（机械电子工程专业论文）桥梁分布式应变测试系统研究与开发.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：垒趣e l 期：五趁： f ：兰 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部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 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：继蒸导师( 签名) ：主迸纽日期：丝丝：! ! ：丝 摘要 桥梁应力应变检测是检测桥梁局部受力和变形的一个重要物理量，是评价 桥梁使用状况和安全状况的一个重要指标。在实际工程应用中是将应变测试仪 主机和接线箱使用专用电缆就近连接，各测试断面上的每个应变测点都通过长 导线连接到接线箱上。由于各测试断面与接线箱之间距离较远，因此这种测试 方法需要布设大量的长线缆，不但工作效率低下，线缆消耗也很大，而且因为 模拟信号长距离传输衰减大、还易受干扰。 根据国内外桥梁应变测试技术的现状，结合武汉桥梁科学研究院在荷载试 验中应变测量所遇到的问题，本课题，l ：发了一套桥梁分布式应变测量系统，采 用分布式模块化测量、远距离总线传输与集中控制，可以根据实际情况灵活组 建应变测试网络。 论文的研究工作主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 微控制器的选择及硬件电路的设计，包括单片机最小系统构成的中央处 理单元，电桥自动平衡电路、前级放大电路、滤波电路、a d 转换电路及通讯电 路等模块的设计。 ( 2 ) 基于r s 4 8 5 主从式多机通讯网络的构建及其通讯协议制定。同时，将就 可能影响通信可靠性的几个问题，如数据误码、瞬态干扰等问题进行研究，找 到相应的解决方法，以提高整个系统的稳定性。 ( 3 ) 电桥自动平衡方法的研究。在实际应用中，由于环境条件的变化，尤其 是温度的影响或者是电阻不匹配以及其他原因，电桥的输出不为零，这会影响 测量的精度。因此，为了得到可靠的数据，测试| j 都要对电桥进行平衡，使其 输出为零。 ( 4 ) 数字滤波算法的研究。为提高数据的真实性，必须从软件上对数据进行 预处理，使结果更为准确。采用数字滤波技术的优点在于，数字滤波只是一个 计算过程，不需要增加硬件设备，因此可靠性高，并且不存在阻抗匹配问题。 关键词：应变，桥梁，分布式，通信 i a b s t r a c t b r i d g es t r a i nm e a s u r e m e n ti s a ni m p o r t a n tp h y s i c a lq u a n t i t yt om e a s u r et h e p a r t i a ls t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h eb r i d g ea n da l s oi sa ni m p o r t a n ti n d i c a t o rt o e v a l u a t et h eu s i n ga n ds a f e t ys i t u a t i o no ft h eb r i d g e i n p r a c t i c a le n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n ，w eu s es p e c i a lc a b l e st oc o n n e c ts t r a i ng a u g eh o s ta n dj u n c t i o nb o x n e a r b y , e v e r ys t r a i nm e a s u r i n gp o i n to ne a c hm e a s u r i n gs e c t i o nu s el o n gw i r et o c o n n e c tt ot h ei u n c t i o nb o x a st h ed i s t a n c eb e t w e e nt h em e a s u r i n gs e c t i o na n d j u n c t i o nb o xi sal i t t l el o n g ，s ot h i sm e a s u r e m e n tm e t h o dn e e d st ol a yal a r g en u m b e r o fl o n gc a b l e s t h ee f f i c i e n c yi sl o w , c a b l ec o n s u m p t i o ni sa l s ol a r g ea n dt h el o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o nw i l lc a u s ea n a l o gs i g n a la t t e n u a t i o na sw e l la si n t e r f e r e n t a c c o r d i n g t ot h es t a t u so ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l b r i d g e s t r a i n m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s ，c o m b i n e dw i t ht h ep r o b l e mw h i c ht h ew u h a nb r i d g e r e s e a r c hi n s t i t u t ee n c o u n t e r e di nl o a de x p e r i m e n t ，t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e dab r i d g e d i s t r i b u t e ds t r a i nm e a s u r e m e n t s y s t e m ，u s i n g d i s t r i b u t e da n dm o d u l a r i z e d m e a s u r e m e n t ，l o n gd i s t a n c eb u st r a n s m i s s i o na n dc e n t r a l i z e dc o n t r 0 1 i tc a ns e tu p s t r a i nm e a s u r e m e n tn e t w o r kf l e x i b l ya c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n t h em a i nr e s e a r c hw o r ka sf o l l o w s ： ( 1 ) c h o o s et h em o d e lo fm i c r o c o n t r o l l e ra n dd e s i g nh a r d w a r ec i r c u i t ，i n c l u d i n g m i n i m u ms y s t e mc o m p o s e do fac e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ，a u t o b a l a n c ec i r c u i t ，t h ef i r s t s t a g ea m p l i f i e rc i r c u i t ，f i l t e rc i r c u i t ，a dc o n v e r t e rc i r c u i ta n dc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t d e s i g n ( 2 ) m a k eu pt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko fm a s t e r - s l a v em o d em u l t i c o m p u t e r b a s e do nr s 一4 8 5a n dd r a wu pt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 a tt h es a m et i m e ，i th a s f o u n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n st oi m p r o v eo v e r a l ls y s t e ms t a b i l i t y , s u c ha sd a t a e r r o r s ，h i t sa n ds oo n ( 3 ) r e s e a r c ht h em e t h o do fb r i d g ea u t o - b a l a n c e i np r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h e s t r a i n ，d u et oc h a n g e si ne n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，e s p e c i a l l yt e m p e r a t u r ei n f l u e n c e o rr e s i s t a n c em i s m a t c ha n do t h e rr e a s o n s ，t h eo u t p u to ft h eb r i d g ei sn o tz e r ow h i c h w i l la f f e c tm e a s u r e m e n ta c c u r a c y t h e r e f o r e ，i no r d e rt oo b t a i nr e l i a b l ed a t a ，b e f o r e m e a s u r e m e n tw eb a l a n c et h eb r i d g et om a k et h eo u t p u ti sz e r o ( 4 ) r e s e a r c ht h ed i g i t a lf i l t e ra l g o r i t h m t oe n h a n c et h ea u t h e n t i c i t yo ft h ed a t a ， w es h o u l dd od a t ap r e t r e a t m e n tf r o mt h es o f t w a r et om a k et h er e s u l t sm o r ea c c u r a t e d i g i t a lf i l t e r i n gt e c h n i q u eh a st h ea d v a n t a g eo fn oa d d i t i o n a lh a r d w a r ed e v i c e s ，s oi t h a sh i g hr e l i a b i l i t yw i t h o u ti m p e d a n c em a t c h i n gp r o b l e m s k e yw o r d s ：s t r a i n ，b r i d g e ，d i s t r i b u t e d ，c o m m u n i c a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外现状3 1 3 内容的主要研究内容4 第二章应变测试相关原理6 2 1 电阻应变片的工作原理6 2 1 1 应变片的结构6 2 1 2 电阻一应变特性7 2 1 3 应变片测试原理9 2 2 电阻虑变片的种类、材料和参数一9 2 2 1 电阻应变片的种类：9 2 2 2 电阻应变片的材料。1 3 2 2 3 应变片的主要参数1 4 2 3 测量电桥的工作原理：1 5 2 3 测量电桥的非线性误差及补偿1 8 2 3 1 采用差动电桥1 8 2 3 2 采用高内阻的恒流源电桥1 9 2 4 本章小结2 l 第三章应变测量模块电路设计2 2 3 1 中央处理单元2 2 3 2 电桥平衡电路一：2 4 3 3 信号调理电路2 7 3 3 1 放大电路：2 7 3 3 2 滤波电路2 8 3 4 d 转换电路3 2 3 5r s 4 8 5 通信电路3 4 3 6 本章小结3 6 第四章算法与通讯协议的研究3 8 4 1 逐位比较法3 8 4 2 数字滤波算法：3 9 4 3r s 4 8 5 通信协议4 2 4 3 1 物理层设计4 3 4 3 。2 数据链路层设计4 3 4 3 3 应用层设计4 6 4 4 本章小结4 7 第五章检定实验4 9 5 1 功能及技术指标4 9 5 2 示值误差实验5 0 5 3 零点漂移实验5 2 5 4 示值稳定性实验5 3 5 5 本章小结5 3 第六章总结与展望5 5 6 1 研究总结5 5 6 2 工作展望5 6 i v 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早z 百t 匕 1 1 研究背景 在桥梁工程的不断发展过程中，桥梁试验发挥了极其重要的作用。桥梁试 验是应用测试手段，对桥梁结构的整体或主要部件进行检测，了解桥梁结 构及其部件的工作状态和承载能力，以验证桥梁结构的设计计算理论，检 验施工质量和发现运用中存在的问题等。桥梁结构设计理论、设计方法能 得以不断发展的重要手段在于试验研究，正是通过大量的试验研究才得以推动 其不断向前进步【2 】。桥梁试验这项工作主要针对桥梁模型结构或桥梁原型结构， 涵盖了前期的准备，繁杂的理论计算，大量的实地测试，后期的分析总结等工 作”】。桥梁荷载试验意义重大，针对比较重要的桥梁结构，在其建成之后，可以 通过荷载试验来测试桥梁的承载能力，为后期的项目验收及实际运营提供强有 力的保障，对于新型且较复杂的桥梁，则可以通过试验了解其实际的受力状态， 摸索并总结其受力的规律，该做法也为桥梁结构的向前发展提供了有力的设计 计算理论基础”j 。 通常情况下，进行桥梁荷载试验主要有以下几个目的。 ( 1 ) 判断桥梁设计与实施的质量 针对一些大型桥梁或者设计比较复杂的新建桥梁，在前期设计和实际施工 中肯定会遇到这样或那样的问题【5 】，所以在这些桥梁工程中，往往需要做好监控， 从而保障桥梁的最终质量。在工程收尾之后通常还要进行桥梁荷载试验，来判 定桥梁受力性能和承载力是否可以达到设计文件和规范的要求，该荷载试验的 结果也可以作为评定桥梁工程质量的依据。 ( 2 ) 判断桥梁的实际承载能力 对于有一定年限的旧桥，由于使用时间较长，其局部构件发生意外损伤的 概率增大，必须定期判定其桥梁结构的当前损伤程度及承载能力、受力性能等 等，从而确定运营荷载等级，荷载试验在这样的情况下进行就显得非常有必要 了，此外，对旧桥进行荷载试验也为旧桥的加固及改建提供了非常重要的根据【6 】。 ( 3 ) 验证桥梁结构的设计理论及方法 随着科技的进步，大量的桥梁新结构、桥梁新材料、桥梁新工艺在我们的 武汉理工大学硕士学位论文 桥梁工程得到了越来越多的应用，可是如何验证这些新结构的设计计算是否正 确、新材料的实际应用是否与其理论数据相符、新工艺的施工是否可以达到预 期的效果，荷载试验则是验证以上问题的有力工具【7j 。 桥梁试验的类型较多，依据加载方法的不同可以分为动载试验和静载试验， 两者最大的不同在于：静载试验把载荷加到桥跨结构的不同位置上，所需的数 据是在载荷静止的情况下测量出来的；而动载试验将载荷加到桥梁上以不同的 速度通过时测量出动态变化的数据。此外，依据测试对象的不同，桥梁试验又 可以分为室内桥梁部件( 或模型) 试验和现场桥梁试验，现场桥梁试验主要应用给 现有的桥梁做检定，室内桥梁部件( 或模型) 试验主要是用在大型或者新建桥梁 的设计阶段，根据实际需要还可以用来做部件或者模型的破坏性试验【8 】。本轮文 的研究对象确定为现场桥梁的静态试验。 静载试验的内容包括主要应变、位移和振动的测试。( 1 ) 应变测试。由于应 力与应变在一定条件下成讵比关系，所以可以通过测量应变去计算应力并根据 应变值分析其余参数。比如钢结构桥，能够根据应变分析内力、次应力的传递 情况、应力集中的地方、桥面应力分布情况还有主梁相互作用的状态，包括节 点部位的受力情况。如果是钢筋( 或预应力) 混凝土能够知道混凝土和钢筋的应力 分布情况，截面的中性轴位置等【9 】。如果是多主梁桥，还能够计算出每片梁的载 荷分配系数。( 2 ) 位移测试。主要测量桥的挠度、x 方向位移、y 方向位移、桥 墩水平位移、还能计算混凝土裂纹的情况等。( 3 ) 振动测试。主要测量桥梁( 桥 跨、桥墩) 的振动参数( 振幅、波形、频率或周期、阻尼系数等) ，还有动载时的 最大振幅和冲击强度等。 通过以上论述可以看出，桥梁荷载试验中，应力和应变的测试是最主要的 内容。桥梁应力应变检测作为检测桥梁受力和变形的一个非常重要的物理量， 同时也是桥梁实际使用情况和安全现状评定的有力手段【l0 1 。在实际项目中，测 试桥梁受力和变形情况的方式是在每个测试断面部署应力应变测试点使用应变 测试仪器完成的，一般来说，采用就近原则将应变测试仪器的主机和接线箱用 专门的线缆连接起来，每个测试断面的应变测试点使用长线缆接到接线箱上j 。 这种方法需要使用大量的长线缆，因为每个测试断面和线箱| 、日j 隔比较远，采用 这种方法使得工作效率低，同时也耗费大量的线缆，此外，模拟信号在远距离 的传输过程中信号衰减很严重，受干扰因素较多，而且从国外进口的测试仪器 价格也比较贵，后期维护非常网难。 目前，武汉桥梁科学研究院做荷载试验时，一般采用的是日本共和的u c a m 2 武汉理工人学硕七学位论文 系列应变仪。在应变测试中，一般是将各测点的应变片通过长导线连接到接线 箱上进而接入测量主机。为了提高测量精度，使线电阻阻值大小一致，一般长 导线采用一个规格( 一般为1 0 0 m ，有的甚至达至1 2 0 0 m ) ，这时即使测点和接线 箱距离为1 0 m ，也必须使用1 0 0 m 的长导线，既浪费了大量的线缆成本( 如天兴 洲长江大桥荷载试验新购应变线缆约2 万元) ，又浪费了巨大的人力资源，并且 进行问题排查工作时极其困难，致使整体工作效率比较低。此时，若采用分布 式应变采集策略，每一个测量断面布置一个或几个测量模块，再将各个测量模 块通过通讯网络连接起来，则可以有效地避免出现上述问题。同时，u c a m 系 列静态应变仪成本非常高，平均一个通道约1 5 万元，增加了设备成本。由于为 进口设备，没有自主知识产权，对设备内部电路不熟悉，维护起来也相当不便。 为了解决上述问题，有必要开发具有自主知识产权的分布式应变测试系统。 1 2 国内外现状 由于集成电路技术的不断前进，同时计算机越来越广泛的运用到数据采 集系统罩，使得数据采集系统正朝着更快、更高、更大和更强的方向前进【l2 1 。 与传统的采集系统相比，具有采样速度快、精度高、吞吐量大和处理能力强 的特点。以应变采集为例，目前模数转换器的分辨率、速度以及精度均有相应 的提高。低温漂、高精度的运算放大器，仪表放大器，程控增益放大器的性能 逐步适合测量应变小信号的需要。特别是微型计算机性能不断提高，而价格不 断下降使数据采集系统日趋计算机化。数据采集系统硬件的驱动、控制和管理 通过计算机完成，从而实现相关数据的收集、传送、储存及分析处理，此外还 可利用计算机通过终端显示、记录打印等手段来输出结果，便于研究分析【l3 1 。 比如2 0 世纪8 0 年代，美国n e f f 公司的6 2 0 6 0 0 采集系统，该系统在当时以高速和 高精度著称，在测试多路通道低电电平信号( 包含热偶信号、应变信号等) 中 得到了广泛的应用，该采集系统速度每一秒钟可以达n 5 万至1 0 万次，采用了1 6 位模拟到数字转换的分辨度，基本精度为0 0 2 f s ( 满量程) ，最小值为5 m v ，采 用f i f o ( 先进先出) 堆栈方式束实现无间断、大量的数据采剿1 4 】。 1 9 9 0 年之后，随着微电子工业技术、嵌入式技术的不断发展，智能仪器 逐渐成为测试领域的主导以及未来仪器发展的方向。由于分布式自动测控技 术的快速发展，网络化测控系统的研究和应用备受关注。网络化测控系统优势 在于它将自动测试技术、虚拟仪器技术及计算机网络通讯技术完美的融为一体， 武汉理工大学硕士学位论文 从而实现网络方式的测试控制【l5 1 。美国艾欧铁克公司( i o t e c h ) 研发的应变测 试系统就是这样的产品，它运行在以太网系统上，性能指标比较高，8 通道可以 扩展至1 j 6 4 个通道、1 6 位的分辨率，在以太网的网络中可以实现1 m h z 的实时样本 采集、每个通道单独滤波等等，在应变采集系统技术的研发方面，美国走在了 我们的前面。不过这类产品大都属于通用设备，不是专门针对桥梁荷载试验中 应变测试的，并且为进口设备，价格昂贵，没有自主知识产权，对设备内部电 路不熟悉，维护起来也相当不便。 现在，尽管国内还有很多公司在生产研发传统的非程控应变测试仪，但是 计算机化测控技术已经引起大家的注意和重视，很多公司和研究所已经在计算 机化测控技术投入了大量的人力和财力进行研究开发，因为网络测控技术已经 成为主流，只有使用网络测控技术才能真证满足现代科研和实际项目的需求【l6 l 。 有少数大陆企业己经开发出新型数字式应变仪，以东华d h 3 8 1 6 应变仪为代表， 这类应变仪通道数较多，但一般均采用r s 2 3 2 总线或者u s b 接口进行通信，传 输距离十分有限，难以满足大型桥梁要求远距离传输的要求，而且多台仪器组 网也难以实现。再如台湾泓格科技研制的应变测量模块i 7 0 1 6 ，可以快速组网， 仅需要两根通讯信号线就可以建立起一个多点的分布式r s 一4 8 5 网络，但是每个 模块只有2 个通道，通道数太少。在桥梁荷载试验中有时候一个断面有多达3 0 多 个测点，需要布设大量测量模块，增加了硬件成本，维护起来不方便。 综上所述，为了适应应变测试更为智能化，便捷化，网络化等特点，我们 利用当代测试领域广泛应用的r s 4 8 5 协议和应变仪设计原理，设计基于r s 4 8 5 总线通讯协议的数字应变测试系统。它集成当代的嵌入式发展的最新流行思想， 将测量，控制，数据存储和通讯集成在同一个仪器之中，并且可以方便的扩展 测试网络或者应用于控制其他项目中。 1 3 内容的主要研究内容 论文依托武汉桥梁科学研究院科研课题_ 分布式数字应变测试系统”。根 据国内外桥梁应变测试技术的现状，结合武汉桥梁科学研究院在荷载试验中应 变测量所遇到的问题，本课题开发了一套桥梁分布式应变测量系统，采用分布 式模块化测量、远距离总线传输与集中控制，可以根据实际情况灵活组建应变 测试网络。接线方便，传输距离远，避免了大量布线，节约了大量的线缆成本 和人工费用，维护简单。 4 武汉理工大学硕士学位论文 论文的研究工作主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 微控制器的选择及硬件电路的设计。包括单片机最小系统构成的中央 处理单元，电桥自动平衡电路、前级放大电路、滤波电路、a d 转换电路及通讯 电路等模块的设计。 ( 2 ) 基于r s 4 8 5 主从式多机通讯网络的构建及其通讯协议制定。同时，将 就可能影响通信可靠性的几个问题，如数据误码、瞬念干扰等问题进行研究， 找到相应的解决方法，以提高整个系统的稳定性。 ( 3 ) 电桥自动平衡方法的研究。在电阻应变测试的实际应用中，由于环境 条件的影响，特别足温度的变化或者是电阻阻值误差以及其它等因素，在初始 不受任何外力的情况下，电桥的输出值u o 很难为零，这会在一定程度上影响测 量的精度。所以，为了得到真实的测试数据，测试前都要对电桥进行平衡，使 其初始输出为零。 ( 4 ) 数字滤波算法的研究。为提高数据的真实性，必须从软件上对数据进 行预处理，使结果更为准确。采用数字滤波技术的优点在于，数字滤波只是一 个计算过程，不需要增加硬件设备就可以剔除干扰信号。因此可靠性高，并且 不存在阻抗匹配等其他问题。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章应变测试相关原理 2 1 电阻应变片的工作原理 电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受 的机械变形( 拉伸或压缩) 的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变 效应。 金属丝的电阻之所以会随着其发生的应变而变化，是因为金属丝的电阻 ( r = p i f ) 与材料的电阻率( p ) 及其几何尺寸( 长度，和截面积f ) 有关，而金属 丝在承受机械变形的过程中，这三者都要发生变化，因而引起会属丝的电阻变 化【i7 1 。 2 1 1 应变片的结构 电阻应变片( 简称应变片或应变计) 种类繁多，形式各样，但其基本构造答题 相同。现以丝绕式应变片为例说明。 辱 线覆荔震 纂靖 图2 1 电阻丝应变片的基本结构 图2 1 所示为丝绕式应变片的结构示意图。它以直径为0 0 2 5 m m 左右的、高 电阻率的合金电阻丝，绕成形如栅栏的敏感栅。敏感栅为应变片的敏感元件， 它的作用是敏感应变变化和大小。敏感栅粘结在基片上，基片除能固定敏感栅 外，还有绝缘作用；敏感栅上面粘贴有覆盖层。敏感栅电阻丝两端焊接引出线， 6 武汉理工大学硕士学位论文 用以和外接导线相连。图中，称为应变片的标距或基长，它是敏感栅沿轴方向测 量变形的有效长度，对具有圆弧端的敏感栅，系指圆弧外侧之间的距离。对具 有较宽横栅的敏感栅，指两横栅内侧之间的距离。其宽度b ，切勿同基片的尺寸 相混淆，后者只表明应变片的外形尺寸，并不反应其工作特性。 2 1 2 电阻一应变特性 由物理学已知，一根金属丝的电阻为 r = j d 万l ( 2 1 ) 图2 2 金属导线受力变形情况 式中：r 一金属丝的电阻( q ) ； p 一金属丝的电阻率( q i l l n l 2 m ) ； 一金属丝的长度( m ) f 一金属丝的截面积( m m 2 ) 。 取一段金属丝如图2 2 所示。当金属丝受拉而伸长d l 时，其横截面积将相应 减少d f ，电阻率则因金属品格发生变形等因素的影响也将改变d p 。这些量的 变化，必然引起金属丝电阻改变d r 。 。d r = d l 一告d f + d p ( 2 - 2 )ff 2 f 一 以月除左式，p 1 f 除右式，得 因为 d rd ld f d p 一： 一 r lf p 7 ( 2 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 一d f ：2 尘 ( ，为金属丝半径) 一2 z l ，刀箍膈丝干任j 卜r 令：s ，= 以三( 金属丝的轴向应变) s ，= d r r( 金属丝的径向应变) 金属丝受拉时，沿轴向伸长，而沿径向缩短，二者之间的关系为 s y2 一雌x 式中为金属丝材料的泊松系数。 将式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 代入式( 2 3 ) 得 。警：( 1 + 2 ) 塑 r 、 。d 或d r r ：( 1 + 2 1 ) + d p l p毁2 i l +j + 令 k ，：d r r ：( 1 + 2 ) + d p l p ( 2 - 7 ) xx 墨称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的 大小。显然，艇越大，单位变形引起的电阻相对变化越大，故越灵敏。 从式( 2 7 ) 可以看出，金属丝的灵敏系数墨受两个因素影响：第一项( 1 + 犁) 它是由于金属丝受拉伸后，材料的几何尺寸发生变化而引起的；第二项a p p 是 s x 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，这 项可能是正值，也可能是负值，但作为应变片材料都选为正值，否则会降低灵 敏度【1 引。 由于业项目前还不能用解析式来表达，所以愿只能靠做实验求得。 s x 实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化d r r 与应变0 是 成正比的，因而眨为一常数。因此式( 2 7 ) 以增量表示为 坚：k s x r一 ( 2 - 8 ) 应该指出，当将直线金属丝做成敏感栅之后，电阻一应变特性与直线时就不 同了，因此必须重新实验测定。这种实验必须按规定的统一标准来进行。实验 、-，、，、， 4 5 6 _ 一 2 2 2 ，l，l，l 武汉理工大学硕士学位论文 表明，应变片的d r r 与，的关系在很大范围内仍然有很好的线性关系，即 一a r ：胎。 或k ：a r r ( 2 9 ) r “ 占， 式中k 为电阻应变片的灵敏系数。 实验表明，应变片的灵敏系数k 恒小于统一材料金属丝的灵敏系数k ，其 原因是所谓的横向效应的影响。应变片的灵敏系数k 是通过抽样测定得到的， 因为应变片粘贴到试件上以后，不能取下再用。所以只能在每批产品中提取一 定比例( 一般为5 ) 的应变片，测定灵敏系数k 值，然后取其平均值作为这批产 品的灵敏系数，这就是产品包装盒上注明的“标称灵敏系数”。 2 1 3 应变片测试原理 用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上。在外力作用 下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相 同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化【”】。如果应变仪器测出应变片 的电阻值变化4 r ，则根据( 2 9 ) ，可以得到被测对象的应变值s ，而根据应力一 应变关系。 仃= e 占 ( 2 - 1 0 ) 式中：盯一试件的应力；仃一试件的应变。 通过弹性敏感元件转换作用，将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转 换为应变，因此可以将应变由测量应变扩展到测量上述参数，从而形成各种电 阻应变式传感器。 2 2 电阻应变片的种类、材料和参数 2 2 1 电阻应变片的种类 电阻应变片的种类繁多，分类方法各异，现将几种常见的应变片及其特点 介绍如下。 一、丝式应变片 1 回线式应变片 回线式应变片是将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在各种绝缘基底上制成的，它 9 武汉理工大学硕士学位论文 是一种常用的应变片。其敏感栅材料直径在0 0 1 2 - 0 0 5 m m 之间，以o 0 2 5 m m 左右为最常用。其基底很薄( 一般在o 0 3 m m 左右) ，粘贴性能很好，能保证有效 的传递形变【2 们。引线多用0 1 5 - - 0 3 0 m m 直径的镀锡铜线与敏感栅相接。如图 2 - 3 ( a ) 为常见的回线式应变片构造图。 ( b ) 图2 3 丝式应变片 2 短接式应变片 这种应变片是将灵敏栅平行安放，两端用直径比栅丝直径大5 1 0 倍的镀 银丝短接起来而构成，见图2 - 3 ( b ) 。 这种应变片突出优点是克服了回线式应变片的横向效应。但由于焊点多， 在冲击、振动试验条件下，易在焊接点处出现疲劳破坏，制造工艺要求高。 二、箔式应变片 。 这类应变片系列利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材料在绝缘其 底下制成各种图形而成的应变片。箔材厚度多在0 0 0 1 - - 0 o l m m 之间。利用光 刻技术，可以制成适用各种需要的、形状美观的、称为应变花的应变片。图2 4 为常见几种箔式应变片构造形式。它具有很多优点，在测试中得到了日益广泛 的应用，在常温条件下，已逐步取代了线绕式应变片。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 箔式应变片 箔式应变片的优点是： ( 1 ) 制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应 不同的测黾要求； ( 2 ) 敏感栅截面为矩形，其表面积对截面积之比远较圆断面的为大，故粘合 面积大；， ( 3 ) 敏感栅薄而宽，粘接情况好，传递试件应变性能好； ( 4 ) 散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号； ( 5 ) 敏感栅弯头横向效应可以忽略； ( 6 ) 蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。 三、薄膜应变片 薄膜应变片是薄膜技术发展的产物，其厚度在0 1 9 m 以下。它是采用真空 蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成 应变片。这种应变片灵敏系数高，易实现工业化生产，是一种很有前途的新型 应变片。 目前实际使用中主要问题，是尚难控制其电阻对温度和时间的变化关系。 四、半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用力而变化的所 谓“压阻效应”。所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应 特别显著，能直接反映出很微小的应变。 常见的半导体应变片是用锗和硅等半导体材料作为敏感栅，一般为单根状， 如图2 5 所示。根据压阻效应，半导体和金属丝一样可以把应变转换成电阻的变 武汉理工大学硕士学位论文 化。 荸片带状引线p - s i 压丑犀艇， n ! s i 图2 。5 半导体应变片的结构形式 半导体应变片受纵向力作用时，其电阻相对变化可以用下式表示 等= ( 1 脚h + 等 ( 2 - 1 1 ) 式中，a p i p 为半导体应变片的电阻率相对变化，其值与半导体小条的纵向轴所 受的应力之比为以常数，即 丝：砸 或 pr 1 二2 肚s x p ( 2 1 2 ) 式中，7 为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向与晶轴 方向之l 、日j 的夹角有关。 将式( 2 - 12 ) 代入式( 2 11 ) 得 等- ( 1 + 2 t + n e ) e x ( 2 - 1 3 ) 式中1 + 2 项随半导体几何形状而变化，舾项为压阻效率，随电阻率而变 化。试验表明，n e 比1 + 2 , u 大近百倍，故1 + 2 可忽略，因而半导体应变片的灵 敏系数为 k 矗：a r i r ：施( 2 - 1 4 ) 占工 半导体应变片的优点是尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数极大， 因而输出也大，可以不需要放大器直接与记录仪连接，使得测量系统简化。它 们的缺点是电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测量较大应变时非线性严重； 灵敏系数随受拉或压而变，且分散度大，一般在( 3 5 ) 之间，因而使测量结果 武汉理工大学硕士学位论文 有( 士3 5 ) 的误差。 2 2 2 电阻应变片的材料 一、敏感栅材料 制造应变片时，对敏感栅材料的要求： ( 1 ) 灵敏系数磁和电阻率p 要尽可能高而稳定，电阻变化率监尺与机械应 变之间具有良好而广泛的线性关系，即要求格在很大范围内为常数； ( 2 ) 电阻温度系数小，电阻一温度间的线性关系和出重复性好； ( 3 ) 机械强度高，辗压及焊接性能好，与其他会属之间接触热电势小； ( 4 ) 抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。 制作应变片敏感栅常用的材料有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合 金、贵金属( 铂、铂钨合金等) 材料等，材料性能见表2 一l 。 表2 1 常见应变电阻合金材料性能表 二、应变片基底材料 应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸基逐渐被胶基( 有机聚合物) 取代， 因为胶基各方面性能都好于纸基。胶基是有环氧树脂、酚醛树脂和聚铣哑安等 制成胶膜，厚约0 0 3 0 0 5 r n m 。 武汉理工大学硕士学位论文 对基底材料性能有如下要求：机械强度好，扰度好；粘贴性能好； 电绝缘性能好；热稳定性能好和抗湿性能好；无滞后和蠕变。 三、引线材料 康铜丝敏感栅应变片，引线是采用直径为0 0 5 - - - 0 1 8 m m 的银铜丝，采用电 焊焊接。 其他类型敏感栅，多采用直径与上述相对的铬镍。卡马。铁铬铝金属丝或 偏带作为引线。与敏感栅电焊相接。 2 2 3 应变片的主要参数 为了正确选择应变片，应对影响其工作特性的主要参数进行了解。 一、应变片电阻值俾d ) 它指未安装的应变片，在不受外力的情况下，于室温条件测量的电阻值， 也称原始阻值，单位以q 计，应变片阻值已趋于标准化，有6 0 q ，1 2 0 q ，3 5 0 q ， 6 0 0 q 和1 0 0 0 q 各种阻值，其中1 2 0 q 为最常使用。 二、绝缘电阻 即敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于1 0 1 0 q 。 三、灵敏系数( k ) 灵敏系数是指应变片安装与试件表面，在其轴向方向的单向应力作用下， 应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。k 值的准 确性将直接影响测量精度，其误差大小是衡量应变片质量优劣的主要标志。同 时要求k 值尽量大而稳定【2 l 】。 四、允许电流 允许电流是指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电 流。它与应变片本身、试件、粘合剂和环境等有关系。要根据应变片的阻值和 结合电流具体情况计算。为保测量精度，在静念测量时，允许电流一般为2 5 m a 。 在动态测量时，允许电流可达7 5 1 0 0 m a 。箔式应变片允许电流较大。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 血、应变极限 应变片的应变极限是指在温度一定时，指示应变值和真实应变的相对差值 不超过一定数值时的最大真是应变数值，一般差值规定为1 0 ，当指示应变值 大于真是应变的1 0 时，真是应变值成为应变片的极限应变。 六、机械之后、零漂和蠕变 应变片的机械滞后是指对粘贴的应变片，在温度一定时，增加和减少机械 应变过程中同一机械应变量下指示应变的最大差值。 零点漂移是指已粘贴好的应变片，在温度一定和无机械应变时，指示应变 随时间的变化。 蠕变是指已粘贴好的应变片，在温度一定并承受一定的机械应变时，指示 应变值随时间的变化。 2 3 测量电桥的工作原理 根据以上论述，我们知道应变片能够把被测量的应变变化转换成电阻变化， 然而这种电阻变化足很微小的。应变片所感受的机械应变量通常为l o 。6 1 0 ， 转换成电阻变化大约在1 0 。6 1 0 。2 数量级之间。这样微小的电阻变化难以用一般 的电阻测量仪器得到。所以，需要将应变片连接至特殊的电路。这种电路能把 应变片的电阻变化量转换成电信号。常见的电路有3 类，电位计、惠更斯电桥 武汉理工大学硕士学位论文 和双恒流源电桥。其中惠更斯电桥具有结构简单，精度较高等优势。以下重点 论述惠更斯电桥的工作原理。 图2 - 6 所示的是由4 个电阻构成的直流电桥，假设电桥4 个桥臂上的电阻分 别为尺l 、尺2 、尺3 、r 4 ；电桥a 、c 为输入端，接直流电源，电压大小为矾b 、 d 为输出端，输出电压为砺。电桥的输出端通常与高阻抗的放大器连接，可以 使电桥输出电流很小，一般认为为零，看作电桥输出对角是断开的。在这种前 提下推导电桥输出端的电压表达式。 a b 图2 - 6 桥式测量电路 分析a b c 半个电桥，a c 两端的电压u ，流过r l 的电流为 仁煮 所以 u _ 口= 邵，= 丽r i u 同样的道理 ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 2 击u ( 2 - 1 7 ) 因此b d 端电压为 吣叫矿c 熹一惫舻杀蒜u ( 2 1 8 ) 假设电桥4 个臂_ l z c a 阻变化分别为a r l 、a r 2 、a r 3 、a r 4 ，根据式( 2 1 8 ) 矢h 直 流电桥的输出电压变化划u o 为 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 吣毗= 等犁群踹篡鬻篇u p 柳 测量前通常会