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电气电子毕业设计论文
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毕业设计005 应变测试的技术基础,电气电子毕业设计论文
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2 应变测量技术基础2 应变测量技术基础2.1 应变测量原理2-36-112.1.1应变测量原理简介3应用应变测量技术，测量构件表面的应变及应力，对于分析与研究零件、机构或结构的受力情况及工作状态的可靠性程度，验证设计计算结果的正确性，对于发展机械设计理论，研究机械工程中某些物理现象的机理及实现机械运行自动化，都具有十分重要的意义。应变测量作为一种有效的测试与转换技术，还可以用于多种物理量的检测与计量，实现生产过程或科学实验的测量与控制。用电阻应变片作为传感器件，测量应变、应力及与之之相关的物理量，是一种常见的实验应力分析方法，其测试过程可用图2.1表示。图2.1 应变测量框图Fig.2.1 Block diagram of strain measurement电阻应变计测量电路Ru或i显示与记录仪器或计算机 其中，电阻应变计为传感器，作用是将被测试件所受的应变转换成电阻的相对变化R/R。而测量电路则包括信号放大器和滤波器，其作用是对信号进行必要的调理。显示与记录仪器或计算机的作用是显示测量结果。应变测量原理如下：把电阻应变计粘贴在被测构件表面上，并接入测量电路，当被测构件受外力作用变形时，应变片敏感栅随之变形，敏感栅的电阻值也发生相应变化，其变化量的大小与构件表面所受外力成一定的比例关系，经后接测量电路（如测量电桥）转换为电信号输出，由显示记录仪器记录或输入计算机、分析仪器进行数据处理，测量结果是应变值，通过应变与应力的力学关系，可计算出被测构件所受应力的大小。设被测物体原始长度为L，变形后的长度为（L+L），物体受力后发生的轴向相对变形（应变）为。则， (2.1)假如电阻应变计的电阻为R，R随被测物体的变形而改变，并有如下关系： (2.2)其中，K为应变计的灵敏系数。在一定范围内，有 (2.3)从上面的公式中可以看出，测出应变计电阻R的相对变化，就可以求出相应的应变。电阻应变计产生的应变和电阻的相对变化R/R具有下述关系： (2.4)由于电阻的相对变化量难以测量，通常用惠斯登电桥将其变换成电信号，如图所示为单臂应变测量电桥。UoR3R2R1+RR4U2.2 应变测量电桥Fig.2.2 Bridge of strain measurement当桥压为U时，则电桥的输出电压U0为： (2.5)通过测出电桥输出电压，便可以求出此时所测应变值。由于电桥输出为低频缓变直流信号，信号非常微弱，需要专门的测量电路（放大器）将其放大，再输入显示、记录仪表进行显示记录，或经过模数转换（A/D）和接口电路输入计算机、分析仪器进行分析处理。2.1.2 电阻应变计6-7电阻应变计俗称电阻应变片，简称应变计（Strain Gauge），是一种能将被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。电阻应变计主要是由敏感栅、基底、引出线及覆盖层等部分组成的。敏感栅是把结构应变转换为电阻变化的敏感元件；基底材料是支撑敏感栅，使它保持一定的几何形状并使敏感栅与被粘试件之间具有良好的电绝缘；覆盖层是保护敏感栅避免受外界的机械损伤并防止环境温度、湿度的侵扰的；引出线则是连接敏感栅与测量仪器，把应变计的电信号送到仪器内。应变计的各组成元件的性能将直接影晌电阻应变计的各项特性。电阻应变计的种类很多，分类的方法也很多。图2.3所示为电阻应变计的分类及其适用的场合。电阻应变计金属电阻体半导体金属及金属氧化物箔式应变计丝式应变计薄膜应变计普通用、特殊用、传感器用特殊用传感器用体型半导体应变计扩散型半导体应变计薄膜型半导体应变计特殊用、传感器用传感器用传感器用厚膜应变计传感器用图2.3 电阻应变计的分类Fig.2.3 Types of electric resistance strain gauge电阻应变计的工作特性主要有：应变片电阻、灵敏系数、横向效应系数、零点漂移和蠕变、疲劳寿命、最大工作电流和热输出等。应变计应根据应变测量的目的、被测试件的材料和应力状态、温度参数以及测量精度的要求来选择。例如，在一般室温环境下，对钢试件进行多点静态应力分析，通常选择一般用途的丝式或箔式应变计；若用作测力传感器的敏感元件，则选用零漂、蠕变很小的箔式应变计；若要求传感器的输出灵敏度很大时，可选用半导体应变计。应变计随着科学技术的发展而不断发展和改进，纵观目前国内外的应变计市场，应变计今后的发展呈现以下几种倾向：（1）通用应变计朝向高精度、使用方便、快捷省力的方向发展。 （2）传感器用应变计要求多功能、高稳定性。（3）特殊环境用应变计的多样化及稳定性的提高。现代科学技术的发展，材料、工艺技术以及电子工程、集成电路工艺的发展，开拓了应变计技术的发展前景，无论在应变电测技术方面，还是在传感器方面，至今还没有任何一种敏感元件能替代电阻应变计的，为此，电阻应变计技术的进一步研究开发仍将是今后应关心的重点问题。2.1.3 应变测量电桥2-3电阻应变计所感受的应变只能引起电阻的变化，不能直接产生电信号，因此，还必须配以适当的电源和辅助电路才能转换成电信号，以供后接测量装置进行进一步的处理。电桥就是将电阻的变化转化为电信号的电路。电桥主要有交流测量电桥和直流测量电桥两种。（1） 交流电桥过去存在于直流放大器的极间耦合和零点漂移问题没有得到很好的解决，所以应变检测大多采用交流电桥，其优点是可消除桥臂中接触热电势的影响，另外将交流载频设计到远离50Hz的市电频率，利用调谐的载波放大器即可抑制50Hz的市电干扰。但是采用交流电桥也带来一些新的问题，其主要问题是采用长导线测量时，导线的电容、电感影响很大，载波频率愈高影响就愈大，故交流电桥的载频不能太高，这就限制了测量信号的频率上限。供桥电压采用交流电源的电桥称为交流电桥，四个桥臂可以是电阻、电容或电感组成，分别如图2.4、图2.5和图2.6所示。桥臂不再是直流电桥中的“纯电阻”，而是呈复阻抗特性。分别用、表示四个桥臂的阻抗，则交流电桥的平衡关系为： (2.6)用复数表示则可改写成： (2.7)式中Z01 、Z02 、Z03 、Z04分别为各桥臂阻抗的模，1 、2 、3 、4分别是各阻抗角，要满足Z1 Z3=Z2Z4关系式， 必须同时满足以下关系,即 Z01Z03= Z02Z04( 1+3=2+4 (2.8)上式称为交流电桥的平衡条件。此式表明，交流电桥的平衡必须同时满足两个条件，即相对两臂阻抗模的乘积应相等，且相对两臂阻抗角之和也应相等。R4R1C1R2R3UU0C2R4L4R1L1R2R3UU0R4C4R1C1R2R3UU0图2.4电容电桥 图2.5电感电桥 图2.6电阻电桥Fig.2.4 Bridge of capacitance Fig.2.5 Bridge of inductance Fig.2.6 Bridge of resistance 图2.4电容电桥的平衡条件为： (2.9)图2.5电感电桥的平衡条件为： (2.10)图2.6电阻电桥的平衡条件为： (2.11)由此可见，满足交流电桥平衡的条件除了电阻平衡以外，都必须调节阻抗平衡，即分别调节电容或电感平衡。（2）直流电桥随着电子技术的发展，特别是大规模集成电路的发展，过去存在于直流放大器的极间耦合和零点漂移问题，得到很好的解决，因而直流放大式测量电路广泛应用到新一代的测试仪器中。采用直流电桥优点是信号的处理及模/数转换较为方便，信号可以不受各元件和导线分布电容及电感的影响，抗干扰能力强，电桥调节平衡电路简单，可以不需要市电。 单臂接法如图2.2所示，设桥压为U，电桥的输出电压为U0，R1为工作应变片电阻，当感受应变为时而产生的电阻增量为R，R2、 R3 、R4为高精度固定电阻。当电桥平衡时，U0=0，则有 R1R4=R2R3 (2.12)上式称为电桥的平衡条件，此式说明，欲使直流电桥平衡，其相对两臂电阻乘积应相等。当电桥处于平衡状态时，若某桥臂电阻产生增量，而U保持不变，则电桥的输出电压U0仅与该桥臂的电阻增量有关；如果该电阻增量是由应变信号引起的，则该输出电压的变化量，就表征了应变信号的变化量，从而实现了机械应变信号电信号的转换过程。令：R1 = R2 = R3 = R4 = R，当输出端接入高阻抗负载时，电桥的输出端可视为开路，那么电桥的输出电压为：= = (2.13)由于 ，其中为应变片灵敏系数。那么有：U0 = (2.14)上式表明电桥输出U0与应变呈非线性关系，而且单臂电桥非线性误差随着所测应变值的增大而增加。当所测应变很小时，可近似作线性化处理，这时输出电压可以写成：U01 = (2.15)那么，其非线性误差项为： = (2.16)用相对误差来表示非线性误差e，则有： (2.17)对于康铜等金属电阻应变片，设应变片的灵敏系数为 K 2，如果测量较大应变（如=1000m/m）时，其非线性误差为0.1%。在数据处理系统中，如果要求系统的精度小于0.1%，仅仅应变电桥这一项就占据了全部的误差，这显然是不允许的。即使所测的应变较小时，但对于采用半导体应变片，其灵敏系数 K 120，此时所产生的非线性误差仍然较大，这显然是不容忽视的，因此必须采取适当的措施进行修正。 双臂电桥图2.7称为双臂电桥。在实际的应用中，应变计虽然未承受应变，但是由于温度的变化也可引起电阻的变化，使测量结果产生温度误差。为了减少和克服非线性误差，以及由温度变化引起的电阻相对变化量，常采用差动电桥进行测试。UoR3-RR2-RR1+RR4+RU图2.8 全桥 UoR3R1+RR4U图2.7 双臂电桥 R2-R Fig.2.7 Half bridge Fig.2.8 Full bridge 图2.7中，R1、R2采用同规格应变片，原始阻值R1= R2= R3= R4= R，且R1 、R2产生的电阻增量数值相同， R1=R2 =R，但符号相反，其输出电压： (2.18)与单臂电桥相比，其输出电压提高了一倍，且利用桥路的加减（或和差）特性，分式中没有略去项，故不存在非线性误差。同时还具有温度补偿特性。 全桥图2.8称为全桥连接，即四个桥臂均为同规格应变片，桥臂电阻为R，其增量为R，其输出电压： (2.19)与单臂电桥相比较，其输出电压提高到4倍，既能克服非线性误差，又能进行温度补偿。（3）恒流源测量电路采用恒压源供电有许多的优点，但如果所测的应变较大，这时要求传感器的输出灵敏度很大，那么必须选用大灵敏系数的应变计；在应变测量电路中，应变片或传感器与测量放大器用导线连接，由于连接导线具有一定的电阻，因此也会引起测量误差，当连接导线较长时，这种误差往往很大而不能被忽略。如果这时UoRRR+RRI图2.9 恒流源测量电路Fig.2.9 Constant current source circuit仍然采用恒压源对单臂电桥供电，则测量结果会产生严重的非线性误差。这时采用恒流源测量电路可克服上述缺陷，而且还能消除长导线电阻的影响。恒流源测量电路如图2.9所示，其中I为工作恒流源，设桥臂的接电阻相同。此时电桥的输出电压为：= (2.20)其非线性误差为：，与采用恒压源供电相比，其非线性误差减小了一半，但缺点是非线性误差并没有完全消除。恒流源非常适合作灵敏系数大的应变计的激励源，如半导体应变计。2.1.4 单臂电桥的线性化处理 28对于多通道应变测量系统，为了减少测量前的准备工作量，提高测试效率，一般都采用单臂工作桥路。但是普通单臂电桥的输出电压与桥臂电阻的变化并不是线性关系，电桥的输出电压是非线性的。当电阻变化率R/R相当小时，非线性误差会很小，一般可以近似作线性化处理；但当变化率R/R较大时，其非线性误差很大，从而会大大影响测量精度。因此，有必要对单臂电桥采取非线性补偿或进行误差修正。对单臂测量电桥进行线性化处理，可以采用硬件电路，也可以采用软件的方法。在线性化电路方面，除了采用恒流源测量电路减少非线性误差之外，还可以采用以下几种线性化电路：反馈电压补偿电路、可变电压源供电电路和有源网络差分电路，详细的电路原理见相关的参考资料。采用线性化处理电路能够保证测量的精度，并且处理的实时性好，节省了处理时间，但是它们的线性化电路一般都过于复杂，成本相对软件方法来说不够经济。用软件的方法进行线性化矫正，虽然要花费一定的程序运行时间，但能充分利用计算机的运算功能，用软件方法实现线性化修正，不必增加特殊的硬件结构，通过程序即可实现传感器的线性化。采用软件方法不但成本低廉，而且容易修改，适用范围广，精度可以得到保证，特别适合于虚拟测试仪器发展的要求：最大限度地以软件替代硬件的功能。因此在多通道应变测量系统中广泛采用软件的措施来消除非线性误差。作者设计开发的QLV虚拟式应变仪就采用了软件修正的方法，并取得了满意的结果。2.1.5 电桥自动平衡技术9先进的数据采集系统已使测量应变的恒压电桥本身变得非常简单，以前，每一应变测量电桥都配有调零电位器，在正式测量前需要用手工或其它机械工具对每个电桥进行调零。如果测试系统有几百个通道，则调零工作变得十分繁琐，现在大多数应变数据采集系统已采用计算机自动校零技术，其原理如图2.10所示。应变电桥的初始不平衡零点经预放和末级放大后，经采样开关送至A/D转换器，计算机将A/D转换器输出的零点值存放在内存中，在正式测量时，计算机边选通某通道的采样开关边从内存中取出该通道的零点值送给这一通道的D/A转换器，D/A转换器的输出与此时的电桥输出（经预放）在末级放大器输入端进行相加，消除该通道应变测量电桥初始零点对实测值的影响。应变测量电桥图2.10 自动校零电路示意图D/A来自计算机的零点数据至A/DU预放末放R3R4R5R7R6R1R2Fig.2.10 Sketch map of autozero circuit为提高测试效率，虚拟式应变测试仪采用软件自动校零功能，使测试前的准备工作减至最少，即应变电桥的初始不平衡点经采集后得到该通道的零点值存放在内存中（采集一组数据，然后取平均值作为零点值），正式测量时，将该通道的测量值减去对应的零点值，从而消除初始电桥的不平衡所带来的误差，既提高了效率，又改善了测量精度。2.1.6 电桥在使用中应注意的问题10电桥电路有着很高的灵敏度和精度，而且结构形式多样，适合于不同的应用。但电桥电路也容易受到不同外界因素的影响，如温度、电源电压及频率以及导线等，此外，在不同的应用中需要调节电桥的灵敏度，以适应不同的测量精度。因此，在电桥应用中应注意以下几点： 连接导线的补偿在实际应用中，所用的传感器与所连接的仪表常常有一段可观的距离，这样连接导线会给电桥的一臂引入附加阻抗，由此会带来测量误差。这时考虑采用三导线结构形式就会消除由此所引起的任何不平衡。 电桥灵敏度的调节 测量小电阻阻值的电桥一般的测量电桥几乎都是惠斯登电桥，这种电路一般不能用来测量毫欧或微欧量级的微小阻值，因为导线电阻以及内部的电缆和节点电阻均会增加测量电阻的数值量级，这时可以采用汤普逊（Thomson bridge）电路就能够解决这一问题，其测量的最小电阻值可达到107欧，具体测量电路可参考相关的资料。2.1.7 放大电路3（1）交流放大式测量电路过去，由于极间耦合和零漂问题难于解决，因此大多数应变测量仪器采用交流调制式传输方式，如y6D-3、yD15等动态电阻应变仪，其原理框图如图2.11所示。图2.11 y6D-3动态电阻应变仪框图Fig.2.11 Block diagram of dynamic strain gauge of y6D-3电桥：大多采用交流电桥，它是一个调制器，由高频振荡器提供幅值稳定载波作为桥压，在电桥内，被应变信号调制后变成调幅波，将应变计的电阻变化按比例转换成电压信号，然后送至交流放大器放大。高频振荡器：产生幅值稳定的高频正弦波电压，简称载波，它既是调制器（电桥）的桥压，也是解调器的参考电压，为使被测应变信号实现不失真传输，应使载被电压的频率比被测信号频率高510倍。放大器：将电桥输出的微弱调幅电压信号进行不失真的电压的功率放大，要求它有很高的稳定性。相敏检波器：它是由四个二极管组成的环电路，利用振荡器提供的同一载波信号作为参考信号，在相敏检波器内辨别极性，放大的调幅波还原成与被测应变信号相同的波形。低通滤波器：相敏检波器输出的电压信号中，含有高频载波分量，为此应变仪设置有低通滤波器滤去高频成份，使输出信号还原成已放大的被测输入信号。（2） 直流放大式测量电路其基本特征是采用直接耦合的方式进行信号的放大、传输和处理。直接耦合式放大器的特点为了放大缓变信号，直流放大器采用多级放大，而前级与后级间是直接耦合的，从而产生了极间静态工作点相互影响。为解决这一问题，可以采用阻容耦合、变压器耦合和直接耦合三种方式。前两种耦合方式的基本特征是采用电容和变压器隔直，极间静态工作点互不影响，但不能放大直流或缓变信号，且体积大，集成电路要制作耦合电容或电感元件是非常困难的，故不易集成化；而直接耦合式放大器能放大缓变信号，不用耦合电容，易于小型化和集成化，但极间静态工作点互相影响，静态参数计算复杂，而且很容易出现零点漂移，这是直接耦合式直流放大器必须解决的两大难题。差动式放大电路为了解决极间耦合和零漂问题，常采用差动式放大电路，利用两个相同特性的三极管组成对称电路，并采用共模负反馈电路的方法，解决极间耦合和克服零点漂移问题。我国已从第一代集成运算放大器，发展到自稳零集成运算放大器，已经较好解决了上述两个问题，并且获得了高稳定度、高精度、高放大倍数的直流放大器，为测试仪器的发展提供了坚实的基础。2.1.8 模块式应变信号调理器2为了减少系统设计者或使用者的工作量，目前已经有厂商专门生产出应变计电桥信号调理器（Strain Gauge Bridge Conditioners）。它由三个部分组成：高性能可调增益低电平放大器；可调截频的三点低通滤波器；电压可调的应变电桥激励源。这三部分电路组装在一个很小的模块里，其体积大约50mm50mm10mm，如美国模拟器件公司生产的2B31型应变信号调理器，它的放大器部分由前置的低电平差分仪器放大器和后接缓冲放大器组成，其增益可调范围为12000倍，可调截频的低通滤波器的截频的调节范围可从2Hz到5kHz，选用不同的电阻值即可得到不同的截频，可调的激励源可以接成恒压桥源和恒流源两种输出方式。这种信号调理器主要用于电桥测量应变，或以电阻应变计为敏感元件的各种压力、扭矩以及力传感器，也可用于半导体应变计测量应变，或用于热电阻、热敏电阻传感器来测量温度，故其使用的范围非常广泛。2.1.9 抗干扰技术911由于现场测试时存在接地不良，导线分布电容、互感、电焊机强磁场干扰或雷击等原因，会导致测试结果的改变，当被测对象到测试系统之间的距离很长（几十米至几百米）时，更会引入干扰。因此，为了提高系统的抗干扰能力，应该采取有效措施加以排除。（1）干扰的分类干扰即噪声（noise），要有效抑制噪声，首先要清楚噪声发生机制，然后根据噪声发生机制选用相应的抗干扰技术。噪声发生机制有四种方式，即传导耦合、电感耦合、电容耦合以及电磁场耦合。具体含义这里就不详述，有关内容可参考相关书籍。（2）抗干扰的方法抗干扰方法减小耦合减小参考平面的阻抗增大空间距离减小电路的环路面积替代方法改进实际电路消除干扰源利用滤波器平衡线路屏蔽 图2.12 抗干扰的方法Fig.2.12 Method of anti-jamming（3）本课题采用的抗干扰技术采用屏蔽双绞线电缆连接电桥的信号输出和激励电源。电缆的屏蔽端接至试件的结构地，或接至测试系统大地连接点，但不能两端都接地。在某些干扰不严重的现场，采用不带屏蔽的手工双绞成的电缆亦能较好地满足测试要求。在布置信号电缆时，应远离动力线和其它电源或信号线。如果远离有困难，也应避免应变测量信号线与其它动力线或信号线的长段平行走线。信号电缆应远离热源，如暖气片、高温炉等。大功率用电设备及会产生明显电弧或火花的设备应尽可能远离应变测量的现场。2.2 以应变测量为基础的参数测量2-312142.2.1 应力测量2-312应力测量方法按测量区域进行分类可以分为全场测量和逐点测量两大类。在进行事故分析时，了解全场应力分布比了解逐点应力值更为重要，对于新的结构设计，常常需要做出模型，进行全场应力分析比较，然后再进行具体设计。从测量原理进行分类，应力测量的方法可以分成应变电测法、光弹性测量法、云纹法、全息干涉法及散斑干涉法、脆性涂层法、磁性应变法、镀铜法、X射线应力测定法、热弹性测应力法、声弹性测应力法、焦散线法等，其中应变电测法的发展历史较为悠久，其应用范围非常广泛。应变电测法采用电阻应变计作为传感元件将构件表面应变转换成电阻的相对变化，然后用应变测量仪器将电阻变化转换成电压或电流的变化，经放大检波测量记录，由所测应变换算成应力。这种方法自1936年以来迅速发展，广泛应用于各种机械、结构的应力测量。（1） 单向应力状态沿构件轴线方向布片，可测出主应变，则主应力为： (2.21)式中：E材料的弹性模量测得的应变（2）平面应力状态 主应力方向已知如主应力1、2、方向为已知，分别测出该主应力方向的主应变1、2，则可以按照虎克公式计算主应力： (2.22) (2.23) 其中，E、分别为材料的弹性模量和泊松比。 主应力方向未知一般情况下，应采用应变花布片，分别测得三个方向的线应变，再根据相关公式计算出相应的主应变和主应力。如图2.13所示，设沿任意三个方向、粘贴了三个应变计，其中、分别应变与轴的夹角，测得三个方向的应变分别为、和，根据应变状态理论，有如下表达式：xy3120图2.13 主应力方向未知时应变计的粘贴Fig.2.13 Affix of strain gauge for unknown principal stress direction (2.24) (2.25) (2.26)从而解出三个未知参数、和，在根据以下公式计算出主应变、和主方向与轴的夹角。 (2.27) (2.28) (2.29)将主应变、代入(2.22)和(2.23)，即可求出主应力、，即 (2.30) (2.31)2.2.2 弯矩测量13如图2.14所示，当梁在载荷作用下发生弯曲变形时，工作片的电阻值将随着梁的变形而发生变化，分别测量出对应位置的应变值，然
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