其在设计使用荷载下的工作性能。传感器设计及选择应变式传感器应变式传感器也称应变片。电阻应变片的工作原理是基于导体的电阻应变效应，将测量物体的变形转换为电阻变化的传感器。现已广泛应用于工程测量和科学实验中。图1.9金属电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻将发生变化，这种现象称为金属电阻的电阻应变效应。设有一根长度为L的，截面积为S，电阻率为p的金属丝，在未受力时，原始电阻为：R=p-S当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长△L，横截面积相应减小△S，电阻值△R的变化引起电阻的相对变化为：竺—四竺竺业=8丛=7^5=兀E8由材料力学知：其中部---沿某径向的压阻系数，与材料及径向有关；E----弹性模量b---材料所受应力。忽略压阻效应，并根据有关的力学应变关系可得到公式如下：——=£+2日8+兀E£=(1+2日+兀E)£=k£=kR00L可见在金属电阻丝的拉伸比例极限内，电阻的相对变化与轴向应变成正比。应变式传感器类型有：金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片三种。特点：①可测微应变1-2〃m，且精度高、性能稳定；②尺寸小、重量轻、结构简单，响应快；③测量范围大；④环境要求不高；⑤便于多点测量。电阻应变片的选择1电阻应变片类型的选择电阻应变计简称应变计(亦称为电阻应变片或简称应变片)。它由四个部分组成。第一是电阻丝(敏感栅)，它是应变计的转换元件。第二是基底和面胶(或覆盖层)。基底是将长肝气弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质，并起到电阻丝与弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护电阻丝的作用。第三是粘合剂，它将电阻丝与基底粘贴在一起。第四是引出线，它作为联结测量导线之用。电阻应变片主要分为电阻丝式应变片、金属箔式应变片和金属薄膜应变片。由于电阻丝式应变片有横向效应对测量的精度有影响，使灵敏度降低，而且耐疲劳性能不高。金属薄膜应变片尚难控制电阻与温度的变化关系，不常用。故选用金属箔式应变片。箔式应变片的主要优点：本身性能稳定，受温度变化的影响小；使用温度范围比较宽，在-269—+350度范围内稳定工作；适用于各种弹性体材料及弹性结构形式，粘贴操作简便；价格便宜。电阻丝式敏感栅丝式敏感栅金属电阻应变片的结构丝式金属应变片的敏感栅由直径0.01〜0.05mm的电阻丝平行排列而成。箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在0.003〜0.01mm。其优点是散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1〃m以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。(a)箔式应变片(b)电阻丝式应变片(c)丝式应变片几种常用应变片的基本形式应变计敏感栅的材料材料的选用原则应变计敏感栅合金材料的选择对制作应变计性能的好坏起着决定性的作用，因此对制作应变计所用的应变电阻合金有以下的要求：a有较高的灵敏系数；b电阻率高；c电阻温度系数小，具有足够的热稳定性；d机械强度高，压碾或拉伸性能好，高温时耐氧化性能要好，耐腐蚀性能强；e与其它金属接触的热电势小；f与引出线焊接容易。常用的应变计材料目前国内还没有一种金属材料能满足上述全部要求，因此在选用时，只能给予综合考虑，常用的有康铜、竦铭、卡玛合金、竦铭硅锰等合金。其各自性能分别如下：a康铜：电阻温度系数较小而且稳定，同时它的Ko值对应变值的稳定性非常高，不但在变形的弹性范围Ko保持为常熟，在进入塑性范围后，亦基本保持为常数。所以用康铜作为敏感栅的音变机，测量范围大，可用于大应变测量(达22%)。对康铜用不同的方法进行加工、不同的热处理、或者改变合金成份的比例，可以改变它的电阻温度系数(由负值到正值有较大的范围)，利用这种特性可以制造温度自补偿应变计。在静态应变测量时，康铜的工作温度达300°C，在动态测量时，可用到400°C。它可以在高的流体径压力下和核辐射的环境下工作。b竦铭合金：具有较高的电阻率，适于制造小标距的应变计。但电阻温度系数较大，主要用于动态应变测量，使用温度可达800°C。在竦铭合金中加入少量的其它金属或元素，可以改善合金的性能。例如掺入少量的铁、铝可制成卡玛合金(6J22)，掺入少量的铜、铝可制成6J23，使电阻率提高和降低电阻温度系数，是指成为更好的适于静态测量的材料。

c铁铭铝合金：其电阻率较高，灵敏系数较大，而电阻温度系数比竦铭合金小得多，比铜竦合金大。d铁竦铭合金：灵敏系数较高，可达3.6。但由于它的电阻温度系数大（比康铜大6倍以上），同时Ko值在弹性范围和塑性范围时不一样（分别为3.6和2.5），使其应用范围受到限制，它值适用于动态测量。结论：综上所述，本课程设计采用的材料是康铜。几何尺寸几何尺寸在能够使得弹性元件的应变得到充分响应，即可选用。根据经验安全系数项2。因为所选的为塑性材料，则许用应力Ly]=-1200X10则许用应力Ly]=-1200X106=600MPa根据。=E£得：J1]=蚓600x106=30x10-4E2.00x1011=SXRX8=2.1X120X30X10-4=0.756根据K8=翌，且K=2，AR=0.756，R=120。，SSRSSSS所以有8SA所以有8SARs—RK0.756120x231.5x10-4所以\e]=8=31.5X10-4因为J]v（8];所以应取J]=31.0X10-4进行计算。10000传感器受压轴的截面面积为：10000FF”=□=Ein=2.00X1011X31X10-4=0.16X10-4m21传感器的灵敏系数的确定（检验应变片的灵敏度是否符合要求）根据公式：s=G+|!）KFX103（2AxE）其中：M为材料的泊松比；F为传感器的额定负荷；K为应变片的灵敏系数；E为材料的弹性模量；A1为弹性元件贴片部位的截面积。有A]=兀.D.H根据公式：s=G+|!)KF

G+|!)KF

(2A1xE)X103(1+0.272)x2.0x100002x3.14/4x(32-2.82)10-4x2.00x1011X103=0.698因为SVSg所以应变片的灵敏度符合要求。基于弹性体结构和测量要求选用应变片的参数:型号敏感栅尺寸（宽X长）mmXmm材料阻值灵敏度K基底PB-550*100箔式120。2.0〜2.2缩醛胶基表4.1PB-5应变片参数测量电路原理分析及设计温度补偿原理由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有两个方面：1）电阻温度系数的影响Rt=R0（1+a0At）式中：Rt——温度为t°C时的电阻值；R0——温度为t0C时的电阻值；a0——金属丝的电阻温度系数；t——温度变化值，△t=t-t0。当温度变化△《时，电阻丝电阻的变化值为：Ra=Rt-R0=R0a0At2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。当试件和电阻丝线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。设电阻丝和试件在温度为0C时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为6s和&g，若两者不粘贴，则它们的长度分别为：电阻丝：Ls=L0（1+6sAt）试件：Lg=L0（1+6gAt）当二者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形△L、附加应变£6和附加电阻变化△R6分别为：L=Lg-Ls=（6g-&s）L0At£6=△L/L0=（6g-6s）△tR6=K0R0£6=K0R0（6g-6s）△t由以上各式，可得由于温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为：=a&+K(P-P)△=[a+K(P-P)W

ARt折合成附加应变量£t,有七—W7-[弋七叩At因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数(K0、a0、6s)以及被测试件线膨胀系数6g有关。电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。1)线路补偿法电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。电桥输出电压U0与桥臂参数的关系为：U0=A(R1R4-RBR3)式中：A——由桥臂电阻和电源电压决定的常数；R1——工作应变片；RB——补偿应变片。岛一匚作应变片起一补总应变片电桥补偿法岛一匚作应变片起一补总应变片当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压U0的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变。当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t°C的温度场中，调整电桥参数，使之达到平衡，有U0=A(R1R4-RBR3)=0工程上，一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。当温度升高或降低△t=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即U0=A[(R1+AR1t)R4-(RB+ARBt)R3]=0若此时被测试件有应变£的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量△R1=R1K£，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为U0=AR1R4K£由上式可知，电桥的输出电压U0仅与被测试件的应变£有关，而与环境温度无关。若实现完全补偿，上述分析过程必须满足四个条件：在应变片工作过程中，保证R3=R4；R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数a、线膨胀系数6、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0；粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同；两应变片应处于同一温度场。应变片的自补偿法这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片来补偿的，称之为温度自补偿应变片。由温度自补偿应变片的工作原理，要实现要实现温度自补偿，必须有△Rt£==[+(P-P)]△ttKKgsa0=-K0(pg-ps)上式表明，当被测试件的线膨胀系数6g已知时，如果合理选择敏感栅材料，即其电阻温度系数a0、灵敏系数K0和线膨胀系数ps，使上式成立，则不论温度如何变化，均有△Rt/R0=0，从而达到温度自补偿的目的。测量电路原理分析及设计电桥电路原理应变片将应变的变化转化成电阻的相对变化△R/R,还要把电阻的变化再转换成电压或电流的变化，才能用电测量仪表进行测量。由于机械应变一般均很小，从而电阻应变式的电阻变化范围也很小，直接测量出这一微小变化比较困难，所以一般利用桥式测量电路来精确测量出这些小的电阻变化。电桥电路的原理是：如下图的四臂电桥所示，因为应变片电阻值变化很小，可以认为电源供电电流为常数，即加在电桥上的电压也是定值，假定电源为电压源，内阻为零。当电桥平衡时，即电桥输出电压V为零的条件是：RR=RR图2当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大很多，因此可以把电桥输出端看成是开路。若电桥不平衡时，即R1R3#R2R4时，电桥输出：1324RR-RR0(R+R)(R+R)恰好选择各桥臂电阻，可消除电桥的恒定输出，使输出电压只与应变片输出有关。单臂电桥时，令R1=R2,R3=R4,R2,R3,R4为定值电阻，在应变片R1工作时，其电阻R1变化△、此时电桥的灵敏度为：k=U/4u电压输出为：U=(U/4)(^R1/R1)O非线性误差电桥电路的非线性误差为：7l=^R1/2R上面各式表明，当电源电压U及电阻相对值一定时，电桥的输出电压及电压灵敏度将与各臂阻的大小无关。直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小，测量中常用直流电桥。为减少非线性误差，电桥电路常用的措施为：①采用差动电桥；②采用恒流源电桥。为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置两个应变片，电桥也可采用四臂差动电桥，其输出电压为：U=U^R/R^0所以，本设计所选用的是全桥形式的差动电桥，且为提高电桥灵敏度或进行温度补偿，每个桥臂都安置两个应变片。此外，由于在零压力时，传感器大约有2mV的不平衡输出，并且放大器有输入失调电压，因此，用组成的电桥电路进行零位调整。通过改变电位器的值，可改变补偿电压的大小，以使得零压力时U0=0V，为了保证足够的调整精度，电位器为多圈电位器。转换电路和信号放大电路来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压(包括干扰电压)。一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称，运算放大器才具有理想特性。否则，放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。一般运算放大器共模抑制比可达80dB，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，共模抑制比可达100〜120dB。结合以上几点，采用了低漂移运算放大器构成的三运放高共模抑制比放大电路。具体的电路如图所示

本电路主要分为三个部分，第一就是调理调幅电路，二就是电桥转换电路，三就是增益放大电路，这里面还包括共模抑制电路。电桥转换电路电阻应变片的电阻R1,R2,R3,R4的电阻都为350欧。由这四个电阻组成一个全桥放大电路。R12R12350QR2350。R18161kQ

R3R43350Q350QR5；：0kQV1qtey=A—12VT50%放大电路和共模补偿电路R18161kQ

R3R43350Q350Q它由三个集成运算放大器组成，其中N1，N2为两个性能一致（主要指输入阻抗，共模抑制比和增益）的同向输入通用集成运算放大器，构成平衡对称（或

称同向并联型)差动放大输入级，N3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制N1，N2的共模信号，并适应接地负载的需要。由输入级电路可写出流过R6，R7和R14都电流Ir为I=(U-U)/R=(U-U)/R=(U-U)/RR02i27i1016i2i114由此求得U01=(1+R6/R14)Ui1-R6Ui2/R14U01=(1+R6/R14)Ui1-R7Ui/R14于是，输入级的输入电压，即运算放大器N2与而输出之差为02其差模增益Kd为由上式可知，模输入电压有关，U-U01=[1+(R6+R7)/R14](Ui2-Ui1)K=(U-U)/(U-U)=1+(R+R)/Rd0201i2i16714当N1,N2性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与差而与共模输出，失调及漂移均在R14两端相互抵消，因此电路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部电阻匹配。但为了消除N1，N202其差模增益Kd为由上式可知，模输入电压有关，根据共模抑制比定义，可求得输入级的共模抑制比为CMRR=CMRRXCMRR/|CMRR-CMRR|式中的CMRR、CMRR分2别为N1N2的共模抑制比。2当R=R、R1=R时；运算放大器N3的差模增益为K=R/R10111213d31210整个电路的共模抑制比为CMRR=(KCMRRXCMRR)/(KCMRR+CMRR)d3.12d312式中CMRR—运算放大器N3的共模抑制比为了获得高的共模抑制比，必须选取集成运算放大器N3具有高的共模抑制比，同时精选外接电阻，尽量使R=R、R=R精度应控制在0.1%内。而且通常将输入级的增益Kd设计得大些「°输1出级的增益Kd3设计得小些。这种电路由于N1,N2的隔离作用，输出级的外部电阻可以取得较小，有利于提高电阻的匹配精度，提高整个电路的共模抑制比CMRRN120dB，共模输入电压范围为+6〜一10V，总增益1〜10000(Rp为几十至几百欧姆)。如果在N3的两输入端之间接入共模补偿电路，则可补偿电阻的不对称，获得更高的共模抑制比。改变R15阻值可将共模增益调整到最佳点。它的原理是由运放U1，U2组成第一级差分式电路，U3组成第二级差分式电路。在第一级电路中，V1，V2分别加到U1和U2的同相端，R6,R7和R14组成的反馈网络，引入了深度的电压串联负反馈，两运放U1,U2的两输入端形成虚短和虚断，按照上面的分析，可以计算出：差模增益Kd为K=1+R6+RdR14运算放大器U3的差模增益：Kd3=-裳10电路的放大增益为：A=KXK=—R12.(1+R6+R7)1014所以设计的放大电路的放大倍数为：A=-七.(1+%W)，试验中，这1014个实验可以调节R14,R15同时改变，达到调节增益的目的。而且放大增益很大，有很宽的调节范围。电路调零调幅电路如图所示，通过调节R5可以调节电桥的供电电压，并且可以在任何时候把电路调零，所以该电路称为调零调幅电路。电路图如下：此电路灵敏度很大。

电桥放大电路各元件参数及其输出电压的计算根据上述对运算放大电路分析，其输入级的差模增益的K广1+4乌14RK3=-尸。10=-Rt^•(1+R+气)=RR1014=-Rt^•(1+R+气)=RR101440K20K•(1+100K+100K2.25K)r180R6(Q)R7(Q)R10(。)R12(。)R14(。)100K100K20K40K2.25K由上表计算可得出因此，当电桥供电电压U=12V时，电桥放大电路的输出电压范围为:受拉时，Uo=AXUid=180X(5.3568~53.568)mV=0.964224~9.64224V其中，Uid为电桥输出电压。理论计算：当压力F=100N时，有：2.25Pa=46.88MPa48x10-93Fl3x100x7.5x10-3尸bh212x10-32.25Pa=46.88MPa48x10-9c46.88MPa£=0.2232x10-3E210GPaAR=K•R•&=2.0x350x0.2232x10-3=0.15624。A