（机械工程专业论文）材料试验机的数字化改造.pdf

山东大学工程硕士学位论文 摘要 干才 试验机的数宁化改造足存液压式或机械式试验机e 女i ：i 装传摩器，将力值转 变为电信号，通过数据采集系统变换为数字信号，从而将其改造成电子式试验机。 材料试验机的数字化改造可以提高试验机的准确度，可操作性，可实现自动 计算、存储、判断、打印，提高用户的工作效率，还可以为实现试验室微机联网 及液压伺服试验机改造打下基础。 论文主要以提高改造后试验机的示值准确性和稳定性为目的，进行试验机的数 字化改造。 首先，通过对材料试验机油路系统工作原理的分析，指出了因压力传感器安 装位置不正确而造成示值不稳定的原因，找出了压力传感器安装的最佳位置；接 着，通过分析应变式压力传感器的结构及工作原理，阐明了应变式压力传感器的 特点，分析了影响压力传感器输出信号稳定性的主要因素，并重点讨论了温度对 压力传感器的影响，介绍了对压力传感器进行温度补偿的方法，在此基础上选择 了合适的压力传感器，并通过试验考察了其温度特性和线性度，证明其完全符合 要求；然后，对试验机数字化改造的重点问题数据采集系统的设计进行了研 究。详细介绍了稳压电源、信号放大器、滤波、a d 转换器、中央处理器、液晶 显示器、按键控制芯片以及过载保护等各部分的分析与选择，重点考虑了如何提 高整个系统的稳定性、灵敏度、分辨率和采样速率，提出了示值的硬件标定及软 件标定两种方法修正试验机的准确度和线性度，最终完成了材料试验机数字化改 造的软硬件开发；论文最后，依据国家计量检定规程对改造后的试验机的零点漂 移、灵敏度、回零差、过载保护、示值误差及示值重复性进行了检定，对一些电 子式试验机经常出现的问题，包括温度特性、动态特性及长期稳定性进行了试验， 提供了详尽的试验数据。试验结果表明：试验机各项技术指标均符合要求，试验 机数字化改造是成功的。 关键词材料试验机；压力传感器；数据采集系统：示值 山东大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h em d “，r i a tt o t in gm a c h i n ed i g l 。t iz e dt r a n s f o r m a t i o ni si n s t a l 】st h e s e n s o ro nt h eh y d r a u li cp r e s s u r et y p eo rt h em e c h a n i c a l t y p et e s t i n gm a c h i n e ， t r a n s f o r m st h es t r e n g t hs i g n a li n t ot h e e l e c t r i c a ls i g n a l ，t h r o u g ht h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mt r a n s f o r m a t i o n i st h ed i g i t a ls i g n a l ，t h u st r a n s f o r m s i tt h ee l e c t r o n i ct e s t i n gm a c h i n e t h em a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n ed i g i t i z e dt r a n s f o r m a t i o nm a ye n h a n c et h e t e s t i n gm a c h i n et h ep r e c i s i o n ，t h ef e a s i b i l i t y ，m a yr e a l i z et h e a u t o m a t i c c o m p u t a t i o n ，t h em e m o r y ，t h ej u d g m e n t ，t h ep r i n t i n g ，e n h a n c e st h eu s e rt h e w o r k i n ge f f i c i e n c y ，b u ta l s om a yf o rr e a l i z et h et e s tc h a m b e rm i c r o c o m p u t e r n e t w o r k i n ga n dt h eh y d r a u l i cp r e s s u r es e r v ot e s t i n gm a c h i n et r a n s f o r m s b u i i d st h ef o u n d a t i o n t h ep a p e rm a i n l ya f t e re n h a n c e st h et r a n s f o r m a t i o nt h et e s t i n gm a c h i n e t os h o wt h ev a l u ea c c u r a c ya n dt h es t a b i l i t ya sag o a l ，c a r r i e so n t h e t e s t i n gm a c h i n et h ed i g i t i z e dt r a n s f o r m a t i o n f i r s t ，t h r o u g ht ot h em a t e r i a l t e s ti n gm a c h i n eo ild u c ts y s t e m p r i n c i p l eo fw o r ka n a l y s i s ，p o i n t e do u tb e c a u s et h ep r e s s u r et r a n s m i t t e r t oi n s t a l lt h ep o s i t i o nn o tt ob e c o r r e c tb u tc r e a t e ss h o w st h ev a l u e u n s t a b l er e a s o n ，h a sd i s c o v e r e dt h eb e s tp o s i t i o nw h i c ht h ep r e s s u r e t r a n s m i t t e ri n s t a l l e d ；t h e n ，t h r o u g ht h ea n a l y s i ss h o u l dt h ev a r i a n t p r e s s u r et r a n s m i t t e rs t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l eo fw o r k ，h a de x p o u n d e d s h o u l dt h ev a r i a n tp r e s s u r et r a n s m i t t e rc h a r a c t e r i s t i c ，a n a i y z e t h e i n f l u e n c ep r e s s u r et r a n s m i t t e ro u t p u ts i g n a ls t a b l ep r i m a r yf a c t o r ，a n d d i s c u s s e dt h et e m p e r a t u r ew i t he m p h a s i st o t h ep r e s s u r et r a n s m i t t e r i n f l u e n c e ，i n t r o d u c e dc a r r i e do nt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nt ot h ep r e s s u r e t r a n s m i t t e rt h em e t h o d ，h a sc h o s e nt h ea p p r o p r i a t ep r e s s u r et r a n s m i t t e r i nt h i sf o u n d a t i o n ，a n di n s p e c t e di t st e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i ca n d1i n e a r t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，p r o v e di tc o n f o r m st ot h er e q u i r e m e n tc o m p l e t e l y ； i i 山东大学工程硕士学位论文 t h e n ，h a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c ht ot h e t e s t i n gm a c h i n ed i g i t i z a t i o n t r a n s f o r m a t i o nk e yq u e s t i o n d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md e s i g n 。i nd e t a i i n t r o d u c e dt h ev o lr a g e s t a b i l i z e ds o u r c e ，t h es i g n a l a m p l i f i e r ，t h ef i l t e r t h ea dt r a n s f o r m s ，t h ec e n t r a lp r o c e s s o r ，t h el i q u i d c r y s t a l d i s p l a y t h ep r e s s e dk e yc o n t r o lc h i pa sw e l la s t h eo v e r - l o a dp r o t e c t i o na n ds o o ne a c hp a r to fa n a l y s e sa n dt h ec h o i c e 。h a dc o n s i d e r e dw i t he m d h a s i sh o w e n h a n c e st h eo v e r a l ls y s t e mt h e s t a b i l i t y ，t h es e n s i t i v i t y ，t h er e s o l u t i o n a n dt h es a m p li n gs p e e d ，p r o p o s e ds h o w st h ev a l u et h eh a r d w a r et o d e m a r c a t e a n dt h es o f t w a r ed e m a r c a t e st w om e t h o d st or e v i s et h et e s t i n gm a c h i n et h e a c c u r a c ya n dl i n e a r ，f i n a l l yh a sc o m p l e t e dt h em a t e r i a lt e s t i n g 珊a c h i n e d i g i t i z a t i o nt r a n s f o r m a t i o ns o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n t ：p a p e rf i n a l 。 t ot r a n s f o r m e da f t e rb a s e d o nt h en a t i o n a l m e a s u r e m e n te x 锄i n a t i o n r e g u l a t i o n sat e s t i n gm a c h i n ez e r od r i f t i n g ，t h es e n s i t i v i t y 。r e t u r n st o t h ez e r od i f f e r e n c e ，t h eo v e r l o a dp r o t e c t i o n ， s h o w st h ev a i u ee r r o ra n d s h o w si si m p o r t a n th a sc o m p l e xc a r r i e do nt h ee x a m i n a t i o n ，h a dt h ed r o b l 鲫 f r e q u e n t l yt os o l ee l e c t r o n i cf o r m u l at e s t i n gm a c h i n e s ，i n c l u d i n g t h e t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h el o n g - t e r i l l s t a b i l i t yh a sc a r r i e do nt h ee x p e r i m e n t ，p r o v i d e dt h ee x h a u s t i v et e n t a t i v e d a t a 。t h et e s tr e s u l th a di n d i c a t e d ：t h et e s t i n gm a c h i n ee a c h t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o nc o n f o r m st o t h e r e q u i r e m e n t ，t h e t e s t i n gm a c h i n e d i g i t i z a t i o nt r a n s f o r m a t i o ni ss u c c e s s f u i k e yw o r d sm a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n e ；p r e s s u r et r a n s m i t t e r ： d a t a g a t h e r i n gs y s t e m ；s h o wt h ev a l u e 1 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 旌i ： 日期：竺! ：! ：翌 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：乏旌之1 导师签名：日期：彬! 矽 山东大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题提出的目的和意义 1 1 1 材料试验机在我国发展的现状 材料试验机是测量材料的拉力，压力，弯曲等力学性能的专用仪器。广泛应 用于机械，建筑，建材，橡胶，塑料等各个领域。 传统的试验机是液压摆锤式试验机，在我国的使用已有五十多年的历史，在 材料的力学性能检测方面作出了巨大贡献。但是，随着科学技术的不断发展，对 试验的要求也越来越高，其存在的问题也日益显露出来。主要反应在以下几个方 面。 第一、由于其通过多个机械部件相互配合来测量，测量精度不容易达到很高。 第二、由于机械部件很多，哪一个部件出现问题都可能造成示值超差，而且 维修也比较困难。 第三、可操作性不高。只能人工记录数据，无法实现自动记录，存储，计算， 打印等功能。 近年来出现的电子式试验机，是今后试验机的一个发展方向。其原理是通过 力传感器将力值信号转变为电信号，或通过压力传感器将液压系统中的压力信号 转变为电信号，通过数据采集系统转变成数字信号，通过显示器显示出力值。电 子式试验机具有直观，精度高，可自动计算、存储、判断、打印，使用方便等特 点，还可以与电子引伸计相结合精确绘制材料的力值与变形曲线，计算出材料的 各种重要参数。1 现在我国的试验机正处于传统的液压摆锤式试验机向电子式试验机过渡的阶 段。一方面，新生产的试验机以电子式试验机为主，功能强大，使用方便，但价 格昂贵，通常需要几十力甚至上百万。另一方面，绝大多数在用的试验机是传统 的液压摆锤式试验机，有很多已使用了几十年，测力机构严重磨损，示值不稳定， 急需更新。但过高的价格又是很多试验室难以承受的。况且，将现有的试验机淘 汰又会造成很大的资源浪费。而本课题所研究的材料试验机的数字化改造可以解 山东大学工程硕士学位论文 决这个问题。 1 1 2 材料试验机数字化改造的目的 由于传统的液压摆锤式试验机在工作状态下油路系统内部可看作一个密封的 连通容器，服从帕斯卡定律，工作活塞处的力值变化( 即试件所受力值) 与油路 中的油压变化是成正比的，因此，可以通过测量油压变化来反映力值的变化。本 次数字化改造就是在试验机的油路中加装压力传感器，通过压力传感器检测油路 中的油压变化，并将其转变成电信号，通过数据采集系统将电信号变换为数字信 号，通过液晶显示器显示出试验力值。由此将传统的液压摆锤式试验机改造成为 电子式试验机，并提高原有试验机的准确度和稳定性。 1 1 3 材料试验机数字化改造的意义 现阶段在建筑行业和机械行业普遍存在着材料试验机陈旧落后，急需更新的 现象，而材料试验机的数字化改造可以达到投资少、见效大的目的，具有很高的 社会效益和经济效益。 以我所在的青岛市为例。现有的液压摆锤式试验机近3 0 0 台，且绝大多数已使 用十年以上。只要油泵能正常工作，就可以对其进行数字化改造，而无须更换新 试验机。对一台试验机数字化改造成本只需几千元，即可达到电子式试验机的一 般性能，进一步还可以实现微机联网等功能，可以为试验室节约数万元资金。 1 2 课题涉及领域的国内状况综述 现在国内已有多家公司进行试验机改造。但改造的质量和效果良莠不齐，尤其 是改造后的试验机示值准确度及稳定性方面差别很大，而这方面正是试验机改造 成功与否的关键所在。 本人是在技术监督局从事试验机的检定工作。在工作中遇到一些改造的试验 机，发现许多试验机存在着问题，归纳如下： 第一、准确度不能达到要求。 第二、数字漂移及示值重复性过大。 第三、长期稳定性过大。 第四、示值受环境影响过大。 2 山东大学工程硕士学位论文 第五、示值跟踪速度过低，导致数据采集系统采集不到实际力值。 以上的仟何一种问题都会造成试验机的准确性和可靠性的降低，严重影响试验 结果。因此，本课题将设计一种试验机的改造方案，并结合工作实际着重研究提 高试验机示值准确度及稳定性的方法，以确保试验机改造的切实有效地进行。 1 3 课题的主要内容 本课题选取的数字化改造对象是青岛市第二建筑工程公司试验室的台 w e 3 0 型液压万能试验机。该试验机为1 9 7 6 年出厂，已使用近3 0 年，测力机构 损坏严重，准确度和重复性都已超差，且无法修复，应以报废。在此情况下，我 与该公司协商对其进行数字化改造。放弃原有的测力部分不用，只利用其油路系 统及主体部分。在油路系统中加装压力传感器采集油压信号，将其改造成为电子 式试验机，以提高其准确性和稳定性，使其能够正常使用，并具有电子式试验机 的优点。课题所涉及的主要内容如下： ( 1 ) 压力传感器的安装位置。试验机的油路系统比较复杂，有多个位置可以安 装压力传感器。尽管从理论上说，在工作状态下油路系统内部可看作一个 密封的连通容器，油路系统内部油压处处相等。但是，事实上，压力传感 器的安装位置直接影响着试验机示值的准确度和稳定性。 ( 2 ) 压力传感器的选取。压力传感器是采集油压信号的关键元件，其性能直接 影响试验机的准确度和稳定性。因此，选择一个性能良好且价格适中的压 力传感器至关重要。 ( 3 ) 数据采集系统。主要包括稳压电源、中央处理器、a d 转换部分、信号放 大部分、试验力显示部分及软件的设计等。是整个试验机改造的难点和关 键所在。 ( 4 ) 改造完成后的计量检定及试验，以检验改造的效果。 山东大学工程硕士学位论文 第2 章压力传感器的安装位置 试验机数宁化改造采用压力传感器将油路中的油瓜信号转变乃电信弓，冈 此，压力传感器能否采集到真实稳定的油压信号至关重要，而传感器的安装位置 会对此产生很大的影响。在平时检定中也发现，压力传感器的不同安装位置对试 验机的示值准确性和稳定性的影响是很大的。为确定压力传感器的安装位置，首 先要了解一下液压摆锤式试验机的结构及工作原理。 2 1 液压摆锤式试验机的结构及工作原理 鹦整体部分暴煮隰 雒曰醴力躲分示意豳 s 一s , 耔it - 龃一下囊知一嚣栳- 打，- - - 抛l 一黯耆卜立 镌扣_ 瓿拉弹夔 1 一蕊瓣l l 一工掸麓缸m s - - - - - i 哮j 8 i s - - - - r 静蔚i bl 卜教轷l l 一小糖赫i 一辣霸”一捧最l 啦鲰l ，”一般藏野黄l i 毫裔帆ll t 一 力抽瓤i2 2 - - - - 蔑抒il 一圈曲鳓l i 平暂妇l 一糟箍耵一刀麓i l 一雉l f lt 一 费存t “一莸熏il i 一生魂蜘l l 一从赣蜘l i 一肄冉鞭ls - - - - - 记l i l 锄- 钕蕊筒毫， ，一蕴嘲鲰 一蟹弹羚s s t j - y - ”一绶，h 柏一蕴搪时1 4 * - - - h 睦抒嚣曩h t - - - = - 一 力麓纛u n e , “一下m 图2 - 1 液压摆锤式试验机的结构示意图 由图2 1 可以看出，试验机是由主体部分、测力机构及油路系统组成。 4 山东大学工程硕士学位论文 主体部分结构由图a 所示，两根立柱8 固定在底盘2 上，立柱的顶部固定着 横粱1 0 组成支撑框架，横梁中间固定着工作油缸1 1 ，工作活塞1 3 通过球座1 6 和 球端1 2i 贞在小横柒1 5 的中f b j ，而小横粱与拉十r1 4 及工作台7 组成上作框架。工 作活塞顶着工作框架上升时，在工作台与横梁之日j 就可以进行压缩及弯曲等试验， 工作台与央头之间可以进行拉伸试验。 测力机构采用液压摆锤测力机构。工作油缸中的油经过回油阀2 4 ，至测力油 缸2 2 的上腔，使测力活塞受到一个向下的作用力f 。在此力的作用下，测力活塞 向下顶至拉杆框架4 1 的下横梁4 4 上，使拉杆框架上的刀垫2 7 压在摆锤短臂3 9 的刀子3 8 上，这样摆锤就绕摆轴2 6 转动一个角度，同时又通过推杆2 8 、齿杆2 9 和齿轮带动主动针3 1 和从动针3 2 转相应的角度，并在度盘3 0 上指示出试样所 承受的力值。 油路系统由油箱、油泵、送油阀、回油阀、缓冲阀等组成，这些部件通过油 管连接成一套油路系统。当关闭回油阀时，工作油缸的下腔与测力油缸的上腔成 为密封的连通容器。 根据帕斯卡定律，密闭容器中的液体，能对加在其上的压强，毫不改变地向 各个方向传递到液体内的各处和容器的器壁上。 得公式膦岛印 ( 2 一1 ) 式中户 作活塞处力值( 试件所受的力) 产_ 澳9 力活塞处力值 卜工作活塞面积 5 卜测力活塞面积 尸一油路系统中的压强 由( 2 1 ) 式可得f f = 5 施确 ( 2 - 2 ) 因此，试件所受的力也即工作活塞处力值f 与测力活塞处力值f 成正比。 如图2 2 ：在力，的作用下，摆杆扬起角a ，r 与水平线夹角为，根据 力矩平衡原理，得 g l m na - - - - f r c o s ( p 一口j ( 2 3 ) 山东大学工程硕士学位论文 由( 2 2 ) ，( 2 3 ) 式，得 f = k f w l s lnq r c o s ( 8 一a ， 在摆扬起a 角后，推柯推动齿杆移动距离工， 其中，t = m t g f l ；d = m t g ( f l d j 碘q tx = t - d = mf t 9 8 一t g ( p q ) ) = m s i n f l c o s f l s i n ( 8 一q ) c o s ( 8 一) 1 ( 2 - 4 ) = 7 ( s i n p c o s ( e n ) 一s i n ( 一a ) e o s p l c o s f l c o s ( 一q ) = m s i n ( b b + d ) ，c o s # c o s ( e a ) = m s i na c o s p c o s ( p c i ， r 话：s i nc l c o s ( 一n ) = x c o s8 m 代入( 2 - 4 ) 式，得 f ：( k l g c o s p r m ) x 令k l w c o sf l r m - - - - o 得：f = e x 由此可得出，试件所受的力f 与度盘显示值j 成正比，这就是液压式试验机 的测力原理。伽 6 山东大学工程硕士学位论文 图2 - 2 液压摆锤测力原理不意图 通过以上分析的试验机的测力原理可以看出，它是通过一系列复杂的液压变 换和机械变换来最终达到由度盘的指针指示出工作活塞处的受力情况。 2 2 压力传感器安装位置的确定 前面在对试验机油路系统的分析中得出结论，在工作状态下油路系统内部可 看作一个密封的连通容器，服从帕斯卡定律，即油路系统内部油压处处相等，理 论上讲在油路中任何接口处安装压力传感器都可以。但是，实际上并非如此。我 对此做过试验，分别在工作油缸与回油管的接口处、测力油缸上面的油管处及工 作油缸与进油管的接口处安装压力传感器，调试后进行检定，结果相差很大。在 工作油缸与回油管的接口处安装传感器测得的示值重复性最好，响应速度也最 快，工作油缸与进油管的接口处次之，而在测力油缸上面的油管处效果最差。 事实上，试验机的油路系统并不是理想状态下的密闭容器，在管路、阀体 及油缸与活塞之间会存在泄漏，造成两点间压力变化不一致；其次，受油粘度的 影响，油压传递有一定的滞后。并且，由于油路中存在着缓冲阀、节流阀等元件， 会造成液压油流经时由于截面积的变化而产生的油压波动，导致两点间瞬时油压 变化不同；再次，是由机械传动作用力所致。在油压推动测力活塞向下运动带动 拉杆、摆杆、摆锤运动的过程中，摆杆与摆锤晃动产生的作用力又反作用于测力 活塞，引起测力活塞附近油压的较大波动，造成在测力油缸上面的油管处传感器 7 山东大学工程硕士学位论文 检测到的油压信号很不稳定。 因此，将压力传感器安装在工作油钉与回油管的接口处距离试验机的t 作 台最近，能够直接检删工作油缸内的油皿，而像油腿直接驱动工作活塞带动工作 台运动对被测对象施加作用力。而且，此处距离各阀体及摆锤较远，工作油缸截 面积又比油管大得多，因此，工作油缸内油压波动最小。压力传感器安装在此处 可以直接、迅速地检测到稳定的油压信号，准确地反映被测对象的受力情况。 2 3 本章小结 压力传感器的安装位置对于改造后的试验机的稳定性和灵敏度 非常重要。本章通过对材料试验机油路系统工作原理的分析，指出了 因压力传感器安装位置不正确而造成示值不稳定的原因，找出了压力 传感器安装的最佳位置在工作油缸与回油管的接口处。 8 山东大学5 - 程硕士学位论文 第3 章压力传感器的分析与选择 厄力传，或器的选择是本次改造的个关键问题。茛性能直接影响到改造后的 试验机的准确度和稳定性。 3 1 压力传感器的规格： 将要改造的是一台w e 3 0 型，最大试验力为3 0 0 k n 的万能试验机，其工作活 塞直径为d = 1 4 0 m m ，则活塞面积严( d 2 ) 2 = 3 1 4 x ( 0 1 4 2 ) 2 = o 0 1 5 m 2 则试验机内最大压强为3 1 0 5 0 0 1 5 = 2 x 1 07 p a = 2 0 m p a 考虑到试验机最大可能超载2 0 的情况，我选取2 5 m p a 压力传感器来进行该 试验机的改造。 3 2 压力传感器的工作原理： 本次改造选用应变式压力传感器。 3 2 1 应变式压力传感器的特点 与其他传感器相比，应变式压力传感器具有以下特点： ( 1 ) 测量范围广，精度高。精度可达到o 1 f s ，可满足试验机改造的要求。 ( 2 ) 性能稳定可靠，使用寿命长。只要传感器设计合理，应变计选择恰当， 粘贴、防潮、密封可靠，就能长期保持性能稳定可靠。 ( 3 ) 频率响应特性较好。一般电阻式应变计响应时间可达1 0 s ，能够满足 试验机的动态特性要求。 ( 4 ) 能够在恶劣的环境条件下工作。 ( 5 ) 技术上比较成熟，价格低廉。 4 1 应变式压力传感器是将电阻应变计粘贴在弹性筒上，来测量弹性简受压力的 变形，从而反应出所受压力的变化。以下分别讨论电阻应变计及应变式压力传感 器。 3 2 2 电阻应变计的工作原理 应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器。其核心元件是电阻应变计。 电阻应变计是一种能将机械构件上的应变的变化转换为电阻变化的传感元件。使 用时，用粘合剂将应变计紧密贴在被测试件的表面上。试件变形时，应变计的敏 9 山东大学工程硕士学位论叉 感栅与试件一同变形，使其电阻发生变化，由测量电路将电阻变化转为电压或电 流的变化，从而反应出被测试件应变的大小。 导体的电阻可由下式计算： r ：p s ( 3 1 ) 式中p 金属丝的电阻率； ，金属丝的长度； s 会属丝的截面积。 当导体发生机械变形后，式中的p 、，和s 都发生变化，从而引起r 值发生 变化。 设金属丝的两端受拉，其尺寸发生变化。长度伸长d l ，截面积相应减少d s ， 电阻率则因金属晶格发生变形等因素的影响也将改变d p 。则金属丝电阻变化量 为： d r = 一s od l o s 。ld s + s l d p ( 3 - 2 ) 以r 除左式，p l s 除右式，得 一d r ；丝堕+ 坐 ( 3 3 ) 且三s p 设金属丝半径为，因s = 产有 堕：，鱼 ( 3 4 ) s7 令：e x = d l l 为会属丝的轴向应变5 f 卢d r r 为金属丝的径向应变； 金属丝受拉时，沿轴向伸长，沿径向缩短，二者之间关系为： f 产f x ( 3 - 5 ) 式中u 为金属材料的泊松系数。 将式( 3 4 ) ，( 3 5 ) 代入式( 3 3 ) ，得 一d r ：( 1 + 2 爿) f ，坐 r p 令舻业，两面同除以r 。，得 好业：( 1 + 2 9 ) + 业 ( 3 - 6 ) l o 山东大学工程硕士学位论文 瓜称为金属丝的灵敏系数，表征金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大 小。 由式( 3 6 ) 町看出，金属丝的灵敏系数k 受两个因素影响：第一项( 1 + 2 ) 是由于金属受拉伸后，几何尺寸发生改变引起的；第二项型旦竺是由于材料发生变 形时，其自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故。由于皇旦坐还不能用解 析式来表示，所以墨只能靠试验求得。大量试验证明，在弹性范围内，金属丝电 阻的相对变化率皇要与应变r ，成正比，即 a idr=墨fx(3-7) 以上为电阻应变计的工作原理【5 】将电阻应变计粘贴在各种弹性敏感元件上， 可构成测压力、测力、称重、测加速度、测扭矩等测试系统，而本课题所研究的 是其构成的压力传感器。 3 2 3 应变式压力传感器的工作原理 应变式压力传感器根据其内部弹性敏感元件可分为两类：筒式压力传感器和膜 片式压力传感器。膜片式压力传感器的弹性敏感元件为一周边固定的圆形金属平 膜片，膜片的一面承受压力，应变计粘贴在膜片的另一面。这类压力传感器一般 可测量1 m p a 以下的压力。而筒式压力传感器适用于测量1 m p a 以上的压力。上面 提到，本课题选取的是2 5 m p a 的压力传感器，因此，下面着重讨论一下筒式压力 传感器的工作原理。 筒式压力传感器的弹性敏感元件 如图3 - 1 所示：一端为盲孔，另一端 有法兰与被测系统连接。当应变管 内腔与被测压力相通时，圆筒部分 周向应变为 ，：咝兰 ( 3 8 ) e ( 等- 1 ) 图3 - 1 压力传感器的弹性敏感元件 式中：p 为被测压力，d 为圆筒外径，d 为圆筒内径，e 为弹性模量 山东大学工程硕士学位论文 在薄筒壁上贴有两片应变计作为工作片，实心部分贴有两片应变计作为温度 补修片。四个应变片电阻值相等，即r l = r 2 = 飓= 如= r ，其中r ，心为i ：作应变 片，如图3 2 所示： 当没有压力时，这四个应变计组成的全桥是平衡的；当压力作用于内腔时， 圆管发生形变，使得已经平衡的电桥失去平衡。 c 图3 - 2 中电桥两条之路中的电流分别为： 肛熹 i ，旦 。墨+ r 4 u 旷凇严最r i r ， 瑚3 2 赢飓 则桥路输出电压为： 巩砒妣嘲击。熹， 当在压力的作用下，工作应变片电阻值增加4 r ，则： 沈= 阮南。寿篇m r 志。丽r + a r ， 山东大学工程硕士学位论文 ：一阶竺 。2 r + a r 令螗等，则 妒魄i 瓮，因在应变片工作范围内，万一 1 ，得 巩= 一= 1 一。6 r 由上式可以看出： ( 1 ) 输出电压u l 与应变片电阻相对变化率占r 成正比， ( 见式3 - 7 ) ，f 与被测压力p 成i e l v ( 见式3 - 8 ) ，因此， 被测压力p 成正比。 ( 3 - 9 ) 万月与应变f 成正比 可知输出电压觇与 ( 2 ) 电源电压阮的稳定与否。直接影响输出电压魄。因此，电源必须是稳 定的，使巩随单一因素靠变化。1 6 1 3 3 温度补偿 电阻应变片的电阻受温度影响很大。由于温度改变引起的电阻变化与弹性 体应变所造成的电阻变化几乎具有相同的数量级。而且，本课题中，试验机在 长时间工作时，油温会不断增加，使敏感元件及应变片的工作温度环境发生变 化，如不采取当的适措施加以解决，将无法正常工作。 3 3 1 产生温度误差的原因及补偿方法 产生温度误差的原因主要有三： ( 1 ) 温度变化引起应变片敏感栅电阻发生变化而产生的附加应变。 电阻与温度关系可由下式表达： r t = r o ( 1 + na 0 = r o - f r o da t r t 。= r i r o = r oda t 式中尺i 一温度为t 时的电阻值； r 厂温度为t o 时的电阻值； 4 卜一温度的变化值； 4 月，矿h 温度变化a t 时的电阻变化； d 敏感栅材料的电阻温度系数。 山东大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 弹性体材料与应变丝材料的线膨胀系数不一致，使应变丝产生附加变 形而造成的电阻变化。 如粘贴在试件上一段长度为f 0 的应变丝，当温度变化t 时，应变丝受 热膨胀至，而应变丝l o 下的试件伸长为髓。 z t i = i o ( i + 口g a f ) = t o + t o 声g a t i | i = l | i l o = l ob a t l t 2 = t o ( | + $ 日a t ) = l o + l o8 a t i t 2 。l | 2 _ l o = 1 0 $ a t 式中l o 温度为t o 时的应变丝长度 助温度为，时的应变丝长度 温度为t ，时的试件长度 ，笪、口。应变丝及试件的线膨胀系数 4 h 47 ，厂温度变化at 时应变丝和试件膨胀量 由上式可知，如芦g p m 则a l ，a 1 , 2 ，由于应变丝和试件是粘在一起的， 若鼻。 日，则应变丝被迫从4 拉长至4 幻，使应变丝产生附加变形4 “。 鼹l = a lc 2 l i i = i o ( p * 一8 引起的电阻变化为 r t e = r o k ( e t e ) a t 上述两种因素主要影响传感器在无外载荷作用时的零点输出，由这两因素共 同作用，温度变化a t 引起的总电阻变化为 a r t = a r t 。七a r t ，= r oda t 七r 涨tb t 一9a ) a t 这类温度误差可用桥路补偿法来解决。 如图3 2 中，r ，以为工作应变片，飓，飓为温度补偿片，粘贴在不受力 且与弹性体相同的材料上，如图3 一l 。当温度变化a t 时，工作片与补偿片电阻都 发生变化，因为它们为同类应变片，温度系数相同，温度变化相同，因此产生的 电阻变化a r t a 也相同。 则桥路输出电压为： u l = u a o u a c 1 4 山东大学工程硕士牢位论叉 ：巩r 墨! 竺!墨! 竺竺! ) 。、月3 + 见+ a r + 2 月。r i + r 2 + a r + 2 a r 。 一阶 竺 “2 r + a r + 2 艘。 令万旷等，则 睁魄葡南， 因在应变片工作范围内，6 r l ，2 a r 。r i ，得 u l = - ：1u e 靠 7 j 与式( 3 9 ) 相同，因而得以补偿。 ( 3 ) 、由于弹性体的弹性模量随温度变化而改变，造成在施加一定载荷时， 在不同的温度下，弹性体的变型量不同，致使应变片电阻的变化率不同。 怵3 - 8 ) 一币p ( 2 - p ) 可看出，应变r 与弹性模量e 成反比。而金属的弹性模量随温度的升高而 减小。因此，在相同的负荷作用下，随着温度的升高，弹性体的弹性模量减小， 应变f 增大，电阻的变化率增加。 这类温度误差可用串联一段电阻温度系数较大的金属丝作为补偿丝的方 法来补偿。 铜，镍，钴一镍合金等金属因其电阻温度系数较大，易受温度影响而使电 阻值发生变化，所以最适合用作补偿丝。铜的电阻温度系数为0 0 0 4 1 。c ，镍 的电阻温度系数为0 0 0 6 8 c 。虽然镍的电阻温度系数较大，但其分散度较大， 线性差，且其焊接性能较铜差，因此，一般选用直径为o 1 o 1 2 m m 的铜丝作 为补偿丝。 8 1 由于弹性体的弹性模量随温度的变化率还不能用解析式来表示，所以补偿 丝的长度只能靠试验求得。 山东大学工程硕士擘位论文 3 3 2 检验压力传感器温度特性的试验 本课题中，试验机足一种常年使用的仪器，通常试验宇中不能保持一陋温， 一年四季温度变化很大。并且，在试验机工作时，油温也会上升。因此，压力 传感器的温度特性至关重要。我在选择压力传感器时，对其温度特性作了多次 试验，最终选择了中航电测仪器股份有限公司的压力传感器。所作试验及数据 如下： 将压力传感器安装在活塞式压力计上，同放置在高低温试验箱罩，外面 与毅弘2 0 0 0 标准负荷测力仪相连。 毅弘2 0 0 0 表是中国计量院生产的一种高精度负荷测量仪，具有很高的分 辨率和测量准确度，使用2 4 位a d ，有效内码大于1 0 0 万，外显示分辨率2 0 万分之一，输入灵敏度最小可达o 1i lv d ，准确度 o 0 0 5 f s 。使用时可以 选择多种单位包括n 、k g f 、l b f 以及传感器的输出灵敏度( m v n ) 。我在试验 中正是利用毅弘2 0 0 0 表来测量压力传感器的输出灵敏度。 由活塞式压力计分别对压力传感器施加0 m p a 、5 m p a 、1 0 m p a 、1 5 m p a 、 2 0 m p a 的压力，在达到每个压力值时，将高低温试验箱里的温度调节至5 。c 、 l o 、1 5 、2 0 。c 、2 5 、3 0 ，通过毅弘2 0 0 0 标准负荷测力仪测量每一点 的输出灵敏度( m v ) ，测量结果如表( 3 1 ) 。 表( 3 - 1 ) 压力传感器的温度特性试验数据 力( m p a ) o5 1 0 1 52 0 温度( 50 0 0 0 1 70 2 6 0 2 80 5 2 0 5 60 7 8 0 5 01 0 4 0 6 2 1 00 0 0 0 1 80 2 6 0 2 90 ，5 2 0 5 8 0 7 8 0 5 21 0 4 0 6 5 1 5 0 0 0 0 1 8 0 2 6 0 2 9 0 5 2 0 6 00 7 8 0 5 31 0 4 0 6 6 2 00 0 0 0 1 9o 1 6 0 3 10 5 2 0 6 20 7 8 0 5 51 0 4 0 6 9 2 5 0 0 0 0 2 0 0 ，1 6 0 3 30 5 2 0 6 5 0 7 8 0 5 8 1 0 4 0 7 2 3 00 0 0 0 2 00 1 6 0 3 40 5 2 0 6 60 7 8 0 6 01 0 4 0 7 5 漂移值 0 0 0 3 f s0 0 2 3 0 0 1 9 0 0 1 3 0 0 1 2 线性度 0 0 0 0 0 0 - o 0 3 0 0 0 0 0 0 1 6 山东大学工程硕士学位论文 分析以上数据，随着温度的增加，传感器的零点及各点输出灵敏度示值均 有所增加，伊增加值极小。在材料试验机的t 作温度f 1 0 3 0 ) 范围内，压 力传感器受温度影响相对于材料试验机的允许误差l 呵忽略不计。线陛度 最大仅为0 0 3 ，完全符合本次试验机改造的要求。 3 4 本章小结 压力传感器是试验机数字化改造的一个关键元件。电阻应变式传感器具有 精度高、性能稳定、动态特性好